侍述成

（國能壽光發(fā)電有限責(zé)任公司，山東 壽光 262714）

0 引言

催化還原脫硝技術(shù)目前在大型燃煤機(jī)組中應(yīng)用較為廣泛。發(fā)電企業(yè)需進(jìn)一步提高脫硝效率，降低NOx等大氣污染物排放濃度，以滿足低碳環(huán)保的要求。目前，NOx的超低排放主要通過增加催化劑層數(shù)來實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，如果仍采用平均化的噴氨策略，煙氣中的NOx與NH3很難均勻混合，即使增加催化劑層數(shù)，也無法解決氨濃度不均勻的問題。近年來不少學(xué)者對(duì)SCR（Selective Catalytic Reduction，簡稱SCR）脫硝技術(shù)的噴氨方法進(jìn)行過專題研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在SCR連接煙道內(nèi)，導(dǎo)流板的布置、氨的噴入方式和分布等因素都會(huì)影響系統(tǒng)中NH3與NOx的混合過程、混合質(zhì)量，從而影響SCR系統(tǒng)的脫硝效率[1-2]。本文以某1 000 MW機(jī)組為例，進(jìn)行SCR反應(yīng)區(qū)的流場模擬，采取加裝靜態(tài)混合器并優(yōu)化、細(xì)化分區(qū)測(cè)控、準(zhǔn)確預(yù)測(cè)氨需量等措施，以取得預(yù)期脫硝效果，達(dá)到精準(zhǔn)噴氨控制的目的。

1 設(shè)備概況

某電廠2號(hào)機(jī)組為國產(chǎn)1 000 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐為∏型爐，設(shè)有尿素溶解系統(tǒng)、熱解爐及兩側(cè)SCR反應(yīng)器。尿素溶解系統(tǒng)為兩臺(tái)機(jī)組共用，每臺(tái)機(jī)組配置一臺(tái)熱解爐，尿素溶液在熱解爐內(nèi)由高溫一次風(fēng)進(jìn)行熱解，形成高溫NH3，噴入兩側(cè)SCR反應(yīng)區(qū)對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝處理。煙氣污染排放濃度設(shè)計(jì)值分別為：煙塵小于 3 mg∕m3，SO2小于 10 mg∕m3，NOx小于27 mg∕m3。按照環(huán)保領(lǐng)跑的管理理念，2號(hào)機(jī)組運(yùn)行中煙氣污染物排放濃度標(biāo)準(zhǔn)為：煙塵小于1 mg∕m3，SO2小于 10 mg∕m3，NOx小于 20 mg∕m3。依據(jù)山東省環(huán)保管理要求，此排放標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。但在此低濃度的排放標(biāo)準(zhǔn)下，脫硝系統(tǒng)噴氨不均勻造成噴氨量較大，氨逃逸多，形成的硫酸氫氨堵塞空氣預(yù)熱器，使煙氣側(cè)壓差高達(dá)1.9 kPa，影響了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。在此條件下，對(duì)脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造十分必要，開展網(wǎng)格化噴氨設(shè)計(jì)是有效措施之一。

2 網(wǎng)格化噴氨設(shè)計(jì)思路

網(wǎng)格化噴氨設(shè)計(jì)思路是在鍋爐SCR反應(yīng)器區(qū)域進(jìn)行氨量配比優(yōu)化，從而在提高脫硝性能的基礎(chǔ)上，最大程度降低NH3的逃逸量。優(yōu)化的前提是SCR反應(yīng)器區(qū)域的煙氣和NOx流場均勻，這樣才能更容易實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格化噴氨優(yōu)化。網(wǎng)格化噴氨需完成3方面的設(shè)計(jì)：一是針對(duì)反應(yīng)器出口設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的測(cè)量系統(tǒng)，將反應(yīng)器流場分為幾部分，每部分出入口均進(jìn)行取樣測(cè)量，得到準(zhǔn)確的NOx含量、氨逃逸量、O2含量等數(shù)據(jù)，以準(zhǔn)確計(jì)算煙氣脫硝效率；二是選擇先進(jìn)的控制算法，根據(jù)SCR出入口的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，使用預(yù)測(cè)、前饋等控制方法優(yōu)化噴氨量；三是完成噴氨量分配執(zhí)行器的布置，總的氨氣流量調(diào)門和網(wǎng)格化對(duì)應(yīng)配置的多個(gè)調(diào)門相互聯(lián)動(dòng)，以達(dá)到網(wǎng)格化精準(zhǔn)噴氨的目的。

3 網(wǎng)格化噴氨設(shè)計(jì)內(nèi)容

3.1 SCR出入口測(cè)量系統(tǒng)

3.1.1 NOx多點(diǎn)同步測(cè)量

超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求出口NOx濃度小于27 mg∕m3，并具有較高的測(cè)量精度。當(dāng)前應(yīng)用較多的測(cè)量技術(shù)是化學(xué)發(fā)光法?；瘜W(xué)發(fā)光法是分子發(fā)光光譜分析法中的一類，主要依據(jù)化學(xué)檢測(cè)體系中待測(cè)物濃度與體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度在一定條件下呈線性定量關(guān)系的原理，利用儀器對(duì)體系的化學(xué)發(fā)光強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，從而確定待測(cè)物含量，對(duì)低濃度介質(zhì)的測(cè)定有較高的準(zhǔn)確性。

SCR出口采用稀釋法進(jìn)行取樣。煙氣稀釋采樣法與化學(xué)發(fā)光法相結(jié)合，具有不用除水、系統(tǒng)簡單的優(yōu)勢(shì)，可降低故障停運(yùn)概率和維護(hù)成本，測(cè)量系統(tǒng)更穩(wěn)定可靠，尤其適合超低排放后的NOx測(cè)量。分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)在同一煙道截面布置多個(gè)煙道網(wǎng)格取樣點(diǎn)，同一煙道截面取樣點(diǎn)共用一臺(tái)分析儀，保證了分析數(shù)據(jù)的可比性和工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性。分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)根據(jù)流場分布規(guī)律，單點(diǎn)精確定位，采用獨(dú)立的防腐耐磨采樣槍，采樣系統(tǒng)充分考慮了防堵、伴熱、便于拆裝，同時(shí)設(shè)置單點(diǎn)獨(dú)立吹掃，杜絕多點(diǎn)混合取樣、進(jìn)氣量不均、個(gè)別管堵塞等情況的發(fā)生。

NOx多點(diǎn)分區(qū)同步測(cè)量的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR出口截面多分區(qū)的測(cè)量取樣同步，確保測(cè)量結(jié)果為同一截面同一時(shí)刻的數(shù)據(jù)。鍋爐兩側(cè)煙道分別配置一套測(cè)量儀表系統(tǒng)、一套預(yù)處理和輪測(cè)切換裝置，每側(cè)煙道劃分為6個(gè)網(wǎng)格區(qū)域，每個(gè)網(wǎng)格區(qū)域設(shè)一個(gè)取樣探頭，抽取的煙氣經(jīng)預(yù)處理和輪測(cè)切換裝置后送入測(cè)量儀表系統(tǒng)。分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 分區(qū)測(cè)量系統(tǒng)示意圖

3.1.2 氨逃逸檢測(cè)

氨逃逸檢測(cè)采用可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜測(cè)量技術(shù)，取樣方式采用原位取樣。將測(cè)量腔安裝在煙道內(nèi)部，在煙道截面方向均勻取樣，采樣路徑僅為2.0 cm，測(cè)量腔采用特殊材料內(nèi)襯以消除氨氣吸附作用。這既可保證取樣時(shí)溫度和煙氣成分不變，又可保證光路具有較高的穩(wěn)定性，而且設(shè)備安裝方便、維護(hù)量小、運(yùn)行可靠、易于檢修。

3.2 控制算法

3.2.1 主回路的前饋預(yù)測(cè)控制算法

脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度的常規(guī)測(cè)量存在較大的滯后性，使得控制回路無法適應(yīng)脫硝過程非線性和快時(shí)變的特點(diǎn)。系統(tǒng)優(yōu)化時(shí)需要采用先進(jìn)的預(yù)測(cè)控制技術(shù)，針對(duì)不同負(fù)荷工況，結(jié)合入口NOx含量、O2含量、煙氣流量、風(fēng)量、煤量等數(shù)據(jù)，建立相對(duì)準(zhǔn)確的氨需量預(yù)測(cè)模型，避免出口NOx含量測(cè)量滯后導(dǎo)致調(diào)節(jié)系統(tǒng)震蕩。

3.2.2 基于歷史數(shù)據(jù)分析的網(wǎng)格化噴氨均衡控制算法

網(wǎng)格化噴氨均衡控制算法綜合出口NOx的實(shí)時(shí)測(cè)量值和歷史數(shù)據(jù)，在確保滿足環(huán)保要求的NOx排放量的前提下，將氨逃逸率在線測(cè)量數(shù)據(jù)引入噴氨優(yōu)化控制系統(tǒng)中，形成基于氨逃逸精確測(cè)量的脫硝閉環(huán)校正控制，在滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，最大限度降低氨逃逸率。

3.2.3 優(yōu)化控制邏輯

將預(yù)測(cè)的入口NOx含量與煙氣流量、O2含量、出口NOx含量、氨逃逸量結(jié)合，作為噴氨前饋的重要參數(shù)，參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，同時(shí)用氨逃逸量對(duì)主回路進(jìn)行校正。此外，采用競爭型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法實(shí)時(shí)校正上述動(dòng)態(tài)補(bǔ)償算法中的各項(xiàng)特性參數(shù)，使得整個(gè)系統(tǒng)始終處于在線學(xué)習(xí)和尋優(yōu)的狀態(tài)，控制性能平穩(wěn)地逼近最優(yōu)目標(biāo)[3]。噴氨總量控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示。圖中的風(fēng)量、煤量等參數(shù)引用DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)，煙氣流量、氨逃逸量、NOx分區(qū)含量、入口NOx含量為優(yōu)化后控制系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖2 噴氨總量控制系統(tǒng)原理圖

4 流場和NOx濃度場模擬

4.1 流場現(xiàn)狀

對(duì)SCR系統(tǒng)原型進(jìn)行CFD（Computational Fluid Dynamics，簡稱CFD）模擬計(jì)算，考慮到SCR兩側(cè)的對(duì)稱性，僅對(duì)單側(cè)反應(yīng)器進(jìn)行計(jì)算[4]。對(duì)原型進(jìn)行1∶1建模，計(jì)算均勻入口條件90%工況下流場情況。該工況下SCR系統(tǒng)流線分布示意圖如圖3所示，由圖3可見，整個(gè)系統(tǒng)流線比較規(guī)整，無明顯回流區(qū)。第一層催化劑前氣流速度與豎直方向夾角為4.13°，滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

圖3 SCR原型流線分布示意圖

噴氨格柵前截面處的氣流速度分布圖如圖4所示，其中上下、左右分別為寬度、深度方向。由圖4可見，在SCR系統(tǒng)入口導(dǎo)流板與煙道共同作用下，噴氨格柵前截面處的氣流沿深度方向呈現(xiàn)明顯的分層效果，靠近爐膛方向氣流速度較高。SCR反應(yīng)器首層催化劑前截面處的氣流速度分布圖如圖5所示，經(jīng)計(jì)算得到此截面上氣流速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為3.05%，滿足JB∕T 12131—2015《燃煤煙氣凈化SCR脫硝流場模擬試驗(yàn)技術(shù)規(guī)范》的要求。氨氮摩爾比分布圖如圖6所示，經(jīng)計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為9.68%，大于5%，不滿足流場要求。

圖4 噴氨格柵前截面氣流速度分布圖

圖5 首層催化劑前截面氣流速度分布圖

圖6 首層催化劑前截面氨氮摩爾比分布圖

4.2 流場均衡調(diào)整方案

根據(jù)NOx入口和出口濃度偏差、氣流速度偏差等數(shù)據(jù)，采用CFD模擬技術(shù)，提出相應(yīng)的調(diào)整方案，即加裝混合器，以提高噴氨格柵前NOx含量和氣流速度分布的均勻性[5]。在此基礎(chǔ)上，改變噴氨支管自動(dòng)調(diào)門開度，使噴入的氨濃度與對(duì)應(yīng)區(qū)域的NOx濃度相匹配，實(shí)現(xiàn)NOx的高效脫除和氨濃度的有效控制[6-7]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果改造煙道內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在噴氨格柵下游原有的一組小尺寸靜態(tài)混合器上方增加一組大尺寸圓形靜態(tài)混合器，布置18個(gè)直徑為1.8 m的圓盤形鋼板，煙道新增靜態(tài)混合器示意圖如圖7所示。

圖7 煙道新增靜態(tài)混合器示意圖

4.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果

SCR系統(tǒng)改造后，利用CFD模擬技術(shù)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬計(jì)算，結(jié)果如圖8、圖9和圖10所示，首層催化劑前截面氣流速度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.95%，氨氮摩爾比相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.81%，首層催化劑前截面氣流速度與豎直方向夾角為2.57°，均滿足流場要求。

圖8 改造后SCR流線分布示意圖

圖9 改造后首層催化劑前截面氣流速度分布圖

圖10 改造后首層催化劑前截面氨氮摩爾比分布圖

在SCR脫硝系統(tǒng)入口均勻條件下，對(duì)改造前后的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，在SCR脫硝系統(tǒng)入口不均勻條件下，對(duì)改造前后不同工況下的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由表1可見，改造方案滿足流場要求，且能適應(yīng)不同負(fù)荷工況。

表1 改造前后參數(shù)對(duì)比

5 結(jié)語

隨著環(huán)保要求的提高，燃煤機(jī)組面臨的環(huán)保壓力越來越大，針對(duì)NOx排放量的標(biāo)準(zhǔn)也在提高，脫硝技術(shù)需不斷改進(jìn)。SCR反應(yīng)區(qū)的流場優(yōu)化，精準(zhǔn)噴氨的優(yōu)化，都是當(dāng)前研究的重要方向，本文針對(duì)某1 000 MW燃煤機(jī)組開展網(wǎng)格化噴氨技術(shù)研究，在改造煙氣流場的基礎(chǔ)上，對(duì)氨需量進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算，結(jié)合出口NOx含量的準(zhǔn)確測(cè)量，提高脫硝效率，降低NOx排放量和氨逃逸量，解決氨逃逸量大導(dǎo)致的空預(yù)器堵塞等問題。