SCR反應(yīng)器運(yùn)行中存在的問題及對(duì)策

馬占海

（華能吉木薩爾發(fā)電有限公司，新疆 昌吉 831700）

0 前言

目前，國(guó)內(nèi)大容量高參數(shù)的燃煤發(fā)電機(jī)組基本采用SCR 脫硝裝置，催化劑常規(guī)采用“2+1”層布置。SCR 脫硝反應(yīng)器在運(yùn)行過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)反應(yīng)器入口流場(chǎng)紊亂、氮氧化物濃度分布不均等問題，導(dǎo)致SCR 反應(yīng)器內(nèi)部噴氨量控制不精確和反應(yīng)器出口氮氧化物濃度分布不均勻，同時(shí)為了使氮氧化物不超標(biāo)排放，還會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器出口氨逃逸量增大等后果，加重下游空預(yù)器的腐蝕堵塞問題，影響機(jī)組正常安全運(yùn)行[1]。

1 脫硝系統(tǒng)介紹

某廠SCR 脫硝工藝設(shè)置了3 層催化劑，使用尿素作為還原劑，并采用尿素?zé)峤夤に噷⒛蛩責(zé)峤鉃榘睔鈬姲泵撓醴磻?yīng)器，脫硝裝置入口設(shè)計(jì)NOx濃度不超過350mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），出口設(shè)計(jì)NOx濃度不超過50mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），符合國(guó)家超凈排放要求。

氨氣噴射系統(tǒng)：1、2 號(hào)機(jī)組氨氣噴射裝置為“渦流型AIG”。從尿素?zé)峤鉅t出來的供氨母管一分為二進(jìn)入兩臺(tái)反應(yīng)器。每臺(tái)反應(yīng)器的供氨母管分成6 個(gè)噴氨支管，每根氨氣支管上有4 個(gè)噴嘴，每個(gè)噴氨管支管配有一個(gè)手動(dòng)蝶閥，插入煙道部分的4 個(gè)噴嘴分為兩組，分別對(duì)應(yīng)煙道的不同深度。

目前常見的噴氨裝置有三種類型，即格柵型AIG、混合型AIG 和渦流型AIG，它們主要的區(qū)別是氨氣管的數(shù)量和噴嘴的數(shù)量。舉例來說，格柵型的AIG：使用大量氨氣管交叉伸入煙道，在每根管子上裝設(shè)小噴嘴，噴嘴數(shù)超過1000 個(gè)，噴嘴下游布置局部混合的靜態(tài)混合器?；旌闲虯IG：使用較少的氨氣管均勻伸入煙道，每根管子上安裝的噴嘴數(shù)量較少，約100 個(gè)，每個(gè)噴嘴下游設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)較大范圍混合的靜態(tài)混合器。渦流AIG：利用湍流發(fā)生器（三角翼型與圓盤型）使煙氣在煙道截面上大范圍混合，口徑很大的氨噴嘴對(duì)著湍流發(fā)生器噴氨，有限幾個(gè)噴嘴就能使整個(gè)煙道內(nèi)的NH3/NO 摩爾比分布均勻，噴嘴數(shù)僅需大約10 個(gè)[2]。均勻噴氨條件下的混合性能：混合型AIG>格柵型AIG>渦流型AIG。噴氨優(yōu)化調(diào)節(jié)性能：格柵型AIG>混合型AIG>渦流型AIG。總體而言，采用格柵型AIG 的工程應(yīng)用業(yè)績(jī)較多，工程投資與后續(xù)運(yùn)維相對(duì)更有利，也有利于后續(xù)脫硝噴氨系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)節(jié)[3]。

2 脫硝系統(tǒng)存在的問題

2.1 SCR 反應(yīng)器出口氮氧化物偏差大

該文通過調(diào)取1 號(hào)機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SCR A、B 側(cè)出口和FGD 出口氮氧化物濃度的歷史數(shù)據(jù)，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)SCR出口A 側(cè)和B 側(cè)氮氧化物濃度與煙囪入口氮氧化物濃度有較大偏差，SCR 出口A、B 側(cè)NOx 濃度偏差較大。

2.2 SCR 反應(yīng)器出口氨逃逸值大，空預(yù)器堵塞嚴(yán)重

機(jī)組運(yùn)行時(shí)需要保證出口氮氧化物排放達(dá)標(biāo)，因此實(shí)際運(yùn)行中普遍存在局部區(qū)域的過量噴氨，直接導(dǎo)致大量的氨逃逸，并生成硫酸氫銨結(jié)晶，導(dǎo)致空預(yù)器的堵塞（如圖1 所示）、腐蝕以及下游除塵器故障等系列問題，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 空預(yù)器堵塞和氯化銨結(jié)晶

3 原因分析

3.1 催化劑磨損嚴(yán)重，局部煙道積灰

在SCR 脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過程中，橫梁結(jié)垢中的防灰三角結(jié)垢突出部分對(duì)氣流產(chǎn)生分流作用，導(dǎo)致大量氣流攜帶飛灰顆粒物聚集在橫梁結(jié)垢迎風(fēng)側(cè)。煙氣氣流遇到橫梁結(jié)構(gòu)后在催化劑表面形成含塵高速氣流，劇烈沖刷催化劑表面，使催化劑出現(xiàn)嚴(yán)重磨損。催化劑的多孔結(jié)構(gòu)使其易被堵塞，造成反應(yīng)器局部煙道積灰嚴(yán)重[3]。催化劑的積灰和磨損主要受流場(chǎng)和灰場(chǎng)的影響，無(wú)法通過噴氨優(yōu)化調(diào)整得到改善。但催化劑的狀態(tài)會(huì)影響噴氨調(diào)整的結(jié)果，如果催化劑狀態(tài)很差，僅靠噴氨優(yōu)化改善SCR 反應(yīng)器的運(yùn)行效果是有限的。

3.2 氨逃逸量大，空預(yù)器堵塞嚴(yán)重

由于反應(yīng)器入口處氮氧化物分布不均勻、催化劑磨損和堵塞等問題，同時(shí)也為保證出口氮氧化物排放達(dá)標(biāo)，因此運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)均布噴氨量過大的情況，導(dǎo)致局部氨逃逸量增大。運(yùn)行導(dǎo)則要求氨逃逸量不超過3mg/L，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試SCR反應(yīng)器出口氨逃逸值為10mg/L～15mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)控制值。大量的氨氣和煙氣中的SO3反應(yīng)，生成硫酸氫氨或硫酸氨，其反應(yīng)如下：NH3+SO3+H2O=NH4HSO4，2NH3+SO3+H2O=（NH4）2SO4。

大量生成的硫酸氫銨在空預(yù)器換熱元件上黏結(jié)堵塞，使空預(yù)器阻力增大，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)出力增大。如果引風(fēng)機(jī)裕量不足，會(huì)導(dǎo)致高負(fù)荷帶不上，甚至出現(xiàn)引風(fēng)機(jī)喘振失速等一系列問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致機(jī)組非停，給機(jī)組運(yùn)行帶來極大的安全隱患。同時(shí)也可能會(huì)在空氣預(yù)熱器出口至脫硫系統(tǒng)入口之間的除塵器、引風(fēng)機(jī)、脫硫系統(tǒng)入口煙道等區(qū)域產(chǎn)生氯化銨結(jié)晶，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

3.3 噴氨量不均

傳統(tǒng)脫硝系統(tǒng)的整個(gè)脫硝反應(yīng)區(qū)域只有兩個(gè)自動(dòng)閥來控制，DCS 自動(dòng)調(diào)節(jié)控制通過控制兩個(gè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥來控制反應(yīng)器A/B 側(cè)的噴氨量，誤差較大，不能精確地控制每個(gè)區(qū)域的噴氨量。同時(shí)由于反應(yīng)器內(nèi)部催化劑存在堵塞、坍塌的現(xiàn)場(chǎng)，會(huì)導(dǎo)致氨氣和氮氧化物的反應(yīng)效率在不同區(qū)域存在偏差，進(jìn)而引發(fā)反應(yīng)器出口氮氧化物濃度不均、局部噴氨量過大、氨逃逸量大的問題。為了確保NOx排放不超標(biāo)，電廠通常采用過量噴氨方式，導(dǎo)致運(yùn)行中氨逃逸大、空預(yù)器堵塞嚴(yán)重、引風(fēng)機(jī)功耗大以及催化劑中毒等問題嚴(yán)重。

4 治理措施

某廠1 號(hào)機(jī)組因空預(yù)器嚴(yán)重堵塞，大修期間更換空預(yù)器換熱元件后，進(jìn)行了熱態(tài)噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，重新調(diào)整脫硝AIG 各支路閥門開度，目的是縮小SCR 反應(yīng)器A 側(cè)B 側(cè)NOx 濃度顯示值偏差、縮小脫硝側(cè)與煙囪總排出口NOx 濃度顯示值偏差以及降低反應(yīng)器出口逃逸氨的量。

噴氨優(yōu)化熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn)前，SCR 脫硝反應(yīng)器A 側(cè)入口NOx濃度最大值為354mg/m3，最小值為296mg/m3，NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5.05%；SCR 脫硝反應(yīng)器B 側(cè)入口NOx濃度最大值為339mg/m3，最小值231mg/m3，NOx 濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.84%。

脫硝SCR 反應(yīng)器噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)前，SCR 反應(yīng)器出口氮氧化物含量偏高且相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差較大，出口氨逃逸量較大。SCR 反應(yīng)器出口NOx 濃度如圖2 所示。

圖2 SCR 反應(yīng)器優(yōu)化調(diào)整前氮氧化物和氨逃逸分布

SCR反應(yīng)器兩側(cè)側(cè)出口截面的NOx濃度分別為64.9mg/m3、42.5mg/m3，A 側(cè)出口NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為36.6%，B側(cè)出口NOx濃度分布相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為30.4%，反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性較差。反應(yīng)器A 側(cè)入口NOx 濃度明顯高于B側(cè)，A 側(cè)出口NOx濃度和氨逃逸也高于B 側(cè)，A、B 兩側(cè)出口NOx濃度整體相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為41.5%，A、B 兩臺(tái)反應(yīng)器存在明顯的整體不均勻性，氨逃逸量明顯過大，SCR 脫硝反應(yīng)器系統(tǒng)運(yùn)行狀況較差。

該廠在機(jī)組100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下通過調(diào)整SCR脫硝反應(yīng)器噴氨支管上的20 個(gè)手動(dòng)閥門來對(duì)各區(qū)域噴氨量進(jìn)行調(diào)節(jié)。具體為先對(duì)廠內(nèi)CMES 測(cè)量?jī)x表的數(shù)值進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)，通過校驗(yàn)測(cè)試發(fā)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)在線CMES 的測(cè)量數(shù)據(jù)比實(shí)際值偏大，導(dǎo)致DCS 計(jì)算噴氨量偏大，實(shí)際噴氨量增大，氨逃逸量增大，易造成下游空預(yù)器結(jié)垢堵塞。對(duì)在線CMES 儀表進(jìn)行在線校驗(yàn)后，確認(rèn)在線數(shù)據(jù)相對(duì)準(zhǔn)確。在機(jī)組100%負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行并保持相同燃燒煤種的情況下，采用便攜式紅外煙氣分析儀表對(duì)SCR 反應(yīng)器進(jìn)出口NOx 濃度和氨逃逸量進(jìn)行反復(fù)精確的測(cè)量，采用多點(diǎn)測(cè)量后計(jì)算平均值的方法測(cè)試進(jìn)出口氮氧化物濃度。在熱態(tài)調(diào)整試驗(yàn)中，機(jī)組應(yīng)保持運(yùn)行穩(wěn)定，鍋爐不進(jìn)行燃燒調(diào)整，并保持相同的燃燒工況。在多個(gè)測(cè)量孔內(nèi)測(cè)定多組數(shù)據(jù)后，比對(duì)各個(gè)測(cè)孔所測(cè)得的NOx濃度和氨逃逸量。通過計(jì)算測(cè)試結(jié)果調(diào)整AIG 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的結(jié)果，可采用AIG 噴氨管的自動(dòng)流量調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)開度進(jìn)行控制，對(duì)AIG 的各干支管噴氨量自動(dòng)加以調(diào)節(jié)。在每次調(diào)整完AIG 噴氨管的手動(dòng)閘門的開度值后，必須再次計(jì)算出SCR 反應(yīng)器的出口煙氣各測(cè)孔氮氧化物的濃度值和氨逃逸量，利用計(jì)算出的各出口測(cè)孔煙氣氮氧化物濃度值來調(diào)整SCR 反應(yīng)器進(jìn)口煙氣各噴氨管流量。通過多次調(diào)整和數(shù)據(jù)測(cè)量對(duì)比，調(diào)整后的SCR 反應(yīng)器出口NOx 濃度和氨逃逸濃度如圖3 所示。

圖3 優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)后的氮氧化物與氨逃逸分布情況

經(jīng)過多次優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)后，A 側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度均值為34.9mg/m3，B 側(cè)反應(yīng)器出口NOx濃度均值為35.5mg/m3，且反應(yīng)器各測(cè)孔處氮氧化物濃度比較均勻，A、B 兩側(cè)反應(yīng)器出口NOx 濃度的整體不均衡也得到了明顯改善，整體相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差從41.5%降至11.8%，逃逸氨分布均勻，且氨逃逸量有較明顯的下降。

5 技術(shù)展望

通過噴氨優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)可以有效調(diào)整、優(yōu)化SCR 反應(yīng)器的運(yùn)行狀況，但經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行后，由于催化劑的磨損及堵塞、反應(yīng)器內(nèi)的流場(chǎng)變化等，SCR 反應(yīng)器依然會(huì)出現(xiàn)出口氮氧化物濃度分布不均、氨逃逸值偏高導(dǎo)致空預(yù)器堵塞、除塵器效率下降等影響設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的情況，為徹底解決脫硝系統(tǒng)存在的問題，需要對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行智能噴氨優(yōu)化改造。

5.1 流場(chǎng)優(yōu)化改造

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析，較多的電廠需要進(jìn)行SCR反應(yīng)器入口流場(chǎng)優(yōu)化。SCR 反應(yīng)器設(shè)計(jì)的要求在實(shí)際工程中往往達(dá)不到，存在一定的偏差，同時(shí)由于噴氨優(yōu)化技術(shù)改造只能解決SCR 脫硝反應(yīng)器噴氨不均勻或程度較輕的流場(chǎng)不均勻問題，因此需要診斷流場(chǎng)分布情況，實(shí)施流場(chǎng)優(yōu)化改造以徹底解決問題。通過在脫硝入口增加導(dǎo)流板、擾流器等裝置，對(duì)煙道流場(chǎng)中的速度場(chǎng)、濃度場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化；通過模擬計(jì)算優(yōu)化原煙道導(dǎo)流板，安裝大尺度煙氣混合器。在SCR 反應(yīng)器入口安裝煙氣混合器或者采用煙道流場(chǎng)建模分析結(jié)果優(yōu)化SCR 反應(yīng)器入口煙氣導(dǎo)流板，以實(shí)現(xiàn)SCR 反應(yīng)器入口氮氧化物及粉塵的均勻性。

5.2 分區(qū)同步測(cè)量

由于流場(chǎng)分布不均導(dǎo)致SCR 反應(yīng)器內(nèi)氮氧化物分布不均，單點(diǎn)的氮氧化物測(cè)量結(jié)果偏差很大，無(wú)法有效指導(dǎo)噴氨量的計(jì)算及SCR 的運(yùn)行調(diào)整，因此需要使用分區(qū)同步測(cè)量來對(duì)SCR 反應(yīng)器的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。在每側(cè)SCR 反應(yīng)器出口位置新增一套NOx 分區(qū)采樣系統(tǒng)，兩側(cè)煙道合計(jì)12 個(gè)分區(qū)，并配備多個(gè)加熱采樣探頭。采樣探頭過濾精度不小于2μm，采樣探頭應(yīng)具備防磨、防堵、反吹等功能，安裝位置應(yīng)具有代表性。每路加熱采樣探頭通過加熱管線進(jìn)行傳輸，防止煙氣冷凝。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)孔位置確認(rèn)管線的長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)安裝煙氣多點(diǎn)快速切換裝置，對(duì)多個(gè)分區(qū)進(jìn)行快速切換采樣。每個(gè)分區(qū)采樣分別進(jìn)入NOx 在線分析系統(tǒng)，并進(jìn)行快速循環(huán)測(cè)量分析。SCR 反應(yīng)器自動(dòng)控制采用反應(yīng)器出口NOx 設(shè)定值控制方式進(jìn)行反饋校正控制，經(jīng)PID 控制器運(yùn)算后生成噴氨閥門開度的調(diào)節(jié)指令，自動(dòng)調(diào)整噴氨量，以保證出口NOx濃度定值排放，優(yōu)化噴氨[4]。

5.3 智能噴氨控制優(yōu)化

智能噴氨控制優(yōu)化的整體思路是在線測(cè)點(diǎn)改造和流場(chǎng)優(yōu)化后的基礎(chǔ)上，根據(jù)催化劑活性檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行在線氮氧化物快速測(cè)量和氨逃逸實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)技術(shù)優(yōu)化，將實(shí)時(shí)測(cè)量的SCR反應(yīng)器進(jìn)出口氮氧化物濃度、煙氣量、溫度、氨逃逸測(cè)量值以及根據(jù)負(fù)荷等變化模擬的預(yù)測(cè)值等數(shù)據(jù)輸入上位機(jī)的噴氨控制系統(tǒng)，經(jīng)過邏輯分析控制噴氨流量調(diào)節(jié)閥，達(dá)到最優(yōu)的噴氨量調(diào)節(jié)。噴氨量根據(jù)煙氣量及反應(yīng)器出口氮氧化物濃度設(shè)定值等公式計(jì)算得出，通過多點(diǎn)采用樣的測(cè)量結(jié)果分析區(qū)域氮氧化物濃度和需要的噴氨量，通過分區(qū)調(diào)平閥和支管調(diào)節(jié)閥進(jìn)行噴氨量的細(xì)微精準(zhǔn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各分區(qū)適量噴氨，保證氮氧化物排放達(dá)標(biāo)的同時(shí)將氨逃逸量控制在合理范圍。

脫硝系統(tǒng)DCS 自動(dòng)控制邏輯改造主要是對(duì)原前饋+弱PI 煙氣脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，即以DMC 算法取代原控制器，得到的新控制系統(tǒng)如圖4 所示。

圖4 基于DMC 的煙氣脫硝控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

新的控制系統(tǒng)中，根據(jù)出口NOx 濃度的設(shè)定值、當(dāng)前測(cè)量值以及當(dāng)前煙氣流量可以計(jì)算出需要去除的NOx 數(shù)量。根據(jù)上文構(gòu)建的噴氨量與去除NOx 數(shù)量間的動(dòng)態(tài)模型，控制器可以優(yōu)化出當(dāng)前時(shí)間的最佳噴氨量，將其施加在脫硝對(duì)象后可獲得出口NOx 濃度的變化。由于控制器具有記憶和預(yù)測(cè)特性，在其優(yōu)化過程中會(huì)綜合既往噴氨量對(duì)未來NOx 濃度變化的影響，因此當(dāng)煙氣流量與煙氣中的氮含量出現(xiàn)擾動(dòng)變化時(shí)，控制器能有效抑制這些擾動(dòng)對(duì)輸出的影響，來實(shí)現(xiàn)DCS 自動(dòng)控制的有效性。

6 結(jié)論

多數(shù)電廠SCR 反應(yīng)器在運(yùn)行中存在較多問題。氮氧化物濃度分布不均、氨逃逸濃度高影響了后續(xù)空預(yù)器、除塵器等下游設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。SCR 反應(yīng)器運(yùn)行中的問題會(huì)導(dǎo)致空預(yù)器堵塞、結(jié)垢，嚴(yán)重的還會(huì)影響機(jī)組帶負(fù)荷能力，因此SCR 反應(yīng)器的運(yùn)行優(yōu)化改造勢(shì)在必行。不少電廠已經(jīng)開始或者已完成SCR 反應(yīng)器的優(yōu)化改造，取得了較為顯著的效果。通過煙道流場(chǎng)優(yōu)化提高煙氣中氮氧化物和粉塵分布均勻性；通過在線取樣測(cè)點(diǎn)改造和氮氧化物快速測(cè)量技術(shù)提高取樣代表性，縮短測(cè)量結(jié)果滯后時(shí)間；使用智能精準(zhǔn)噴氨控制、催化劑全壽命管理等技術(shù)手段指導(dǎo)噴氨優(yōu)化，使反應(yīng)器運(yùn)行效果有顯著提升，氨逃逸量能夠控制在合理范圍內(nèi)，有效減少了下游設(shè)備的堵塞、結(jié)垢問題，保障了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。