耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)的研究與應用*

惠潤堂　楊愛勇　張承武　嚴智操　馮建春　申智勇　王雪松

(1.國電環(huán)境保護研究院　南京 210031；　2.國電民權(quán)發(fā)電有限公司　河南民權(quán) 476800)

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大氣污染治理

耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)的研究與應用*

惠潤堂1楊愛勇1張承武1嚴智操1馮建春1申智勇1王雪松2

(1.國電環(huán)境保護研究院南京 210031；2.國電民權(quán)發(fā)電有限公司河南民權(quán) 476800)

闡述了SCR噴氨調(diào)節(jié)控制常用的方法及存在的問題，提出了一種新型耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)，并通過電廠實際案例對該調(diào)節(jié)裝置與控制技術(shù)進行了說明。研究結(jié)果表明：該調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)可使脫硝效率相對穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標、噴氨不過量。

燃煤電廠煙氣脫硝選擇性催化還原(SCR)噴氨技術(shù)

0　引言

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)的要求，為了保證燃煤火電廠煙氣氮氧化物(NOx)達標排放，需要進行NOx排放控制[1]。目前，普遍采用選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)(SCR)進行脫硝，且被認為是目前乃至今后相當長時期內(nèi)最主要的煙氣脫硝技術(shù)[1-2]。

在SCR技術(shù)中，為了保證較高的NOx脫除率，同時減少氨的消耗量，降低氨逃逸率，還原劑氨噴入量的調(diào)節(jié)控制是關鍵。若還原劑氨供應量偏低， 將會導致氨與氮氧化物的反應不足，造成氮氧化物排放超標；若還原劑氨供應量偏高，則會出現(xiàn)氨耗量增大，同時氨逃逸增多，造成硫酸氫銨也增多，引起空預器堵塞，增大煙氣流動阻力，降低鍋爐系統(tǒng)安全性，與此同時，過多的氨進入環(huán)境會造成二次污染；而合適的還原劑氨噴入量可保證穩(wěn)定的脫硝效率，延長催化劑更替周期，提高鍋爐系統(tǒng)安全性與可靠性，降低投資和運行管理成本[3-7]。鑒于SCR系統(tǒng)噴氨調(diào)節(jié)控制的重要性，必須對SCR噴氨調(diào)節(jié)控制技術(shù)進行研究，從而實現(xiàn)對SCR系統(tǒng)噴氨量高精度實時控制，進而保證SCR系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

1　SCR噴氨調(diào)節(jié)控制常用的方法及存在的問題

目前，SCR 工藝中調(diào)節(jié)氨流量的方式比較有限，且調(diào)節(jié)精度及實時跟蹤控制效果較差。

現(xiàn)有的脫硝裝置在氨氣調(diào)節(jié)控制閥門選型時都是按滿足最大氨氣需要量考慮，涵蓋最大氨氣流量。由于燃煤鍋爐燃燒過程比較復雜，燃煤來源、燃燒調(diào)整、機組負荷變化大等原因造成鍋爐排煙NOx濃度變化幅度大，氨需要量變化大。當氨氣需要量較大時，閥門調(diào)節(jié)控制精度尚能滿足要求；當氨氣需要量較小時，閥門開度較小，工作點較低，當工作點低到一定位置時，閥門可調(diào)比縮小，調(diào)節(jié)性能下降，調(diào)節(jié)精度降低，跟蹤性能差，不能很好地實時調(diào)節(jié)控制。目前電廠低負荷運行工況十分普遍，而低負荷下閥門較差的調(diào)節(jié)性能，造成噴氨過量、氨逃逸率增加或者噴氨量過小、NOx排放超標，給鍋爐、脫硝裝置安全經(jīng)濟運行以及NOx達標排放帶來嚴重影響[7]。

另外，在DCS控制邏輯中，常采用出口NOx濃度或脫硝效率作為單一的設定值。固定脫硝效率控制，未考慮入口NOx濃度的變化，在入口NOx濃度比較高時容易造成NOx排放濃度超標；固定出口NOx濃度控制，不能解決因入口NOx濃度或鍋爐負荷快速變化實時跟蹤控制的問題，造成出口NOx濃度超標[7-8]。

為了提高噴氨精度，也有采用引入前饋的控制方式。該控制方式往往引入煙氣流量作為控制邏輯的前饋信號，以便進一步增強變負荷系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時性。在該控制方式中，煙氣流量的確定是關鍵。煙氣流量若采用實測值，因測量值波動較大，將導致測量值誤差大、精度低，測量過程中還會引起噴氨控制自動指令跳變，難以滿足精細化噴氨的控制要求。部分工程煙氣流量采用鍋爐蒸發(fā)量計算煙氣量，但因蒸發(fā)量測量有滯后不能實時反映煙氣流量，影響實時跟蹤控制的效果。也有工程采用燃煤量計算煙氣量，但由于煤質(zhì)變化較大，不能準確反映煙氣流量值，也難以滿足精細化噴氨的控制要求。

2　耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)

針對國內(nèi)SCR噴氨調(diào)節(jié)控制中普遍存在的問題，研究開發(fā)了一種耦合式SCR噴氨控制技術(shù)及裝置。該套技術(shù)及裝置以耦合設置的控制閥門組為核心，結(jié)合其他相關設備協(xié)同作用，通過對多個參數(shù)因子的綜合分析和多種耦合模式的協(xié)同配合，最終達到氨氣流量寬范圍、高精度、實時的控制目的。

在控制手段上，為了讓調(diào)節(jié)閥維持較好的調(diào)節(jié)性能和精度，綜合考慮調(diào)節(jié)閥機械性能，將裝置中流通能力不同的調(diào)節(jié)閥進行并聯(lián)耦合設置。根據(jù)氨氣需要量的大小和工藝精度的要求，通過對流通能力不同的調(diào)節(jié)閥門的協(xié)同調(diào)控，對氨氣需要量按流量分段控制，進而達到對氨氣流量寬范圍、高精度、實時的調(diào)控。該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在DCS控制邏輯上，采用前饋與反饋的耦合，通過前饋修正反饋，反饋反演前饋，將前饋與反饋協(xié)同配合，最終形成進氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令邏輯，通過調(diào)節(jié)進氨流量達到對SCR噴氨量的精確調(diào)控。在控制邏輯控制參數(shù)選擇時，引入多個參數(shù)(SCR反應器入口NOx濃度、SCR反應器出口NOx濃度、煙氣流量、氨氣流量、SCR反應器出口NOx濃度設定值等，其中煙氣流量采用鍋爐側(cè)總風量進行計算)，通過對上述多種參數(shù)的耦合，最終將出口NOx濃度及脫硝效率控制在設定的合適范圍內(nèi)。該技術(shù)的邏輯控制示意圖如圖2所示。

1-氨氣流量測量儀；2-DCS系統(tǒng)；31-流通能力大的噴氨調(diào)節(jié)閥；32-流通能力小的噴氨調(diào)節(jié)閥；41-供氨母管；42-稀釋風管道；5-稀釋風機；6-稀釋風流量測量儀；7-氨氣/空氣混合器；8-總風量測量儀；9-鍋爐；10-SCR反應器入口NOx濃度測量儀；11-噴氨裝置；12-代表SCR反應器；13-SCR反應器出口NOx濃度測量儀。

圖2　噴氨量控制系統(tǒng)圖

如圖1與圖2所示，DCS控制邏輯通過對邏輯參數(shù)SCR反應器入口NOx濃度、SCR反應器出口NOx濃度、鍋爐側(cè)總風量、氨氣流量、SCR反應器出口NOx濃度設定值運算后發(fā)出控制指令，對還原劑供給調(diào)節(jié)控制裝置中兩個并聯(lián)的不同流通能力的氨氣流量調(diào)節(jié)閥進行調(diào)節(jié)控制，實現(xiàn)SCR反應系統(tǒng)氨噴入量的控制。

相關計算如下：

(1)檢測反應器入口NOx參數(shù)并根據(jù)要求設定反應器出口NOx含量；

(2)噴氨需要量設定值=(入口NOx濃度-出口NOx濃度設定值)×鍋爐側(cè)總風量×修正系數(shù)

(1)

(3)出口NOx濃度實際值與出口NOx濃度設定值的偏差經(jīng)第一控制器得到修正系數(shù)；

(4)最終氨氣需求量=需求的氨氣質(zhì)量流量×修正系數(shù)

(2)

結(jié)合圖1與圖2對上述4個運算步驟進行詳細說明如下。

檢測反應器入口NOx參數(shù)并根據(jù)要求設定反應器出口NOx含量，反應器入口NOx濃度減去反應器出口NOx濃度設定值后和煙氣流量(煙氣量根據(jù)總風量計算得到)的乘積就是所需氨氣流量信號，該信號送到氨氣流量調(diào)節(jié)器，通過流通能力大的調(diào)節(jié)閥對噴氨量進行粗調(diào)。調(diào)節(jié)過程結(jié)束后，若反應器出口NOx濃度與其設定值不相等，則SCR反應器出口NOx濃度與SCR反應器出口NOx濃度設定值通過控制器(圖2中第一控制器)，獲取修正系數(shù)后對上述噴氨需要量設定值進行修正，修正后的進氨流量設定值與實際氨氣流量進行比較分析后，由控制器(圖2 中第二控制器)運算后輸出進氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令，對流通能力小的調(diào)節(jié)閥進行細調(diào)，改變噴氨流量，使反應器出口NOx濃度等于給定值，保證脫硝效率。

該耦合式SCR噴氨調(diào)控裝置中將流通能力不同的兩個噴氨調(diào)節(jié)閥并聯(lián)耦合設置，結(jié)合DCS控制邏輯對邏輯參數(shù)(SCR反應器入口NOx濃度、SCR反應器出口NOx濃度、鍋爐側(cè)總風量、氨氣流量、SCR反應器出口NOx濃度設定值，其中參數(shù)鍋爐側(cè)總風量的引入能夠達到對煙氣流量實時跟蹤控制的目的)進行邏輯運算后發(fā)出控制指令，采用流通能力大的調(diào)節(jié)閥達到噴氨需要量粗調(diào)的效果，采用流通能力小的調(diào)節(jié)閥達到噴氨需要量細調(diào)的效果。該耦合式SCR噴氨調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)通過上述控制裝置耦合及控制邏輯耦合等耦合方式，最終達到氨氣流量寬范圍、高精度、實時的控制目的，進而保證SCR脫硝效率穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標、噴氨不過量、氨逃逸率低。

3　工程應用

國電某發(fā)電有限公司2×300 MW機組脫硝采用SCR技術(shù)，脫硝系統(tǒng)分為兩部分SCR本體部分和氨區(qū)部分。脫硝裝置本體部分由煙道、兩個對立SCR反應器(A側(cè)反應器、B側(cè)反應器)、催化劑、氨噴射系統(tǒng)、脫硝裝置灰斗、吹灰及吹灰控制系統(tǒng)、氨供應系統(tǒng)等。利用液氨法制備脫硝還原劑，每臺鍋爐配置2臺SCR反應器，單臺SCR反應器催化劑層數(shù)采用“2+1”模式，煙氣垂直向下通過催化劑層。采用該技術(shù)后SCR運行參數(shù)曲線如表1所示。

表1　SCR部分時間段運行參數(shù)表

從表1可以看出，采用該技術(shù)設計的SCR噴氨流量控制裝置后，噴氨效果良好，在SCR進口NOx濃度有波動的情況下，仍然能保證脫硝效率相對穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標、噴氨不過量。

另外，根據(jù)該發(fā)電有限公司2×300 MW機組運行情況調(diào)研，由于還原劑供給調(diào)節(jié)控制不合理，氨逃逸增加，噴氨調(diào)節(jié)控制特性差等因素導致單臺機組氨耗量至少增加10 kg/h，供氨年增加約50萬元，氨逃逸導致空預器壓差較正常運行至少增加300 Pa，風機運行電耗費用增加約100萬元(按年利用6 000 h計)。因此由于解決噴氨調(diào)節(jié)控制問題年費用可以節(jié)約約150萬元，該耦合式SCR噴氨控制技術(shù)及裝置取得了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。

4　結(jié)語

鑒于SCR噴氨調(diào)節(jié)控制的重要性及國內(nèi)SCR

噴氨調(diào)節(jié)普遍存在的問題，研發(fā)了一種新型耦合式SCR噴氨調(diào)節(jié)控制技術(shù)及裝置，該技術(shù)及裝置達到氨氣流量寬范圍、高精度、實時的控制目的，保證了SCR脫硝效率相對穩(wěn)定、出口NOx濃度不超標、噴氨不過量，并在工程中得到應用，使用效果良好，可供類似工程借鑒和參考。

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Study and Application of a Coupling SCR Reductant Supply Device and Its Control Technologies

HUI Runtang1YANG Aiyong1ZHANG Chengwu1YAN Zhicao1FENG Jianchun1SHEN Zhiyong1WANG Xuesong2

(1.StatePowerEnvironmentalProtectionResearchInstituteNanjing210031)

This paper describes the common techniques and problems existed in SCR ammonia injection technology and states a new coupling SCR reductant supply device and its control technology. Additionally, the practical cases of coal-fired power plants have been taken for examples to illustrate the coupling SCR reductant supply device and its control technology. The results show that the operation of the coupling SCR reductant supply device and its control technology can fulfill the desired flue gas de-nitrification efficiency, reduce the ammonia injection quantity, realize the minimum rate of ammonia escape.

coal-fired power plantflue gas de-nitrificationSCRammonia injection technology

2015-10-17)

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(863計劃)(2013AA065401)，國電環(huán)境保護研究院科技項目(H14Y02)。

惠潤堂，男，1963年生，陜西渭南人，研究員級高級工程師，主要從事火電廠環(huán)保工程設計、科技研發(fā)等工作。