SCR脫硝系統(tǒng)氨需量計(jì)算的優(yōu)化

朱宇翔，顧云非(上海申欣環(huán)保實(shí)業(yè)有限公司，上海 200431)

0 引言

氮氧化物中的NO、NO2是造成環(huán)境污染的主要因素[1]。在我國(guó)一次能源和發(fā)電能源結(jié)構(gòu)中，燃煤占據(jù)了主導(dǎo)地位，在已探明的一次能源儲(chǔ)備中煤炭仍是主要能源，煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中所占的比例超過(guò)70%[2]，而據(jù)統(tǒng)計(jì)70%的氮氧化物來(lái)自于煤炭的燃燒?；痣姀S(chǎng)NOx產(chǎn)生量占全國(guó)總量的50%，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)對(duì)于環(huán)境保護(hù)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此火電廠(chǎng)脫硝工程的建設(shè)成為我國(guó)NOx總量控制的關(guān)鍵。在眾多的脫硝技術(shù)中，SCR脫硝技術(shù)是脫硝效率最高，最為成熟的脫硝技術(shù)[3-4]。SCR脫硝控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化，對(duì)確保SCR脫硝系統(tǒng)正常運(yùn)行，降低NOx的排放具有十分重要意義。

1 SCR脫硝系統(tǒng)

1.1 SCR脫硝技術(shù)的原理

SCR(Selective Catalyst Reduction)脫硝技術(shù)，是在一定溫度和催化劑存在的條件下，利用還原劑有選擇地把煙氣中NOx還原成無(wú)毒無(wú)污染的氮?dú)夂退?，還原劑可以是氨、碳?xì)浠衔?、一氧化碳、氫氣等，工業(yè)應(yīng)用的還原劑主要為氨，以氨為還原劑的SCR的反應(yīng)化學(xué)式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3=5N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

(4)

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

(5)

煙氣中90%～95%的NOx以NO的形式存在，5%～10%的NOx以NO2形式存在。

1.2 SCR脫硝系統(tǒng)的工藝系統(tǒng)

SCR脫硝系統(tǒng)主要由兩部分組成：一部分是SCR反應(yīng)系統(tǒng)；另一部分是還原劑制備供應(yīng)系統(tǒng)。目前工業(yè)使用還原劑原料主要有液氨、氨水、尿素三種，無(wú)論使用哪種原料，最終都是制成約5%濃度的氨氣作為還原劑。本文就以上海外高橋第二發(fā)電廠(chǎng)的SCR脫硝工程為例，對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)的工藝流程作一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。該脫硝工程還原劑氨是通過(guò)尿素CO(NH2)2熱解制成。尿素顆粒通過(guò)輸送系統(tǒng)進(jìn)入尿素溶解罐加入除鹽水配置成50%的尿素溶液，然后通過(guò)尿素高流量泵送入熱解爐，控制熱解爐的溫度，以確保尿素能夠完全熱解成NH3，熱解爐送入一定量的稀釋風(fēng)，確保最終的氨氣濃度不高于5%，稀釋風(fēng)取自鍋爐熱一次風(fēng)，送入熱解爐的一次風(fēng)既有熱媒作用又有稀釋風(fēng)的作用。制成的氨氣通過(guò)噴氨格柵噴入SCR反應(yīng)器與煙氣均勻混合，與NOx充分反應(yīng)，從而去除煙氣中的氮氧化物。

SCR反應(yīng)系統(tǒng)采取高塵布置，反應(yīng)器是布置在省煤器之后，空預(yù)器之前，省煤器出口煙道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)各布置一個(gè)反應(yīng)器，因?yàn)镾CR脫硝反應(yīng)的合理反應(yīng)溫度區(qū)在310～430℃之間，在該溫度區(qū)內(nèi)反應(yīng)器內(nèi)的催化劑的活性達(dá)到最佳狀態(tài)，脫硝反應(yīng)效率高[5]。反應(yīng)器的催化劑采取2+1布置即布置兩層催化劑，預(yù)留一層。反應(yīng)器進(jìn)、出口分別裝設(shè)有NOx濃度的CEMS監(jiān)測(cè)點(diǎn)。SCR反應(yīng)系統(tǒng)示意見(jiàn)圖1。

圖1 SCR反應(yīng)系統(tǒng)的示意

2 SCR脫硝系統(tǒng)的控制方式

SCR脫硝系統(tǒng)的控制方案一般分為效率控制模式和出口濃度控制模式。效率控制模式以脫硝效率作為設(shè)定值，能夠保持脫硝效率在一個(gè)比較穩(wěn)定的水平。濃度控制模式以SCR出口濃度作為設(shè)定值，控制脫硝反應(yīng)器的出口濃度滿(mǎn)足排放要求[6]。兩種控制模式對(duì)應(yīng)有各自的氨氣與氮氧化物摩爾比值的計(jì)算回路(見(jiàn)圖2)，計(jì)算出相應(yīng)的氨氮摩爾比，該值與煙氣量，SCR反應(yīng)器入口NOx的濃度的乘積就是去除煙氣中氮氧化物所需的氨氣量。

圖2 SCR脫硫系統(tǒng)計(jì)算回路

圖2中f(x)為效率-氨氮比函數(shù); Δ為減法器；a/b為除法器；PI-H/L為PI調(diào)節(jié)器，上下限控制；+為加法器。

脫硝效率計(jì)算公式：

從脫硝效率根據(jù)f(x)函數(shù)，可以求出所需氨氮摩爾比值；以上主回路根據(jù)脫硝效率計(jì)算氨氮比，副回路根據(jù)控制效果對(duì)氨氮比進(jìn)行一定范圍修正。

3 SCR脫硝系統(tǒng)氨需量控制的優(yōu)化

SCR脫硝技術(shù)不管采取哪種控制策略，其最終的目標(biāo)就是在保證完成NOx脫除率的前提下，催化劑的工作壽命最長(zhǎng)，氨逃逸率最少，空預(yù)器的沉積物和腐蝕最小。其主要的控制對(duì)象有以下幾個(gè)方面：合適的氨氣輸入量；合適的反應(yīng)溫度、恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)煙氣與催化劑的接觸時(shí)間；保持較高的催化劑活性。其中氨氣的輸入量的控制是重中之重。

3.1 氨需量設(shè)定值的計(jì)算

脫除NOx所需的NH3的量是主要是根據(jù)鍋爐燃燒后煙氣中所含的NOx量來(lái)決定的，氨需量的計(jì)算就涉及到SCR反應(yīng)器入口的NOx濃度和入口煙氣量的獲取，入口NOx濃度由CEMS系統(tǒng)提供，而入口煙氣量的獲得有兩種方式：一種方式是直接進(jìn)行測(cè)量，目前很難有滿(mǎn)足控制要求，較為精確的大型煙氣流量的測(cè)量裝置，尤其是在進(jìn)行SCR脫硝工程改造后，鍋爐煙道的布置不規(guī)則，無(wú)法滿(mǎn)足一般流量裝置對(duì)管道的要求，而且一般的測(cè)量裝置很難使用在這樣高煙溫、高粉塵，腐蝕性大的煙道中[8]；另一種方式是采用軟測(cè)量的方法，根據(jù)鍋爐燃煤通過(guò)煙氣流量函數(shù)獲得煙氣量；第二種方式是目前采用比較普遍的方法。氨需量計(jì)算方式見(jiàn)圖3。

圖3 SCR脫硝系統(tǒng)氨需量計(jì)算

SCR脫硝系統(tǒng)反應(yīng)器分A、B兩側(cè)對(duì)稱(chēng)各布置一個(gè)反應(yīng)器，各側(cè)根據(jù)各自的NOx濃度，氨氮比計(jì)算值，按總煙氣量的1/2計(jì)算各自的氨需量，最后相加求得總得氨需量。

3.2 存在問(wèn)題

氨需量的控制計(jì)算中牽涉到NOx濃度，而NOx濃度值的獲得來(lái)源于連續(xù)監(jiān)測(cè)的CEMS系統(tǒng) ，由于CEMS系統(tǒng)的探測(cè)采樣部分都布置在高塵的煙道當(dāng)中，必須定期進(jìn)行自動(dòng)吹掃和人工維護(hù)才能保證CEMS系統(tǒng)正常工作。在維護(hù)和吹掃的這段時(shí)間內(nèi)由于沒(méi)有采集到煙氣，所以這段時(shí)間送入控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)都是原有的保持值，這樣控制系統(tǒng)只能根據(jù)保持的NOx濃度值計(jì)算氨需量。那么這段時(shí)間的噴氨計(jì)算量就不是實(shí)際的所需量，盡管每次自動(dòng)吹掃時(shí)間不長(zhǎng)，但對(duì)設(shè)備的長(zhǎng)期安全運(yùn)行和氮氧化物排放量的控制是不合理的。另外吹掃及維護(hù)時(shí)選取保持值為當(dāng)前值具有隨機(jī)性，當(dāng)吹掃維護(hù)結(jié)束后，當(dāng)NOx的保持值與實(shí)際測(cè)量值偏差較大，氨需量的計(jì)算設(shè)定值將會(huì)突變，極易造成控制系統(tǒng)失穩(wěn)退出自動(dòng)控制。在上海外高橋第二發(fā)電廠(chǎng)脫硝工程中SCR脫硝系統(tǒng)入口NOx的濃度是在不斷變化的，尤其是電廠(chǎng)參加電網(wǎng)自動(dòng)負(fù)荷調(diào)整系統(tǒng)，負(fù)荷在不斷地變化，隨著風(fēng)煤比不斷變化，NOx的濃度也是在不斷變化的且變化幅度不小，而CEMS吹掃時(shí)的隨機(jī)保持值是不變的，其與實(shí)際值是有差異的，這對(duì)氨需量的控制是不利的，易造成控制系統(tǒng)失穩(wěn)。

3.3 氨需量計(jì)算控制的優(yōu)化

針對(duì)以上的情況，對(duì)氨需量控制計(jì)算部分的NOx濃度的輸入進(jìn)行了調(diào)整優(yōu)化，一般目前的脫硝工程的反應(yīng)器分A、B側(cè)對(duì)稱(chēng)各布置一個(gè)反應(yīng)器，CEMS系統(tǒng)A、B側(cè)各設(shè)NOx的測(cè)點(diǎn)，測(cè)量A、B側(cè)的NOx濃度，A、B兩側(cè)反應(yīng)器的進(jìn)口均來(lái)自鍋爐省煤器的出口煙道，濃度略有不同，但相差不大，A、B側(cè)根據(jù)各自的NOx濃度的測(cè)定值和效率或NOx的出口設(shè)定值確定氨氮比來(lái)計(jì)算各自的氨需量。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)進(jìn)行如下調(diào)整優(yōu)化，即若A側(cè)CEMS系統(tǒng)進(jìn)行吹掃維護(hù)，由B側(cè)的測(cè)量值代替A側(cè)NOx值輸入控制部分，反之亦然。若A、B側(cè)出現(xiàn)短時(shí)同時(shí)吹掃維護(hù)，用吹掃前的小時(shí)均值代替。吹掃維護(hù)結(jié)束為防控制系統(tǒng)失穩(wěn)，在控制系統(tǒng)中加入數(shù)據(jù)速率變化限制器。圖4為優(yōu)化后控制方式邏輯圖。從優(yōu)化后氨需量計(jì)算曲線(xiàn)可看出，在吹掃前后氨需量計(jì)算值有時(shí)會(huì)有所波動(dòng)，但波動(dòng)范圍不大，調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)能夠及時(shí)跟蹤響應(yīng)，不至于失穩(wěn)振蕩，確保了煙氣排放的指標(biāo)能夠符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 氨需量計(jì)算回路的NOx濃度輸入優(yōu)化控制策略(A側(cè))

4 結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，SCR脫硝技術(shù)將是目前應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，以上海外高橋第二發(fā)電廠(chǎng)的SCR脫硝系統(tǒng)為例，介紹了SCR脫硝技術(shù)的基本原理和控制方式，并針對(duì)目前SCR脫硝控制系統(tǒng)中氨需量計(jì)算控制部分的不合理的地方提出優(yōu)化方法，并應(yīng)用于SCR煙氣脫硝控制系統(tǒng)中，解決了控制系統(tǒng)失穩(wěn)的問(wèn)題，并使噴氨量更趨合理。

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