惠潤(rùn)堂　楊?lèi)?ài)勇　張承武　嚴(yán)智操　馮建春　申智勇　王雪松

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院　南京 210031；　2.國(guó)電民權(quán)發(fā)電有限公司　河南民權(quán) 476800)

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大氣污染治理

耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)的研究與應(yīng)用*

惠潤(rùn)堂1楊?lèi)?ài)勇1張承武1嚴(yán)智操1馮建春1申智勇1王雪松2

(1.國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院南京 210031；2.國(guó)電民權(quán)發(fā)電有限公司河南民權(quán) 476800)

闡述了SCR噴氨調(diào)節(jié)控制常用的方法及存在的問(wèn)題，提出了一種新型耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)，并通過(guò)電廠實(shí)際案例對(duì)該調(diào)節(jié)裝置與控制技術(shù)進(jìn)行了說(shuō)明。研究結(jié)果表明：該調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)可使脫硝效率相對(duì)穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標(biāo)、噴氨不過(guò)量。

燃煤電廠煙氣脫硝選擇性催化還原(SCR)噴氨技術(shù)

0　引言

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)的要求，為了保證燃煤火電廠煙氣氮氧化物(NOx)達(dá)標(biāo)排放，需要進(jìn)行NOx排放控制[1]。目前，普遍采用選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)(SCR)進(jìn)行脫硝，且被認(rèn)為是目前乃至今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)最主要的煙氣脫硝技術(shù)[1-2]。

在SCR技術(shù)中，為了保證較高的NOx脫除率，同時(shí)減少氨的消耗量，降低氨逃逸率，還原劑氨噴入量的調(diào)節(jié)控制是關(guān)鍵。若還原劑氨供應(yīng)量偏低， 將會(huì)導(dǎo)致氨與氮氧化物的反應(yīng)不足，造成氮氧化物排放超標(biāo)；若還原劑氨供應(yīng)量偏高，則會(huì)出現(xiàn)氨耗量增大，同時(shí)氨逃逸增多，造成硫酸氫銨也增多，引起空預(yù)器堵塞，增大煙氣流動(dòng)阻力，降低鍋爐系統(tǒng)安全性，與此同時(shí)，過(guò)多的氨進(jìn)入環(huán)境會(huì)造成二次污染；而合適的還原劑氨噴入量可保證穩(wěn)定的脫硝效率，延長(zhǎng)催化劑更替周期，提高鍋爐系統(tǒng)安全性與可靠性，降低投資和運(yùn)行管理成本[3-7]。鑒于SCR系統(tǒng)噴氨調(diào)節(jié)控制的重要性，必須對(duì)SCR噴氨調(diào)節(jié)控制技術(shù)進(jìn)行研究，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SCR系統(tǒng)噴氨量高精度實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而保證SCR系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

1　SCR噴氨調(diào)節(jié)控制常用的方法及存在的問(wèn)題

目前，SCR 工藝中調(diào)節(jié)氨流量的方式比較有限，且調(diào)節(jié)精度及實(shí)時(shí)跟蹤控制效果較差。

現(xiàn)有的脫硝裝置在氨氣調(diào)節(jié)控制閥門(mén)選型時(shí)都是按滿(mǎn)足最大氨氣需要量考慮，涵蓋最大氨氣流量。由于燃煤鍋爐燃燒過(guò)程比較復(fù)雜，燃煤來(lái)源、燃燒調(diào)整、機(jī)組負(fù)荷變化大等原因造成鍋爐排煙NOx濃度變化幅度大，氨需要量變化大。當(dāng)氨氣需要量較大時(shí)，閥門(mén)調(diào)節(jié)控制精度尚能滿(mǎn)足要求；當(dāng)氨氣需要量較小時(shí)，閥門(mén)開(kāi)度較小，工作點(diǎn)較低，當(dāng)工作點(diǎn)低到一定位置時(shí)，閥門(mén)可調(diào)比縮小，調(diào)節(jié)性能下降，調(diào)節(jié)精度降低，跟蹤性能差，不能很好地實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制。目前電廠低負(fù)荷運(yùn)行工況十分普遍，而低負(fù)荷下閥門(mén)較差的調(diào)節(jié)性能，造成噴氨過(guò)量、氨逃逸率增加或者噴氨量過(guò)小、NOx排放超標(biāo)，給鍋爐、脫硝裝置安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行以及NOx達(dá)標(biāo)排放帶來(lái)嚴(yán)重影響[7]。

另外，在DCS控制邏輯中，常采用出口NOx濃度或脫硝效率作為單一的設(shè)定值。固定脫硝效率控制，未考慮入口NOx濃度的變化，在入口NOx濃度比較高時(shí)容易造成NOx排放濃度超標(biāo)；固定出口NOx濃度控制，不能解決因入口NOx濃度或鍋爐負(fù)荷快速變化實(shí)時(shí)跟蹤控制的問(wèn)題，造成出口NOx濃度超標(biāo)[7-8]。

為了提高噴氨精度，也有采用引入前饋的控制方式。該控制方式往往引入煙氣流量作為控制邏輯的前饋信號(hào)，以便進(jìn)一步增強(qiáng)變負(fù)荷系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時(shí)性。在該控制方式中，煙氣流量的確定是關(guān)鍵。煙氣流量若采用實(shí)測(cè)值，因測(cè)量值波動(dòng)較大，將導(dǎo)致測(cè)量值誤差大、精度低，測(cè)量過(guò)程中還會(huì)引起噴氨控制自動(dòng)指令跳變，難以滿(mǎn)足精細(xì)化噴氨的控制要求。部分工程煙氣流量采用鍋爐蒸發(fā)量計(jì)算煙氣量，但因蒸發(fā)量測(cè)量有滯后不能實(shí)時(shí)反映煙氣流量，影響實(shí)時(shí)跟蹤控制的效果。也有工程采用燃煤量計(jì)算煙氣量，但由于煤質(zhì)變化較大，不能準(zhǔn)確反映煙氣流量值，也難以滿(mǎn)足精細(xì)化噴氨的控制要求。

2　耦合式SCR還原劑供給調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)

針對(duì)國(guó)內(nèi)SCR噴氨調(diào)節(jié)控制中普遍存在的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了一種耦合式SCR噴氨控制技術(shù)及裝置。該套技術(shù)及裝置以耦合設(shè)置的控制閥門(mén)組為核心，結(jié)合其他相關(guān)設(shè)備協(xié)同作用，通過(guò)對(duì)多個(gè)參數(shù)因子的綜合分析和多種耦合模式的協(xié)同配合，最終達(dá)到氨氣流量寬范圍、高精度、實(shí)時(shí)的控制目的。

在控制手段上，為了讓調(diào)節(jié)閥維持較好的調(diào)節(jié)性能和精度，綜合考慮調(diào)節(jié)閥機(jī)械性能，將裝置中流通能力不同的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行并聯(lián)耦合設(shè)置。根據(jù)氨氣需要量的大小和工藝精度的要求，通過(guò)對(duì)流通能力不同的調(diào)節(jié)閥門(mén)的協(xié)同調(diào)控，對(duì)氨氣需要量按流量分段控制，進(jìn)而達(dá)到對(duì)氨氣流量寬范圍、高精度、實(shí)時(shí)的調(diào)控。該裝置的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

在DCS控制邏輯上，采用前饋與反饋的耦合，通過(guò)前饋修正反饋，反饋反演前饋，將前饋與反饋協(xié)同配合，最終形成進(jìn)氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令邏輯，通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氨流量達(dá)到對(duì)SCR噴氨量的精確調(diào)控。在控制邏輯控制參數(shù)選擇時(shí)，引入多個(gè)參數(shù)(SCR反應(yīng)器入口NOx濃度、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度、煙氣流量、氨氣流量、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值等，其中煙氣流量采用鍋爐側(cè)總風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算)，通過(guò)對(duì)上述多種參數(shù)的耦合，最終將出口NOx濃度及脫硝效率控制在設(shè)定的合適范圍內(nèi)。該技術(shù)的邏輯控制示意圖如圖2所示。

1-氨氣流量測(cè)量?jī)x；2-DCS系統(tǒng)；31-流通能力大的噴氨調(diào)節(jié)閥；32-流通能力小的噴氨調(diào)節(jié)閥；41-供氨母管；42-稀釋風(fēng)管道；5-稀釋風(fēng)機(jī)；6-稀釋風(fēng)流量測(cè)量?jī)x；7-氨氣/空氣混合器；8-總風(fēng)量測(cè)量?jī)x；9-鍋爐；10-SCR反應(yīng)器入口NOx濃度測(cè)量?jī)x；11-噴氨裝置；12-代表SCR反應(yīng)器；13-SCR反應(yīng)器出口NOx濃度測(cè)量?jī)x。

圖2　噴氨量控制系統(tǒng)圖

如圖1與圖2所示，DCS控制邏輯通過(guò)對(duì)邏輯參數(shù)SCR反應(yīng)器入口NOx濃度、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度、鍋爐側(cè)總風(fēng)量、氨氣流量、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值運(yùn)算后發(fā)出控制指令，對(duì)還原劑供給調(diào)節(jié)控制裝置中兩個(gè)并聯(lián)的不同流通能力的氨氣流量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，實(shí)現(xiàn)SCR反應(yīng)系統(tǒng)氨噴入量的控制。

相關(guān)計(jì)算如下：

(1)檢測(cè)反應(yīng)器入口NOx參數(shù)并根據(jù)要求設(shè)定反應(yīng)器出口NOx含量；

(2)噴氨需要量設(shè)定值=(入口NOx濃度-出口NOx濃度設(shè)定值)×鍋爐側(cè)總風(fēng)量×修正系數(shù)

(1)

(3)出口NOx濃度實(shí)際值與出口NOx濃度設(shè)定值的偏差經(jīng)第一控制器得到修正系數(shù)；

(4)最終氨氣需求量=需求的氨氣質(zhì)量流量×修正系數(shù)

(2)

結(jié)合圖1與圖2對(duì)上述4個(gè)運(yùn)算步驟進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明如下。

檢測(cè)反應(yīng)器入口NOx參數(shù)并根據(jù)要求設(shè)定反應(yīng)器出口NOx含量，反應(yīng)器入口NOx濃度減去反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值后和煙氣流量(煙氣量根據(jù)總風(fēng)量計(jì)算得到)的乘積就是所需氨氣流量信號(hào)，該信號(hào)送到氨氣流量調(diào)節(jié)器，通過(guò)流通能力大的調(diào)節(jié)閥對(duì)噴氨量進(jìn)行粗調(diào)。調(diào)節(jié)過(guò)程結(jié)束后，若反應(yīng)器出口NOx濃度與其設(shè)定值不相等，則SCR反應(yīng)器出口NOx濃度與SCR反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值通過(guò)控制器(圖2中第一控制器)，獲取修正系數(shù)后對(duì)上述噴氨需要量設(shè)定值進(jìn)行修正，修正后的進(jìn)氨流量設(shè)定值與實(shí)際氨氣流量進(jìn)行比較分析后，由控制器(圖2 中第二控制器)運(yùn)算后輸出進(jìn)氨流量調(diào)節(jié)閥的控制指令，對(duì)流通能力小的調(diào)節(jié)閥進(jìn)行細(xì)調(diào)，改變噴氨流量，使反應(yīng)器出口NOx濃度等于給定值，保證脫硝效率。

該耦合式SCR噴氨調(diào)控裝置中將流通能力不同的兩個(gè)噴氨調(diào)節(jié)閥并聯(lián)耦合設(shè)置，結(jié)合DCS控制邏輯對(duì)邏輯參數(shù)(SCR反應(yīng)器入口NOx濃度、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度、鍋爐側(cè)總風(fēng)量、氨氣流量、SCR反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值，其中參數(shù)鍋爐側(cè)總風(fēng)量的引入能夠達(dá)到對(duì)煙氣流量實(shí)時(shí)跟蹤控制的目的)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后發(fā)出控制指令，采用流通能力大的調(diào)節(jié)閥達(dá)到噴氨需要量粗調(diào)的效果，采用流通能力小的調(diào)節(jié)閥達(dá)到噴氨需要量細(xì)調(diào)的效果。該耦合式SCR噴氨調(diào)節(jié)裝置及控制技術(shù)通過(guò)上述控制裝置耦合及控制邏輯耦合等耦合方式，最終達(dá)到氨氣流量寬范圍、高精度、實(shí)時(shí)的控制目的，進(jìn)而保證SCR脫硝效率穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標(biāo)、噴氨不過(guò)量、氨逃逸率低。

3　工程應(yīng)用

國(guó)電某發(fā)電有限公司2×300 MW機(jī)組脫硝采用SCR技術(shù)，脫硝系統(tǒng)分為兩部分SCR本體部分和氨區(qū)部分。脫硝裝置本體部分由煙道、兩個(gè)對(duì)立SCR反應(yīng)器(A側(cè)反應(yīng)器、B側(cè)反應(yīng)器)、催化劑、氨噴射系統(tǒng)、脫硝裝置灰斗、吹灰及吹灰控制系統(tǒng)、氨供應(yīng)系統(tǒng)等。利用液氨法制備脫硝還原劑，每臺(tái)鍋爐配置2臺(tái)SCR反應(yīng)器，單臺(tái)SCR反應(yīng)器催化劑層數(shù)采用“2+1”模式，煙氣垂直向下通過(guò)催化劑層。采用該技術(shù)后SCR運(yùn)行參數(shù)曲線如表1所示。

表1　SCR部分時(shí)間段運(yùn)行參數(shù)表

從表1可以看出，采用該技術(shù)設(shè)計(jì)的SCR噴氨流量控制裝置后，噴氨效果良好，在SCR進(jìn)口NOx濃度有波動(dòng)的情況下，仍然能保證脫硝效率相對(duì)穩(wěn)定、出口NOx的濃度不超標(biāo)、噴氨不過(guò)量。

另外，根據(jù)該發(fā)電有限公司2×300 MW機(jī)組運(yùn)行情況調(diào)研，由于還原劑供給調(diào)節(jié)控制不合理，氨逃逸增加，噴氨調(diào)節(jié)控制特性差等因素導(dǎo)致單臺(tái)機(jī)組氨耗量至少增加10 kg/h，供氨年增加約50萬(wàn)元，氨逃逸導(dǎo)致空預(yù)器壓差較正常運(yùn)行至少增加300 Pa，風(fēng)機(jī)運(yùn)行電耗費(fèi)用增加約100萬(wàn)元(按年利用6 000 h計(jì))。因此由于解決噴氨調(diào)節(jié)控制問(wèn)題年費(fèi)用可以節(jié)約約150萬(wàn)元，該耦合式SCR噴氨控制技術(shù)及裝置取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

4　結(jié)語(yǔ)

鑒于SCR噴氨調(diào)節(jié)控制的重要性及國(guó)內(nèi)SCR

噴氨調(diào)節(jié)普遍存在的問(wèn)題，研發(fā)了一種新型耦合式SCR噴氨調(diào)節(jié)控制技術(shù)及裝置，該技術(shù)及裝置達(dá)到氨氣流量寬范圍、高精度、實(shí)時(shí)的控制目的，保證了SCR脫硝效率相對(duì)穩(wěn)定、出口NOx濃度不超標(biāo)、噴氨不過(guò)量，并在工程中得到應(yīng)用，使用效果良好，可供類(lèi)似工程借鑒和參考。

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Study and Application of a Coupling SCR Reductant Supply Device and Its Control Technologies

HUI Runtang1YANG Aiyong1ZHANG Chengwu1YAN Zhicao1FENG Jianchun1SHEN Zhiyong1WANG Xuesong2

(1.StatePowerEnvironmentalProtectionResearchInstituteNanjing210031)

This paper describes the common techniques and problems existed in SCR ammonia injection technology and states a new coupling SCR reductant supply device and its control technology. Additionally, the practical cases of coal-fired power plants have been taken for examples to illustrate the coupling SCR reductant supply device and its control technology. The results show that the operation of the coupling SCR reductant supply device and its control technology can fulfill the desired flue gas de-nitrification efficiency, reduce the ammonia injection quantity, realize the minimum rate of ammonia escape.

coal-fired power plantflue gas de-nitrificationSCRammonia injection technology

2015-10-17)

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(863計(jì)劃)(2013AA065401)，國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院科技項(xiàng)目(H14Y02)。

惠潤(rùn)堂，男，1963年生，陜西渭南人，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事火電廠環(huán)保工程設(shè)計(jì)、科技研發(fā)等工作。