SCR脱硝精细化氨喷射技术工程应用

张会君，张祥志，徐志超，朱 平，李 准，肖 旭

(武汉龙净环保科技有限公司，湖北 武汉 430205)

选择性催化还原法是目前燃煤锅炉应用最为广泛的脱硝技术[1-3]，目前，NOx的超低排放技术主要通过增加催化剂层数，增大喷氨量来实现，在实际运行过程中，为满足机组超低排放要求，运行人员会不同程度地喷入过量的氨气，但弊端是会导致氨耗量增大，氨逃逸率增高，运行成本提高，引发催化剂中毒，空气预热器差压异常甚至堵塞等一系列问题。

本文对锅炉脱硝氨喷射量过高的原因进行分析研究，结合当下脱硝喷氨与测量技术，有针对性地提出了一些改进措施，为SCR脱硝系统精细化氨喷射设计提供参考。

1 喷氨量过高原因分析

1.1 锅炉出口烟气成分不均匀性分布

锅炉在实际运行过程中通常没办法保证稳定运行负荷，当锅炉负荷变动，锅炉燃烧参数与设计参数发生偏离时，会造成锅炉换热段烟气流场紊乱不均匀[4]。另外，机组负荷在满足电网要求的速率下大幅增减时，燃烧工况的突变和烟气流速的急剧变化，同样会造成了流场不均[5]。因烟气流场的不均匀分布，会导致氨喷射量与烟气中氮氧化物浓度分布不匹配。在烟气氮氧化物浓度高的区域氨喷射量相对较低，将导致氮氧化物无法充分反应；在烟气氮氧化物浓度低的区域氨喷射量相对较高，将导致喷射的氨无法完全反应，导致氨逃逸增加。

1.2 脱硝CEMS系统采用单点取样，所得数据无法反应实况

目前国内SCR脱硝系统出入口 CEMS一般为单点取样，因脱硝烟气流场分布不均，CEMS系统测量得到的数据只是取样点NOx浓度，无法代表全截面氮氧化物浓度分布状况，而脱硝系统喷氨总量调节依靠脱硝系统入口、出口NOx测量值信号反馈，NOx测量数据与真实工况NOx浓度的偏差必然会影响喷氨总量控制的调节精度，依据单点测量得出的数据进行调节，必然会出现氨喷射不均匀的问题。在实际工程中，为保证脱硝出口NOx的达标排放，运行人员只能增大氨喷射量，从而导致局部氨逃逸量增加。

1.3 脱硝控制回路的滞后性

SCR系统喷氨量与锅炉燃烧状态具有极强相关性，锅炉负荷、燃烧煤种以及配风状况的改变，都会改变锅炉尾部烟气成分，影响脱硝反应实际状态。因SCR脱硝反应过程复杂，针对目前电厂脱硝大多采用单级PID控制方法，这使得系统控制时间滞后性较大。单级PID控制方法分为固定氨氮摩尔比控制(见图1)或固定出口NOx浓度控制(见图2)方法。固定摩尔比控制方法操作简单、方便，但是该方法在面对工况变化频繁时，无法确保脱硝出口NOx稳定排放，原因是当锅炉运行工况发生变化时，氨氮摩尔比不再是一个固定值[6]，因而此法将导致出口NOx浓度波动。而针对固定出口NOx浓度控制方法，因CEMS测量数据通常反映的抽气时烟气排放情况，从抽气检测到喷氨阀收到指令控制通常存在1 min甚至更长的时间差，测量数据的滞后性将导致实际操作以过量喷氨为前提，作为保证出口NOx浓度达标排放的策略，导致氨逃逸浓度过大。

图1 固定摩尔比控制Fig.1 Fixed molar ratio control

图2 固定出口氮氧化物浓度控制Fig.2 Fixed outlet nitrogen oxide concentration control

2 精细化喷氨实施建议

2.1 分区喷氨控制

依据网格化原理，从喷氨格栅选型开始，将喷射区域分成若干个独立的区域，确保氨喷射全截面覆盖。每个区域设置独立的喷氨调节阀和测量仪表，让每个区域实现单独控制。网格化分区控制系统包括总量控制模块和分区控制模块，以氨喷射总量控制阀为主，各分区氨喷射控制阀为辅，通过调节总量控制阀，控制脱硝总喷氨量，并通过调节分区控制阀，减小烟道全截面NOx浓度偏差。

2.2 分区喷氨出口NOx精准在线监测

分区控制阀的信号来自反应器出口烟道CEMS在线监测系统，在反应器出口烟道安装NOx多点监测，监测结果反馈至DCS中的分区控制系统，控制系统依据出口NOx的分布情况，调整分区控制阀开度。通过分区调节，可以大大降低反应区出口NOx浓度偏差，从而实现降低氨逃逸率。

2.3 优化控制回路，解决测量滞后性问题

采用串级控制策略，由一次主回路和二次副回路组成。一次主回路用以修正系统氨氮比，根据设定的出口NOx浓度值及入口NOx浓度值，计算出理论氨氮比，再将出口NOx浓度设定值与实测值的差值作为PID控制器的偏差信号，将输出值作为修正信号，修正系统氨氮比。二次副回路用以发出控制指令，通过烟气中的NOx流量与修正后的氨氮比相乘得到氨流量设定值，通过测量值和设定值之间的偏差应用到二次副回路PID控制器，作为二次副回路调节氨流量调节阀的控制指令。一次主回路的控制对象为出口NOx浓度，保证出口达标排放；二次副回路的控制对象为喷氨量，通过修正氨氮摩尔比实现降低喷氨量，在控制过程中，一次主回路作为定值控制回路，能够有效地消除出口NOx浓度与设定值之间的偏差。二次副回路喷氨流量随一次回路出口NOx浓度的变化而变化，二次回路控制器可以通过引入烟气流量和入口NOx浓度等外部因素的干扰，实时修正PID控制器的设定值，从而快速消除外部干扰。

图3 串级控制策略Fig.3 Cascade control strategy

3 工程实例分析

黑龙江某燃煤电厂4号锅炉600 MW超临界参数变压直流炉，锅炉同步建设脱硝装置，脱硝系统采用选择性催化还原(SCR)工艺，催化剂初装2层，预留1层，采用高尘布置。设计脱硝效率88%，氮氧化物排放浓度要求小于50 mg/Nm3。

项目自投运以来，脱硝长期达标运行，但是当锅炉负荷变动时，氨耗量偏离理论设计值较多，氨逃逸时常超标，检测灰份中硫酸氢氨含量也偏高。为控制氨逃逸，确保脱硝系统和锅炉运行负荷变动匹配，拟采用精细化喷氨改造方案。

3.1 精细化喷氨改造方案

图4 单侧反应器喷氨分区控制工艺方案(A、B两侧)Fig.4 Single-side reactor ammonia injection zone control process plan(A and B sides)

将喷氨格栅和SCR反应器出口烟道进行网格化分区控制，本项目单侧反应器分8个区控制，项目共分A、B两侧反应器，分区控制方案见图4。网格化分区喷氨控制系统包括测量模块、调节模块和控制模块。

3.1.1 测量模块

将脱硝出口烟道截面进行分区，布置全截面多点取样装置，取样点按分区数设置，依据流场模拟结果，对喷射格栅进行选型布置，再结合喷射格栅的选型确定分区数。本项目中，在每侧8个分区出口烟道分别安装NOx、O2在线监测测点，实现SCR反应器出口烟气NOx、O2浓度的在线分布巡测。根据各区域氮氧化物浓度实测值，可实时调整相应区域的喷氨调节阀，控制烟道局部氨逃逸。为避免铵盐结晶堵塞取样系统，需保证取样管内烟气维持较高的温度，同时需增加定时管道反吹系统。

3.1.2 调节模块

调节模块的核心为喷氨总管和喷氨支管上的喷氨调节阀，当测量模块CEMS系统反馈信号后，调节模块的阀门主要调节各分区调节阀，当涉及烟气流量随锅炉负荷的跳档波动时，再将信号反馈给总量控制阀进行喷氨总量调节，以确保分区调节阀的控制精度。

3.1.3 控制模块

分区均衡控制，采用主控和副控相结合的方式，即在催化剂性能正常的情况下，以SCR出口NOx浓度分布状况作为分区均衡控制的数据基础，同时结合SCR出口NH3浓度状况，在确保烟囱入口NOx排放浓度不超标的情况下，以尽量控制氨逃逸浓度在较低水平为目标进行控制。

3.2 改造效果和经济效益分析

改造后脱硝效率提升，氨逃逸率和喷氨量降低，空预器堵塞问题得到缓解，各项改造效果参数见表1。

表1 精细化氨喷射技术改造效果Table 1 Technical transformation effect of refined ammonia injection

通过采用精细化氨喷射技术改造，可以有效降低运行费用，带来经济效益和社会效益，分项运行费用降低数据见表2。

表2 精细化氨喷射技术降本成果Table 2 Cost reduction results of refined ammonia injection technology

精细化氨喷射技术可以降低喷氨量、延长催化剂使用寿命、减少锅炉空气预热器清洗频次。经测算，单台600 MW机组每年通过精细化喷氨项目的实施可降低约80万元运行成本。

4 结 论

通过采取精细化喷氨的控制策略，从创新管理理念、利用先进科学技术、高效节能环保的角度出发，实现烟气超低排放，是落实“美丽中国”理念的重要成果，亦可作为“碳达峰”、“碳中和”背景下，广大生产企业实施减排行动的借鉴方案，值得在同类型电厂推广，具有积极的社会价值。