脱硝CEMS超低排放运行后常见问题及改进措施探讨

楼杰力

（浙江兴源投资有限公司，杭州 310006）

0 引言

环境保护日益成为社会关注的焦点，作为烟气污染物排放的大户，火电企业也承受着来自社会的压力，作为践行社会责任的国有企业，为将污染物NOX排放控制在国家规定的范围内,嘉兴电厂自2011年起至2013年底完成了所有机组的脱硝改造。

嘉兴三期超低排放采用低氮燃烧器＋SCR技术进行脱硝，烟气在经过管式GGH降温段后进入低低温静电除尘器，之后进入双托盘吸收塔＋吸收塔新型增效装置脱除氮氧化物、烟尘和二氧化硫，然后烟气进入湿式电除尘器，最后经过管式GGH升温段后由烟囱排入大气。

脱硝系统超低排放的主要改造内容为：

1）低氮燃烧器燃烧调整

在不同负荷下通过调整锅炉二次风量、一次风量、周界风风门开度、燃尽风风门开度及组合方式、二次风配风方式、煤粉细度等参数，密切观察SCR入口烟温及NOx含量，尽量降低SCR入口处NOx含量。本调整试验要求在50%THA以上负荷保证SCR入口NOx浓度不大于250mg/Nm3（干基，6%O2，下同）；在35%BMCR～50%THA负荷下SCR入口NOx浓度尽可能低。同时要求在各负荷下的燃烧调整对锅炉效率不会有较大影响[2]。

2）SCR脱硝装置改造

经低氮燃烧系统调整后，锅炉出口NOx浓度可控制在250mg/Nm3左右，考虑一定的裕量，SCR脱硝装置按入口NOx浓度300mg/Nm3设计，设计脱硝效率为85%。SCR出口NOx浓度为45mg/Nm3。改造后保留了原有两层催化剂，在第三层预留层上加装新的催化剂，并在第三层催化剂上部增设声波吹灰器。

图1 SCR出口NOx与烟囱排烟NOx比较Fig.1 SCR outlet NOx compared with NOx exhaust chimney

图2 调整后SCR出口NOX与烟囱排烟NOX对照Fig.2 After the adjustment of export SCR NOX and stack NOX control

脱硝系统的热控设备主要是脱硝烟气排放连续监测系统,简称脱硝CEMS。在本公司脱硝系统中的主要作用是实时采集锅炉烟气中NOX含量，为自动控制系统计算脱硝还原剂NH3的供给量提供参数。

1 脱硝系统CEMS存在的问题

烟气超低排放改造后脱硝系统烟气具有温度高、含尘量大、腐蚀性强、流场分布不均、喷氨格栅调整不到位等问题，直接导致CEMS测量准确性和可靠性不高[3]。具体存在以下问题：

1）NOX、O2由于流场分布不均导致测量代表性不够，进而导致脱硝效率虚高或虚低，喷氨量过大或过小，SCR出口与烟囱排放口NOX偏差大。

2）脱硝效率波动大、脱硝控制品质差。

3）脱硝CEMS系统预处理部分可靠性不高。

2 改进措施

2.1 SCR出口与烟囱排烟NOX偏差大原因及改进措施

超低排放改造脱硝系统运行后，发现SCR出口NOx平均值与烟囱排烟NOx偏差较大，如图1所示。

原设计SCR进出口脱硝采样探头安装在相应烟道中部，取样代表性较差，为了掌握SCR反应器进出口NOx浓度分布情况，通过网格法进行试验，从试验结果分析认为：SCR反应器入口NOX浓度分布比较均匀，偏差较小。SCR反应器出口NOX浓度分布均匀性较差，出口NOX浓度延宽度和深度方向有较大变化，且局部存在NOX浓度较低的点。出口浓度分布均匀性差，除了烟气流场不稳定外，喷氨的不均匀性是主要原因。

图3 SCR原控制策略逻辑框图Fig.3 The original control strategy of the SCR logic diagram

图4 测量回路中引入惯性环节Fig.4 Introduction of inertial link in measuring circuit

目前，通过采用插入式的旁路取样管方式实现多点取样。从SCR出口烟道分别引出两路旁路取样管至空预器出口烟道，利用烟道之间的差压实现旁路管道的烟气流动，将烟气分析系统的取样探头测点布置在烟道外部的旁路取样管上。旁路管插入烟道部分，贯穿整个烟道截面，在管道上每隔一段距离开取样孔，在烟道壁处汇成一路，以求在一定程度上保证烟气的混合均匀，提高代表性。改造后效果有了明显好转，如图2所示。

2.2 脱硝效率波动大、脱硝控制品质差原因分析及改进措施

原DCS系统控制回路用固定摩尔比和PID控制相结合的控制方式，逻辑框图如图3所示。

因为CEMS仪表为抽取式采样，采样过程有纯延迟环节，延迟的时间取决于CEMS仪表的安装位置和抽取速度，而入口与出口延迟时间很可能不同，也就是说在计算脱硝效率时用的出入口NOX浓度不是同一时刻的浓度。这种时差计算时（入口超前于出口）会给效率带来升降方向性错误，这种错误会在入口NOX变化时会引起进氨调门的反调。所以需要在出口或入口（其中之一，并不是入口一定超前于出口）NOX浓度上加上延迟环节，用以校正同步。在脱硝效率计算加入延迟环节后，并不能完全解决这种反调，这时需要在烟气量换算NOX含量时乘以入口NOX浓度，有的控制并没有把入口NOX浓度乘进去，认为入口NOX浓度并不会剧烈变化，实际不然，尤其是在进行了低氮燃烧器改造的锅炉中，有时负荷稍有变化（升降5MW负荷），炉内工况产生波动，入口的NOX变化十分剧烈，两侧产生巨大偏差，可能会从300mg/m3直接变化为100mg/m3,对脱硝效率控制产生巨大扰动[3]。

工况变化时，入口NOX浓度经常会产生剧烈变化，效率计算值产生大幅波动，在主调控制器的作用下，进氨调门会产生大幅的波动，甚至全开全关的振荡，为了避免这种振荡产生，在副调PID处对调门进行了限幅。

在用主调控制器输出修正需氨量时，有的控制方式用的是加法器 ，而不是乘法器 ，这在当入口NOX浓度变化时，会改变修正后需氨量，但并没有成比例的对其改变，理论上并不能完全保证脱硝效率不变，不如乘法器效果好。

采用上述修改后，脱硝效率基本上控制在设定值附近正负3的范围内，满足控制要求。另外需要注意的是：喷氨控制策略多为串级控制，内回路被控量为进氨质量流量，因此氨气质量流量的准确性成为左右控制效果的重要因素。在现场所用的氨气流量计多为涡街流量计或质量流量计。涡街流量计测量的是体积流量，需要注意修正环节的影响。

同时脱硝探头反吹期间的数据问题，实际使用中发现气路吹扫后，抽取正常的烟气时，由于管内残存的常温压缩空气影响，仪表指示恢复到正常值时有一个较长时间的恢复过程[5]。由于探头反吹必不可少，目前能采取的措施改造样仪用空气的吹扫管路，将压缩空气管路直接至就地探头处并加热，由就地电磁阀定期切换吹扫，缩短吹扫气路长度，就可以大大缩短测量参数的周期变化；调整取样探头的压缩空气吹扫周期，目前设置为1次/1h较为合适。同时尽量设置保证进出口同时反吹，减少反吹影响的时间，加大探头取样腔体体积及相关设备，满足分析仪表的要求。

2.3 脱硝预处理系统故障原因分析及改进措施。

烟气自采样探头被抽取，经过预处理系统：过滤、伴热传输、冷凝除水、湿度检测等过程对气体进行预处理，最后进入分析仪，由分析仪测量出烟气中污染物NOX的含量并送往DCS。

超低排放改造后，脱硝CEMS发生故障主要是脱硝采样器暴露出问题较多，特别是在该系统投运之初，由于脱硝CEMS系统的故障率较高，严重影响了整套脱硝系统的自动投入率和安全运行，后几经分析和调研，并逐一改进，故障发生率稳步下降，取得了明显的效果。

图5 气动阀O形圈劣化和洗氨瓶故障示意图Fig.5 Pneumatic valve O-ring failure schematic degradation and ammonia bottle wash

氨法脱硝的工况是高温、高粉尘、强腐蚀环境，如果温度小于230℃的情况下NH3和SO2，SO3等酸性气体会发生化学反应生成铵盐，铵盐是粘性物质在短时间内会和粉尘堵塞过滤芯和加热采样器。采样器采用可调节温度控制器，温度控制在280℃±10%，采样管和滤芯等部件采用耐高温的材料制造。采样器的样气出口紧连一个铵盐清洗瓶内有特制的填充物以扩大样气接触面积，铵盐沉积物质会被冷凝液清洗掉。蠕动泵将溶解铵盐的冷凝液体排出。清洗瓶的样气出口需要接加热采样器。烟气采样器通过连接法兰、密封圈可靠地连接在采样点上。

预处理系统主要问题如下：

1）气动阀（PR）O型圈劣化

脱硝采样器中的气动阀在采样和吹扫时起着重要的控制作用，这一部件的好坏直接影响CEMS数据的准确性。由于气动阀安装位置靠近探头腔室，所处环境温度高，容易导致气动阀内的O型圈劣化，损坏其气密性。改进措施有：改善安装位置，采购质量更好的采样探头，制定合理的检查更换周期。

2）洗氨瓶故障

首先，脱硝CEMS采样器洗氨瓶中的滤珠要求每半年更换一次，保持清洗瓶的过滤能力。其次，洗氨瓶的进口接头容易产生漏气和堵塞。漏气主要是由于接头材料配置不合理引起，塑料材质的母螺纹容易产生变形；堵塞主要是由于接口内径太细，接头连接处容易产生灰尘和水滴堆积，产生腐蚀，最终导致堵塞[5]，如图5所示。

改进措施：制定合理的更换周期，选用内径较大的接头，防止系统堵塞。

3）蠕动泵故障

现在脱硝CEMS采样器使用的蠕动泵的故障主要表现在以下3个方面：①蠕动泵接头由于松动产生漏气。②蠕动泵排液管老化。③蠕动泵电机烧坏，导致排水故障。

改进措施有：增加一套蠕动排水装置，增加水吸附收集装置，保证系统管路排水通畅。设定合理的定检周期，保证易耗件的有效更换。

4）密封垫片老化

脱硝CEMS采样器为了保持其密封性，在其探杆连接处和滤芯两端以及采样腔顶盖都使用了密封垫片。由于整个探头工作温度达到280℃，密封垫片由于受材质影响，长时间使用容易产生老化和破损，最终导致密封性变差，产生漏气。改进措施有制定更换周期，定期更换。

5）过滤装置堵塞

脱硝CEMS采样器安装于电除尘之前，烟气含尘量较高，取样探头内腔室或取样探杆容易发生堵塞，这种情况在脱硝CEMS投运之初经常发生，后经过以下3项改进措施，过滤装置发生堵塞的概率大大降低。

改进措施有：换陶瓷过滤器，扩大取样探头内腔室空间，利于排灰；加一组探头加热丝，提高探头加热温度；调整吹灰周期，缩短吹灰周期到50min左右。

3 结束语

燃煤机组烟气超低排放改造完成后，通过对SCR进出口流场的测试、并采用多点取样旁路管的方式提高了测点的取样代表性，在一定程度上减少了SCR出口与烟囱排放口NOX的数值偏差；通过对喷氨流量逃逸率的测量提高了氨气逃逸率的正确性，对供氨调节控制回路的改进及协调控制策略的优化后，排烟出口NOX基本能全时段控制在50mg/Nm3以下，为燃煤发电机组清洁化排放开辟了新的途径，对保障中国燃煤机组环保工作提供了重要的战略指导。

[1]GB13223-2011 火电厂大气污染物排放标准[S].

[2]李肇全.工业脱硫脱硝技术[M].北京:化学工业出版社,2014.

[3]山东电力建设第二工程公司.火电厂脱硫与脱硝实用技术手册[M].北京:中国水利水电出版社,2014.

[4]朱全利.超超临界机组锅炉设备及系统[M].北京:化学工业出版社,2008.

[5]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.