王洪凱，呂雪霞，劉 洋（.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)，0006；.通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古通遼，0900；.國(guó)家電網(wǎng)東北電力調(diào)控分中心，遼寧沈陽(yáng)，080）

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SCR脫硝系統(tǒng)簡(jiǎn)介及其熱工邏輯設(shè)計(jì)

王洪凱1，呂雪霞2，劉 洋3
（1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧沈陽(yáng)，110006；2.通遼霍林河坑口發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古通遼，029200；3.國(guó)家電網(wǎng)東北電力調(diào)控分中心，遼寧沈陽(yáng)，110180）

本文以遼寧撫順熱電廠2×300MW供熱機(jī)組脫硝系統(tǒng)的組態(tài)設(shè)計(jì)為切入點(diǎn)，闡述了脫硝系統(tǒng)的意義；介紹了SCR脫硝系統(tǒng)的工藝；講解了SCR脫硝系統(tǒng)的組態(tài)。旨在對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)在燃煤發(fā)電機(jī)組的應(yīng)用進(jìn)行講解。

脫硝系統(tǒng)；選擇性催化還原法；氨氣流量自動(dòng)控制

0　概述

氮氧化物（主要是N0、N02以及少量的N20等，統(tǒng)稱(chēng)為NOx）主要來(lái)自燃燒時(shí)煤中氮的氧化及高溫空氣中N2和O2的反應(yīng)。氮氧化物會(huì)破壞臭氧層；它也是形成酸雨、酸霧的主要污染物之一；此外它還影響人的免疫系統(tǒng)。因此，我們要深刻認(rèn)識(shí)氮氧化物的危害，努力減少氮氧化物的排放。

在我國(guó)，火電機(jī)組一直占全國(guó)電力總裝機(jī)容量的75%左右。截止2007年底，電力行業(yè)氮氧化物的排放量約為840萬(wàn)噸/年。因此，如何減少電力生產(chǎn)帶來(lái)的氮氧化物已成為十分重要的課題，而脫硝技術(shù)的發(fā)展為解決氮氧化物的過(guò)度排放提供了有效的手段。

1　脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1脫硝技術(shù)簡(jiǎn)介。對(duì)氮氧化物排放的控制可分為一次控制和二次控制：前者主要是在燃燒過(guò)程中抑制NOx的生成，通常稱(chēng)為低NOx燃燒技術(shù)。后者是在燃燒結(jié)束后進(jìn)行的煙氣凈化處理，通常稱(chēng)為煙氣脫硝技術(shù)。因?yàn)楹笳叩拿撓跣室惹罢吒叩亩?，所以在發(fā)達(dá)國(guó)家已普遍使用煙氣脫硝技術(shù)來(lái)控制NOx的排放。

選擇性催化還原技術(shù)（SCR）與選擇性非催化還原技術(shù)（SNCR）是目前主流的煙氣脫硝技術(shù)。SCR技術(shù)是在催化劑的作用下，用液氨為還原劑，在溫度為300～400oC間脫除煙氣中NOx；SNCR技術(shù)則不需催化劑，直接將含有NHx基的還原劑噴入爐膛溫度為850～1250oC的區(qū)域脫除NOx。二者之間的技術(shù)比較見(jiàn)表1：

表1：SCR法與SNCR法技術(shù)比較

撫順工程采用SCR工藝，所以本文主要對(duì)此技術(shù)進(jìn)行介紹。

1.2SCR技術(shù)要點(diǎn)。選擇性催化還原法是指在催化劑的作用下利用脫硝劑（氨氣）將煙氣中NOx分解成為N2和H2O，其反應(yīng)公式如下：

SCR系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求脫硝率要大于90%。脫硝率的定義可見(jiàn)公式1：

C1-C2

C1

式中：C1-脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)入口煙氣中NOx含量

C2-脫硝系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)出口煙氣中NOx含量（

脫硝率很大程度上取決于催化劑的反應(yīng)活性。催化劑活性越高，反應(yīng)速率越快，脫除NOx的效率越高。當(dāng)催化劑活性降低時(shí)，NOx還原反應(yīng)速率也降低，這會(huì)導(dǎo)致NOx脫除量降低，氨逃逸水平升高。

隨著操作時(shí)間的增加，催化劑的活性會(huì)逐漸降低。隨著催化劑活性的降低，通常要注入更多的氨來(lái)保持NOx脫除率，而這也增加了氨逃逸。當(dāng)氨逃逸達(dá)到最大值時(shí)就必須更換催化劑。設(shè)計(jì)要求控制氨逃逸率（脫硝裝置出口氨的濃度稱(chēng)為氨的逃逸率）在5ppm以下，2～3ppm更為適宜（1 pmm NH3=0.76 mg/m3NH3），以達(dá)到將SO2/SO3的轉(zhuǎn)化率控制在1%以下的目的。

2　SCR系統(tǒng)工藝流程

電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)包括液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)和脫硝反應(yīng)系統(tǒng)兩大部分。液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)由液氨卸料機(jī)、液氨儲(chǔ)罐、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽及氨氣稀釋槽、廢水泵、廢水池等組成。脫硝反應(yīng)系統(tǒng)由催化反應(yīng)器、氨噴霧系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)等組成。

液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)首先利用液氨卸料壓縮機(jī)抽取液氨儲(chǔ)槽中的氨氣，經(jīng)壓縮后將槽車(chē)中的液氨由槽車(chē)輸入液氨儲(chǔ)槽內(nèi)。儲(chǔ)槽輸出的液氨在液氨蒸發(fā)槽內(nèi)蒸發(fā)為氨氣，從蒸發(fā)槽蒸發(fā)的氨氣流進(jìn)氨氣緩沖槽，通過(guò)調(diào)壓閥減壓到一定壓力，再通過(guò)氨氣輸送管線送到鍋爐側(cè)的脫硝反應(yīng)系統(tǒng)。

脫硝反應(yīng)系統(tǒng)首先對(duì)氨氣系統(tǒng)輸送過(guò)來(lái)的氨氣進(jìn)行稀釋?zhuān)ㄟ^(guò)稀釋風(fēng)機(jī)提供的空氣流和氨氣混合，一般設(shè)計(jì)稀釋比為5%。氨氣均勻混合后通過(guò)均流混合裝置進(jìn)入反應(yīng)器入口。SCR反應(yīng)器位于鍋爐省煤器出口煙氣管線的下游。在催化劑的作用下，氨/空氣混合物與煙氣中的氮氧化物在SCR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，煙氣經(jīng)脫硝過(guò)程后經(jīng)空預(yù)器回收后進(jìn)入電除塵裝置。

液氨系統(tǒng)排放處所排出的氨氣由管線匯集后從稀釋槽底部進(jìn)入，通過(guò)分散管將氨氣分散入稀釋槽中，利用大量的消防水來(lái)吸收安全閥排出的氨氣。經(jīng)由氨氣稀釋槽吸收成氨廢水后排到廢水池，再經(jīng)由廢水泵送到中和裝置，達(dá)標(biāo)后排放。

由于燃煤電廠排放的煙氣中灰分含量普遍較高，這對(duì)催化劑的活性和壽命都產(chǎn)生了不利的影響，為了預(yù)防灰粉堆積在催化劑表面，需要選擇適當(dāng)?shù)拇祷移?。目前普遍?yīng)用的是聲波和蒸汽兩種吹灰技術(shù)。較之二者，前者對(duì)催化劑無(wú)毒副作用、無(wú)磨損，吹灰無(wú)死角又能夠保證催化劑的連續(xù)清潔。因此聲波吹灰技術(shù)在應(yīng)用效果上要優(yōu)于蒸汽吹灰技術(shù)。

3　撫順脫硝系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)

3.1撫順SCR脫硝系統(tǒng)簡(jiǎn)介。撫順SCR脫硝系統(tǒng)的液氨儲(chǔ)存與供應(yīng)系統(tǒng)采用典型工藝，脫硝反應(yīng)系統(tǒng)采用高灰段布置方式，即SCR反應(yīng)器布置在鍋爐省煤器出口和空氣預(yù)熱器之間，不設(shè)置SCR反應(yīng)器煙氣旁路系統(tǒng)。

脫硝系統(tǒng)中的脫硝反應(yīng)系統(tǒng)為DCS邏輯組態(tài)部分，其主要包括稀釋風(fēng)機(jī)、稀釋空氣閥、氨氣快速切斷閥、聲波吹灰器、NOx/O2分析儀、NH3分析儀以及氨氣流量控制閥。除氨氣流量控制閥外，其他部分為順序控制系統(tǒng)部分。

3.2順序控制系統(tǒng)組態(tài)。稀釋風(fēng)機(jī)：考慮到脫硝系統(tǒng)安裝在煙氣管路上，因此聯(lián)鎖啟動(dòng)條件需設(shè)置同側(cè)引風(fēng)機(jī)運(yùn)行時(shí)聯(lián)啟稀釋風(fēng)機(jī)；此外，運(yùn)行稀釋風(fēng)機(jī)跳閘時(shí)需聯(lián)啟備用風(fēng)機(jī)。此外還設(shè)計(jì)了停止允許條件，即在兩側(cè)氨氣快速切斷閥都關(guān)閉的情況下方可停止稀釋風(fēng)機(jī)。

稀釋空氣閥：設(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)啟動(dòng)聯(lián)開(kāi)空氣閥，風(fēng)機(jī)停止聯(lián)?？諝忾y的邏輯。

氨氣快速切斷閥：起到快速切斷氨氣供給的作用，它對(duì)于系統(tǒng)的安全起到重要的保護(hù)作用。因?yàn)橄到y(tǒng)要求當(dāng)反應(yīng)器入口煙溫高于325oC時(shí)才允許投入氨氣，所以我們?cè)O(shè)計(jì)在切斷閥聯(lián)鎖開(kāi)關(guān)投入情況下，當(dāng)入口煙溫高于325oC時(shí)聯(lián)鎖打開(kāi)氨氣快速切斷閥。當(dāng)入口煙溫低于320oC延時(shí)15分鐘或低于310oC時(shí)，保護(hù)關(guān)閉氨氣快速切斷閥。當(dāng)同側(cè)稀釋空氣流量低于氨流量最大值時(shí)氨稀釋濃度為12%的稀釋風(fēng)流量值時(shí)，觸發(fā)稀釋風(fēng)流量低低保護(hù)，此外，當(dāng)MFT發(fā)生，兩臺(tái)稀釋風(fēng)機(jī)全停，同側(cè)引風(fēng)機(jī)跳閘，同側(cè)空預(yù)器跳閘時(shí)，也應(yīng)保護(hù)切斷氨氣供應(yīng)，關(guān)閉氨氣快速切斷閥。

聲波吹灰器共12支，分別設(shè)計(jì)單操。根據(jù)系統(tǒng)需要，分四組設(shè)計(jì)程控程序，循環(huán)吹灰。

各分析儀設(shè)計(jì)為單操。

3.3氨氣流量控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。氨氣流量控制回路的目的是通過(guò)對(duì)供氨量的調(diào)節(jié)使SCR出口NOx的濃度保持在一個(gè)指定數(shù)值。它采用比例積分調(diào)節(jié)，以消除需求量與反饋量的偏差。

由于脫硝效率受摩爾比（NH3/NOx）控制，因此當(dāng)反應(yīng)器入口NOx量確定時(shí)，在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下所需噴氨量與此值成比例。所以可知，噴氨量初始設(shè)定值由式2得出。

其中：

NH3：所需的氨注入量（kg/h），為目標(biāo)值。

G：鍋爐煙氣量，由總?cè)剂狭烤幊逃?jì)算得到。

NOx：入口NOx濃度（ppm），由煙氣流量與SCR入口NOx分析儀測(cè)得的NOx濃度的乘積來(lái)確定。煙氣流量是根據(jù)鍋爐總?cè)剂狭坑?jì)算獲得的。

α：NH3/NOx摩爾比，它為鍋爐負(fù)荷的函數(shù)，由編程給出此數(shù)值。

為滿足負(fù)荷變化或燃燒煤種的改變而引起的NOx的變化，特提供3個(gè)輔助調(diào)節(jié)信號(hào)。輔助信號(hào)累加在公式3中的摩爾比上。3個(gè)輔助信號(hào)分別如下：

（1）SCR出口NOx對(duì)摩爾比控制的修正調(diào)節(jié)；

（2）SCR入口NOx對(duì)摩爾比控制的修正調(diào)節(jié)；

（3）摩爾比偏置。

此外，為了響應(yīng)由于煤燃燒器啟動(dòng)時(shí)引起的NOx瞬時(shí)變化，需要一個(gè)適宜的氨流量偏差以提高可控性。所以在首臺(tái)磨煤機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由負(fù)荷函數(shù)與反應(yīng)器出口NH3濃度乘積作為偏置累加在氨流量設(shè)定值上。

經(jīng)過(guò)上述邏輯的搭建，我們可以得到所需的氨流量設(shè)定值，為防止由于氨氣量過(guò)高引起的安全隱患，對(duì)此設(shè)定值需要做上限限幅控制。

對(duì)于實(shí)際氨氣流量信號(hào)，我們需要進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。修正系數(shù)為Cp/Ct，這里：

Cp：運(yùn)行壓力（kPa）/設(shè)計(jì)壓力 （kPa）

Ct：運(yùn)行溫度（oC）/設(shè)計(jì)溫度 （oC）

氨氣關(guān)斷閥打開(kāi)后，氨氣流量調(diào)節(jié)器閥設(shè)定在指定位置（設(shè)定值通過(guò)總?cè)剂狭坑?jì)算得到），自氨氣與NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的時(shí)刻起，閥位保位300秒。達(dá)到穩(wěn)定后，自動(dòng)流量調(diào)節(jié)開(kāi)始。

此外，邏輯中還設(shè)計(jì)了保護(hù)關(guān)閉環(huán)節(jié)。當(dāng)氨氣快速切斷閥關(guān)閉，則意味著SCR跳閘，因此需要聯(lián)鎖關(guān)閉氨氣流量調(diào)節(jié)閥。

至此為止，我們就完成了氨流量控制系統(tǒng)的邏輯組態(tài)。

4　結(jié)論

脫硝系統(tǒng)的控制邏輯經(jīng)過(guò)靜態(tài)調(diào)試與仿真試驗(yàn)，已經(jīng)具備了投運(yùn)的條件，能夠滿足運(yùn)行人員的工作要求。

燃煤電廠鍋爐SCR煙氣脫硝技術(shù)經(jīng)歷了30多年的研究發(fā)展與工程實(shí)踐，在技術(shù)上已發(fā)展成熟。隨著環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷加強(qiáng)與SCR煙氣脫硝技術(shù)的不斷發(fā)展，SCR技術(shù)將在火電行業(yè)中起到更加重要的作用。

［1］ 蔣文舉，寧平.大氣污染控制工程［M］.成都：四川大學(xué)出版社，2001

［2］ 張強(qiáng).燃煤電站SCR煙氣脫硝技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.15-25

［3］ 裴慶春.聲波吹灰器和蒸汽吹灰器在SCR的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)性分析［J］.電力設(shè)備.2007，8（11）

Brief introduction of SCR denitrification system and its thermal logic design

Wang Hongkai1，Lv Xuexia2，Liu Yang3
（1.Liaoning Electric Power Co.，Ltd. Electric Power Science Research Institute，Shenyang Liaoning，110006；2.Tongliao Huolinhe pithead power generation Co. Ltd.，Tongliao Inner Mongolia，029200；3.Northeast electric power regulation and control sub center of State Grid，Shenyang Liaoning，110180）

This paper to Liaoning Fushun Power Plant 2*300MW cogeneration units off denitrification system configuration design as the breakthrough point，this paper expounds the de NOx system；introduces SCR denitrification system of process；explain the SCR denitrification system configuration.The purpose is to explain the application of SCR denitrification system in coal-fired generating units.

de NOx system；selective catalytic reduction method；ammonia flow automatic control