某熱動(dòng)力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)優(yōu)化的研究及應(yīng)用

孫濤 趙永全 劉春林 平雙榮 徐向東

陜西延長(zhǎng)中煤榆林能源化工股份有限公司 陜西 榆林 718500

我國(guó)是一個(gè)能源結(jié)構(gòu)以燃煤為主的國(guó)家，隨著工業(yè)化進(jìn)程及城鎮(zhèn)化的加劇，燃煤引起的大氣污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，其中燃煤電廠產(chǎn)生的NOx、SO2及煙塵等污染物對(duì)大氣環(huán)境的惡化有重要貢獻(xiàn)[1-2]。NOx不但會(huì)造成臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、酸雨和光化學(xué)污染等一系列環(huán)境問(wèn)題，還對(duì)人體健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。隨著生活水平的提高，近年來(lái)大氣污染問(wèn)題也逐漸受到人們的重視，國(guó)家對(duì)燃煤電廠大氣污染物的控制力度也不斷加大，并針對(duì)火電行業(yè)制定了日趨嚴(yán)厲的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)，如《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》及（HJ2053-2018）《燃煤電廠超低排放煙氣治理工程技術(shù)規(guī)范》，要求采取措施進(jìn)行污染治理[3]。本文對(duì)某熱動(dòng)力站320t/h煤粉鍋爐脫硝系統(tǒng)的升級(jí)改造進(jìn)行實(shí)例分析，以期為今后類似項(xiàng)目的升級(jí)改造提供經(jīng)驗(yàn)借鑒與參考。

1 相關(guān)概況

該熱動(dòng)力站一期啟動(dòng)項(xiàng)目公用工程系統(tǒng)熱動(dòng)力站有4×320t/h高溫高壓煤粉鍋爐，每臺(tái)爐配2臺(tái)熱一次風(fēng)機(jī)，2臺(tái)送風(fēng)機(jī)和2臺(tái)引風(fēng)機(jī)，配套華西能源有限公司設(shè)計(jì)制造單爐膛四角切圓燃燒鍋爐，NOx排放濃度500mg/m3。為滿足《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》的要求，將氮氧化物排放濃度穩(wěn)定的控制到50mg/m3以下，該熱動(dòng)力站一期機(jī)組完成了SCR煙氣脫硝改造及SCR提效改造[4]。通過(guò)上述改造措施，目前能夠?qū)⒌趸餄舛瓤刂频?0mg/m3以下，但由于省煤器脫硝裝置入口（SCR）NOx濃度高，分布偏差較大且規(guī)律不穩(wěn)定，催化劑入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大，使得SCR出口NOx分布均勻性差、局部氨逃逸高，進(jìn)而導(dǎo)致空預(yù)器阻力大、氨耗量偏高等問(wèn)題[5]；同時(shí)脫硝入口水平煙道、整流格柵、催化劑部分區(qū)域存在較多積灰，嚴(yán)重影響設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，有必要采取措施進(jìn)行優(yōu)化改造。為解決上述問(wèn)題，針對(duì)其1、2號(hào)鍋爐現(xiàn)有SCR裝置等運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行評(píng)估，提出解決SCR裝置入口NH3與NOx摩爾比分布偏差大、氨逃逸超標(biāo)、煙道積灰問(wèn)題的方案，實(shí)現(xiàn)機(jī)組和SCR裝置的安全可靠運(yùn)行。

2 常規(guī)SCR 技術(shù)的局限性

現(xiàn)有常規(guī)SCR系統(tǒng)的噴氨及混合技術(shù)，要求SCR入口NOx分布均勻且穩(wěn)定，根據(jù)SCR入口NOx分布相應(yīng)調(diào)節(jié)各手動(dòng)調(diào)節(jié)閥開(kāi)度，控制各分區(qū)噴入還原劑的量。這種方式的不足在于：

（1）對(duì)于SCR入口NOx濃度比較常見(jiàn)的±30mg/m3的變化，當(dāng)出口NOx控制在100mg/m3時(shí)這種問(wèn)題不太顯著。在超低排放情況下，出口NOx通?？刂圃?5mg/m3左右，這種問(wèn)題變得比較突出。

（3）機(jī)組現(xiàn)有噴氨格柵各支管閥門為手動(dòng)閥門，在進(jìn)行噴氨調(diào)整試驗(yàn)后，一般不再進(jìn)行調(diào)整，因此脫硝裝置入口煙道各位置相對(duì)噴氨量固定，需適應(yīng)機(jī)組所有負(fù)荷、工況下入口NOx分布情況。在此情況下，必然會(huì)有部分工況、部分位置存在噴氨不均勻的現(xiàn)象，導(dǎo)致脫硝裝置出口部分位置NOx濃度過(guò)低或過(guò)高，造成局部氨逃逸過(guò)高或NOx排放值偏高的情況。

（4）由于脫硝裝置煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）采樣的滯后及噴氨控制的延遲，會(huì)導(dǎo)致噴氨控制跟隨工況變化不佳，超低排放改造后，對(duì)脫硝裝置出口NOx濃度的控制穩(wěn)定性要求更高，需對(duì)脫硝噴氨控制進(jìn)行優(yōu)化，減小因工況、煤質(zhì)等變化導(dǎo)致脫硝裝置出口NOx濃度的波動(dòng)。

隨著超低排放標(biāo)準(zhǔn)的全面推廣，機(jī)組SCR脫硝效率往往超過(guò)90%，氨氮比平均值超過(guò)0.9，當(dāng)入口NOx濃度波動(dòng)時(shí)，常規(guī)SCR的催化劑上游截面處的氨氮比超過(guò)1.0的位置將大為增加，這些位置的氨將大量逃逸，造成空預(yù)器嚴(yán)重堵塞；而氨氮比低于平均值的位置，脫硝效率不能達(dá)標(biāo)。在已進(jìn)行了超低排放改造的鍋爐中，這種問(wèn)題比較普遍。

3 脫硝噴氨優(yōu)化方案

3.1 總體思路

按照流場(chǎng)優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測(cè)量+總量控制方案，對(duì)現(xiàn)有脫硝流場(chǎng)通過(guò)調(diào)整或優(yōu)化導(dǎo)流板的布置方式進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，進(jìn)一步提高現(xiàn)有脫硝裝置的濃度場(chǎng)、速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)等性能。通過(guò)對(duì)脫硝裝置入口煙道位置的噴氨格柵進(jìn)行分組，按煙道寬度進(jìn)行分區(qū)控制，同時(shí)在脫硝裝置出口煙道按寬度方向設(shè)置分區(qū)測(cè)量裝置，根據(jù)測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整入口分區(qū)的閥門開(kāi)度，控制噴氨量。

3.2 設(shè)計(jì)改造

脫硝噴氨優(yōu)化改造采用“流場(chǎng)優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測(cè)量+總量控制”的方案。在一次設(shè)備具有調(diào)節(jié)余量且無(wú)缺陷、催化劑活性滿足要求的前提下，按小時(shí)均值計(jì)算，改造后SCR出口NOx分布均勻性預(yù)期可以達(dá)到如下效果：

（1）穩(wěn)定工況SCR出口任一分區(qū)NOx濃度與該煙道平均NOx濃度平均值的偏差不超過(guò)±10mg/m3；

2.3.1 一般護(hù)理 患者一般采用全麻或硬膜外麻醉，回病房后取去枕平臥位6 h;如腰麻則需去枕平臥12～24 h，頭偏向一側(cè)，保持呼吸道通暢，以免嘔吐物、分泌物嗆入氣管，引起吸入性肺炎。6 h后取半臥位，利于腹腔引流，同時(shí)減輕腹部張力，促進(jìn)切口愈合。協(xié)助患者每2 h床上翻身1次，大多數(shù)患者常因擔(dān)心活動(dòng)會(huì)牽拉傷口引起疼痛、滲血、切口裂開(kāi)而不敢翻身活動(dòng)，護(hù)士應(yīng)耐心講解早期活動(dòng)的重要性，促使患者主動(dòng)配合。

（2）穩(wěn)定工況煙囪入口NOx濃度與SCR出口NOx濃度平均值偏差≤5mg/m3；

（3）穩(wěn)定工況煙囪入口NOx濃度波動(dòng)范圍≤±5 mg/m3；

（4）動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況煙囪入口NOx濃度波動(dòng)范圍≤±8 mg/m3；

（5）SCR出口各分區(qū)NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV＜20%。

3.2.1 流場(chǎng)優(yōu)化

根據(jù)具體機(jī)組的具體煙道特點(diǎn)建立計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）模型，通過(guò)在煙道彎頭、擴(kuò)口段等位置通過(guò)導(dǎo)流與整流的方式使煙氣在頂層催化劑入口處達(dá)到如下性能保證值：

（1）速度分布：相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值≤15%；

（2）溫度最大偏差：平均值的±10℃；

（3）煙氣入射催化劑最大角度（與垂直方向的夾角）：≤10°；

（4）NH3與NOx摩爾比分布：相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差CV值≤5%；

原有導(dǎo)流板等設(shè)施根據(jù)性能指標(biāo)要求進(jìn)行配合設(shè)計(jì)，對(duì)各種煙氣條件進(jìn)行設(shè)置，反復(fù)模擬和優(yōu)化，確定最優(yōu)的分區(qū)及混合的流場(chǎng)設(shè)計(jì)方案。

3.2.2 分區(qū)改造

精細(xì)化噴氨管路模塊，要實(shí)現(xiàn)噴入的氨與脫硝各區(qū)域的實(shí)際需求相匹配，各區(qū)域噴氨量的控制至關(guān)重要。隨著機(jī)組負(fù)荷、磨機(jī)運(yùn)行組合方式等因素變化時(shí)各區(qū)域的氮氧化物總量會(huì)發(fā)生變化，因現(xiàn)有的噴氨格柵均為手動(dòng)門控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)，故本方案將煙道噴氨格柵分為4個(gè)區(qū)，分別加裝氣動(dòng)調(diào)節(jié)門和流量計(jì)加以調(diào)節(jié)和計(jì)量；構(gòu)建“噴氨總閥+分區(qū)調(diào)平閥（氣動(dòng)）+支管調(diào)節(jié)閥”的三級(jí)串聯(lián)調(diào)節(jié)的執(zhí)行模塊。對(duì)應(yīng)的，需要對(duì)氨與空氣混合氣體管道進(jìn)行分區(qū)改造。氨/空氣混合集箱切割封堵分別對(duì)應(yīng)4個(gè)自動(dòng)控制閥對(duì)應(yīng)的噴氨格柵，煙道內(nèi)部原有的噴氨格柵更換，噴氨支管按照4分區(qū)進(jìn)行相應(yīng)管道調(diào)整。

3.2.3 分區(qū)測(cè)量

新增一套分區(qū)控制優(yōu)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)環(huán)保考核NOx濃度壓線運(yùn)行，降低噴氨總量。針對(duì)反應(yīng)器出入口CEUS系統(tǒng)數(shù)據(jù)（NOx/O2）滯后性問(wèn)題，CEMS系統(tǒng)單點(diǎn)或多點(diǎn)輪巡采樣監(jiān)測(cè)的煙氣參數(shù)代表性差的問(wèn)題。本方案擬采用多點(diǎn)原位式在線數(shù)據(jù)采集儀表測(cè)量，根據(jù)鍋爐脫硝實(shí)際工況，反應(yīng)器入口設(shè)置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，出口設(shè)置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)相互獨(dú)立且每個(gè)測(cè)點(diǎn)均配置獨(dú)立的分析單元，同步測(cè)量實(shí)時(shí)輸出數(shù)據(jù)，區(qū)別于傳統(tǒng)CEMS單點(diǎn)或輪巡抽取檢測(cè)方式，要求儀表響應(yīng)時(shí)間小于5s，各測(cè)點(diǎn)取樣管路反吹數(shù)據(jù)保持不得超過(guò)10s，數(shù)據(jù)采集傳感器直接安裝于煙道上，為各分區(qū)調(diào)整提供實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)。噴氨格柵依據(jù)出口4測(cè)點(diǎn)數(shù)量分為4個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)加裝氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，并根據(jù)各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整各分區(qū)閥門，實(shí)現(xiàn) NH3與NOX均勻混合，降低氨逃逸量，有限緩解空預(yù)器堵塞問(wèn)題。

3.2.4 總量控制

控制邏輯透明的植入DCS控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制方案采用基于脫硝反應(yīng)原理（氨氮摩爾比）的控制理念。具體控制方法為串級(jí)調(diào)節(jié)，控制的主調(diào)節(jié)有別于傳統(tǒng)的輸出（修正供氨量），主調(diào)節(jié)輸出數(shù)據(jù)和控制器采集的相關(guān)數(shù)據(jù)運(yùn)算后得出副調(diào)節(jié)的給定值（即供氨量），副調(diào)節(jié)給定值為供氨流量調(diào)節(jié)信號(hào)，消除了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)閥門流量特性對(duì)調(diào)節(jié)性能的影響，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)氨氮摩爾比控制。脫硝優(yōu)化控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)模型，通過(guò)模型實(shí)時(shí)計(jì)算并尋找在實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)下，被控系統(tǒng)可以達(dá)到的最優(yōu)化的控制目標(biāo)，并以此為定值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化控制。要求精準(zhǔn)噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)具備在任何工況下噴氨量過(guò)大時(shí)的“保護(hù)功能”，即在機(jī)組任一負(fù)荷下，因NOx儀表或其它參數(shù)異常，導(dǎo)致噴氨優(yōu)化指令遠(yuǎn)高于實(shí)際需要的噴氨量，為防止此種情況下過(guò)量噴氨造成氨逃逸，優(yōu)化控制系統(tǒng)給噴氨優(yōu)化指令設(shè)計(jì)相應(yīng)的保護(hù)定值，從自動(dòng)調(diào)節(jié)角度最大程度減小氨氣逃逸量，使調(diào)節(jié)門能夠?qū)崿F(xiàn)按需噴氨，確保噴氨能夠按照實(shí)際工況需求變化閥門的開(kāi)度，避免過(guò)量噴氨。整個(gè)系統(tǒng)可全面提升噴氨控制的品質(zhì)，使 SCR性能適應(yīng) NOx超低排放要求，達(dá)到節(jié)約噴氨量、降低NOx排放濃度、降低空預(yù)器堵塞幾率、減輕尾部設(shè)備積灰等綜合效果。

4 改造后效果分析

目前，該熱動(dòng)力站一期機(jī)組已實(shí)現(xiàn)NOx排放濃度低于50mg/m3排放運(yùn)行，氨逃逸偏高。本次改造后，可在NOx達(dá)標(biāo)同時(shí)保證氨逃逸低于3μL/L排放，減少了氨逃逸對(duì)環(huán)境的污染。改造后的性能試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)該熱動(dòng)力站鍋爐現(xiàn)有脫硝設(shè)備運(yùn)行情況綜合評(píng)估，針對(duì)目前SCR系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，得出以下主要結(jié)論：

1）針對(duì)現(xiàn)有脫硝設(shè)備運(yùn)行性能現(xiàn)狀，提出了“流場(chǎng)優(yōu)化+分區(qū)改造+分區(qū)測(cè)量+總量控制”的升級(jí)改造思路，消除局部NH3與NOx摩爾比超過(guò)1.0的現(xiàn)象，從而安全、經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)氮氧化物超低排放。

2）在SCR入口加裝全斷面煙氣混合器，降低SCR入口NOx分布偏差，將預(yù)混后的煙道分為四個(gè)分區(qū)，分區(qū)截面接近方形，可對(duì)該截面內(nèi)的煙氣進(jìn)行充分混合，在SCR出口斷面各分區(qū)內(nèi)進(jìn)行在線NOx測(cè)量，實(shí)時(shí)調(diào)整各分區(qū)噴氨量；同時(shí)對(duì)噴氨總量及各分區(qū)的噴氨量的控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，最終通過(guò)SCR將NOx排放穩(wěn)定控制到50mg/m3以下，氨逃逸＜3μL/L。