技術|火電廠脫硝SCR區噴氨存在的問題及幾種優化解決方案

2021-01-16 麥電網

麥電網訊:摘要:隨著國內電力環保排放標準的越趨嚴格,國家要求燃煤機組總排口NOX排放濃度不得高於50mg/Nm3。很多電廠由於鍋爐負荷變化過快,運行人員往往採用過量噴氨來保證脫硝系統的達標排放,造成氨耗量增加。另一方面由於漏氨生成硫酸銨鹽,導致催化劑積灰嚴重,脫硝效率下降;同時空預器堵塞頻繁,引風機出口阻力增大,機組運行能耗偏高。本文結合某機組噴氨優化的應用,淺談如何通過儀表控制解決上述問題。


傳統氨分配方式(噴氨格柵)是假定煙氣流量及NOX分布是固定不變的,而實際上鍋爐負荷或燃燒方式調整時,煙氣流量和NOX的分布是隨著變化的。傳統噴氨方式無法使NH3濃度場與NOX濃度場匹配,致使局部過量噴氨,氨逃逸增大,造成脫硝催化劑及下遊空預器冷端積灰、堵塞的機率加大,影響機組正常運行,同時還可能出現局部噴氨不足,造成SCR出口NOX偏高、NOX濃度均勻性差。


以下將以某電廠的噴氨優化改造為例,對火電廠脫硝SCR區噴氨存在的問題進行分析並提出幾種優化解決方案。某電廠燃煤機組採用東方鍋爐股份有限公司設計製造的亞臨界參數、四角切圓燃方式、自然循環汽包爐,機組於2005年投產。煙氣脫硝採用選擇性催化還原(SCR)工藝,脫硝裝置於2013年投運,後期經煙氣脫硝超低改造,達到NOX出口濃度≤50mg/m3的要求。裝置採用氨氣作為還原劑,催化劑層採用聲波吹灰器吹灰。


1目前火電廠脫硝SCR區噴氨的基本原理及存在的問題


該電廠SCR區噴氨工藝流程如圖1SCR區噴氨簡圖所示,水解區側來的氨氣首先進入氨氣計量及調節模塊,對氨氣流量進行調節,然後與蒸汽加熱後的稀釋風混合均勻後,通過噴氨格柵噴入煙道內與鍋爐煙氣混合,最後在催化劑的作用下將NOX還原分解成無害的氮氣(N2)和水(H2O)。在機組運行時,通過網格法手動測量SCR出口煙道多點NOX含量,然後手動設定噴氨管道支管蝶閥開度。


該電廠SCR區脫硝系統噴氨控制原理如圖2所示,採用氨氣流量串級調節控制。反應器後煙氣中NOX的濃度水平要求不超過50mg/m3,該數值預先作為主控制器的設定值。反應器後煙氣單點NOX濃度作為實際測量值反饋給主控制器。通過測量反應器前煙氣NOX濃度,計算噴氨需要的氨氣流量,通過副控制器調節氨氣氣動調節閥開度。整個控制系統需滿足鍋爐負荷工況在30%~100%之間變動的脫硝要求。


此方案是當前火電廠脫硝SCR區噴氨的普遍做法,該方案是假設煙氣截面流速及截面NOX分布是不變的,因此僅調節反應器入口的氨氣管道流量總閥,在支管氨氣分配時採用手動閥門進行調整。然而在機組實際運行時,隨著機組負荷的變化,省煤器出口溼煙氣量(Nm3/h)在50%到100%最大BMCR工況範圍內波動,煙氣截面流速和截面NOX分布隨之變化。當這種波動較大時,傳統氨氣噴射的分配方式不合理,易造成局部過量噴氨,氨逃逸增大,產生的硫酸氫銨的量增大,造成SCR催化劑及後續的空預器冷端積灰、堵塞的機率加大;同時部分截面又可能出現噴氨不足,出口NOX偏高;最終導致SCR出口NOX濃度場不均。而出口NOX含量測量是通過CEMS單點測定,在出口NOX濃度場不均情況下所抽取樣氣無法代表整個截面NOX含量分布情況。



在負荷升降前,鍋爐給煤量、風量、燃燒條件都會提前發生變化,在燃燒平衡重新建立起來之前,NOX含量都會大斜率上升,而此時CEMS出口測量儀表滯後,無法及時響應並加大氨氣調門開度。等入口NOX含量降下來後,又無法及時關小氨氣調門開度,形成超調。因此在鍋爐負荷升降前,運行人員往往會通過過量噴氨來保證脫硝系統的達標排放。



針對火電廠SCR區噴氨存在的上述問題,從如下四個方案進行優化:


2.1SCR反應器出口NOX測量採用多點測量,每個反應器出口截面採用8點測量,通過同步實時採樣、分時分析,實現在2~3分鐘內完成一次截面NOX含量分布周期分析,如表1NOX分區測量系統某時段參數所示:



該方案採用稀釋法測量,在採樣探頭頂部通過一個音速小孔進行採樣,並用乾燥的儀表空氣在探頭內部進行稀釋。樣品氣進入分析儀之前不需要除溼處理,因為樣品氣經過稀釋後(稀釋比100∶1),有效地降低了樣品的露點溫度,低於安裝環境最低溫度,避免了樣品氣在環境溫度下產生的結露現象;另一方面樣品氣雖然經過稀釋但仍為帶溼氣體,測量過程是典型的溼法測量。


2.2由於煙氣截面分區流速不一樣,導致單位時間內各區流過的NOX總量不一樣。可通過調節各分區支管調節閥來細調各分區噴氨量,此優化方案工藝流程為:將SCR反應器入口煙道根據流場分布分為4個區域,在每個區域的供氨支管上增加一臺差壓流量計和氣動調節閥,採取可控的氨氣注入量調節。4個分區面積不均等,根據流場速度分布,煙道中間流速高分區較小;煙道兩側流速偏低,分區較大。


此方案中SCR反應器出口NOX測點數量及布置要與噴氨分區數量形成一定的對應關係,8個出口NOX測點均勻度要控制在20%左右。調節開度如表2所示:



2.3針對測量儀表時間滯後問題,可採取預測控制方式,設置外掛智能PLC控制器,利用智能算法來實現預測控制。對脫硝控制系統的各種擾動因素進行動態補償,從反應源頭及時消除系統波動。此方案首先要分析脫硝系統控制的影響因素,作為智能算法的輸入量。


2.3.1氧量


NOX主要由燃料中氮化合物在燃燒中氧化而成,NOX的產生與過量空氣係數有關,當過量空氣係數接近1時,NOX產生濃度最大;過量空氣係數小於1時,由於氧氣濃度較低,燃燒過程緩慢,可抑制NOX的生成;當過量空氣係數大於1.5時,由於燃燒溫度低下,也能抑制NOX的生產。氧量的波動必然會導致NOX隨之波動。因此可以通過氧量的變化趨勢來預測氮氧化物的變化趨勢,從而為提前控制氮氧化物爭取一定的時間。


2.3.2給煤量


火力發電廠要快速響應電網的負荷波動,運行人員會根據負荷實時改變爐膛的給煤量。給煤量的改變必定會引起脫硝入口NOX變化,也會導致爐膛溫度的改變。


2.3.3風量


為了保持爐膛燃燒的穩定,必須保持合適的風煤配比。由於煤量通常跟隨機組負荷變化,因此系統會對風量進行調整,從而保證爐膛穩定燃燒。由於爐膛和煙道的體積是一定的,風量改變時煙氣流過反應區的速率發生變化,從而導致煙氣在反應器中的停留時間發生變化。停留時間越長,NOX的轉化效率就越高。


2.3.4噴氨量


根據脫硝反應化學方程,NH3與NOX物質量的比值理論上應該為1。在脫除效率達到85%之前,NH3和脫除的NOX量之間有1:1的線性關係,但在效率為85%以上時,脫除效率開始穩定,要得到更高的效率需要比理論更多的氨量。這歸因於NOX中以NO2形式存在的部分以及反應率的限度。PLC讀取了鍋爐給煤量、風量、負荷、入口NOX、出口NOX等參數,提前推測鍋爐燃燒變化,預先給出一個煙氣NOX數值,並通過算法對該數值作進一步修正。該方案做出了正確預判,從而提前調節供氨總閥,調節供氨總量。


2.4設置單獨的伺服器,採用大數據計算方法來實現其對於複雜工況的適應能力。通過長期數據積累,可以實時實現對於外掛PLC中預測算法的缺陷(不能利用大量的歷史數據實現對於預測算法中的控制係數的自優化)的解決。此方案目前還處於現場調試、驗證階段,效果有待進一步觀察。通過上述方案的優化,在脫硝系統正常投入的情況下,負荷穩定時出口NOX濃度波動在±10mg/m3以內,變負荷時NOX濃度波動在±15mg/m3以內,滿足鍋爐不同運行工況的要求。初步估算脫硝還原劑的消耗降低8~10%,每年約減少液氨耗量40t,節省原料費用約12萬元(按液氨3000元/t)。送、引風機電耗減少40萬元/年。節省空預器清洗費用1萬元/年,空預器吹掃蒸汽46萬元/年。



在國家超低排放要求下,目前國內火電廠均配備完善的脫硝裝置。但是很多電廠都出現了空預器腐蝕、堵塞等問題,大大增加了運營成本。特別是大型鍋爐多採用前後牆對衝爐,其煙氣NOX濃度不均勻性更大,堵塞問題更普遍。本文通過對目前脫硝SCR區噴氨方式的分析,提出噴氨優化的幾種方案以期減少氨過量造成的原料浪費,解決設備的腐蝕、空預器堵塞等問題,市場應用前景廣闊。(作者:徐婷婷)



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