摘要：針對(duì)燃煤機(jī)組NO_x超低排放改造后全負(fù)荷脫硝的實(shí)現(xiàn)，以及空預(yù)器堵塞、引風(fēng)機(jī)電耗增加等問(wèn)題進(jìn)行分析，指出氨逃逸是造成問(wèn)題的根本原因，并且問(wèn)題的嚴(yán)重程度會(huì)逐漸增加。根據(jù)脫硝噴氨控制原理，結(jié)合實(shí)際控制難點(diǎn)提出自動(dòng)控制優(yōu)化建議，達(dá)到精準(zhǔn)噴氨及NO_x達(dá)標(biāo)排放的目的。

關(guān)鍵詞：燃煤機(jī)組；NO_x超低排放；自動(dòng)控制優(yōu)化

引言

2014年9月，《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》發(fā)布，要求“各地進(jìn)一步提升煤電清潔高效發(fā)展水平”。2021年12月，江蘇發(fā)布《燃煤電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB 32/4148-2021），提出“氮氧化物排放濃度限值為30mg/m³”，較超低排放50mg/m³的要求更加嚴(yán)格。目前，我國(guó)燃煤機(jī)組脫硝改造中聯(lián)合應(yīng)用低NO_x燃燒與煙氣脫氮技術(shù)，使得氮氧化物等有害物質(zhì)的排放持續(xù)下降，且已穩(wěn)定達(dá)到超低排放限值要求。另外，由于加裝脫硝裝置后，鍋爐熱損失增大會(huì)引起一定程度的效率下降，且煙道阻力增加造成引風(fēng)機(jī)壓升上漲、電耗升高，以及直接影響機(jī)組帶負(fù)荷能力等，因此燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，煙氣成分的改變及流動(dòng)不均勻性增強(qiáng)等因素使空預(yù)器積灰、腐蝕、漏風(fēng)等問(wèn)題逐步凸顯[1]。本文通過(guò)全負(fù)荷脫硝實(shí)現(xiàn)過(guò)程中存在問(wèn)題的分析，指出大量噴氨造成氨逃逸是根本原因，并結(jié)合噴氨自動(dòng)控制原理提出優(yōu)化建議以提高燃煤機(jī)組脫硝效率，減少氨耗量、降低氨逃逸，進(jìn)一步緩解設(shè)備運(yùn)行壓力。

1脫硝系統(tǒng)概況

江蘇國(guó)信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司二期工程，2臺(tái)650MW燃煤機(jī)組脫硝系統(tǒng)，采用選擇性催化還原（SCR）法來(lái)達(dá)到去除煙氣中NO_x的目的。單爐配置2臺(tái)SCR反應(yīng)器，每臺(tái)反應(yīng)器安裝3層催化劑，每層催化劑上方安裝5臺(tái)聲波吹灰器。反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器與空預(yù)器之間，其出口新增一級(jí)省煤器。省煤器未設(shè)旁路煙道，但增加水側(cè)旁路。

脫硝還原劑制備采用尿素水解制氨工藝，液氨蒸發(fā)法作為備用，系統(tǒng)設(shè)備集中布置于啟動(dòng)鍋爐房。含氨成品氣由空氣稀釋到5%體積濃度以下后被注入SCR反應(yīng)器入口煙道中，并與一定溫度下的煙氣充分混合，然后流經(jīng)催化劑層完成NO_x與NH₃的還原反應(yīng)生成N₂和H₂O，實(shí)現(xiàn)煙氣中NO_x的高效脫除。按照SCR反應(yīng)器進(jìn)口NO_x濃度450mg/Nm³、出口濃度30mg/Nm³設(shè)計(jì)，單臺(tái)機(jī)組脫硝耗氨量最大為340kg/h。

2 NO_x超低排放問(wèn)題

2.1全負(fù)荷脫硝的實(shí)現(xiàn)

低負(fù)荷下煙氣溫度偏低，若SCR反應(yīng)器入口煙溫低于催化劑設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度（295～420℃），脫硝系統(tǒng)將被迫自動(dòng)退出。中壓缸冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程中，采用汽輪機(jī)2300rpm中速暖機(jī)時(shí)投入高加、機(jī)組并網(wǎng)前盡量開(kāi)大高旁等措施為強(qiáng)化燃燒創(chuàng)造條件。只有保證脫硝系統(tǒng)的正常投運(yùn)才能滿足環(huán)保管控要求，但現(xiàn)有的實(shí)踐證明基于零改造的應(yīng)用雖對(duì)煙溫的提升有一定效果，卻存在局限性，機(jī)組并網(wǎng)約2h后SCR反應(yīng)器入口煙溫才能達(dá)到催化劑應(yīng)用的溫度窗口。通過(guò)在省煤器進(jìn)口集箱前加裝調(diào)節(jié)閥和連接管道實(shí)現(xiàn)部分給水短路（須嚴(yán)格控制省煤器懸吊管出口水溫過(guò)冷度≥5℃），以及將#2高加汽源由二段抽汽改為臨爐（供熱母管）供汽，大幅度減少給水在省煤器中的吸熱量，從而有效提高SCR 反應(yīng)器入口煙溫、提高脫硝系統(tǒng)的投運(yùn)率，確保全負(fù)荷脫硝的實(shí)現(xiàn)。

2.2噴氨量影響分析

燃料型NO_x是燃煤鍋爐氮氧化物生成的主要途徑，并且爐膛溫度越高、過(guò)量空氣系數(shù)越大，則氮氧化物生成量越多[2]。機(jī)組負(fù)荷大幅度波動(dòng)、不同制粉系統(tǒng)啟停和運(yùn)行，以及爐內(nèi)燃燒工況的劇烈變化，使SCR反應(yīng)器入口出現(xiàn)較大的NO_x動(dòng)態(tài)偏差，在全負(fù)荷脫硝要求下易造成階段性過(guò)量噴氨。此外，煙氣中細(xì)小飛灰顆粒及低溫下NH4HSO4會(huì)逐漸附著于催化劑表面甚至緩慢滲入微孔中堵塞孔徑，可直接導(dǎo)致催化劑損壞、坍塌、活性降低，最終造成脫硝效率下降、系統(tǒng)用氨量增加、氨逃逸率上升等問(wèn)題[3]。

現(xiàn)階段，在保證煙囪入口NO_x濃度小時(shí)均值不超標(biāo)及上限（37mg/m³）控制方式下，機(jī)組不同穩(wěn)定負(fù)荷對(duì)應(yīng)SCR反應(yīng)器運(yùn)行狀況如表1所示。SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口均安裝有煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）測(cè)量?jī)x表，煙氣采用抽取法單點(diǎn)連續(xù)測(cè)量。氮氧化物濃度為基準(zhǔn)氧含量6%條件下的計(jì)算值，故氧量偏高時(shí)折算后的NO_x濃度偏高。低負(fù)荷時(shí)，燃料量少且風(fēng)量相對(duì)較低使NO_x生成量少，同時(shí)煙氣溫度低使NO_x生成速率下降，導(dǎo)致噴氨量小且氨逃逸維持在低水平。隨著負(fù)荷增加，鍋爐燃燒率提高，煙氣量增加且煙溫上升，因此高負(fù)荷下反應(yīng)器內(nèi)溫度不僅會(huì)加快脫硝反應(yīng)速率、縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，而且會(huì)影響催化劑活性，使得脫硝效率下降并造成噴氨量急劇增加、氨逃逸率增大。

2.3氨逃逸的影響

SCR法主要化學(xué)反應(yīng)如下所示。

4NO + 4NH₃ + O₂ → 4N₂ + 6H₂O

2NO₂ + 4NH₃ + O₂ → 3N₂ + 6H2O

根據(jù)脫硝反應(yīng)方程式，理論所需NH3與NO_x物質(zhì)的量之比在1～2之間。由于化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中活化分子數(shù)量有限，反應(yīng)物不可能實(shí)現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化[4]，因此工程應(yīng)用中采用NH3與NO_x物質(zhì)的量之比為1.05時(shí)，可保證氮氧化物的達(dá)標(biāo)排放及滿足氨逃逸率≤3ppm的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]。SCR反應(yīng)器在實(shí)際運(yùn)行中普遍存在入口煙氣流量多變、流場(chǎng)復(fù)雜、氮氧化物濃度波動(dòng)幅度大，以及反應(yīng)截面上NH3與NO_x混合不均勻等問(wèn)題，從而造成大量NH3未反應(yīng)，直接危及后續(xù)設(shè)備和系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

氨逃逸后與煙氣中SO3、水蒸氣反應(yīng)生成具有腐蝕性和黏結(jié)性的硫酸鹽，其易與煙氣中的飛灰顆粒冷凝沉積在空預(yù)器中下部的換熱元件表面。一方面造成傳熱效率下降、鍋爐排煙溫度上升，損失增大；另一方面導(dǎo)致煙氣系統(tǒng)阻力上升并使引風(fēng)機(jī)電耗增加，堵塞嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐煽疹A(yù)器轉(zhuǎn)子卡澀、電流晃動(dòng)。

空預(yù)器出口煙溫通常低于150℃，經(jīng)低溫省煤器再次降溫后，使得煙氣在進(jìn)入靜電除塵器之前其溫度就已下降至酸露點(diǎn)溫度以下，此時(shí)硫酸氫氨充分凝結(jié)。粘附力作用下，大量飛灰包裹并附著于電除塵極板和極線，不僅會(huì)影響除塵效率，更會(huì)危及系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。逃逸的NH3進(jìn)入濕法脫硫裝置后，一部分溶解于脫硫漿液中，另一部分則以銨鹽氣溶膠的形式隨煙氣排出，從而影響燃煤鍋爐PM2.5排放特性，此時(shí)為保證吸收塔內(nèi)漿液與副產(chǎn)品石膏中氮氧化合物含量不超標(biāo)，往往會(huì)將廢水輸送至污水汽提裝置進(jìn)行處理，卻又導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)能耗增加且運(yùn)行成本上升[7]。

3脫硝控制

3.1噴氨自動(dòng)控制原理及難點(diǎn)

噴氨流量調(diào)節(jié)是脫硝系統(tǒng)控制的主要任務(wù)，其效果體現(xiàn)在達(dá)到環(huán)保指標(biāo)要求下的脫硝效率及滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下的氨逃逸率，SCR煙氣脫硝噴氨自動(dòng)控制原理如圖1所示。效率模式下的脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制采用串級(jí)回路控制策略。主調(diào)控制回路根據(jù)SCR進(jìn)口NO_x濃度和煙氣量乘積，按照固定的氨氮摩爾比計(jì)算理論噴氨量，并在滿足脫硝效率要求下利用SCR出口NO_x濃度進(jìn)行摩爾比修正。副調(diào)控制回路以修正的理論噴氨量作為控制器的給定值，與實(shí)際噴氨流量的偏差經(jīng)調(diào)節(jié)后輸出噴氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令，通過(guò)噴氨流量的改變最終實(shí)現(xiàn)NO_x濃度控制。此外，將機(jī)組負(fù)荷、鍋爐總風(fēng)量、SCR進(jìn)口氧量、氨逃逸濃度等參數(shù)作為前饋信號(hào)引入控制系統(tǒng)，能夠在一定程度上改善噴氨自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)多變工況的適應(yīng)性。

事實(shí)上，脫硝過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的非線性化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，被控過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性會(huì)隨著催化劑的不斷消耗而發(fā)生較大變化[8]。另外，CEMS為單點(diǎn)測(cè)量，測(cè)量精度較低、偏差較大，因此在非穩(wěn)定工況下開(kāi)環(huán)控制的固定摩爾比方式很難取得理想效果。

3.2控制系統(tǒng)優(yōu)化建議

鍋爐負(fù)荷變化或燃燒方式調(diào)整時(shí)，在不考慮供氨穩(wěn)定性、催化劑活性影響等條件下，傳統(tǒng)均勻噴氨方式無(wú)法使NH3與NO_x濃度場(chǎng)匹配，局部過(guò)量噴氨造成NH3利用率低成為脫硝系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中耗氨量高且氨逃逸嚴(yán)重的主要原因。因此，優(yōu)化以SCR出口NO_x濃度和不均勻度為控制對(duì)象的噴氨控制系統(tǒng)，不僅能夠降低SCR出口NO_x時(shí)間上的波動(dòng)性，還能緩解其空間上的不均勻性。

噴氨總量控制是在原有控制回路基礎(chǔ)上引入鍋爐運(yùn)行參數(shù)，通過(guò)算法優(yōu)化實(shí)現(xiàn)SCR區(qū)域總體工況的預(yù)測(cè)和反饋控制。對(duì)噴氨總流量進(jìn)行調(diào)節(jié)是為了盡可能地降低出口NO_x波動(dòng)性，保證系統(tǒng)安全平穩(wěn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。噴氨格柵分區(qū)控制是對(duì)氨空混合器后的還原劑進(jìn)行分配調(diào)節(jié)，使進(jìn)入噴氨格柵各個(gè)區(qū)域的還原劑濃度相對(duì)關(guān)系發(fā)生變化，控制SCR出口各個(gè)分區(qū)NO_x濃度趨于一致?？偭靠刂朴欣诜謪^(qū)調(diào)節(jié)的調(diào)平效果，分區(qū)調(diào)節(jié)使SCR出口CEMS儀表的取樣更具代表性，兩者相輔相成共同作用。

當(dāng)前，脫硝系統(tǒng)流場(chǎng)分區(qū)優(yōu)化改造為反應(yīng)器出口截面采用8點(diǎn)輪流測(cè)量，單個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間為17s。分區(qū)測(cè)點(diǎn)時(shí)均值為1個(gè)計(jì)算周期（10輪）內(nèi)的濃度平均值，8個(gè)分區(qū)測(cè)點(diǎn)的時(shí)均值求和取平均即為單側(cè)煙道NO_x時(shí)均值。運(yùn)行過(guò)程中，被控對(duì)象更大的純時(shí)滯性使控制系統(tǒng)大滯后的特點(diǎn)更加顯著。若分區(qū)能夠同步進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，則將大幅縮短反應(yīng)截面NO_x含量分布周期分析時(shí)間，不但能使環(huán)保指標(biāo)滿足現(xiàn)行考核要求，而且可以減小脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

結(jié)語(yǔ)

650MW燃煤機(jī)組脫硝改造后，雖然氮氧化物排放濃度顯著降低，但空預(yù)器堵塞、引風(fēng)機(jī)電耗增加等問(wèn)題卻大大增加了運(yùn)營(yíng)成本。特別是對(duì)于前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐而言，煙氣中NO_x濃度的不均性更大，空預(yù)器差壓上漲問(wèn)題更為普遍。爐內(nèi)低氮燃燒方式下SCR入口NO_x濃度較低，采用脫硝系統(tǒng)優(yōu)化后的濃度控制模式，既能解決總出口NO_x濃度波動(dòng)問(wèn)題，又能解決分區(qū)NO_x濃度分布不均勻問(wèn)題，這種控制方式雖然相對(duì)復(fù)雜，卻可減少耗氨量，系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性較高。

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作者簡(jiǎn)介

陳佳（1991—），女，漢族，江蘇宜興人，工程師，碩士，主要從事熱能與動(dòng)力、生物質(zhì)能利用等研究工作。

加工編輯：馮為為

收稿日期：2024-05-09