SCR脱硝系统存在的若干关键问题及其解决措施_张志中.pdf

年，第 期 65 收稿日期：基金项目：中国华电集团横向科技项目（）作者简介：张志中（），男，河南信阳人，硕士研究生，从事火电厂环保技术的研究与应用。脱硝系统存在的若干关键问题及其解决措施张志中，姜肇中，江建平，陈 琦，刘现伟，蒋 文，张 杨，郭 栋（华电电力科学研究院有限公司，浙江 杭州；新疆华电喀什热电有限责任公司，新疆 喀什；杭州华电能源工程有限公司，浙江 杭州）摘 要：过去几年，火电厂广泛采用选择性催化还原脱硝技术（）实现 的超低排放目标，但运行后期催化剂磨损和堵塞加剧，脱硝出口 浓度偏差变大，氨逃逸排放增加，喷氨控制不精准等问题逐渐暴露。从入口流场均匀性差、出口 取样点代表性不足和脱硝控制系统反应滞后三个方面进行原因分析，并提出相应的解决措施，包括流场优化改造、采用全截面多点取样系统和脱硝控制系统优化。通过分析和总结，以期为火电厂 脱硝装置的高效、经济运行提供参考，并用于指导下一步的脱硝技术改造工作。关键词：火电厂；超低排放；脱硝装置；流场优化；多点取样；控制系统优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（，；，；，）：（），：，：；引 言据中电联发布的中国电力行业年度发展报告 统计显示，年我国电力行业烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放量分别约为 万、万 和 万，其中氮氧化物作（）为火电厂排放量最多的大气污染物，能够引起酸雨、光化学烟雾、臭氧层破坏和温室效应等环境问题，还会增加大气中细颗粒物 的浓度，严重危害人体健康和人类生存环境。“十二五”期间，为了响应节能环保DOI:10.16189/ki.nygc.2023.02.009 66 国务院印发的节能减排“十二五”规划，火电厂大力开展低氮燃烧技术改造和建设烟气脱硝装置，综合脱除率达到 以上。到了“十三五”期间，为了响应三部委联合印发的煤电节能减排升级与改造行动计划（）通知，火电厂烟气超低排放改造工作在全国范围迅速铺开，进一步降低了各种污染物的排放浓度，其中执行 的排放限值要求。上述两轮烟气治理工作中，的控制主要采用烟气脱硝技术，其中选择性催化还原脱硝技术（）占据绝对的主导地位，成为目前控制 最成熟和最有效的技术。由于火电厂前期脱硝改造工期紧，任务重，上马速度快，到了后期脱硝工程隐藏的问题逐渐显露，特别是超低排放改造后脱硝系统流场均匀性差、出口 浓度分布偏差大、精准喷氨控制难、氨逃逸超标等问题尤为突出，已经严重制约当前脱硝装置安全、环保、经济运行。脱硝装置入口流场均匀性影响 摩尔比分布偏差，决定了整体脱硝效率和出口氨逃逸排放水平。脱硝效率可以通过增加喷氨量加以实现，但在流场不均的情况下，往往会引起氨逃逸超标，促进硫酸氢铵的生成，进而堵塞催化剂微孔引起催化剂失活，还会导致下游空预器积灰堵塞，因此氨逃逸指标成为脱硝运行重点关注的对象。实际运行时喷氨量往往通过脱硝装置出口 浓度进行控制，烟气取样是否具有代表性关乎喷氨量的准确程度，也直接影响氨逃逸的大小。脱硝控制系统是否灵敏可靠决定了脱硝装置出口 浓度的稳定达标排放水平，同时也影响喷氨系统的经济合理性。本文主要针对超低排放改造后脱硝装置运行过程中存在的关键问题进行分析，从流场优化改造、采用多点取样系统、脱硝控制系统优化等方面提出相应的解决措施，以用于指导火电厂 脱硝系统的运行和优化改造工作。脱硝装置存在的关键问题在实际运行过程中，通过分析发现 脱硝装置主要存在烟气流场不均，出口在线 浓度值代表性差，脱硝控制系统反应滞后等问题，给日常的运行控制带来诸多不变，同时也给脱硝催化剂及下游空预器、低温换热器的安全运行埋下重大隐患。因此有必要对上述关键问题进行分析和总结。入口流场均匀性差火电厂在超低排放改造时多数采用增加备用层脱硝催化剂或更换原有催化剂的方案以实现的达标排放，很少关注脱硝系统流场均匀性问题，也未真正有效开展流场治理工作，实际的流场运行状况普遍较差，为了 达标排放，经常出现喷氨过量，出口 浓度偏低等现象。随着负荷、煤种等的改变，脱硝反应器入口流场也会发生变化，进而增加喷氨量控制的难度，不利于与 均匀混合，导致整体脱硝效率降低和局部氨逃逸超标。根据冯前伟等对 台燃煤机组超低排放改造前后的测试数据分析，改造前后 入口 浓度分布较为均匀，偏差基本在以内；入口烟气流速偏差在 以上的机组改造前后均占 左右，入口烟气流速偏差在 以上的机组改造前后分别占 和；改造后 出口 浓度偏差普遍高于改造前，基本在。超低改造后速度场偏差虽较改造前有所改善，但多数机组仍未达到设计偏差要求。入口速度场偏差与出口 浓度场偏差存在高度关联性，通常入口速度场偏差越大，出口 浓度场偏差会进一步放大，局部氨逃逸也会越大，且速度场偏差导致的催化剂局部磨损或堵塞也极大影响脱硝系统的安全运行。超低改造后脱硝效率一般提高至 以上，有的机组甚至可达到，对喷氨混合系统的性能提出了更高的要求，原有喷氨混合系统在未进行优化改造的情况下会导致 与 混合不均，也会导致超低改造后出口 浓度偏差较改造前增大，对脱硝系统的安全、经济运行非常不利。出口 取样点代表性不足脱硝 取样探头多为单点取样探头，在大截面烟道、变径烟道、直段烟道短、烟道弯头较多及湍流烟气条件下，抽取的烟气很难具有代表性，经常出现脱硝反应器出口 浓度值与烟囱入口 浓度值偏离较大的现象。脱硝出口在线 浓度值直接影响喷氨量的控制，如果测量值比实际值低，则会降低喷氨量，进而导致烟囱入口 浓度超标，反之则会提高喷氨量，导致氨逃逸增加。部分电厂在脱硝出口烟道采用三点或四点取样并混合分析的方式，虽然在一定程度上提高了 浓度的真实性，但取样结果代表性依然不足，不能全面反映整个烟道截面的 节能环保 年，第 期 67 浓度水平。出口 浓度取样代表性不足，一方面会影响喷氨系统的经济性，另一方面会增加环保设施安全运行的风险，因此对电厂运行人员的经验水平和判断能力提出了更高的要求。脱硝控制系统反应滞后国内火电厂 系统大多采用 控制方法，该方法具有结构简单、调节方便和适应性强的特点，主要采用两种控制方式，一是固定 摩尔比方式，另一种是动态 摩尔比方式。前者主要根据 入口烟气量及浓度，按照固定的 摩尔比计算，再通过 控制得到喷氨量设定值，并与实际喷氨量进行比较得出偏差，最后通过 控制喷氨阀门开度以调节喷氨量，近似认为是一种开环控制方式。后者主要根据 入口烟气量及 浓度计算得出 质量流量，由预先设定的 摩尔比计算所需的氨耗量，利用出口 浓度实测值与 浓度设定值的偏差对初始 摩尔比修正，得到氨耗量的修正值，再通过 控制得到输出氨耗量，最后实现喷氨阀门开度的自动调节和对出口 浓度的闭环控制。在实际 控制过程中，不可避免地存在 与反应时间、末端催化剂出口至脱硝出口 取样点间的烟气流动时间及 取样分析时间，这三个因素直接导致该控制方式具有一定的滞后性，主要表现为出口 浓度波动大，超调现象频繁，喷氨过量等问题，导致氨逃逸增加，尤其在机组负荷升降、煤质变化、燃烧调整、磨煤机启停等工况下较为明显，不利于脱硝系统的稳定运行。主要解决措施 流场优化改造 脱硝系统最关键的两个指标是脱硝效率和氨逃逸，而对这两类指标影响最大的因素是速度场的均匀性及烟气与 的混合效果。通过优化流场可以在较大程度上降低这两类因素对脱硝系统的不利影响。主要通过开展现场冷态试验，利用流体力学数值计算方法（）并结合物理模型试验，对省煤器出口至脱硝反应器首层催化剂入口之间的导流板、整流器、喷氨格栅及混合装置进行调整，重点关注喷氨格栅上游和首层催化剂入口处的流速分布状况，最终实现首层催化剂入口烟气流速偏差，摩尔比偏差。在流场优化的基础上，通过开展定期的热态喷氨优化调整试验，使烟气速度场与浓度场进一步匹配，减少喷氨不均现象，有利于充分发挥 系统的脱硝性能。在机组停炉或检修期间进入脱硝反应器，通过查看反应器内积灰分布及催化剂的磨损、堵塞情况可以初步判断流场是否均匀，再结合冷态速度场测试数据可以判断流场改造的必要性。在流场优化改造时最主要的手段是调整固定导流板的数量、型式、布置位置和角度。另外也可以在喷氨格栅上游及首层催化剂上游烟道转向室位置布置一定数量的可动导流板，并对整流器上游的固定导流板进行优化改造，如图 所示。通过喷氨格栅上游及首层催化剂入口全截面多点分区布置的烟气流速测量装置可以分析烟气速度场的偏差，以该偏差作为反馈用于指导可动导流板角度的微调，从而能够获得较为理想的烟气流场分布。流场优化改造后能够有效减轻烟气偏流造成的催化剂磨损、堵塞问题，同时能够降低氨逃逸水平，减缓硫酸氢铵堵塞和腐蚀等问题。图 可动 固定导流板组合流场优化示意图 采用全截面多点取样系统考虑到很多电厂脱硝出口与烟囱入口 浓度测量值存在偏差大的问题，提出了脱硝出口烟道全截面多点取样系统，主要根据脱硝出口烟道结构和截面尺寸大小，参照 固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法设置多个取样点。出口烟道截面内由若干根取样枪构成，每根取样枪设有多个取样喷嘴，每个取样喷嘴对应一个取样点。多点取样系统主要由烟气取样单元、测量单元及控制单元组成，该系统的典型布置如图 所示，通过取样单元抽取各点节能环保 68 的烟气，混合后进入测量单元进行分析测试，烟气成分测试数据由测量单元传送至控制单元，进而再转变成电流信号供脱硝控制系统使用。为了保证测试数据的准确性和取样系统的可靠性，样气至测量单元的管路采用高温伴热，取样过程中需利用压缩空气对气流管路进行定时吹扫，取样枪满足耐磨、防堵和易于更换等设计要求。采用多点取样系统能够较准确地掌握脱硝出口烟道 排放水平，有助于提高脱硝系统的运行经济性和减少运行人员的判断误差。图 出口烟道多点取样系统示意图 脱硝控制系统优化 脱硝控制系统通常以入口 浓度作为前馈用于指导喷氨量的控制，入口 浓度一般采用在线 测量数据，但是从烟道抽取气样到分析测量结束存在一定的延迟，往往会导致出口 浓度产生不同程度的波动。通过采用数据挖掘、大数据算法等技术，采集锅炉低氮燃烧数据，结合低氮燃烧机理及 生成原理，开展影响 生成的燃烧研究及磨机切换等特殊工况的研究，开发入口 浓度预测模型，实现对脱硝系统入口 浓度的精准预测。脱硝控制系统能够及时获取来自预测模型的入口浓度信号，并执行喷氨总量的闭环控制，有助于降低出口 浓度的波动程度和提高变工况条件下的适应性。针对常规 控制方法，可以通过对喷氨系统控制逻辑进行修改来组建新的控制回路以实现对脱硝控制系统的优化。新回路由主要 和前馈构成，以脱硝出口 浓度设定值和测量值分别作为 的设定值、测量值，以风煤配比、磨煤机启停、脱硝入口 浓度、浓度预测和补偿回路、脱硝出口 浓度小时均值和 设定修正回路、两侧出口 浓度拉回逻辑等作为前馈的主要参变量，并新增相关连锁功能。优化后的控制系统运行稳定性更好，精准度高，响应速度快，能够保证脱硝出口 浓度稳定在设定值左右。目前火电厂应用较多的脱硝控制系统优化技术为精准喷氨控制技术，主要由智能喷氨总量控制系统、智能分区喷氨控制系统、入口分区喷氨系统和 出口 浓度分区测量系统构成。一方面，通过引入锅炉燃烧等前馈量，参与到喷氨总量的闭环控制中，解决了入口 浓度测量滞后的问题。另一方面，根据实测的 出口浓度分布情况，调整各分区的喷氨量，确保 出口 浓度分布偏差在设计范围内。喷氨优化控制算法利用 系统实现，由 系统发出各分区调节阀门的开度调节指令。分区喷氨控制系统不断累积测试得到的数据，自动学习，逐步达到与燃烧器组合、煤质变化时的快速判断调整（能够根据数据变化趋势及时发现 装置的堵塞和磨损失效等问题，并及时调整运行方式）并逐渐降低实时测试的频率，最终实现 系统的智能、精细控制，可以有效解决脱硝控制系统调节效果差带来的一系列问题。结 论火电厂完成超低排放改造后普遍存在烟气流场均匀性差，脱硝出口在线 浓度取样代表性不足、脱硝控制系统反应滞后等问题，严重影响脱硝催化剂的使用寿命，导致下游空预器、低温换热器产生堵塞和腐蚀，成为阻碍脱硝装置安全、经济、稳定运行的痛点问题。本文从三方面提出了针对性的解决措施：一是通过物模和数模相结合的手段进行流场优化改造，保证首层催化剂入口烟气流速