SCR出口NOX稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

摘 要：針對(duì)目前燃煤電廠SCR脫硝出口單點(diǎn)CEMS系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)代表性差的問題，該文開展SCR出口NOX稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)，并對(duì)其中關(guān)鍵的恒流稀釋取樣技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)所用的文丘里出入口壓差為0.3 MPa時(shí)，其喉部產(chǎn)生的負(fù)壓最低，滿足音速小孔的恒流條件，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流稀釋取樣。將該稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行效果表明該系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠有效指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)合理控制，節(jié)省噴氨量，為電廠帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：稀釋法;文丘里;分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng);脫硝CEMS系統(tǒng);恒流稀釋取樣

中圖分類號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）34-0167-05

Abstract： In view of the poor representativeness of the measurement data of the single-point CEMS system at the SCR denitrification outlet of coal-fired power plants， this paper develops a zoning hybrid measurement system for NOx dilution method at the SCR outlet， and conducts experimental analysis on the key constant-flow dilution sampling technology： The results show that when the pressure difference between the inlet and outlet of the venturi used in the experiment is 0.3 MPa， the negative pressure generated by the throat is the lowest， which meets the constant flow condition of the sonic orifice， and can realize constant-flow dilution sampling. The dilution method zoning mixed measurement system was applied on site. The field operation results showed that the measurement data of the system were accurate and reliable， which could effectively guide the reasonable control of the denitrification system， save ammonia injection， and bring certain economic benefits to the power plant.

Keywords： dilution method; Venturi; zonal mixing measurement system; denitration CEMS system; constant flow dilution sampling

近年來，隨著我國綠色環(huán)保政策的推進(jìn)，氮氧化物排放量呈逐年遞減的趨勢(shì)。根據(jù)《2021年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)》顯示，2021年排放源統(tǒng)計(jì)調(diào)查范圍內(nèi)，我國工業(yè)源廢氣中氮氧化物排放量為368.9萬t，較2020年減少了11.64%。在各行業(yè)中排放量第一的是電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，其排放量占各行業(yè)總排放量的33.1%。在超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求下，多數(shù)燃煤電廠采用脫硝效率高的選擇催化還原技術(shù)（SCR）進(jìn)行煙氣脫硝處理，運(yùn)行效果滿足總排口氮氧化物小時(shí)均值在50 mg/m3以下的要求，在氮氧化物減排方面取得了一定的成效[1-3]。

然而，在燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行過程中會(huì)存在這樣的問題：脫硝出口煙道橫截面積大、直管段小，且彎頭、變徑多，物理空間受限，造成煙氣流場(chǎng)較差，進(jìn)而導(dǎo)致單一的脫硝CEMS測(cè)點(diǎn)代表性差，不能為脫硝噴氨控制系統(tǒng)提供真實(shí)可靠的數(shù)據(jù)來合理調(diào)節(jié)噴氨量，導(dǎo)致脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)投運(yùn)率差，只能依靠手動(dòng)控制，使得脫硝出口NOX數(shù)據(jù)波動(dòng)很大。而且依靠單點(diǎn)測(cè)量不真實(shí)的數(shù)據(jù)，盲目增加噴氨量，極易造成空預(yù)器差壓增加過快和氮氧化物測(cè)量數(shù)據(jù)“倒掛”的現(xiàn)象。脫硝入口流場(chǎng)不均勻及長(zhǎng)期運(yùn)行后，各催化劑模塊磨損不一、性能變化不一致等問題，更加加劇了上述現(xiàn)象[4-5]。

針對(duì)以上現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)分區(qū)混合測(cè)量，提高脫硝出口氮氧化物測(cè)量結(jié)果代表性是解決問題的關(guān)鍵。不同于利用燃煤電廠煙道SCR出口與空預(yù)器入口的壓差進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)格取樣來增加代表性的龐大混合測(cè)量系統(tǒng)，本文提出了一種稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)，將SCR出口煙道橫向分區(qū)，利用稀釋法進(jìn)行分區(qū)混合測(cè)量的技術(shù)路線，該系統(tǒng)施工量小、系統(tǒng)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小，能夠測(cè)量煙道截面的平均濃度和各分區(qū)的濃度，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確、真實(shí)，為噴氨控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，大大降低了空預(yù)器堵塞的時(shí)間，避免了“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生。

1 稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)研究

稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)將煙道進(jìn)行合理的分區(qū)，每個(gè)分區(qū)內(nèi)布置一個(gè)稀釋取樣探頭進(jìn)行取樣，各探頭取樣煙氣分別進(jìn)入分區(qū)測(cè)量分析儀進(jìn)行輪循測(cè)量，測(cè)量值代表各分區(qū)的平均濃度;各取樣煙氣混合后進(jìn)入混合測(cè)量分析儀進(jìn)行混合測(cè)量，測(cè)量結(jié)果代表脫硝出口煙道截面的平均濃度。該系統(tǒng)的關(guān)鍵是恒流稀釋取樣技術(shù)及化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)。其中恒流稀釋取樣技術(shù)保證了取樣煙氣的真實(shí)性，提高了系統(tǒng)在煙氣復(fù)雜多變工況下運(yùn)行的可靠性;化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)是一種高精度的痕量氮氧化物測(cè)量方式，其測(cè)量精度能夠達(dá)到ppb級(jí)別，為稀釋后取樣煙氣的準(zhǔn)確測(cè)量提供了保障。將這2種技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)組成稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)，能夠完美實(shí)現(xiàn)燃煤電廠大截面煙道NOX的平均濃度測(cè)量及分區(qū)濃度測(cè)量。

2 恒流稀釋取樣技術(shù)

因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)量小，無須冷凝除水等優(yōu)點(diǎn)，稀釋法取樣越來越多地應(yīng)用在煙氣連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，該取樣技術(shù)的核心是確保恒定的稀釋零氣流量和恒定的煙氣樣品氣流量，實(shí)現(xiàn)恒定的稀釋比控制。音速小孔是實(shí)現(xiàn)恒定取樣煙氣樣品氣流量的關(guān)鍵部件，在穩(wěn)定的溫度條件下，當(dāng)其進(jìn)出口壓差大于0.46倍時(shí)，流經(jīng)該音速小孔的氣體流速達(dá)到音速，不再隨入口壓力的變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)恒流，此條件下流經(jīng)小孔的氣體流量大小只與小孔的孔徑有關(guān)[6]。文丘里則是產(chǎn)生負(fù)壓的關(guān)鍵部件，其實(shí)際是一種減縮漸擴(kuò)噴管，一定壓力的零氣通過文丘里噴嘴時(shí)，在噴嘴內(nèi)部流動(dòng)的過程中零氣的壓力能會(huì)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)氣流的加速，氣體的流速隨著噴嘴入口壓力與噴嘴出口壓力差的增大而增大，當(dāng)壓力差達(dá)到一定值時(shí)，氣體的流速達(dá)到極限后不再增加，此時(shí)的文丘里喉部產(chǎn)生的負(fù)壓最低。以此負(fù)壓作為音速小孔的出口壓力，煙道內(nèi)的煙氣壓力作為音速小孔的入口壓力，即能實(shí)現(xiàn)音速小孔的恒流條件，同時(shí)控制取樣探頭文丘里區(qū)域和音速小孔區(qū)域的溫度恒定，則煙氣樣品氣的流量為定值。恒流稀釋取樣技術(shù)的應(yīng)用原理圖如圖1所示。

為保證實(shí)際運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)稀釋取樣探頭運(yùn)行狀態(tài)滿足音速小孔的恒流條件，需要對(duì)文丘里的最低壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，本文開展不同文丘里出入口壓差條件下的負(fù)壓測(cè)量及流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)提供的壓縮空氣為0.5 MPa的清潔、干燥壓縮空氣，通過高精度的穩(wěn)壓閥控制文丘里入口壓力，出口處于常壓狀態(tài)，通過0.05 MPa的壓力梯度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，利用真空壓力計(jì)測(cè)量文丘里喉部的壓力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，當(dāng)文丘里出入口壓差為0.3 MPa時(shí)，喉部壓力最低，為37.8 kPa（絕對(duì)壓力）;隨著文丘里出入口壓差的增大，零氣流量逐漸增大。燃煤電廠脫硝出口煙道內(nèi)煙氣壓力一般不低于-2 kPa，因此應(yīng)用該文丘里產(chǎn)生的最低負(fù)壓作為音速小孔的出口壓力時(shí)，滿足音速小孔的恒流條件。

3 化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)

自20世紀(jì)50年代，研究人員Greaves等通過化學(xué)發(fā)光法測(cè)量氮氧化物濃度，并得到NO2*回到基態(tài)時(shí)產(chǎn)生的輻射連續(xù)譜，科學(xué)家逐步加深對(duì)化學(xué)發(fā)光測(cè)量氮氧化物技術(shù)的研究;在20世紀(jì)70年代，專家Fontijn等研究出以NO發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量環(huán)境中NOX濃度的技術(shù)手段，并在發(fā)表文章中表明化學(xué)發(fā)光法測(cè)量NO的最低檢測(cè)限位為4 ppb;20世紀(jì)80年代，科學(xué)家Delany等對(duì)美國熱電公司的42i化學(xué)發(fā)光法分析儀提出了優(yōu)化方案，通過加大真空泵抽氣速度，擴(kuò)展反應(yīng)室體積的方式，使儀表檢測(cè)器的靈敏度大大提高，升級(jí)后的設(shè)備達(dá)到了0.1 ppb的檢測(cè)限?；瘜W(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)被美國環(huán)保署EPA列為NOX的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，在我國獲得了普遍的應(yīng)用，尤其在環(huán)境大氣監(jiān)測(cè)及火電廠煙道尾氣在線監(jiān)測(cè)方面[7-9]。

化學(xué)發(fā)光法測(cè)量技術(shù)具有檢出限低、測(cè)量精度高、響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)，是在線測(cè)量氣體中痕量NOX的最佳技術(shù)手段。其分析儀測(cè)量原理如圖3所示，分析儀內(nèi)部配備臭氧發(fā)生器和鉬轉(zhuǎn)化爐2種轉(zhuǎn)化設(shè)備，臭氧發(fā)生器能夠?qū)⒀鯕庾兂沙粞酰阢f轉(zhuǎn)化爐中NO2被還原為NO。生成的NO和臭氧在反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下

NO+O3→NO2+O2+hv。 （1）

在上述反應(yīng)過程中會(huì)發(fā)出一種特有的光，這種光的強(qiáng)度與NO的濃度成線型比例，因此可以通過檢測(cè)光的強(qiáng)度并計(jì)算得到NO的濃度[10]。

4 稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)設(shè)置2臺(tái)化學(xué)發(fā)光法分析儀分別進(jìn)行混合測(cè)量及分區(qū)測(cè)量，具體設(shè)計(jì)思路如下。

4.1 混合測(cè)量設(shè)計(jì)

同一時(shí)刻相同稀釋比的各稀釋取樣探頭的煙氣樣品氣等流量混合才有意義，混合后的樣氣測(cè)量結(jié)果能夠代表整個(gè)煙道截面的平均濃度。通過音速小孔和文丘里控制各探頭以稀釋比相同進(jìn)行稀釋取樣，稀釋后的煙氣作為樣氣，通過正壓傳輸送入脫硝小間進(jìn)行測(cè)量，樣氣管路從取樣探頭向分析儀鋪設(shè)，管路上布置2個(gè)流量計(jì)，如圖4所示。流量計(jì)1之前為樣氣管前段，之后分為混測(cè)管路和分區(qū)管路，混測(cè)管路進(jìn)入混合器，各探頭樣氣均勻混合后通過混測(cè)分析儀進(jìn)行平均濃度測(cè)量，為保證混合均勻，控制各取樣探頭樣氣管前段及混測(cè)管路段長(zhǎng)度相同，且流量相同。

4.2 分區(qū)測(cè)量設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)煙道內(nèi)煙氣濃度不斷變化，同步測(cè)量各分區(qū)的樣氣濃度，測(cè)量結(jié)果才能真實(shí)反應(yīng)煙道截面的濃度分布。首先設(shè)定各分區(qū)樣氣的測(cè)量時(shí)間相同，作為各路樣氣管上電磁閥的啟動(dòng)間隔時(shí)間，即各分區(qū)管路中樣氣進(jìn)入分析儀間隔時(shí)間。然后以第一路樣氣進(jìn)入分析儀的時(shí)間為基準(zhǔn)，通過分區(qū)管路樣氣流量大小及間隔時(shí)間設(shè)計(jì)各分區(qū)管路管徑及長(zhǎng)度，保證第一路樣氣測(cè)量完畢后第二路樣氣正好進(jìn)入分析儀進(jìn)行測(cè)量，第二路樣氣測(cè)量完畢，第三路樣氣正好進(jìn)入分析儀進(jìn)行測(cè)量，以此類推，實(shí)現(xiàn)分區(qū)同步測(cè)量過程。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

國能集團(tuán)某能源有限責(zé)任公司發(fā)電機(jī)組進(jìn)行脫硝CEMS系統(tǒng)升級(jí)改造，在脫硝出口安裝2套稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)（每側(cè)煙道各1套），現(xiàn)場(chǎng)脫硝出口單側(cè)煙道平均分為6個(gè)區(qū)，在每個(gè)分區(qū)的中心位置布置1個(gè)稀釋取樣探頭，現(xiàn)場(chǎng)稀釋取樣探頭安裝分布示意圖如圖5所示，實(shí)際安裝時(shí)，探頭垂直布置，現(xiàn)場(chǎng)情況如圖6所示。

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場(chǎng)脫硝CEMS系統(tǒng)改造后，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行工況及變負(fù)荷工況的運(yùn)行曲線如圖7所示。

圖7中曲線表明在穩(wěn)定工況及變負(fù)荷工況的時(shí)候，脫硝出口分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)NOX測(cè)量值總是圍繞著脫硝出口NOX設(shè)定值上下波動(dòng)，自動(dòng)控制效果顯著，由此可見，分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)的NOX測(cè)量值真實(shí)可靠，為噴氨自動(dòng)控制提供了理論依據(jù)，保證了脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高投運(yùn)率，進(jìn)而減輕運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度，符合現(xiàn)代化智慧電廠的要求[11-13]。

更為精確的脫硝出口NOX測(cè)量數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)的噴氨控制，也能夠?yàn)殡姀S節(jié)省一定的氨用量。表1為脫硝系統(tǒng)改造前后電廠運(yùn)行日志中記錄的一個(gè)月時(shí)間的累計(jì)發(fā)電量及耗氨量數(shù)據(jù)。計(jì)算可知，脫硝改造之后每單位萬千瓦時(shí)發(fā)電量耗氨量降低了約9.2%。耗氨量的減少，有助于延緩空預(yù)器的堵塞時(shí)間，減少空預(yù)器沖洗頻率，降低風(fēng)機(jī)功耗，由此可以為電廠帶來一系列的經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語

本文基于燃煤電廠脫硝出口NOX測(cè)量單一測(cè)點(diǎn)代表性差極易造成過量噴氨、NOX數(shù)據(jù)“倒掛”、噴氨自動(dòng)投運(yùn)率低的問題，開展了脫硝出口NOX稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)行了恒流稀釋取樣技術(shù)的深入研究，并進(jìn)行工程示范應(yīng)用，結(jié)果表明：文丘里出入口壓差為0.3 MPa時(shí)，其喉部壓力最低，最低的壓力能夠滿足音速小孔的恒流條件。通過對(duì)化學(xué)發(fā)光測(cè)量技術(shù)研究、混合測(cè)量管路設(shè)計(jì)及分區(qū)測(cè)量管路設(shè)計(jì)，完成了脫硝出口NOX稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行工程示范，稀釋法分區(qū)混合測(cè)量系統(tǒng)運(yùn)行后，測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，保證了脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提高了投運(yùn)率，并能夠?yàn)殡姀S運(yùn)行節(jié)約9.2%左右的氨量，帶來了一系列的經(jīng)濟(jì)效益，具有一定的推廣價(jià)值。

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第一作者簡(jiǎn)介：劉龍（1988-），男，工程師。研究方向?yàn)榛痣姀S熱工檢修。

*通信作者：滕軍華（1989-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)榛痣姀S煙氣在線監(jiān)測(cè)設(shè)備研發(fā)。