SCR出口NOX稀释法分区混合测量系统的开发与应用

摘 要：针对目前燃煤电厂SCR脱硝出口单点CEMS系统测量数据代表性差的问题，该文开展SCR出口NOX稀释法分区混合测量系统的开发，并对其中关键的恒流稀释取样技术进行实验分析。结果表明实验所用的文丘里出入口压差为0.3 MPa时，其喉部产生的负压最低，满足音速小孔的恒流条件，能够实现恒流稀释取样。将该稀释法分区混合测量系统进行现场应用，现场运行效果表明该系统的测量数据准确可靠，能够有效指导脱硝系统合理控制，节省喷氨量，为电厂带来一定的经济效益。

关键词：稀释法;文丘里;分区混合测量系统;脱硝CEMS系统;恒流稀释取样

中图分类号：TM621.2 文献标志码：A 文章编号：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

近年来，随着我国绿色环保政策的推进，氮氧化物排放量呈逐年递减的趋势。根据《2021年中国生态环境统计年报》显示，2021年排放源统计调查范围内，我国工业源废气中氮氧化物排放量为368.9万t，较2020年减少了11.64%。在各行业中排放量第一的是电力、热力生产和供应业，其排放量占各行业总排放量的33.1%。在超低排放标准的要求下，多数燃煤电厂采用脱硝效率高的选择催化还原技术（SCR）进行烟气脱硝处理，运行效果满足总排口氮氧化物小时均值在50 mg/m3以下的要求，在氮氧化物减排方面取得了一定的成效[1-3]。

然而，在燃煤电厂SCR脱硝系统的运行过程中会存在这样的问题：脱硝出口烟道横截面积大、直管段小，且弯头、变径多，物理空间受限，造成烟气流场较差，进而导致单一的脱硝CEMS测点代表性差，不能为脱硝喷氨控制系统提供真实可靠的数据来合理调节喷氨量，导致脱硝自动控制系统投运率差，只能依靠手动控制，使得脱硝出口NOX数据波动很大。而且依靠单点测量不真实的数据，盲目增加喷氨量，极易造成空预器差压增加过快和氮氧化物测量数据“倒挂”的现象。脱硝入口流场不均匀及长期运行后，各催化剂模块磨损不一、性能变化不一致等问题，更加加剧了上述现象[4-5]。

针对以上现象，实现分区混合测量，提高脱硝出口氮氧化物测量结果代表性是解决问题的关键。不同于利用燃煤电厂烟道SCR出口与空预器入口的压差进行大规模网格取样来增加代表性的庞大混合测量系统，本文提出了一种稀释法分区混合测量系统，将SCR出口烟道横向分区，利用稀释法进行分区混合测量的技术路线，该系统施工量小、系统简单、维护量小，能够测量烟道截面的平均浓度和各分区的浓度，测量结果准确、真实，为喷氨控制系统提供准确的数据依据，大大降低了空预器堵塞的时间，避免了“倒挂”现象的发生。

1 稀释法分区混合测量系统研究

稀释法分区混合测量系统将烟道进行合理的分区，每个分区内布置一个稀释取样探头进行取样，各探头取样烟气分别进入分区测量分析仪进行轮循测量，测量值代表各分区的平均浓度;各取样烟气混合后进入混合测量分析仪进行混合测量，测量结果代表脱硝出口烟道截面的平均浓度。该系统的关键是恒流稀释取样技术及化学发光法测量技术。其中恒流稀释取样技术保证了取样烟气的真实性，提高了系统在烟气复杂多变工况下运行的可靠性;化学发光法测量技术是一种高精度的痕量氮氧化物测量方式，其测量精度能够达到ppb级别，为稀释后取样烟气的准确测量提供了保障。将这2种技术结合在一起，设计组成稀释法分区混合测量系统，能够完美实现燃煤电厂大截面烟道NOX的平均浓度测量及分区浓度测量。

2 恒流稀释取样技术

因结构简单、维护量小，无须冷凝除水等优点，稀释法取样越来越多地应用在烟气连续监测系统中，该取样技术的核心是确保恒定的稀释零气流量和恒定的烟气样品气流量，实现恒定的稀释比控制。音速小孔是实现恒定取样烟气样品气流量的关键部件，在稳定的温度条件下，当其进出口压差大于0.46倍时，流经该音速小孔的气体流速达到音速，不再随入口压力的变化而变化，从而实现恒流，此条件下流经小孔的气体流量大小只与小孔的孔径有关[6]。文丘里则是产生负压的关键部件，其实际是一种减缩渐扩喷管，一定压力的零气通过文丘里喷嘴时，在喷嘴内部流动的过程中零气的压力能会转化为动能，实现气流的加速，气体的流速随着喷嘴入口压力与喷嘴出口压力差的增大而增大，当压力差达到一定值时，气体的流速达到极限后不再增加，此时的文丘里喉部产生的负压最低。以此负压作为音速小孔的出口压力，烟道内的烟气压力作为音速小孔的入口压力，即能实现音速小孔的恒流条件，同时控制取样探头文丘里区域和音速小孔区域的温度恒定，则烟气样品气的流量为定值。恒流稀释取样技术的应用原理图如图1所示。

为保证实际运行时，现场稀释取样探头运行状态满足音速小孔的恒流条件，需要对文丘里的最低压力进行实验测试，本文开展不同文丘里出入口压差条件下的负压测量及流量测量实验。实验提供的压缩空气为0.5 MPa的清洁、干燥压缩空气，通过高精度的稳压阀控制文丘里入口压力，出口处于常压状态，通过0.05 MPa的压力梯度进行实验，利用真空压力计测量文丘里喉部的压力，实验结果如图2所示，当文丘里出入口压差为0.3 MPa时，喉部压力最低，为37.8 kPa（绝对压力）;随着文丘里出入口压差的增大，零气流量逐渐增大。燃煤电厂脱硝出口烟道内烟气压力一般不低于-2 kPa，因此应用该文丘里产生的最低负压作为音速小孔的出口压力时，满足音速小孔的恒流条件。

3 化学发光法测量技术

自20世纪50年代，研究人员Greaves等通过化学发光法测量氮氧化物浓度，并得到NO2*回到基态时产生的辐射连续谱，科学家逐步加深对化学发光测量氮氧化物技术的研究;在20世纪70年代，专家Fontijn等研究出以NO发光强度测量环境中NOX浓度的技术手段，并在发表文章中表明化学发光法测量NO的最低检测限位为4 ppb;20世纪80年代，科学家Delany等对美国热电公司的42i化学发光法分析仪提出了优化方案，通过加大真空泵抽气速度，扩展反应室体积的方式，使仪表检测器的灵敏度大大提高，升级后的设备达到了0.1 ppb的检测限。化学发光法测量技术被美国环保署EPA列为NOX的标准分析方法，在我国获得了普遍的应用，尤其在环境大气监测及火电厂烟道尾气在线监测方面[7-9]。

化学发光法测量技术具有检出限低、测量精度高、响应时间快等优点，是在线测量气体中痕量NOX的最佳技术手段。其分析仪测量原理如图3所示，分析仪内部配备臭氧发生器和钼转化炉2种转化设备，臭氧发生器能够将氧气变成臭氧，而在钼转化炉中NO2被还原为NO。生成的NO和臭氧在反应室内发生反应，反应方程式如下

NO+O3→NO2+O2+hv。 （1）

在上述反应过程中会发出一种特有的光，这种光的强度与NO的浓度成线型比例，因此可以通过检测光的强度并计算得到NO的浓度[10]。

4 稀释法分区混合测量系统设计

稀释法分区混合测量系统设置2台化学发光法分析仪分别进行混合测量及分区测量，具体设计思路如下。

4.1 混合测量设计

同一时刻相同稀释比的各稀释取样探头的烟气样品气等流量混合才有意义，混合后的样气测量结果能够代表整个烟道截面的平均浓度。通过音速小孔和文丘里控制各探头以稀释比相同进行稀释取样，稀释后的烟气作为样气，通过正压传输送入脱硝小间进行测量，样气管路从取样探头向分析仪铺设，管路上布置2个流量计，如图4所示。流量计1之前为样气管前段，之后分为混测管路和分区管路，混测管路进入混合器，各探头样气均匀混合后通过混测分析仪进行平均浓度测量，为保证混合均匀，控制各取样探头样气管前段及混测管路段长度相同，且流量相同。

4.2 分区测量设计

现场烟道内烟气浓度不断变化，同步测量各分区的样气浓度，测量结果才能真实反应烟道截面的浓度分布。首先设定各分区样气的测量时间相同，作为各路样气管上电磁阀的启动间隔时间，即各分区管路中样气进入分析仪间隔时间。然后以第一路样气进入分析仪的时间为基准，通过分区管路样气流量大小及间隔时间设计各分区管路管径及长度，保证第一路样气测量完毕后第二路样气正好进入分析仪进行测量，第二路样气测量完毕，第三路样气正好进入分析仪进行测量，以此类推，实现分区同步测量过程。

5 现场应用

国能集团某能源有限责任公司发电机组进行脱硝CEMS系统升级改造，在脱硝出口安装2套稀释法分区混合测量系统（每侧烟道各1套），现场脱硝出口单侧烟道平均分为6个区，在每个分区的中心位置布置1个稀释取样探头，现场稀释取样探头安装分布示意图如图5所示，实际安装时，探头垂直布置，现场情况如图6所示。

6 现场应用效果分析

现场脱硝CEMS系统改造后，机组稳定运行工况及变负荷工况的运行曲线如图7所示。

图7中曲线表明在稳定工况及变负荷工况的时候，脱硝出口分区混合测量系统NOX测量值总是围绕着脱硝出口NOX设定值上下波动，自动控制效果显著，由此可见，分区混合测量系统的NOX测量值真实可靠，为喷氨自动控制提供了理论依据，保证了脱硝自动控制系统的稳定性和高投运率，进而减轻运行人员的操作强度，符合现代化智慧电厂的要求[11-13]。

更为精确的脱硝出口NOX测量数据，用于指导脱硝系统的喷氨控制，也能够为电厂节省一定的氨用量。表1为脱硝系统改造前后电厂运行日志中记录的一个月时间的累计发电量及耗氨量数据。计算可知，脱硝改造之后每单位万千瓦时发电量耗氨量降低了约9.2%。耗氨量的减少，有助于延缓空预器的堵塞时间，减少空预器冲洗频率，降低风机功耗，由此可以为电厂带来一系列的经济效益。

7 结束语

本文基于燃煤电厂脱硝出口NOX测量单一测点代表性差极易造成过量喷氨、NOX数据“倒挂”、喷氨自动投运率低的问题，开展了脱硝出口NOX稀释法分区混合测量系统的开发，进行了恒流稀释取样技术的深入研究，并进行工程示范应用，结果表明：文丘里出入口压差为0.3 MPa时，其喉部压力最低，最低的压力能够满足音速小孔的恒流条件。通过对化学发光测量技术研究、混合测量管路设计及分区测量管路设计，完成了脱硝出口NOX稀释法分区混合测量系统的设计，并进行工程示范，稀释法分区混合测量系统运行后，测量数据真实可靠，保证了脱硝自动控制系统的稳定运行，提高了投运率，并能够为电厂运行节约9.2%左右的氨量，带来了一系列的经济效益，具有一定的推广价值。

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第一作者简介：刘龙（1988-），男，工程师。研究方向为火电厂热工检修。

*通信作者：滕军华（1989-），男，硕士，工程师。研究方向为火电厂烟气在线监测设备研发。