分區(qū)噴氨控制技術(shù)在SCR脫硝中的應(yīng)用

摘 要：針對SCR脫硝反應(yīng)器中氨氮比的及時調(diào)整問題，近年來廣泛采用分區(qū)噴氨控制技術(shù)來解決。首先，該文將介紹分區(qū)噴氨控制技術(shù)的3個組成部分，并詳細(xì)分析測量技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和選擇依據(jù)，以闡明三層控制技術(shù)的目的和原理。最后，將對分區(qū)噴氨控制技術(shù)的應(yīng)用條件進(jìn)行深入分析。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝;分區(qū)噴氨;氨氮比;電化學(xué)法;化學(xué)發(fā)光法

中圖分類號：X773 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）22-0189-04

Abstract： In order to solve the problem of timely adjustment of ammonia-nitrogen ratio in SCR denitrification reactor， zonal ammonia injection control technology has been widely used in recent years. First of all， this paper will introduce the three components of the zonal ammonia injection control technology， and analyze the application status and selection basis of the measurement technology in detail， in order to clarify the purpose and principle of the three-layer control technology. Finally， an in-depth analysis will be made to the application conditions of the zonal ammonia injection control technology.

Keywords： SCR denitrification; zonal ammonia injection; ammonia-nitrogen ratio; electrochemical method; Chemiluminescence Method

選擇性催化還原脫硝技術(shù)憑借其卓越的脫硝效率，已成為燃煤電廠煙氣脫硝的首選技術(shù)。該技術(shù)的基本原理是在煙氣中注入氨氣，通過催化劑的作用，使氨氣與煙氣中的氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)，最終生成對環(huán)境無害的氮?dú)鈁1-3]。在催化還原反應(yīng)過程中，溫度、煙氣停留時間和氨氮比的控制至關(guān)重要。

過高或過低的溫度都會對催化反應(yīng)效率產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至可能導(dǎo)致催化作用失效。過低的停留時間意味著速度過快，此時帶粉塵的氣流會對催化劑造成沖刷和磨損，導(dǎo)致催化劑的物理損傷;而過高的停留時間則意味著速度過慢，煙氣中的粉塵無法被氣流帶走，從而停留在催化劑間隙中，導(dǎo)致催化劑失去活性。此外，氨氮比不均勻會導(dǎo)致氨氮高的區(qū)域氨逃逸大幅增加，而氨氮低的區(qū)域由于還原劑不足，脫硝效率降低。

為了解決這些問題，整個催化劑反應(yīng)器及前后煙道都進(jìn)行了保溫處理，使得還原反應(yīng)的熱效應(yīng)非常小，類似于絕熱過程，因此溫度基本保持恒定。對于流場不穩(wěn)定導(dǎo)致的局部速度過高或過低的問題，通常采用整流裝置進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時，由于入口煙氣中氨氧化物濃度會隨著機(jī)組負(fù)荷的波動而變化，這會導(dǎo)致反應(yīng)器中氨氮比分布的不均勻變化，對脫硝控制極為不利。為了及時調(diào)整反應(yīng)器的氨氮比，近年來出現(xiàn)了分區(qū)噴氨控制技術(shù)。

1 分區(qū)噴氨控制技術(shù)

分區(qū)噴氨技術(shù)是一種用于控制脫硝反應(yīng)器中氨氮比分布的技術(shù)。它由3個關(guān)鍵技術(shù)組成：分區(qū)測量技術(shù)、分區(qū)噴氨技術(shù)和控制技術(shù)。

首先，分區(qū)測量技術(shù)通過在脫硝反應(yīng)器出口設(shè)置多個測量點(diǎn)，實(shí)時監(jiān)測不同區(qū)域的氮氧化物濃度。這樣可以準(zhǔn)確地了解每個區(qū)域的氮氧化物濃度，為后續(xù)的分區(qū)噴氨提供數(shù)據(jù)支持。o+y/whsndJijdOGqlus2EFg+V9+z2xwwXJ/G3Z9qEG0=其次，分區(qū)噴氨技術(shù)根據(jù)分區(qū)測量得到的數(shù)據(jù)，對不同區(qū)域的氨噴射量進(jìn)行精確控制。通過調(diào)整每個區(qū)域的氨噴射量，可以使得整個脫硝反應(yīng)器的氨氮比分布更加均勻。這樣可以避免因?yàn)榘钡确植疾痪鶎?dǎo)致的問題，如氨逃逸高和氨耗量大等。最后，控制技術(shù)是分區(qū)噴氨技術(shù)的核心技術(shù)之一。它通過將分區(qū)測量得到的數(shù)據(jù)傳輸給控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對分區(qū)噴氨的自動控制?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時的氨氮比分布情況，自動調(diào)整每個區(qū)域的氨噴射量，以保持整個脫硝反應(yīng)器的氨氮比分布穩(wěn)定。

綜上所述，分區(qū)噴氨技術(shù)通過分區(qū)測量技術(shù)、分區(qū)噴氨技術(shù)和控制技術(shù)的組合應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)對脫硝反應(yīng)器入口的氨氮比分布進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。這樣可以有效地避免因氨氮比分布不均而導(dǎo)致的問題，提高脫硝效率并降低氨逃逸和氨耗量。

1.1 脫硝分區(qū)測量技術(shù)

脫硝分區(qū)測量技術(shù)是分區(qū)噴氨控制技術(shù)的關(guān)鍵之一。對于脫硝閉環(huán)控制系統(tǒng)，出口氮氧化物的測量更加重要。因此，脫硝分區(qū)測量最重要的是對脫硝出口NOx分布進(jìn)行有效的測量。脫硝入口的NOx測量可以作為控制的前饋，有利于提高控制的品質(zhì)，但不是必需的。

煙氣的測量系統(tǒng)一般由取樣、分析、連接管路等部分組成。NOx濃度的分析方法主要采用電化學(xué)、光學(xué)、化學(xué)發(fā)光等原理。

1.1.1 電化學(xué)法及原理

1834年，F(xiàn)araday首次發(fā)現(xiàn)了固體中的離子傳輸現(xiàn)象。1977年Gauthier等首次利用該原理實(shí)現(xiàn)了NOx的測量。氧化鋯測量O2的基礎(chǔ)理論是能斯特公式。NOx測量是通過O2的測量間接實(shí)現(xiàn)的[4]。

電化學(xué)法氧化鋯NOx傳感器由2個電極組成，其中一個電極對NOx具有催化分解作用。在一定溫度下，被吸附在工作電極上的NOx發(fā)生如下反應(yīng)。

NO2+2e-→NO+O2-，（1）

2NO+4e-→N2+2O2-。（2）

O2-離子在電壓或者濃度差作用下，通過電解質(zhì)中的氧離子空位穿透電解質(zhì)，到達(dá)另一電極。離子在電極上失去電子，形成電流或電勢差。

電化學(xué)法采用氧化鋯測量O2的基礎(chǔ)理論是能斯特公式。

電化學(xué)法具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短、測量范圍寬、使用溫度高（600～1 200 ℃）、安裝方便和維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。但國內(nèi)氧化鋯氣體傳感器普遍存在穩(wěn)定性差和壽命短的現(xiàn)象。

1.1.2 光學(xué)方法

非色散紅外傳感器是一種精密的光學(xué)氣體傳感器，其構(gòu)成包括紅外光源、光路、紅外探測器、電路（Electronics）和軟件算法[5]。該傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是化合物的測量。

化合物是由不同種類的原子構(gòu)成的復(fù)雜分子。當(dāng)紅外光照射到這個分子時，原子之間會發(fā)生微小的往返位移，這被稱為化學(xué)鍵振動。由于原子非常小且輕，因此化學(xué)鍵振動的頻率非常高。不同分子的分子量不同，因此它們對紅外光的吸收波長也會有所不同。通過測量紅外吸收波的強(qiáng)度，我們可以確定化合物的含量。這就是非色散紅外傳感器的測量原理。

非色散紅外傳感器在工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測和科學(xué)研究等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其能夠快速、準(zhǔn)確地測量氣體中的化合物含量，為各行各業(yè)提供了重要的數(shù)據(jù)支持。無論是石油化工、環(huán)境保護(hù)還是食品安全，非色散紅外傳感器都發(fā)揮著重要的作用。

傅里葉紅外光譜法測量二氧化氮的典型譜圖如圖1所示。

1.1.3 化學(xué)發(fā)光法

利用化學(xué)反應(yīng)的發(fā)光效應(yīng)。當(dāng)氣樣中的NO和O3（臭氧）反應(yīng)生成NO2時，大約有10%的NO2處于激化狀態(tài)（以NO2*表示）。這些激態(tài)分子按式（4）向基態(tài)過渡時，發(fā)射出波長590～2 500 nm的光量子hv，其強(qiáng)度與NO量成正比，利用光電倍增管將這一光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵隹赏扑愠鯪O濃度。

NO+O3→NO2*+O2， （3）

NO2*→NO2+hv， （4）

該方法相較于紅外法具有更高的精度，一般可高出2～3個數(shù)量級。然而，這種方法也存在一些缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在設(shè)備復(fù)雜性和成本方面。首先，需要專門的抽樣發(fā)生裝置來實(shí)現(xiàn)氣體樣品的采集和處理。其次，相關(guān)設(shè)備的價格也相對較高。利用化學(xué)反應(yīng)的發(fā)光效應(yīng)來測量氣體中NO濃度的方法具有較高的精度和可靠性，但同時也需要投入相應(yīng)的設(shè)備和成本。

1.1.4 取樣裝置

對于脫硝分區(qū)測量主要有3類取樣裝置：母管式、稀釋法式及原位式。于寶建等[7]對各種類型的測量方式及應(yīng)用場景進(jìn)行了總結(jié)。實(shí)際應(yīng)用中具有工程價值的脫硝出口NOx分區(qū)測量：原位法取樣+電化學(xué)法;稀釋法取樣+化學(xué)發(fā)光法[7];差壓法取樣+紅外法/紫外法（表1），其特點(diǎn)分別如下。

氧化鋯電化學(xué)法+原位法。

1）氧化鋯電化學(xué)NOx測量是通過O2的測量間接實(shí)現(xiàn)的。因此，維持微槽道流動的穩(wěn)定性，對于NOx測量至關(guān)重要，一旦測量室積灰或堵塞，測量數(shù)據(jù)就會失效。氧化鋯測量O2的基礎(chǔ)理論是能斯特公式，E=ln。所以，溫度控制對測量精度有很大的影響。氧化鋯電化學(xué)NOx測量原理沒有通過環(huán)保檢測總站的環(huán)保認(rèn)證，不能用來作為上傳環(huán)保局的CEMS儀表。但在重型卡車的脫硝檢測領(lǐng)域，有廣泛的應(yīng)用。由于車載環(huán)境中，無粉塵的特點(diǎn)，氧化鋯的測量穩(wěn)定性相對較好。

2）相比稀釋法，該方法可以同步進(jìn)行O2測量、成本略低、原位測量，數(shù)據(jù)幾乎沒有延遲。

3）從控制角度來說，由于原位測量方式數(shù)據(jù)及時性好，分區(qū)控制的最大調(diào)節(jié)時間不超過半小時。

化學(xué)發(fā)光法分析儀+稀釋法取樣方式。

1）采用基于化學(xué)發(fā)光法的進(jìn)口NOx分析儀。在目前國內(nèi)市場中，NOx的測量基于3種原理：化學(xué)發(fā)光法、非分散紅外法、紫外差分法?；瘜W(xué)發(fā)光法的儀器檢出限最低，在測定低濃度時準(zhǔn)確性最好。

2）取樣裝置主要用于抽取測量煙氣，并對抽取的測量煙氣進(jìn)行過濾、稀釋后送至分析控制柜。采用正壓送氣，并配備有吹掃管和標(biāo)氣管，具備吹掃和全流程標(biāo)定功能。稀釋探頭配有負(fù)壓檢測裝置，便于實(shí)時監(jiān)測稀釋器運(yùn)行狀況。

3）根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，單個測點(diǎn)的NOx分析穩(wěn)定時間不超過10 s，實(shí)際運(yùn)行時，設(shè)置為20 s/單點(diǎn)（可在線調(diào)整），測量柜自動讀取最后5 s的平均值作為實(shí)際測量值。12個測點(diǎn)的測量周期不超過4 min（20×12=240 s）。

4）測量精度高?；瘜W(xué)發(fā)光法的測量精度能夠達(dá)到±0.4 ppb，尤其適合超低排放后的NOx測量。

5）同步取樣測量。每個測點(diǎn)的取樣管線長度不一，通過抽取樣氣的時間差，實(shí)現(xiàn)同時取樣，分時測量，從而測得同一時刻煙道斷面內(nèi)的NOx濃度分布。

6）正壓送樣。與負(fù)壓送樣相比，正壓送樣能降低取樣管路漏氣的敏感性， 提高裝置可靠性。

7）適用不同煙道壓力。取樣裝置能提供不小于0.4個大氣壓（-40 kPa，表壓）的真空度，相對而言，只有幾百Pa的煙道壓力波動，對抽吸流量可以忽略。

差壓法取樣+紅外法/紫外法。

該技術(shù)成熟，但測量精度一般，精度處于電化學(xué)法和化學(xué)發(fā)光法之間。由于采用差壓法取樣，抽取時間長，所以測量延遲也較大。取樣管道為負(fù)壓，管道的輕微泄漏，也會對測量準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，且不易排查。

在處理脫硝出口的NOx濃度問題時，需要根據(jù)具體情況選擇不同的測量和分析方法。首先，如果脫硝出口的NOx濃度較低，那么就需要采用更高的測量分析精度。在這種情況下，通常會選擇稀釋法進(jìn)行操作。稀釋法可以有效地提高測量的準(zhǔn)確性，從而確保對NOx濃度的控制更為精確。

其次，如果脫硝出口的NOx濃度較高，但變化速度較快，那么可以選擇原位式進(jìn)行取樣和測量。原位式測量方法可以實(shí)時監(jiān)測NOx濃度的變化，從而幫助我們及時發(fā)現(xiàn)并處理可能出現(xiàn)的問題。這種方法雖然需要較高的技術(shù)要求，但其快速響應(yīng)的特性使其在處理高濃度、快速變化的NOx濃度問題時具有顯著的優(yōu)勢。

最后，如果脫硝出口的NOx濃度較高且變化穩(wěn)定，那么可以選擇母管式進(jìn)行測量。母管式測量方法不僅可以提供較高的測量精度，而且其經(jīng)濟(jì)性也更強(qiáng)。通過母管式測量，可以在保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的同時，降低測量成本，從而實(shí)現(xiàn)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

總的來說，對于脫硝出口的NOx濃度問題，需要根據(jù)其具體的特性和要求，選擇合適的測量和分析方法。無論是采用稀釋法、原位式還是母管式，都需要確保測量的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性，從而更好地控制脫硝出口的NOx濃度。

1.2 分區(qū)噴氨設(shè)計

分區(qū)噴氨是分區(qū)噴氨控制系統(tǒng)的執(zhí)行部分。對噴氨系統(tǒng)進(jìn)行分區(qū)噴氨設(shè)計，是分區(qū)能夠正常執(zhí)行的關(guān)鍵。

分區(qū)噴氨包括煙道外噴氨管路、煙道內(nèi)噴氨格柵及管路上的閥件等。對于單側(cè)反應(yīng)器，介質(zhì)依次流過噴氨總閥—氨氣母管—氨空混合器—噴氨母管—分區(qū)噴氨閥—分區(qū)母管—手動閥—噴氨支管—噴氨格柵。

噴氨管路和閥件均在煙道外。噴氨管路設(shè)計時，需要根據(jù)流量的變化調(diào)整管徑的大小，變徑處流線處理，從而減少系統(tǒng)阻力，也不易出現(xiàn)積灰堵塞。閥件一般采用3級，分別為噴氨總閥、分區(qū)噴氨閥門和手動閥。噴氨總閥內(nèi)的介質(zhì)為純氨氣（以液氨供氨系統(tǒng)為例），因此噴氨總閥的尺寸一般不大，但對閥門精度的要求較高。分區(qū)噴氨閥門設(shè)置在氨空混合器之后，閥內(nèi)的介質(zhì)為氣體，氨氣濃度小于5%，其余為空氣。手動閥在分區(qū)噴氨閥門下游，介質(zhì)和分區(qū)噴氨閥相同，數(shù)量由噴氨支管的數(shù)量確定。

噴氨格柵的設(shè)計應(yīng)根據(jù)煙道內(nèi)的流場分布，將整個煙道截面分為面積相等的多個區(qū)域。噴氨格柵噴嘴分布也有多種形式，其中H形各噴嘴的阻力特性一致，噴氨的均勻性較好，推薦采用。

1.3 控制技術(shù)

控制與閥門一樣分為3個層級，且控制目標(biāo)各不相同。第一層級，噴氨總閥和脫硝出口NOx測量構(gòu)成噴氨總量控制的執(zhí)行器和測量裝置，能夠依據(jù)出口的NOx濃度，調(diào)整噴氨總閥開度，使得出口的NOx濃度達(dá)到環(huán)保要求;第二層級，噴氨分區(qū)閥和脫硝出口分區(qū)測量構(gòu)成噴氨分區(qū)控制的執(zhí)行器和測量裝置，控制的目標(biāo)為出口NOx的均勻性;第三層級，手動閥與便攜測量裝置配合，通過調(diào)試人員的定期調(diào)整，實(shí)現(xiàn)各個分區(qū)內(nèi)NOx的均勻性。用示意圖表示如圖2所示，第一層級目的為確保A截面的NOx均值滿足環(huán)保考核要求;第二層級目的為減少A1、A2、……之間數(shù)值差異;第三層級目的為減少A1egKkwuQtCuNA9PnbSxX097KMA68faHkXX7xjN8okYvk=1、A12、……之間數(shù)值差異。

2 技術(shù)應(yīng)用條件分析

不合理的氨氮比匹配會導(dǎo)致局部的過噴和局部噴氨不足，從而導(dǎo)致噴氨過量、氨逃逸高等問題。氨氮比匹配存在空間上和時間上2類情況。

分區(qū)噴氨控制技術(shù)通過合理的氨氮比匹配，從而減少煙道截面的NOx差異，可以解決空間上氨氮比匹配的問題，但對時間上的氨氮比匹配問題無能為力。這是分區(qū)噴氨控制技術(shù)有效性的前提條件。另外，分區(qū)噴氨的調(diào)整及時性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于噴氨總量控制，需要的調(diào)節(jié)時間較長，qZYzoJiFMc6XXvThc2zi2wIkz65rwfXKc+xtcA5duGE=一般而言需要半小時到數(shù)小時。因此，如果煙氣的NOx濃度變化頻率長期過高（一個周期時間短與調(diào)節(jié)時間），則控制無法到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，無法取得理想效果。

因此，在機(jī)組出現(xiàn)噴氨過量、氨逃逸高等問題時，先分析是時間上還是空間上氨氮匹配問題，并根據(jù)鍋爐煙氣的濃度變化頻率情況，合理選擇分區(qū)噴氨控制技術(shù)。

3 結(jié)論

分區(qū)噴氨控制技術(shù)包括脫硝分區(qū)測量技術(shù)、分區(qū)噴氨設(shè)計技術(shù)、控制技術(shù)等部分。該技術(shù)能夠針對性地解決噴氨系統(tǒng)因空間上的氨氮比不均帶來的過噴、氨逃逸高等問題。根據(jù)自己的實(shí)際情況，合理選擇分區(qū)噴氨控制技術(shù)是項(xiàng)目成功的前提條件。

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第一作者簡介：賈佐梓（1993-），男，工程師。研究方向?yàn)殡娏ιa(chǎn)管理。