火電廠SCR出口NOx濃度不均勻性分析及控制措施

文_李龍濤 何永兵 黃裕棟 華電電力科學(xué)研究院有限公司

根據(jù)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃（2014-2020年）》要求，在2020年燃煤機(jī)組氮氧化物（NOx）排放濃度控制在50mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2）以下，而選擇性催化還原（SCR）技術(shù)作為鍋爐尾部煙氣脫硝技術(shù)，其技術(shù)成熟，脫硝效率可達(dá)到90%以上，在火電機(jī)組脫硝控制中得到了最廣泛的應(yīng)用。 隨著NOx排放總量控制約束越來越緊，部分燃煤電廠NOx排放濃度逐年下降，電廠實(shí)際運(yùn)行中，SCR出口普遍出現(xiàn)NOx濃度分布不均現(xiàn)象，造成NOx超標(biāo)排放及氨逃逸風(fēng)險(xiǎn)增加，同時(shí)不利于脫硝自動控制系統(tǒng)對噴氨量的反饋控制。

針對上述問題，結(jié)合筆者多年從事現(xiàn)場脫硝控制研究的實(shí)踐，純粹的技術(shù)控制難以實(shí)現(xiàn)良好的效果，SCR出口NOx濃度分布不均現(xiàn)象的解決需要完善的管理措施。本文從煙氣流場、催化劑活性、煙氣溫度及氨氮摩爾比對SCR出口NOx濃度分布不均現(xiàn)象進(jìn)行簡要分析，同時(shí)對當(dāng)前市場上的主要控制技術(shù)進(jìn)行分析，提出技術(shù)中存在的不足，為后續(xù)人員的研究提供借鑒，并介紹一些關(guān)鍵的管理要點(diǎn)，為電廠管理人員完善并優(yōu)化管理措施提供幫助。

1 SCR反應(yīng)的基本原理

在SCR反應(yīng)過程中，通過加氨（NH3）在催化劑作用下可以把NOx轉(zhuǎn)化為空氣中含有的N2和H2O。SCR反應(yīng)中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)為：

2 NOx濃度分布不均影響因素分析

2.1 煙氣流場

煙氣流速與入射角是造成催化劑沖蝕磨損的主要影響因素，一般設(shè)計(jì)要求第一層催化劑入口煙氣流速相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于15%，煙氣入射角小于±10°，過大的局部煙氣流速使催化劑本體遭到氣流與飛灰沖刷，催化劑壽命縮短，同時(shí)煙氣速度大，煙氣在SCR反應(yīng)器內(nèi)的停留時(shí)間短，催化反應(yīng)進(jìn)行不完全，導(dǎo)致SCR出口煙氣中NOx含量偏高，而煙氣流速偏小帶來的最大問題是催化劑容易積灰堵塞，將進(jìn)一步增強(qiáng)催化劑入口截面煙氣流場分布不均現(xiàn)象。

2.2 煙氣溫度

反應(yīng)溫度決定反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)速度，同時(shí)也決定催化劑的反應(yīng)活性，隨著反應(yīng)溫度升高，脫硝效率會出現(xiàn)先上升后下降現(xiàn)象。下降的主要原因是催化劑出現(xiàn)燒結(jié)，同時(shí)部分NH3出現(xiàn)氧化現(xiàn)象生成N2O。目前火電機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間長，當(dāng)燃煤煤質(zhì)為高硫煤時(shí)，煙氣中SO3含量高，煙氣溫度偏差大時(shí)，催化劑部分區(qū)域煙氣溫度可低于催化劑最低連續(xù)運(yùn)行溫度，造成SCR出口NOx濃度偏高，同時(shí)容易生成硫酸氫氨，對催化劑及后續(xù)設(shè)備均產(chǎn)生不利影響。

2.3 氨氮摩爾比

氨氮摩爾比指為脫除1mol氮氧化物需要匹配的氨量。一般在SCR工藝中，稀釋后的NH3通過布置于噴氨格柵上的噴嘴進(jìn)入煙氣中，噴射的氨量與煙氣中的NOx達(dá)到合適的氨氮摩爾比對NOx的脫除至關(guān)重要，合適的氨氮摩爾比可以獲得更高的脫硝效率。

催化劑入口氨氮摩爾比分布不均對SCR脫硝效率影響較大，一般設(shè)計(jì)要求第一層催化劑入口氨氮摩爾比相對標(biāo)準(zhǔn)偏差小于5%。SCR系統(tǒng)投運(yùn)后，催化劑入口的氨氮摩爾比分布主要取決于噴氨格柵處的噴氨量與煙氣中NOx通量（通量指單位面積中煙氣流速與NOx濃度的乘積）的匹配，目前脫硝控制系統(tǒng)控制邏輯一般采用固定氨氮摩爾比進(jìn)行噴氨量調(diào)節(jié)，當(dāng)分區(qū)域布置的噴氨格柵噴氨量無法有效跟蹤匹配本區(qū)域?qū)嶋HNOx通量時(shí)會造成第一層催化劑入口局部區(qū)域氨氮摩爾比偏大或偏小，SCR出口NOx濃度分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

2.4 催化劑活性

催化劑是SCR系統(tǒng)的核心。根據(jù)國際純粹化學(xué)與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會1981年的定義，催化劑是一種改變反應(yīng)速率但不改變反應(yīng)總標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能的物質(zhì)。從理論上看，催化劑的催化作用可以保持不變，催化劑可以無限時(shí)間使用，但實(shí)際運(yùn)行中，煙氣狀態(tài)及化學(xué)組成會造成催化劑發(fā)生鈍化與中毒，描述催化劑性能的一個(gè)重要指標(biāo)是催化劑活性，反應(yīng)了催化劑脫除氮氧化物的能力。

氣流磨蝕、孔道堵塞、堿金屬中毒和有效活性成分損失是催化劑活性下降的主要原因。SCR反應(yīng)器中，煙氣狀態(tài)及化學(xué)組成分布不均勻?qū)ν瑢哟呋瘎┎煌K的活性影響不同，導(dǎo)致催化劑活性的不均勻性衰減，當(dāng)煙氣流經(jīng)催化劑時(shí)，不同活性的催化劑對氮氧化物的脫除率不同，SCR出口NOx濃度分布出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象。

3 控制措施

SCR出口NOx不均勻現(xiàn)象的出現(xiàn)往往是多種因素的相互耦合作用造成的，在控制措施上可以分為技術(shù)措施與管理措施兩種。

3.1 技術(shù)措施

3.1.1 前端控制

鍋爐燃燒過程中，因機(jī)組運(yùn)行工況的變化、尾部煙道換熱不均等原因可能造成SCR入口煙氣溫差大、煙氣流場均勻性差，建議可通過鍋爐燃燒調(diào)整、改善吹灰等措施進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)前端控制與尾部SCR脫硝的協(xié)同控制。

3.1.2 SCR入口煙道流場優(yōu)化

在煙氣超低排放改造中，因現(xiàn)場布置條件的約束，省煤器出口至SCR反應(yīng)器第一層催化劑入口的煙道存在多處轉(zhuǎn)彎或截面突變現(xiàn)象，煙氣流場往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，為保證SCR出口濃度場的均勻性，應(yīng)進(jìn)行SCR入口煙道流場優(yōu)化。

SCR入口煙道流場優(yōu)化主要需考慮：除去煙氣中較大顆粒飛灰，減少催化劑的飛灰磨損；控制噴氨格柵入口煙氣流場均勻性，保證催化劑入口氨氮摩爾比均勻性，同時(shí)為噴氨優(yōu)化調(diào)整創(chuàng)造條件；控制催化劑入口煙氣流場均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

SCR入口煙道流場優(yōu)化主要是導(dǎo)流板與整流格柵的優(yōu)化，一般通過數(shù)值模擬與冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行均流與混合技術(shù)的研究，因網(wǎng)格劃分、假設(shè)條件等對數(shù)值模型精度影響很大，SCR數(shù)值模擬需要通過冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行校核驗(yàn)證。工程施工中，導(dǎo)流板普遍存在安裝精度不高的問題，造成催化劑入口煙氣流場達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，建議導(dǎo)流板施工完成后及時(shí)進(jìn)行現(xiàn)場冷態(tài)流場測試以保證SCR入口煙道流場優(yōu)化實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。

3.1.3 高效噴氨混合系統(tǒng)

SCR入口煙道內(nèi)的導(dǎo)流板和整流格柵主要用于調(diào)節(jié)煙氣流場分布，對煙氣中氨氮摩爾比分布調(diào)節(jié)作用不明顯，而高效噴氨混合系統(tǒng)可有效調(diào)節(jié)氨氮摩爾比分布。工程上主要有三種噴氨混合裝置，即線性控制式、分區(qū)獨(dú)立噴氨式、混合式。

線性控制式噴氨混合裝置控制簡單，壓降小，主要缺點(diǎn)是只能調(diào)節(jié)噴氨支管上的稀釋氨流量，各個(gè)噴管上的所有噴嘴流量不能單獨(dú)調(diào)節(jié)，對多變煙氣的適應(yīng)性較差。分區(qū)獨(dú)立控制式噴氨混合裝置屬于線性控制式的改進(jìn)優(yōu)化，通常將噴氨區(qū)域煙道截面劃分成數(shù)十個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的噴氨量可獨(dú)立調(diào)節(jié)，對煙氣的適應(yīng)性增強(qiáng)，工程上已廣泛采用分區(qū)獨(dú)立控制式。

混合式噴氨混合裝置在單獨(dú)噴氨格柵的基礎(chǔ)上，為增加稀釋氨與煙氣中氮氧化物的有效混合，利用混合器加強(qiáng)氣體擾動，達(dá)到最佳湍流混合，已應(yīng)用于國內(nèi)外SCR工程中的混合器有FBE公司的渦流混合器、巴克-杜爾公司的三角翼混合器、托普索公司研發(fā)的星形混合器等。

針對不同工程特點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合氨氣與氮氧化物的有效混合距離、SCR入口煙道長度及布置方式、壓降要求、建設(shè)投資、運(yùn)行維護(hù)成本等因素，選擇適合現(xiàn)場需求的高效氨噴射混合系統(tǒng)。

3.1.4 噴氨優(yōu)化調(diào)整

SCR系統(tǒng)投運(yùn)后，隨著鍋爐燃燒方式的改變、噴氨格柵噴嘴堵塞、催化劑鈍化、噴氨調(diào)節(jié)閥流量特性變動等造成催化劑入口截面氨氮摩爾比分布不均，通過定期調(diào)節(jié)SCR入口煙道噴氨支管的閥門開度實(shí)現(xiàn)氨量分配與煙氣中的NOx通量相匹配，使其處于合適的氨氮摩爾比附近可改善SCR出口NOx濃度不均勻現(xiàn)象。

定期噴氨優(yōu)化調(diào)整往往在特定負(fù)荷、特定運(yùn)行工況下進(jìn)行噴氨量調(diào)節(jié)，而固定的噴氨量分配顯然無法有效適應(yīng)現(xiàn)場多變的工況。根據(jù)大量現(xiàn)場噴氨優(yōu)化調(diào)整經(jīng)驗(yàn)來看，噴氨優(yōu)化調(diào)整效果持續(xù)性不佳，無法長期維持SCR出口NOx濃度分布均勻性。

3.1.5 智能分區(qū)噴氨技術(shù)

智能分區(qū)噴氨技術(shù)可實(shí)時(shí)跟蹤NOx通量變化，自動調(diào)節(jié)噴氨量，有效降低SCR出口NOx分布不均現(xiàn)象，具有良好的發(fā)展前景。

（1）系統(tǒng)組成

智能分區(qū)噴氨技術(shù)是基于流場優(yōu)化、噴氨分區(qū)控制、多點(diǎn)NOx測量、噴氨總量先進(jìn)控制等，開發(fā)的脫硝一體化改造方案。主要分為流場優(yōu)化、先進(jìn)測量系統(tǒng)、分區(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)和先進(jìn)控制系統(tǒng)四大部分。

流場優(yōu)化主要針對煙道導(dǎo)流板、混合器進(jìn)行優(yōu)化改造；先進(jìn)測量系統(tǒng)包括NOx/O2分區(qū)測量系統(tǒng)、SCR出口NOx/O2濃度混合測量系統(tǒng)、SCR入口NOx/O2濃度混合測量系統(tǒng)；分區(qū)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是指噴氨格柵分區(qū)自動控制裝置，在SCR入口煙道處將SCR脫硝裝置沿寬度方向分為若干區(qū)，每個(gè)區(qū)設(shè)置1組自動調(diào)節(jié)閥，用于分區(qū)噴氨量的自動調(diào)整；先進(jìn)控制系統(tǒng)主要包括噴氨總量先進(jìn)控制系統(tǒng)、噴氨格柵均衡分區(qū)精準(zhǔn)噴氨控制系統(tǒng)。

智能分區(qū)噴氨技術(shù)的核心是控制系統(tǒng)的開發(fā)。一方面，結(jié)合鍋爐燃燒參數(shù)（給煤量、鍋爐出口氧量、機(jī)組負(fù)荷、主蒸汽量、磨煤機(jī)運(yùn)行方式等），加入預(yù)判前饋信號，解決SCR入口NOx測量滯后的問題；另一方面，通過對運(yùn)行工況進(jìn)行分析，輸出不同的前饋與反饋控制系數(shù)，從而更準(zhǔn)確的輸出噴氨量調(diào)節(jié)指令，同時(shí)基于噴氨擴(kuò)散模型、催化劑性能分布模型，考慮SCR出口NOx濃度的實(shí)時(shí)測量值，結(jié)合SCR出口NOx濃度的歷史數(shù)據(jù)，建立最佳的SCR出口NOx濃度均衡控制模型。

（2）存在的問題及解決措施

SCR反應(yīng)器進(jìn)出口分區(qū)數(shù)量的合理性及煙氣采樣的準(zhǔn)確性有待提高； SCR入口NOx通量因負(fù)荷、煤質(zhì)變動而發(fā)生較大波動時(shí)，無法快速做出響應(yīng)，及時(shí)調(diào)節(jié)噴氨量；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性欠佳，維護(hù)工作量大； SCR出口CEMS的NOx濃度對煙囪環(huán)保排放口CEMS的NOx濃度跟蹤性能欠佳。

建立準(zhǔn)確的SCR入口NOx通量變動預(yù)測模型，用于脫硝系統(tǒng)噴氨量前饋控制，提高噴氨系統(tǒng)對機(jī)組變工況的適應(yīng)性；煙氣成分分析儀對氮氧化物的快速準(zhǔn)確測量是智能噴氨控制技術(shù)的關(guān)鍵，可考慮縮短煙氣采樣管線，增大采樣速度等措施；SCR入口煙氣流場及NOx濃度場分布是影響噴氨分區(qū)合理性的關(guān)鍵因素，可考慮在噴氨格柵上游加設(shè)大尺度靜態(tài)混合器，降低噴氨分區(qū)難度及分區(qū)不合理導(dǎo)致的負(fù)面影響；優(yōu)化噴氨控制系統(tǒng)，提高SCR出口NOx濃度對煙囪環(huán)保排放口NOx濃度的跟蹤性能。

3.2 管理措施

3.2.1 全流程的管理措施

SCR系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員必須充分考慮鍋爐類型、燃料和灰渣的成分、飛灰量、SCR入口的煙氣參數(shù)、催化劑類型等影響因素，良好的SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)是保證SCR出口NOx均勻性的前提。在SCR裝置的施工安裝階段，施工人員應(yīng)提高安裝精度，嚴(yán)格按圖施工，為脫硝系統(tǒng)投運(yùn)后的良好運(yùn)行及后續(xù)優(yōu)化改進(jìn)打下基礎(chǔ)。在SCR催化劑運(yùn)行過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照運(yùn)行規(guī)程進(jìn)行SCR系統(tǒng)操作，對運(yùn)行溫度、吹灰系統(tǒng)、SCR區(qū)域溫度及阻力等進(jìn)行有效管控。機(jī)組大修前后，檢修人員應(yīng)對SCR裝置中的噴氨格柵、導(dǎo)流板、混合器、催化劑等進(jìn)行全面檢查并及時(shí)處理異常，積灰堵塞、磨損嚴(yán)重的催化劑應(yīng)及時(shí)進(jìn)行再生或更換。SCR出口NOx濃度不宜設(shè)置過低，較高的NOx濃度可有效降低SCR出口NOx濃度不均勻分布，同時(shí)減少氨耗量，SCR出口NOx濃度設(shè)置為35～45mg/Nm3比較適宜。

3.2.2 評價(jià)體系

目前，SCR脫硝系統(tǒng)的技術(shù)改造眾多，但缺乏一套系統(tǒng)科學(xué)的評價(jià)體系，造成管理方在項(xiàng)目實(shí)施中難以有效量化管控。建立一套科學(xué)的評價(jià)體系，有效評估噴氨優(yōu)化調(diào)整及智能分區(qū)噴氨實(shí)施的效果，如以空預(yù)器阻力增加速率考核氨逃逸變化情況，以SCR出口NOx濃度對環(huán)保排放口NOx濃度的跟蹤性能評價(jià)噴氨控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果等，可有效加強(qiáng)對項(xiàng)目實(shí)施方的監(jiān)督，對于提高整個(gè)行業(yè)的技術(shù)水平進(jìn)步是有利的。

4 結(jié)語

SCR出口NOx濃度分布的影響因素主要包括煙氣流場、煙氣溫度、氨氮摩爾比、催化劑活性，各個(gè)因素相互耦合，找出影響NOx濃度不均勻分布的主導(dǎo)因素是關(guān)鍵，同時(shí)為控制措施的選擇提供了方向。

前端控制、SCR入口煙道流場優(yōu)化、高效噴氨混合裝置、噴氨優(yōu)化調(diào)整、智能分區(qū)噴氨技術(shù)和催化劑再生是改善SCR出口NOx濃度不均勻分布的主要技術(shù)措施，技術(shù)措施與管理措施的協(xié)同作用是有效控制SCR出口氮氧化物濃度分布的關(guān)鍵。

建立一套科學(xué)的評價(jià)體系，有效評估噴氨優(yōu)化調(diào)整及智能分區(qū)噴氨實(shí)施的效果，對于行業(yè)的良性發(fā)展具有極大意義。