安徽省燃煤火电机组脱硝CEMS调查及设施优化改进

马大卫，黄齐顺，查智明，许勇毅，汤 泉，余 靖

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥230601; 2.安徽大学生命科学学院，安徽合肥230601)

安徽省燃煤火电机组脱硝CEMS调查及设施优化改进

马大卫1，黄齐顺1，查智明1，许勇毅1，汤 泉2，余 靖1

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥230601; 2.安徽大学生命科学学院，安徽合肥230601)

对全省77台燃煤火电机组脱硝CEMS情况进行分析，并优化改进燃煤火电机组脱硝设施。研制了SNCR脱硝自动投加装置、优化SCR脱硝氨喷出装置，提高了脱硝效率;设计一种新型回转式空预器，解决燃煤电厂空预器堵塞问题;改进了脱硝CEMS在线系统采样装置，提高NOx数据采集精度;提出一种烟气排放免罚时段的判定方法，实现脱硝环保电价的自动结算。应用实践表明其效果良好，提高了安徽省燃煤电厂NOx减排效果。

氮氧化物;脱硝剂;回转式空预器;采样装置;脱硝CEMS;节能减排

0 引言

加强环保电价和环保设施运行监管是促进燃煤发电机组减少污染物排放、改善大气质量的重要措施。《燃煤发电机组环保电价及环保设施运行监管办法》(发改价格2014〔536〕号)文件明确规定2014－05－01起，燃煤发电企业应按照国家有关规定安装运行烟气排放连续监测系统(以下简称CEMS)，并与省级环境保护主管部门和省级电网企业联网，实时传输数据;环保电价则按照污染物排放浓度小时均值分项考核，污染物排放浓度小时均值以与环境保护主管部门联网的CEMS数据为准［1］。

目前，安徽省火电装机比重已达到91.7%(含皖电东送机组)，装机容量为4250万kW，且在逐年提高［2］。由于安徽省内一次能源以煤炭为主，火电装机中绝大多数为燃煤类机组。NOx是大气主要污染物之一，也是造成光化学烟雾、雾霾和酸雨的主要原因［3］，火电机组的NOx等烟气污染物排放将直接影响到全省的环境。安徽省于2012年开展了燃煤火电机组脱硝改造工作，2014年完成全省58台30万kW以上机组的脱硝改造并建成烟气脱硝排放在线监测系统［4－5］。安徽省火电厂脱硝改造在3年时间就走过了脱硫改造10年走过的道路，脱硝工程质量存在一定的隐患。本文通过对全省燃煤电厂脱硝CEMS情况进行分析，对燃煤火电机组脱硝设施、空预器装置、脱硝CEMS采样优化改进以及脱硝环保电价免罚时段的计算设计等，实现了对全省大型燃煤发电企业NOx污染物排放的监测分析及电厂脱硝设备运行状况的稳定运行和网络化管理，同时也为政府职能部门提供污染物排放统计数据和监管依据，也对改善全省大气质量、保护全省的生态环境发挥着积极的作用。

1 燃煤火电机组脱硝CEMS情况调查

为全面了解安徽省燃煤电厂脱硝CEMS运行情况，国网安徽院组织开展全省燃煤电厂脱硝CEMS调查，调研样本涵盖已接入脱硝在线监测系统的31家燃煤电厂77台机组，具有较好的代表性。如图1所示，a、b、c和d分别表示仪器采购方式、设备供应商、NOx取样和测量方式，图中不同颜色柱子代表在调查中各组分的占比。

图1 燃煤火电机组脱硝CEMS情况调查

如图1中a所示，脱硝CEMS仪器主要的采购方式中，电厂招标占71.0%，电厂自选占3.2%，环保主管部门指定占6.5%，运维单位推荐及随环保设备整体采购占19.3%。如图1中b所示，设备供应商中北京雪迪龙公司占35.5%，西门子公司占25.8%，西克－麦哈克仪器有限公司占6.5%，其余占比32.3%为ABB、聚光科技、蓝盾、重庆川仪、华川、厦门瑞斯特、北京中电等。

如图1中c所示，有2家电厂采用直接测量法，占比达6.5%，有29家电厂采用抽取式测量法，占比为93.5%。其中，有28家采用完全抽取法，占比为90.3%，1家选用稀释抽取法，占比为3.2%。我国有超过80%的气态污染物监测子系统为直接抽取法CEMS［6］。完全抽取法对烟气抽取管路进行伴热和保温，在烟气进入分析仪表前作除水、除尘处理，做到准确测量气态污染物浓度。脱硝现场的高温、高尘和高磨蚀等特点，决定了此法成为电厂脱硝CEMS气态污染物的首选。

如1中d所示，有20家电厂的脱硝CEMS采用非分散红外法，占比达到64.5%，有6家电厂采用红外(紫外)吸收法，有7家电厂采用紫外差分法，占比重分别为16.1%和19.4%。非分散红外法和紫外差分法是两种比较常见的测量方法，红外光谱测量仪在测定SO2时受水汽的干扰较大，因NOx的测量受水汽影响较小，基于气体分子对特定谱段的光吸收，测量其衰减浓度进而精准得到气体浓度成为电厂首选。

2 燃煤火电机组脱硝环保设施改进

2.1 自动投加脱硝剂装置设计

日前，安徽省燃煤电厂SNCR脱硝剂一般选用尿素溶液，其制备工艺流程存在诸多弊端:人工计量，以送入配料池的尿素袋数为依据进行计算，误差大，尿素溶液浓度的准确度不高;流程操作频繁，生产率低，不能满足大型火电机组烟气脱硝需求。鉴于此，设计一种燃煤电厂NCR脱硝工艺自动投加装置流程，如图2所示。

图2 SNCR脱硝剂自动投加装置

具体工艺流程:将袋装尿素通过带式输送机输送至破包机，尿素颗粒从破包机的出料口进入螺旋输送机，输送至斗式提升机，经斗式提升机提升后进入尿素料仓。尿素颗粒经计量仓称重后输送至配料池，向配料池中加水与尿素颗粒混合，经充分搅拌后获得质量浓度为50%的尿素溶液，将所述尿素溶液从配料池的料液出口通过输送泵输送至尿素溶液储罐，作为SNCR脱硝剂备用。该装置优点:改变了传统、低效率的人工搬运方式，实现自动投加脱硝剂，提高劳动生产率;改变对气力输送的依赖，国内尚无专门用来运输散装尿素的罐车带来的尿素运输过程中吸潮问题;设置计量仓、流量调节阀和搅拌器，全程电脑控制和计量，实现尿素溶液精准配料。

2.2 SCR脱硝氨喷出装置设计

NH3/NOx摩尔比是SCR烟气脱硝装置设计和运行中的重点与难点。在实际工程中，由于脱硝预留场地不足、工程投资等条件的限制，导致烟气流场分布不均、AIG喷氨分配不均，严重影响着脱硝效率。为此设计一种SCR脱硝氨喷出装置，对燃煤电厂AIG喷氨进行了改进，取得了较好的效果。如图3所示，图中左图为烟道和AIG喷氨，右图为改进的喷氨装置。

图3 SCR脱硝氨喷出装置

该设置优点:设置氨气与烟气为逆向，延长了氨气在混合阶段的停留时间，加强与烟气的扰流和混合效果，提高SCR脱硝进口NH3/NOx摩尔比混合均匀性;新型伞帽的设置可以避免喷嘴堵塞，提高喷嘴的运行效率;简化喷氨格栅和喷嘴数量，从而降低投资成本，同时减小系统运行压降，有力保障锅炉和引风机安全运行;提高了SCR脱硝效率，从而降低氨逃逸率，缓解空预器结垢堵塞。

2.3 回转式空预器设计

在安徽省燃煤电厂进行的脱硝改造中，几乎大部分使用的是SCR技术，然电厂对相应的空预器改造却很少。随着SCR脱硝系统的运行，空预器的阻力呈现增加的趋势，部分电厂出现空预器严重堵塞而不得不停机清洗的问题。

针对上述机组出现的问题，设计了一种新型回转式空预器，如图4所示。该回转式空预器缓解了燃煤电厂空预器硫酸氢氨堵塞问题。

图4 一种新型回转式空预器

该装置优点:在两段式热端元件的热端中嵌装氧化铜层，在烟气侧和空气侧分别发生还原和氧化反应，从源头上控制空预器冷段硫酸氢氨的形成，且循环重复使用;冷端元件为镀搪瓷材质;设置伸缩式喷嘴，通过阀门控制，交替喷入高压水流和高温高压蒸汽，对换热元件实施有效清洗，同时在下方设置集尘斗，避免清洗的水滴和污垢进入下游的电除尘器;利用停机检修期间离线清洗换热元件，降低空预器冲洗频率，同时很好地解决空预器腐蚀和堵塞问题，因此具有良好的经济效益。

下料装置是把定量的饲料由料仓送入料槽。计量准确是该装置需要保证的基本问题。常见的饲料计量方法有容积式计量法和称重式计量法，容积式计量法结构简单、计量速度快，但要求物料粒度、密度均匀、湿度稳定，计量精度较低，为l.5%～3%。称重式计量法的下料速度慢，生产率比较低，但计量精度较高，能达到0.1%～1%[4]。为了保证合适的下料速度和较好的下料精度，同时考虑螺旋的加工成本，本设计选用容积式计量法，即采用等径等螺距的螺旋送料方式完成下料。下料的速度取决于螺旋的尺寸和转速，如图3所示每一圈螺旋容积大小为

3 脱硝CEMS监测优化与数据判定

3.1 优化改进的脱硝CEMS在线系统采样装置

目前安徽省燃煤火电机组SCR脱硝系统CEMS数据的监测采用单点取样方式。由于脱硝现场喷氨的均匀性、流场分布等原因导致断面上的反应不一致，因此单点取样很难准确反映不同负荷下断面上的NOx浓度值。针对此情况，对燃煤电厂脱硝CEMS在线系统中的采样装置进行了优化改进，如图5所示。

图5 优化改进的脱硝CEMS在线系统的采样装置

其特征是:在脱硝SCR反应器横截面上布置多个采样点，每个采样点上布置长度递减的采样枪，形成脱硝SCR反应器横截面上的多点采样;设置恒温混样器，各不同采样点上的采样烟气通过导管共同导入在所述恒温混样器中，在恒温混样器的烟气经过搅拌器充分混匀后再出口通过泵输出混合烟气，利用烟气分析仪对混合烟气的进行分析从而获得烟气浓度检测值，每个点烟气流量通过流量计控制调节。该装置良好效果主要体现在:在烟道内的采样点多、分布更广，根据烟道的横截面积大小适当增减测点，将各测点采集的烟气充分混合后再送入分析仪器，所采集的点位更有代表性，测量的数据更接近实际排放的浓度;只需增加相应采样枪和流量计的数量，并增加混样器和抽气泵等，并不需要增加昂贵的烟气分析仪，有效控制了监测成本，为有效监测提供了保证;能够提供相对准确的数据，一方面使电厂运行人员准确地监测脱硝装置的运行情况，从而给出正确的控制指令;另一方面使环保监督人员更加准确地监测脱硝装置的脱硝效率和CEMS运行情况，从而落实好国家脱硝电价政策。

3.2 脱硝环保电价免罚时段自动判别方法

针对《燃煤发电机组环保电价及环保设施运行监管办法》规定的因发电机组启停机、发电机组负荷低导致脱硝设施退出并致污染物浓度超过限值和由于CEMS因故障不能及时采集和传输数据及其它不可抗拒的客观原因导致脱硝环保设施不正常运行等情况，造成数据丢失应免于罚款的条款，设计一种免罚超标时段及免罚电量的计算方法，实现了全省燃煤发电机组烟气排放环保电价计算的时效性和准确性。包括以下步骤:标定发电机组启机时间段;标定发电机组停机时间段;标定发电机组低负荷运行时间点;标定CEMS故障以及其他不可抗拒的客观原因造成的数据缺失时间点。

(1)设定发电机组脱硝设施投运的烟气温度最低设计值为Tc，发电机组发电的有功功率的采样周期为t，各采样时间点ti，i=0，1，…，n对应的有功功率为pi，i=0，1，…，n、烟气排放浓度为Oi，i= 0，1，…，n、烟气排放出口温度为Ti，i=0，1，…，n。

(2)若两相邻采样时间点采集的有功功率满足以下条件:pi－1=0，pi＞0，则执行步骤(3)，若两相邻采样时间点采集的有功功率满足以下条件: pi－1=0，pi＜0，则执行步骤(4);

其中，m表示累加的偏差个数;

根据Sk≤0，将pi+m+k对应的采样时间点标定为发电机组启机过程的结束时间点Sti+m+k;

标定从Sti到Sti+m+k为发电机组启机时间段;

(4)将pi对应的采样时间点标定为发电机组停机过程的结束时间点tti;以tti为起点，依次计算出两相邻采样时间点采集的有功功率的偏差Dr，对偏差Dr进行递进累加，得到偏差和Sq:

根据Sq≥0，将Pi－m－q对应的采样时间点标定为发电机组停机过程的起始时间点tti－m－q;

标定从tti－m－q到ti为发电机组停机时间段;

(5)去除上述已标定的发电机组启机时间段和停机时间段，若某采样时间点采集的烟气排放出口的烟气温度满足以下条件:Ti＜Tc，则将该采样时间点标定为发电机组低负荷运行时间点dti;

(6)去除上述已标定的发电机组启机时间段、停机时间段和低负荷运行时间点，若某采样时间点采集的烟气排放浓度满足以下条件:Oi≤0或Oi为空，则将该采样时间点标定为CEMS故障以及其它不可抗拒的客观原因造成的数据缺失时间点。

4 结语

通过对安徽燃煤火电机组脱硝CEMS的调查、脱硝环保设施的改进、脱硝在线监测系统CEMS采集数据方式的改进和数据免罚时段的判定，提高了脱硝环保设备和脱硝在线监测系统的运行效率，产生了巨大的经济效益和社会效益。2014年，安徽电力行业NOx排放占全社会NOx排放的比重由46%降至32%，2014年统调燃煤火电机组NOx平均排放为60.17mg/m3。本文的工作为安徽省燃煤火电机组节能减排起到积极作用，保护了生态脆弱的环境，并为政府职能部门提供污染物排放有效监管。

［1］国家发改委，境保护部.燃煤发电机组环保电价及环保设施运行监管办法［EB/OL］.http://jgs.ndrc.gov.cn/zcfg/201404/ t20140403_605765.html，2014－03－28.

［2］郑莉.安徽加快推进电力项目建设火电装机达3100万千瓦［N］.安徽日报，2015－08－07.

［3］黄诗坚.NOx的危害及其排放控制［J］.电力环境保护，2004，20 (1):24－25.

［4］马殊瑞.安徽完成火电大机组脱硫脱硝改造推进“清洁火电”［EB/OL］.http://news.xinhuanet.com/tech/2014－08/14/c_ 126867626.htm，新华网，2014－08－13.

［5］胡旭，郑莉.我省火电节能减排走在全国前列［N］.安徽日报，2015－06－03.

［6］王奇伟.600MW机组脱硝CEMS环保系统的优化及实践［J］.安徽电力，2013，30(4):15－18.

Optimization and improvement of denitrification facilities and investigation of their continuous emission monitoring system in Anhui coal－fired units

The status of denitrification CEMS in 77 coal－fired power units were analyzed，and optimization of denitrification facilities were optimizated.The removal of denitration efficiency was improved by the development of automatic switching equipment and optimization of SCR nitrate ammonia injection device.The congestion problem about Ammonium Bisulphate(ABS)of air－preheater in coal－power plants was solved by designing of a new type of rotary air－preheater.The accuracy of nitrogen oxide data was improved by optimizing the sampling device of CEMS online system about removal nitrate.Automatic settlement of denitration environmental protection price was achieved by putting forward a judging method about flue gas emissions impunity time in coal－fired power units.The practice shows that effect is good，and the effect of reducing the emission of coal fired power plants in Anhui province is improved.

nitrogen oxide;denitrification;rotary air－preheater;sampling device;denitrification CEMS;energy conservation and emission reduction.

X701.7

B

1674－8069(2016)04－056－04

2016-01-19;

2016-02-10

马大卫(1982-)，男，安徽庐江人，博士，工程师，从事燃煤电厂环保设施性能优化工作。E－mail:dwma@mail.ustc.edu.cn