黃偉崗

（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，新疆 哈密 839000）

我國(guó)國(guó)家環(huán)保部、能源局等聯(lián)合印發(fā)的《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放及節(jié)能改造工作方案》中指出，我國(guó)所有滿足改造條件的燃煤電廠應(yīng)盡可能達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容為在基準(zhǔn)氧含量為6%的基礎(chǔ)上，使氮氧化物的實(shí)際排放濃度低于50mg/m3。在該要求中，大型燃煤機(jī)組更多的選用選擇性催化還原煙氣脫硝技術(shù)，通過這樣的形式全面提升氨氮摩爾比，簡(jiǎn)單來說就是通過增加耗氧量來提升脫硝效率。但事實(shí)上，由于氨和煙氣的分布不夠均勻，可能會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)器出口范圍內(nèi)氨的逃逸率增加。學(xué)術(shù)界認(rèn)為氨和煙氣的分布情況呈現(xiàn)出某種規(guī)律，并由此展開研究后發(fā)現(xiàn)，氮氨摩爾比的提升以及反應(yīng)物分布不均勻狀況是導(dǎo)致氨逃逸率提升的主要原因。

1 SCR 運(yùn)行現(xiàn)狀

在超低排放要求下，選擇性催化還原脫硝反應(yīng)器中出現(xiàn)的逃逸氮，可能導(dǎo)致空氣預(yù)熱器出現(xiàn)腐蝕以及堵塞情況。根據(jù)有關(guān)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及模擬設(shè)計(jì)后能夠看出，機(jī)組內(nèi)部煙氣流量分布可能與其中還原劑氨的流量分布共同出現(xiàn)分布不均勻的問題，導(dǎo)致脫硝反應(yīng)器出口的逃逸氨出現(xiàn)超標(biāo)。對(duì)此，該研究選用某 600MW 的超臨界性π 爐以及1000MW 的超臨界性塔式爐，在經(jīng)過超低排放改造工作后，使其保持在額定負(fù)荷狀態(tài)下，展開脫硝性能試驗(yàn)，經(jīng)過匯總后，SCR 出口區(qū)域的NOx數(shù)據(jù)如下列表1 所示。

表1 SCR 出口區(qū)域的NOx 數(shù)據(jù)表

2 SCR 運(yùn)行問題分析

2.1 煙氣側(cè)

對(duì)該研究中的660MW 超臨界π 型爐而言，在其內(nèi)部展開進(jìn)口煙道測(cè)試的試驗(yàn)點(diǎn)位置在噴氨格柵上游區(qū)域的500mm 位置[1]。而起SCR 出口煙道試驗(yàn)測(cè)驗(yàn)區(qū)域坐落在其第三層催化器下方的4500mm 區(qū)域。試驗(yàn)過程中，在其兩側(cè)反應(yīng)器的進(jìn)斷后出口煙道區(qū)域分別依據(jù)均勻原則設(shè)置14 個(gè)測(cè)試孔位，實(shí)踐布置順序如下：A1.A14、B14.B1；在這一過程中A4 以及B4 的對(duì)應(yīng)位置皆為鍋爐的中心位置。

在負(fù)荷數(shù)值分別為660MW 以及330MW 的情況下，分別展開脫硝性能摸底實(shí)驗(yàn)，通過網(wǎng)格法針對(duì)SCR 進(jìn)口煙氣的速度場(chǎng)以及出口NOx濃度場(chǎng)展開測(cè)試[2]。本次試驗(yàn)過程的基本要求為打開各個(gè)噴氨支路的截止閥，以使脫硝系統(tǒng)自動(dòng)投入運(yùn)行過程中，在這一過程中將NOx的濃度維持在45mg/Nm3。實(shí)踐過程中匯總寬度方向上的進(jìn)口煙道速度以及出口煙道NOx濃度的實(shí)踐數(shù)據(jù)。

2.2 還原劑側(cè)

常規(guī)應(yīng)用的SCR 噴氨系統(tǒng)中主要包括空氣管道、噴氨支管、噴氨格柵、氨氣管道等多個(gè)設(shè)施[3]。在空氣、氨氣完成混合之后，使其到達(dá)混合氣體母管的進(jìn)口區(qū)域，同時(shí)在經(jīng)過氨母管進(jìn)行分配，使其進(jìn)入提前列陣布置好的噴氨支管中，最終經(jīng)過手動(dòng)截止閥進(jìn)入煙道內(nèi)部[4]。經(jīng)由噴嘴將其噴出之后與煙氣完成混合，混合氣體應(yīng)用母管選擇采用一進(jìn)多出式帶盲端的集箱；另外的噴氨格柵大多選用笛型管式線性的方式進(jìn)行布置或是棋盤式的分塊性布置[5]。

從應(yīng)用情況來分析，管線性的笛型布置噴氨格柵僅能針對(duì)相同深度、寬度的一致方向展開調(diào)節(jié)，而單支的笛型管卻沒有辦法針對(duì)各孔間的流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。這里選用以單根4 孔形式的噴氨支管距離，其末端孔的流量能夠達(dá)到進(jìn)口端孔流量的2.5 倍左右[6]。而采用棋盤式分布的噴氨格柵則能將煙道的截面積，巧妙分為多個(gè)小部分方塊，通過這樣的方式能實(shí)現(xiàn)深度、寬度等兩個(gè)方向上的調(diào)節(jié)工作。根據(jù)目標(biāo)機(jī)組棋盤式布置的噴氨式格柵，其實(shí)踐應(yīng)用情況可以根據(jù)數(shù)值模擬的方式進(jìn)行計(jì)算，最終結(jié)果為在混合母管的入口直到末端的區(qū)域，其中21 根直管的流量呈現(xiàn)持續(xù)增加的狀態(tài)，而末端支管區(qū)域的流量則是其入口段區(qū)域的1.15 倍左右，這也意味著在煙道了寬度方向上出現(xiàn)了一定的流量偏差。

2.3 脫硝性能的診斷

在該研究中，增添氨/空氣速度以及煙氣速度這兩個(gè)無量綱變量，并將其作為煙氣速度與界面平均速度之比，以及氨/空氣速度與界面平均速度之比。經(jīng)過實(shí)踐測(cè)量能夠看出，SCR進(jìn)口區(qū)域的NOx具備相對(duì)較小的濃度偏差，如果這時(shí)將進(jìn)口氮氧化物濃度不變作為前提，那么氨/空氣速度與煙氣速度的比值則可以代表氨氮摩爾比。而在SCR 進(jìn)口煙道寬度這一方向之上，每出現(xiàn)三個(gè)噴氨支管則可代表兩個(gè)進(jìn)口試驗(yàn)測(cè)孔，所以可在寬度方向上的煙道大致劃分為七個(gè)區(qū)域，以此來得到反應(yīng)器A、B 側(cè)的進(jìn)口區(qū)域內(nèi)不同區(qū)域的氨氮摩爾比。

針對(duì)圖1、圖2 實(shí)驗(yàn)可知，出口NOx的數(shù)值與進(jìn)口氨氮摩爾比呈現(xiàn)反比趨勢(shì)[7]。這主要是因?yàn)闊煔?、氮的分布情況不均勻，導(dǎo)致后續(xù)分區(qū)域內(nèi)部氨氮摩爾比的差異相對(duì)較大，這也導(dǎo)致后續(xù)出口NOx出現(xiàn)十分嚴(yán)重的偏差情況，另外局部區(qū)域氨的逃逸率也明顯超標(biāo)[8]。

圖1 SCR-A

圖2 SCR-B

此外，在針對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行測(cè)算后可以發(fā)現(xiàn)，在相關(guān)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作開展前，其中A 側(cè)反應(yīng)器的氨逃逸率平均值取1.498mg/m3，其B 側(cè)區(qū)域?yàn)?.006mg/m3。

根據(jù)試驗(yàn)分析還可以發(fā)現(xiàn)，在A 側(cè)噴氨支管的截止閥全部被打開后，導(dǎo)致氨逃逸分區(qū)A1 數(shù)值出現(xiàn)持續(xù)增高，而分區(qū)A2 在一定工況出現(xiàn)大幅度震蕩之后，分區(qū)A3 始終處于最低值，最后分區(qū)A4 要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于分區(qū)A3。

因此綜合來看，由于受到反應(yīng)物不均勻分布情況的限制，以及SCR 出口的NOx運(yùn)行表計(jì)不具備代表性，則勢(shì)必會(huì)使局部氨氮摩爾比較高，導(dǎo)致氨逃逸率上升。

3 全負(fù)荷自適應(yīng)精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)研究

3.1 精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)

在進(jìn)行全負(fù)荷自適應(yīng)精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的研究時(shí)，工作重點(diǎn)集中在了數(shù)據(jù)精準(zhǔn)采集方面，具體的系統(tǒng)設(shè)定如下：1）關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)。在系統(tǒng)中，主要針對(duì)SCR進(jìn)、出口處的NOx濃度、進(jìn)口的煙氣流量以及溫度壓力、SCR 出口的氨逃逸進(jìn)行優(yōu)化檢測(cè)。2）NOx濃度在SCR 入口處會(huì)受到各類因素的影響，其中包括SCR 結(jié)構(gòu)、制粉系統(tǒng)運(yùn)作模式、鍋爐結(jié)構(gòu)、機(jī)組負(fù)荷以及變化率。3）氨氮摩爾比的影響程度以及影響因素，其中包括煙氣的含氧量、催化劑活性、NOx濃度以及煙氣溫度等。

3.2 全負(fù)荷自適應(yīng)精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)技術(shù)方案

3.2.1 高精度多點(diǎn)在線式氨逃逸濃度檢測(cè)系統(tǒng)

應(yīng)用該系統(tǒng)進(jìn)行氨逃逸濃度的測(cè)量時(shí)，技術(shù)人員需要充分運(yùn)用如下技術(shù)手段確保系統(tǒng)運(yùn)行的精準(zhǔn)性。其一，利用光纖分布技術(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)主機(jī)與現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)端完成分離，同時(shí)該技術(shù)的采納，還是促使系統(tǒng)同步完成“一臺(tái)主機(jī)多點(diǎn)同步監(jiān)測(cè)”任務(wù)的重要因素。

其二，無須校正技術(shù)，促進(jìn)系統(tǒng)無漂移，縮減定期校正工作流程。檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)氣體參比模塊會(huì)將氨氣實(shí)時(shí)鎖住，為后續(xù)檢查譜線系統(tǒng)時(shí)創(chuàng)造條件，同時(shí)也確保系統(tǒng)可以時(shí)刻保持在精準(zhǔn)校正狀態(tài)下，且不會(huì)在溫度、系統(tǒng)部件老化或是電源不穩(wěn)定等因素的影響下出現(xiàn)問題。該次所研究的全負(fù)荷自適應(yīng)精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)，其出現(xiàn)漂移故障的概率極低，系統(tǒng)運(yùn)作期間也不需要工作人員定期利用標(biāo)準(zhǔn)氣體去校正儀器各項(xiàng)參數(shù)，降低系統(tǒng)運(yùn)作的維護(hù)工作量及成本。此外，氨逃逸多次反射池其有效光程可以達(dá)到30m，靈敏度方面，也比傳統(tǒng)對(duì)射式氨逃逸分析儀器效率提升20 倍，甚至超出0.1mg/m3。

其三，在多次反射池技術(shù)要求下，抽取式光學(xué)端包會(huì)涉及下述一系列系統(tǒng)運(yùn)行工作。①系統(tǒng)的有效檢測(cè)光程將會(huì)提升，達(dá)到30m，同時(shí)系統(tǒng)的氨氣檢驗(yàn)靈敏度也隨之增加，超出0.1mg/m3。②所有系統(tǒng)檢測(cè)樣品在經(jīng)系統(tǒng)檢測(cè)時(shí)的溫度均精準(zhǔn)維控在250℃左右，該溫控下可充分預(yù)防SO3與NH3之間形成NH4（HSO4），提升采樣的成功率。③無須配置采樣管線，系統(tǒng)中待檢測(cè)樣品生成氣體可完全進(jìn)入多次反射池內(nèi)，降低樣品采樣的損失率。④在系統(tǒng)探頭之上，將超精細(xì)過濾器安裝上，提升系統(tǒng)過濾的潔凈度，同時(shí)也可減少檢測(cè)階段的光學(xué)鏡片維護(hù)工作量。⑤該次研究的全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)可隨意設(shè)定分析儀器控制下的過濾器反吹時(shí)間，預(yù)防出現(xiàn)堵塞過濾器類問題，延長(zhǎng)過濾器的使用壽命。⑥利用具備30m 光程功能的多次反射池氨逃逸分析儀輔助全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，可在現(xiàn)實(shí)安裝工況標(biāo)準(zhǔn)下，維持系統(tǒng)溫度為250℃，并將系統(tǒng)的靈敏度保持在0.03mg/m3～0.1mg/m3。

3.2.2 多點(diǎn)NOx 濃度檢測(cè)系統(tǒng)分析

該研究中，為了確保燃煤火電廠中煙氣NOx測(cè)量數(shù)值精準(zhǔn)度更高，發(fā)揮出其對(duì)煙道全截面的代表性功能，技術(shù)人員重點(diǎn)參考了GB/T161157《固定污染源排氣中顆粒物測(cè)定與氣態(tài)污染物采樣方法》，在該方法的支持下，將參與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的煙道進(jìn)行了橫截面等分處理，分離的若干個(gè)單元面積均相等。在每個(gè)單元面積之上分別設(shè)立一組煙氣取樣器，隨后在其上完成中心采集煙氣檢測(cè)流程，具體的煙道取樣器分布圖如圖3 所示。

圖3 煙道取樣器分布圖

3.3 流場(chǎng)分析優(yōu)化

3.3.1 模擬流體動(dòng)力學(xué)（CFD 數(shù)值計(jì)算）

該全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)調(diào)試中，技術(shù)人員充分調(diào)整并試驗(yàn)了現(xiàn)場(chǎng)的SCR 內(nèi)流場(chǎng)不均勻等不足，調(diào)試后，脫銷裝置內(nèi)的流場(chǎng)數(shù)值模擬過程，主要是經(jīng)由CFD 軟件所完成，且系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)值模擬期間，技術(shù)人員進(jìn)行邊界條件以及數(shù)學(xué)模型的選配時(shí)，重點(diǎn)開展了如下系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)模設(shè)定研究。其一，為簡(jiǎn)化系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)湍流模擬流程，提升模擬效率及精準(zhǔn)度，所以選用了Standardk-ε 模型完成。其二，進(jìn)行煙氣中氨氣的擴(kuò)散和運(yùn)輸計(jì)算時(shí)，系統(tǒng)構(gòu)建則選用了組分運(yùn)輸模型。其三，借助系統(tǒng)進(jìn)行催化劑簡(jiǎn)化時(shí)，可利用各向異性多孔介質(zhì)模型完成。其四，設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行的邊界條件，首先是煙氣入口條件以質(zhì)量入口為主；其次是噴氨入口條件以速度入口為主；最后是出口，以壓力出口為主。

通過一系列系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)模設(shè)定研究后，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，其適用范圍主要集中在離散網(wǎng)格求解方面，即在有限體積法的應(yīng)用下，分析流速過快原因，最終借助求解過程中耦合進(jìn)湍流求解模塊。

3.3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)調(diào)平

全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下，主要是經(jīng)由摸底試驗(yàn)的形式，對(duì)噴氨格柵之上各支管氨流量進(jìn)行系統(tǒng)模擬，從而將傳統(tǒng)的SCR 出口NOx的濃度場(chǎng)所出現(xiàn)的非均勻性影響加以改善。

3.3.3 形成更加精準(zhǔn)的系統(tǒng)測(cè)量值修正表

在不同的工況狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的檢測(cè)實(shí)況，自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量值精準(zhǔn)度的修正。

3.3.4 建立對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)性

在全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)搭建期間，需要結(jié)合氨逃逸各個(gè)測(cè)點(diǎn)的不同位置建立各自的噴氨支路閥門開度對(duì)應(yīng)關(guān)系，其中，還需結(jié)合出口位置NOx的濃度分布狀態(tài)。

3.4 系統(tǒng)優(yōu)化控制策略

為了進(jìn)一步提升全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的運(yùn)行效果，本次技術(shù)人員在系統(tǒng)研發(fā)期間還圍繞此提出了一系列優(yōu)化維控策略，并結(jié)合“兩級(jí)串級(jí)+預(yù)測(cè)模型+模糊模型”，助推系統(tǒng)完善，具體的控制策略如下。

3.4.1 串即控制策略

串級(jí)控制策略下，技術(shù)人員主要調(diào)控兩點(diǎn)，首先是主被控參數(shù)，被調(diào)節(jié)量以SCR 出口處的NOx濃度為主，其次是副被控制參數(shù)，被調(diào)節(jié)量以氨氣流量為主。

3.4.2 預(yù)測(cè)模型

根據(jù)鍋爐以及SCR 等多項(xiàng)輸入量的統(tǒng)計(jì)，可得出精準(zhǔn)的煙氣入口區(qū)域的NOx量系統(tǒng)模型，計(jì)算具體量參數(shù)的同時(shí)，還能夠充分解決大時(shí)延，從而借助系統(tǒng)模擬出更具有操作性的系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，計(jì)算公式如下。

3.4.3 模糊控制策略

該研究中，技術(shù)人員為了提升PID 設(shè)定值的測(cè)量精準(zhǔn)度，主要通過系統(tǒng)模糊控制器實(shí)現(xiàn)，須提前將NOx控制在固定范圍內(nèi)不擴(kuò)散，避免氨逃逸情況，最終提升全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)的測(cè)量質(zhì)量，進(jìn)而提升產(chǎn)品質(zhì)量。

4 全負(fù)荷精準(zhǔn)噴氨系統(tǒng)優(yōu)化及試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)優(yōu)化

客觀上講，氨流量的分配情況與區(qū)域煙氣的流量情況應(yīng)呈現(xiàn)出互相匹配的關(guān)系，以此來保證分區(qū)域內(nèi)的空氣、氨速度能夠與煙氣速度比值始終維持為 1[9]。但因?yàn)殄仩t本身以及其尾部煙道設(shè)備在安裝完成后發(fā)生移動(dòng)問題的可能相對(duì)較小，因此必須針對(duì)噴氨系統(tǒng)展開結(jié)構(gòu)性優(yōu)化，才能保證理想中的反應(yīng)物均勻分布情況得以實(shí)現(xiàn)[10]。

該研究在保證混合氣體進(jìn)口氨濃度維持在均勻狀態(tài)的基礎(chǔ)上，針對(duì)氨/空氣的混合形式進(jìn)行優(yōu)化，并設(shè)計(jì)出了提升系統(tǒng)流通阻力的噴氨支管，其具體有兩種形式，分別命名為變阻力管1、2。在機(jī)組停爐檢修期間，冷態(tài)條件設(shè)定下，充分針對(duì)變阻力式管道與初始管道之間的流量比例，經(jīng)過測(cè)試后技術(shù)人員得出，初始管為92.5%，而變阻力式管道的流量?jī)H為前者的76.4%。

4.2 系統(tǒng)試驗(yàn)

在完成噴氨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作后，繼續(xù)展開脫硝性能試驗(yàn)，分別為高、中、低負(fù)荷脫硝性能試驗(yàn)[11-12]。其中數(shù)值分別為660MW、500MW、300MW，并在試驗(yàn)過程中對(duì)出口區(qū)域的氨逃逸及其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行記錄。具體試驗(yàn)要求為，打開各個(gè)噴氨支路的截止閥門，使整個(gè)脫硝系統(tǒng)保持自動(dòng)運(yùn)行，并將SCR 系統(tǒng)出口區(qū)域NOx濃度始終維持在45mg/Nm3。最終記錄得到的結(jié)構(gòu)優(yōu)化后各個(gè)反應(yīng)器以及出口等四個(gè)氨逃逸運(yùn)行數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)中平均值計(jì)算后可以得到：在結(jié)構(gòu)優(yōu)化完成后，氨逃逸率在A、B 側(cè)反應(yīng)器的平均數(shù)值分別為0.413mg/m3、0.45mg/m3。相較于優(yōu)化前降低了75.4%。

根據(jù)研究數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在一般情況下，A、B 兩側(cè)區(qū)域的氨逃逸率在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)不大于0.5mg/m3。在極特殊的情況下，氨逃逸率相對(duì)較高，出現(xiàn)這一狀況的原意是由于脫硝進(jìn)口參數(shù)發(fā)生變動(dòng)，導(dǎo)致噴氨量也跟隨著出現(xiàn)變化。

最終將各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后可以得到，后脫硝系統(tǒng)的耗氧量以及與之息息相關(guān)的參數(shù)如表2 所示，該表中的數(shù)據(jù)大多取穩(wěn)定狀況下的平均值。在這一過程中，計(jì)算系統(tǒng)噴氨量如下。

耗氮總量/[（進(jìn)口NOx-出口NOx）×機(jī)組負(fù)荷]×1000

由表2 的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，在高、中、低三個(gè)負(fù)荷數(shù)值之下，完成結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，相較于優(yōu)化前的噴氮量，顯著降低。

表2 脫硝系統(tǒng)優(yōu)化前后耗氮量數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

根據(jù)超低排放要求，設(shè)想中的噴氨系統(tǒng)必須滿足分區(qū)域按流量匹配對(duì)應(yīng)區(qū)域煙氣流量這一標(biāo)準(zhǔn)。但傳統(tǒng)笛型管式布置的噴氮系統(tǒng)內(nèi)部擁有較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性缺陷，而另外的呈現(xiàn)棋盤式結(jié)構(gòu)的噴氮系統(tǒng)同樣擁有結(jié)構(gòu)性缺陷。

該文研究了一種全負(fù)荷型具備自適應(yīng)性的精準(zhǔn)噴氮系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)控制有關(guān)區(qū)域氮流量，保證其能夠與有關(guān)區(qū)域內(nèi)部的煙氣流量互相匹配，并通過這樣的方式全面提升反應(yīng)物的混合式均勻性，以此來降低噴氮量以及氮逃逸率。

與傳統(tǒng)的噴氮系統(tǒng)相比，全新的精準(zhǔn)型噴氮系統(tǒng)在各個(gè)負(fù)荷段中的氨逃逸率平均降低75.4%，噴氮量平均降低14.4%。