燃煤電廠SCR脫硝出口分區(qū)同步測量系統(tǒng)研究與應(yīng)用

王樹輝，高 陽，吳 峰，胡光華，馬 強(qiáng)

(國電投集團(tuán)東北電力有限公司朝陽燕山湖發(fā)電有限公司，朝陽 122000)

0 引 言

近年來，中國的環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，燃煤電廠排放標(biāo)準(zhǔn)不斷出臺，火電廠氮氧化物排放濃度要求越來越高，國家發(fā)改委、環(huán)保部和國家能源局聯(lián)合發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》中要求東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即要求在基準(zhǔn)氧含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為6%條件下，氮氧化物排放質(zhì)量濃度不高于50 mg/m3。為滿足超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，電廠普遍采用SCR脫硝技術(shù)進(jìn)行氮氧化物脫除處理[1-3]。在SCR實(shí)際投運(yùn)中，脫硝裝置入口的NOx濃度波動(dòng)大且不均勻，導(dǎo)致出口濃度控制難度較大[4-5]。常規(guī)CEMS系統(tǒng)為單點(diǎn)取樣，脫硝入口NOx不均勻及催化劑性能差異導(dǎo)致測量值代表性差，引起“倒掛”現(xiàn)象，即脫硝出口CEMS測量值與煙囪出口的CEMS測量值偏差較大。同時(shí)，將不具備代表性的CEMS測量值引入噴氨控制系統(tǒng)進(jìn)行噴氨控制時(shí)，會(huì)導(dǎo)致逃逸氨濃度偏高或脫硝裝置排放指標(biāo)超標(biāo)。為此本文提出來一套分區(qū)同步測量系統(tǒng)，用于解決傳統(tǒng)CEMS測量代表性差的問題。

1 分區(qū)同步測量系統(tǒng)研究

為解決分區(qū)噴氨不均，脫硝出口氨逃逸大的問題，需要針對煙道各個(gè)區(qū)域的實(shí)際情況進(jìn)行分區(qū)精準(zhǔn)噴氨，因此需要將煙道進(jìn)行精準(zhǔn)分區(qū)，并且同步測量同一時(shí)刻的各個(gè)分區(qū)的NOX濃度，只有同步測量的數(shù)據(jù)才能夠進(jìn)行對比，從而分區(qū)精準(zhǔn)調(diào)配各分區(qū)的噴氨量，達(dá)到優(yōu)化控制節(jié)省噴氨，減小氨逃逸的目的。

1.1 取樣方法及測量原理研究

分區(qū)同步測量系統(tǒng)采用稀釋取樣法進(jìn)行煙道煙氣的取樣，該取樣技術(shù)的核心是文丘里和音速小孔，稀釋取樣過程如圖1所示，一定壓力的零氣流過文丘里后，會(huì)在文丘里喉部產(chǎn)生遠(yuǎn)低于煙道內(nèi)部壓力的負(fù)壓，從而將煙道內(nèi)部的氣體抽取出來。音速小孔是限流裝置，當(dāng)音速小孔入口與出口壓力差達(dá)到0.46倍時(shí)，流經(jīng)音速小孔的氣體流量為定值，達(dá)到恒流，而且此流量不再隨著壓力的變化而變化。利用此特性，設(shè)計(jì)煙道內(nèi)部的壓力為音速小孔的入口壓力P2，文丘里產(chǎn)生的負(fù)壓為音速小孔的出口壓力P1，從而創(chuàng)造出滿足音速小孔恒流條件的工況，進(jìn)行穩(wěn)定流量的煙氣取樣。進(jìn)行文丘里入口壓力的控制，從而得到恒定的進(jìn)氣流量。在文丘里恒定進(jìn)氣流量與恒定煙氣取樣流量的情況下，稀釋取樣的稀釋比為定值，從而能夠進(jìn)行穩(wěn)定的取樣過程。

圖1 稀釋取樣過程示意圖

化學(xué)發(fā)光法是進(jìn)行NOX高精度測量的一種最常用的方法，NO與O3反應(yīng)并產(chǎn)生一種特有的光，該光的強(qiáng)度與NO的濃度成線型比例關(guān)系，因此可以通過光電倍增管檢測反應(yīng)中的發(fā)光，從而推測出NO的濃度。煙氣中的NO2通過鉬轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為NO之后送入反應(yīng)室反應(yīng)，因此可以通過化學(xué)發(fā)光法精確測量煙氣中全部的氮氧化物值[6-7]。

稀釋取樣法是一種經(jīng)濟(jì)合理、可靠性高、維護(hù)量小的取樣方法，通過稀釋使取樣煙氣中的水分及粉塵含量大大降低，從而減小了設(shè)備故障率，同時(shí)降低了煙氣露點(diǎn)，省去了大量的高溫伴熱管線，降低了系統(tǒng)成本和維護(hù)量。稀釋后，取樣氣體中的NOX也濃度大大降低，因此選擇測量精度達(dá)到ppb級別的化學(xué)發(fā)光法進(jìn)行測量，能夠精確測量出取樣氣體的NOX濃度，稀釋取樣法和化學(xué)發(fā)光發(fā)法測量原理配合，是分區(qū)同步測量系統(tǒng)的優(yōu)先選擇。

1.2 分區(qū)同步性原理

煙道中的NOX濃度是波動(dòng)的，因流場不均、催化劑差異等原因，不同區(qū)域、不同時(shí)刻的NOX濃度不同，因此必須測量同一時(shí)刻、同一煙道截面的NOX濃度值才有意義，才能作為分區(qū)精準(zhǔn)噴氨的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

將脫硝煙道分區(qū)為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中心位置安裝稀釋取樣探頭進(jìn)行取樣，采用連續(xù)取樣+管線儲氣法，達(dá)到分區(qū)同步測量的目的。同一時(shí)刻各分區(qū)探頭同時(shí)抽取煙道內(nèi)部的煙氣，設(shè)計(jì)不同分區(qū)取樣煙氣到達(dá)分析儀的管長及管徑不同，增加電磁閥進(jìn)行不同區(qū)域取樣氣體的切換，同時(shí)設(shè)計(jì)各分區(qū)切換時(shí)間與分析儀測量每一路氣體的時(shí)間相同，保證前一路氣體測量完畢后，立刻打開下一路氣體進(jìn)行測量，且測量氣體為與第一路氣體同時(shí)刻的取樣氣體。通過電磁閥的切換控制各支路的測量時(shí)間，通過管徑及管長控制各路取樣煙氣，從而實(shí)現(xiàn)各分區(qū)測點(diǎn)的同步測量。

1.3 分區(qū)同步測量系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合稀釋取樣法、化學(xué)發(fā)光法及同步性測量方法，進(jìn)行分區(qū)同步測量系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)主要由就地取樣系統(tǒng)、零氣處理系統(tǒng)、同步輪測系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。其中，就地取樣系統(tǒng)在恒定稀釋比的情況下進(jìn)行穩(wěn)定的連續(xù)取樣；零氣處理系統(tǒng)對現(xiàn)場的壓縮空氣進(jìn)行干燥、凈化處理，為取樣系統(tǒng)等提供超凈的零氣；同步輪測系統(tǒng)對各取樣煙氣進(jìn)行控制切換，實(shí)現(xiàn)同步性的高精度測量，并且能夠計(jì)算出煙道界面的不均勻度，直觀反應(yīng)NOX分布的均勻程度；輔助系統(tǒng)包括吹掃系統(tǒng)及標(biāo)定系統(tǒng)，保障系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定、長期運(yùn)行。

2 實(shí)際應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場情況

國電投某發(fā)電有限公司2×600 MW機(jī)組，采用SCR方式進(jìn)行煙氣脫硝。存在脫硝出口波動(dòng)大，NOX空間分布不均勻的問題，造成現(xiàn)場氨逃逸過大，下游空預(yù)器容易堵塞，引起風(fēng)機(jī)出力不足、增加高壓水在線沖洗成本的現(xiàn)象。為此。該公司進(jìn)行精細(xì)化噴氨改造，增加脫硝精細(xì)化噴氨控制系統(tǒng)，將噴氨格柵處分為7個(gè)區(qū)域，增設(shè)分區(qū)噴氨自動(dòng)控制閥，同時(shí)在下游脫硝出口煙道安裝分區(qū)同步測量系統(tǒng)進(jìn)行脫硝出口NOX的測量，為精細(xì)化噴氨控制系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場取樣探頭安裝在電廠煙道的脫硝出口，A、B側(cè)各7個(gè)測點(diǎn)，均勻布置，如圖2所示。

圖2 取樣探頭安裝位置示意圖

2.2 運(yùn)行效果

分區(qū)同步測量系統(tǒng)安裝運(yùn)行后，能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)量小。該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確測量出煙道內(nèi)部各分區(qū)的NOX濃度值，并且能夠?qū)舛戎瞪蟼髦辆?xì)化噴氨控制系統(tǒng)，為噴氨控制提供真實(shí)、可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3、圖4分別為分區(qū)噴氨自動(dòng)投運(yùn)前與投運(yùn)后脫硝出口煙道分區(qū)的NOX測量數(shù)據(jù)圖，從圖2中可以看出，分區(qū)噴氨自動(dòng)投運(yùn)前，A、B兩側(cè)NOX濃度值偏差較大，計(jì)算A、B側(cè)不均勻度分別32.1%、93.6%；脫硝出口大部分區(qū)域NOX濃度較低，相對應(yīng)的區(qū)域噴氨量大，而B6、B7區(qū)域NOX濃度較高，這兩處分區(qū)噴氨量不足，局部噴氨過量易造成下游空預(yù)器堵塞，排煙溫度升高，氨氣資源浪費(fèi)等問題。從圖3可以看出，分區(qū)噴氨自動(dòng)投運(yùn)后，改善了脫硝出口NOX空間分區(qū)，A、B兩側(cè)NOX濃度值偏差較小，計(jì)算A、B側(cè)不均勻度分別12.7%、18.9%，較投運(yùn)前NOX分布均勻性大幅提高，能夠有效減少“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生；A、B脫硝出口NOX濃度均較大，但低于環(huán)保要求的50 mg/m3，這種工況運(yùn)行下，節(jié)省了脫硝系統(tǒng)的噴氨量，降低脫硝出口氨逃逸量，減少了空預(yù)器的堵塞現(xiàn)象，帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

圖3 分區(qū)噴氨自動(dòng)投運(yùn)前

圖4 分區(qū)噴氨自動(dòng)投運(yùn)后

3 結(jié)束語

提高脫硝出口NOX分布的均勻性是減少“倒掛”現(xiàn)象及局部噴氨過量現(xiàn)象的有效手段，而分區(qū)同步測量系統(tǒng)研究與應(yīng)用，使脫硝出口各分區(qū)的NOX濃度能夠準(zhǔn)確的在線測量，直觀反應(yīng)NOX分布的均勻性，為精細(xì)化噴氨控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)，是對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化的必要過程。實(shí)踐證明，本文研發(fā)的脫硝出口分區(qū)同步測量系統(tǒng)能夠長期、穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，為公司帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。