臧旭東
(望亭發(fā)電廠,江蘇 蘇州 215155)
江蘇省是“酸雨控制區(qū)”中的重點省份,在《江蘇省“十一五”環(huán)境保護和生態(tài)建設規(guī)劃》中,明確提出了“嚴格控制新建火電廠氮氧化物排放”、“開展氮氧化物污染治理工作。燃煤火電廠采用低氮燃燒技術,研究開發(fā)和推廣清潔燃燒技術和煙氣脫硝技術”等工作目標。脫硝是控制電廠氮氧化物排放的有效措施之一,因此,望亭發(fā)電廠#3,#4 660MW超超臨界燃煤機組新建時同步安裝了脫硝裝置,與此同時,安裝了煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)CEMS(Continuous Emission Monitoring System),對脫硝前、后煙氣NOx等污染物進行實時連續(xù)監(jiān)測,通過分散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)對脫硝后煙氣NOx進行閉環(huán)自動控制,最后DCS將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過火電廠廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)SIS(Supervisory Information System)上傳到環(huán)保局和電力監(jiān)管辦公室。
由于直插式分析儀是新一代的分析儀表,維護量低,望亭發(fā)電廠#3,#4機組脫硝時在CEMS的前期使用中體現(xiàn)了響應及時、無滯后、測量精度高的特點。隨著時間的推移,直插式分析儀不適應性的問題開始逐漸凸現(xiàn)出來,主要是空氣預熱器的磨損及聲波吹灰器的頻繁使用,對2臺機組脫硝進、出口NOx等污染物的測量產生了致命的影響,因此,不得不重新考慮信號測量方面的解決方案。
望亭發(fā)電廠660MW超超臨界機組脫硝工藝采用的是選擇性催化劑還原法SCR(Selective Catalytic Reduction)煙氣脫硝技術,“選擇性”的意思是指用噴氨有選擇地進行還原反應,在這里只選擇NOx進行還原?;痉磻缦?
SCR裝置位置,位于鍋爐出口和空氣預熱器之間;溫度,300~400℃(是脫硝反應的最佳溫度區(qū));壓力,微正壓;粉塵質量濃度,30~50 g/m3;脫硝效率,>80%;NH3逃逸控制范圍,<2.5mg/m3。
工藝原理如圖1所示。
在脫硝系統(tǒng)中,CEMS主要有2種應用,一是用于環(huán)保監(jiān)測,二是用于脫硝工藝控制。
一般來說,SCR,CEMS基本用途如下:
(1)氣態(tài)污染物分析系統(tǒng)。分析對象:NOx及O2。系統(tǒng)構成:采樣探頭、采樣管線、樣品預處理單元、分析儀表。
(2)NH3濃度監(jiān)測系統(tǒng)。分析對象,NH3;系統(tǒng)構成,探頭和中央控制單元。
目前常用NOx的分析方法有稀釋法(稀釋比難以控制,誤差較大)、直接抽取法、直接測量系統(tǒng)測量法3種。
NOx測量原理同SO2,測線方法為非分散紅外法(NDIR),即化學熒光法,利用污染物分子吸收特征波長的光,來區(qū)分不同種類的污染物,只是吸收的紅外線波長不同:SO2為7.3μm,NOx為5.3μm。
該原理符合朗伯-比耳定律:光透過介質的透光率(即透過光和入射光的強度比)與吸收光強度成冪指數(shù)下降。
O2測量一般采用電化學法即化學反應方法進行測量,化學能通過電極轉化為電能。
圖1 選擇性催化劑還原工藝原理
直接測量法是指分析儀直接安裝在煙道上,測量光可直接穿過煙道對被測量的煙氣進行檢測。直接測量系統(tǒng)采用的分析原理主要是差分吸收光譜原理,對于不同波長的光吸收來說,分子在有些波長吸收能量,而在有些波長則不吸收能量,但方法原理仍符合朗伯-比耳定律。
由于計算是通過吸收峰來進行且由譜線的峰值和谷值來反映的,而粉塵只是對整條譜線起著衰減的效果。若粉塵密度太大,以至于發(fā)出的光回不來或衰減到一個極低的水平,那么,吸收譜線將不能分辨,所以這種測試方法不適用煙氣檢測。
直接測量系統(tǒng)結構簡單,安裝方便,測量范圍和精度可以保證。
由于#3,#4機組脫硝系統(tǒng)中NOx測量安裝點在省煤器出口及空氣預熱器入口,未經過除塵,因此粉塵質量濃度高達30~50 g/m3。安裝位置受限,只能將分析儀器安裝在非直管段。由于粉塵大,造成磨損嚴重,使探頭、探桿濾芯保護片運行數(shù)月后就完全損壞,探頭測量時間不到半年就出現(xiàn)故障,無法繼續(xù)使用。雖然考慮過采取在煙道處加裝導流板、探頭加裝防磨層等措施,但仍無濟于事。
直插式分析儀是新一代分析儀表,它雖有響應及時、無滯后的優(yōu)點,但它的缺點也很明顯:集成度高,一旦某一部件損壞則會使整個測量系統(tǒng)癱瘓。
抽取式分析系統(tǒng)是老一代產品,使用廣泛,國內大部分工程均采用抽取式分析系統(tǒng),可適用于各種惡劣工況,價格便宜。其缺點是響應時間慢(約55 s)、數(shù)據(jù)容易損失和維護量大,抽取式分析系統(tǒng)需要每日進行巡檢,由于抽取式分析系統(tǒng)技術成熟,電廠有豐富的維護經驗。
抽取式測量系統(tǒng)是分立式的,由于磨損及其他因素,需要考慮后續(xù)備品備件,費用較高。光源是消耗品,使用壽命為1年,成本約1萬元。抽取式測量系統(tǒng)對煙道的流場要求特別高,要有嚴格的、一定長度的直管段,以避免煙塵對探頭的削切。
望亭發(fā)電廠技術人員經過調查研究,反復比較,決定對#3,#4機組660MW超超臨界機組脫硝系統(tǒng)的NOx測量系統(tǒng)進行抽取式改造,用抽取式分析儀表來代替直插式分析儀表。以磨損最為嚴重的脫硝入口NOx測量系統(tǒng)抽取式改造為例,介紹實施改造的具體過程。
根據(jù)現(xiàn)場勘查,在現(xiàn)場為每套系統(tǒng)配置1個彩鋼板分析儀小屋,小屋位于取樣點附近,小屋內部帶有照明、通風扇、空調、進線槽、配電箱、儀表空氣接入閥門及分析儀機柜。小屋外到取樣點應有走線槽(取樣管線外置和探頭加熱電纜線),取樣管線連接分析儀機柜和取樣探頭,取樣探頭旁邊有反吹掃儀表空氣閥門。抽取式系統(tǒng)改造方案具體布置如圖2所示(以西克麥哈克公司生產的抽取式測量系統(tǒng)為例)。
抽取式系統(tǒng)組成有采樣探頭、采樣管線、樣品預處理單元和分析儀表。
3.2.1 采樣探頭
采樣單元的作用是將煙道中氣體取出并輸送到預處理單元。在此期間不能發(fā)生堵塞和形成酸露,也不能產生化學反應。
功能:過濾、加熱、反吹。
組成:略。
采樣探桿:?35mm不銹鋼管,伸進煙道約1m處,樣氣通過此管進入采樣器。
過濾器:過濾精度為3~5μm,煙道中塵埃絕大部分被擋在過濾器之外。
電加熱管:為防止采樣單元產生凝結水后影響測量準確度而設置。電加熱溫度要求控制在180℃左右。
法蘭對接:采樣單元法蘭與工藝管口法蘭相對接,完成采樣單元安裝。3.2.2 采樣管線
采用電伴熱形式,中間樣氣管采用聚四氟乙烯耐腐蝕軟管。采樣管內溫度控制在140~160℃,使得煙氣中的水以蒸汽狀態(tài)存在,防止水結露與SO2生成酸。
3.2.3 樣品預處理單元
樣品預處理單元主要是將煙道中的氣體按照分析儀器能夠接受的壓力、溫度、流量、含水量、含塵量及干凈程度進行測量和處理,主要完成以下7項工作。
(1)樣品抽取。用取樣泵將煙道中氣體抽取,送至分析儀器測量NOx,O2的含量。
(2)汽水分離。樣氣溫度下降出現(xiàn)游離水,汽水分離器將氣、水分開,然后將水排出。
(3)冷凝除水。壓縮機制冷器除水,蠕動泵排水。
(4)精密過濾。為了進一步除塵,應保證整個過濾精度在0.5μm以下。
(5)標定。用標準氣體定期對分析儀進行標定,以保證測量精度。
(6)快速回流。在滿足儀器所需流量的情況下,為提高分析效果,減少滯后所采取的措施。
(7)流量調節(jié)。保證儀器的進樣流量大于2 L/min。
3.2.4 吹掃單元
吹掃單元具有自動定期氣體反吹系統(tǒng)功能,保證探頭清潔,防止探頭及管線堵塞。
(1)金屬固定支架外殼。將采樣單元各部件有機地連接在一起,以達到防雨、防塵之目的。
圖2 抽取式系統(tǒng)改造方案布置圖
(2)反吹系統(tǒng)。反吹系統(tǒng)由可編程邏輯控制器PLC(Programmable Logic Controller)進行控制。
3.2.5 分析儀表
目前,CEMS分析儀表一般從國外原裝進口,在國內進行系統(tǒng)集成。分析儀表均有零點自動校準、量程漂移小、采用微流量傳感器、精度高、維護量小的特點,同時具有報警、出錯提示、信號限制、泵維護、編碼信息、菜單式操作等功能,測量范圍和輸出信號均可調的性能。
由于煙氣CEMS組成復雜、煙氣成分特殊,如果不進行定期維護,很容易出現(xiàn)腐蝕、堵塞和數(shù)據(jù)漂移等問題,使整個測量系統(tǒng)癱瘓,從而因環(huán)保監(jiān)管給企業(yè)帶來不必要的經濟損失。因此,為了確保脫硝CEMS數(shù)據(jù)的準確性和代表性,必須保證脫硝CEMS日常運行的質量,才能保證脫硝CEMS正常、穩(wěn)定運行,持續(xù)提供有效的檢測數(shù)據(jù),從而滿足環(huán)保部門的監(jiān)管要求。
CEMS的日常維護工作主要包括探頭濾芯,分析儀內各種過濾器濾芯、分子篩、密封圈等易耗品應定期更換;采樣管線及測點要定期反吹和檢查;應經常檢查冷凝裝置的工作情況;定期校驗分析儀并確保標氣始終在有效期內使用。數(shù)據(jù)采集裝置和DCS歷史數(shù)據(jù)的檢查也要納入正常定期巡檢范圍之內。一旦運行人員發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有問題,熱工人員要及時處理解決。
由于環(huán)保部門要求CEMS定期反吹時不允許將NOx信號顯示參數(shù)自動閉鎖,所以,要通過控制邏輯實現(xiàn)如下功能,即在 CEMS定期反吹時,將控制CEMS出口NOx的噴氨自動回路進行輸出指令保持,以防止反吹掃期間因信號瞬間紊亂引起DCS控制失常。
另外,還需加強和CEMS廠家的經常溝通和保持聯(lián)系,充分依托廠家的技術優(yōu)勢有利于系統(tǒng)的正常投運。
經過脫硝CEMS的抽取式改造,徹底解決了原直插式的磨損問題,在維護人員的精心維護下,系統(tǒng)運行正常至今。