摘 要：針對目前燃煤電廠SCR脫硝出口單點CEMS系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)代表性差的問題，該文開展SCR出口NOX稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)的開發(fā)，并對其中關(guān)鍵的恒流稀釋取樣技術(shù)進(jìn)行實驗分析。結(jié)果表明實驗所用的文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，其喉部產(chǎn)生的負(fù)壓最低，滿足音速小孔的恒流條件，能夠?qū)崿F(xiàn)恒流稀釋取樣。將該稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用，現(xiàn)場運行效果表明該系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，能夠有效指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)合理控制，節(jié)省噴氨量，為電廠帶來一定的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：稀釋法;文丘里;分區(qū)混合測量系統(tǒng);脫硝CEMS系統(tǒng);恒流稀釋取樣

中圖分類號：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）34-0167-05

Abstract： In view of the poor representativeness of the measurement data of the single-point CEMS system at the SCR denitrification outlet of coal-fired power plants， this paper develops a zoning hybrid measurement system for NOx dilution method at the SCR outlet， and conducts experimental analysis on the key constant-flow dilution sampling technology： The results show that when the pressure difference between the inlet and outlet of the venturi used in the experiment is 0.3 MPa， the negative pressure generated by the throat is the lowest， which meets the constant flow condition of the sonic orifice， and can realize constant-flow dilution sampling. The dilution method zoning mixed measurement system was applied on site. The field operation results showed that the measurement data of the system were accurate and reliable， which could effectively guide the reasonable control of the denitrification system， save ammonia injection， and bring certain economic benefits to the power plant.

Keywords： dilution method; Venturi; zonal mixing measurement system; denitration CEMS system; constant flow dilution sampling

近年來，隨著我國綠色環(huán)保政策的推進(jìn)，氮氧化物排放量呈逐年遞減的趨勢。根據(jù)《2021年中國生態(tài)環(huán)境統(tǒng)計年報》顯示，2021年排放源統(tǒng)計調(diào)查范圍內(nèi)，我國工業(yè)源廢氣中氮氧化物排放量為368.9萬t，較2020年減少了11.64%。在各行業(yè)中排放量第一的是電力、熱力生產(chǎn)和供應(yīng)業(yè)，其排放量占各行業(yè)總排放量的33.1%。在超低排放標(biāo)準(zhǔn)的要求下，多數(shù)燃煤電廠采用脫硝效率高的選擇催化還原技術(shù)（SCR）進(jìn)行煙氣脫硝處理，運行效果滿足總排口氮氧化物小時均值在50 mg/m3以下的要求，在氮氧化物減排方面取得了一定的成效[1-3]。

然而，在燃煤電廠SCR脫硝系統(tǒng)的運行過程中會存在這樣的問題：脫硝出口煙道橫截面積大、直管段小，且彎頭、變徑多，物理空間受限，造成煙氣流場較差，進(jìn)而導(dǎo)致單一的脫硝CEMS測點代表性差，不能為脫硝噴氨控制系統(tǒng)提供真實可靠的數(shù)據(jù)來合理調(diào)節(jié)噴氨量，導(dǎo)致脫硝自動控制系統(tǒng)投運率差，只能依靠手動控制，使得脫硝出口NOX數(shù)據(jù)波動很大。而且依靠單點測量不真實的數(shù)據(jù)，盲目增加噴氨量，極易造成空預(yù)器差壓增加過快和氮氧化物測量數(shù)據(jù)“倒掛”的現(xiàn)象。脫硝入口流場不均勻及長期運行后，各催化劑模塊磨損不一、性能變化不一致等問題，更加加劇了上述現(xiàn)象[4-5]。

針對以上現(xiàn)象，實現(xiàn)分區(qū)混合測量，提高脫硝出口氮氧化物測量結(jié)果代表性是解決問題的關(guān)鍵。不同于利用燃煤電廠煙道SCR出口與空預(yù)器入口的壓差進(jìn)行大規(guī)模網(wǎng)格取樣來增加代表性的龐大混合測量系統(tǒng)，本文提出了一種稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)，將SCR出口煙道橫向分區(qū)，利用稀釋法進(jìn)行分區(qū)混合測量的技術(shù)路線，該系統(tǒng)施工量小、系統(tǒng)簡單、維護(hù)量小，能夠測量煙道截面的平均濃度和各分區(qū)的濃度，測量結(jié)果準(zhǔn)確、真實，為噴氨控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)，大大降低了空預(yù)器堵塞的時間，避免了“倒掛”現(xiàn)象的發(fā)生。

1 稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)研究

稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)將煙道進(jìn)行合理的分區(qū)，每個分區(qū)內(nèi)布置一個稀釋取樣探頭進(jìn)行取樣，各探頭取樣煙氣分別進(jìn)入分區(qū)測量分析儀進(jìn)行輪循測量，測量值代表各分區(qū)的平均濃度;各取樣煙氣混合后進(jìn)入混合測量分析儀進(jìn)行混合測量，測量結(jié)果代表脫硝出口煙道截面的平均濃度。該系統(tǒng)的關(guān)鍵是恒流稀釋取樣技術(shù)及化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)。其中恒流稀釋取樣技術(shù)保證了取樣煙氣的真實性，提高了系統(tǒng)在煙氣復(fù)雜多變工況下運行的可靠性;化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)是一種高精度的痕量氮氧化物測量方式，其測量精度能夠達(dá)到ppb級別，為稀釋后取樣煙氣的準(zhǔn)確測量提供了保障。將這2種技術(shù)結(jié)合在一起，設(shè)計組成稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)，能夠完美實現(xiàn)燃煤電廠大截面煙道NOX的平均濃度測量及分區(qū)濃度測量。

2 恒流稀釋取樣技術(shù)

因結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)量小，無須冷凝除水等優(yōu)點，稀釋法取樣越來越多地應(yīng)用在煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)中，該取樣技術(shù)的核心是確保恒定的稀釋零氣流量和恒定的煙氣樣品氣流量，實現(xiàn)恒定的稀釋比控制。音速小孔是實現(xiàn)恒定取樣煙氣樣品氣流量的關(guān)鍵部件，在穩(wěn)定的溫度條件下，當(dāng)其進(jìn)出口壓差大于0.46倍時，流經(jīng)該音速小孔的氣體流速達(dá)到音速，不再隨入口壓力的變化而變化，從而實現(xiàn)恒流，此條件下流經(jīng)小孔的氣體流量大小只與小孔的孔徑有關(guān)[6]。文丘里則是產(chǎn)生負(fù)壓的關(guān)鍵部件，其實際是一種減縮漸擴噴管，一定壓力的零氣通過文丘里噴嘴時，在噴嘴內(nèi)部流動的過程中零氣的壓力能會轉(zhuǎn)化為動能，實現(xiàn)氣流的加速，氣體的流速隨著噴嘴入口壓力與噴嘴出口壓力差的增大而增大，當(dāng)壓力差達(dá)到一定值時，氣體的流速達(dá)到極限后不再增加，此時的文丘里喉部產(chǎn)生的負(fù)壓最低。以此負(fù)壓作為音速小孔的出口壓力，煙道內(nèi)的煙氣壓力作為音速小孔的入口壓力，即能實現(xiàn)音速小孔的恒流條件，同時控制取樣探頭文丘里區(qū)域和音速小孔區(qū)域的溫度恒定，則煙氣樣品氣的流量為定值。恒流稀釋取樣技術(shù)的應(yīng)用原理圖如圖1所示。

為保證實際運行時，現(xiàn)場稀釋取樣探頭運行狀態(tài)滿足音速小孔的恒流條件，需要對文丘里的最低壓力進(jìn)行實驗測試，本文開展不同文丘里出入口壓差條件下的負(fù)壓測量及流量測量實驗。實驗提供的壓縮空氣為0.5 MPa的清潔、干燥壓縮空氣，通過高精度的穩(wěn)壓閥控制文丘里入口壓力，出口處于常壓狀態(tài)，通過0.05 MPa的壓力梯度進(jìn)行實驗，利用真空壓力計測量文丘里喉部的壓力，實驗結(jié)果如圖2所示，當(dāng)文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，喉部壓力最低，為37.8 kPa（絕對壓力）;隨著文丘里出入口壓差的增大，零氣流量逐漸增大。燃煤電廠脫硝出口煙道內(nèi)煙氣壓力一般不低于-2 kPa，因此應(yīng)用該文丘里產(chǎn)生的最低負(fù)壓作為音速小孔的出口壓力時，滿足音速小孔的恒流條件。

3 化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)

自20世紀(jì)50年代，研究人員Greaves等通過化學(xué)發(fā)光法測量氮氧化物濃度，并得到NO2*回到基態(tài)時產(chǎn)生的輻射連續(xù)譜，科學(xué)家逐步加深對化學(xué)發(fā)光測量氮氧化物技術(shù)的研究;在20世紀(jì)70年代，專家Fontijn等研究出以NO發(fā)光強度測量環(huán)境中NOX濃度的技術(shù)手段，并在發(fā)表文章中表明化學(xué)發(fā)光法測量NO的最低檢測限位為4 ppb;20世紀(jì)80年代，科學(xué)家Delany等對美國熱電公司的42i化學(xué)發(fā)光法分析儀提出了優(yōu)化方案，通過加大真空泵抽氣速度，擴展反應(yīng)室體積的方式，使儀表檢測器的靈敏度大大提高，升級后的設(shè)備達(dá)到了0.1 ppb的檢測限?；瘜W(xué)發(fā)光法測量技術(shù)被美國環(huán)保署EPA列為NOX的標(biāo)準(zhǔn)分析方法，在我國獲得了普遍的應(yīng)用，尤其在環(huán)境大氣監(jiān)測及火電廠煙道尾氣在線監(jiān)測方面[7-9]。

化學(xué)發(fā)光法測量技術(shù)具有檢出限低、測量精度高、響應(yīng)時間快等優(yōu)點，是在線測量氣體中痕量NOX的最佳技術(shù)手段。其分析儀測量原理如圖3所示，分析儀內(nèi)部配備臭氧發(fā)生器和鉬轉(zhuǎn)化爐2種轉(zhuǎn)化設(shè)備，臭氧發(fā)生器能夠?qū)⒀鯕庾兂沙粞?，而在鉬轉(zhuǎn)化爐中NO2被還原為NO。生成的NO和臭氧在反應(yīng)室內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)方程式如下

NO+O3→NO2+O2+hv。 （1）

在上述反應(yīng)過程中會發(fā)出一種特有的光，這種光的強度與NO的濃度成線型比例，因此可以通過檢測光的強度并計算得到NO的濃度[10]。

4 稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)設(shè)計

稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)設(shè)置2臺化學(xué)發(fā)光法分析儀分別進(jìn)行混合測量及分區(qū)測量，具體設(shè)計思路如下。

4.1 混合測量設(shè)計

同一時刻相同稀釋比的各稀釋取樣探頭的煙氣樣品氣等流量混合才有意義，混合后的樣氣測量結(jié)果能夠代表整個煙道截面的平均濃度。通過音速小孔和文丘里控制各探頭以稀釋比相同進(jìn)行稀釋取樣，稀釋后的煙氣作為樣氣，通過正壓傳輸送入脫硝小間進(jìn)行測量，樣氣管路從取樣探頭向分析儀鋪設(shè)，管路上布置2個流量計，如圖4所示。流量計1之前為樣氣管前段，之后分為混測管路和分區(qū)管路，混測管路進(jìn)入混合器，各探頭樣氣均勻混合后通過混測分析儀進(jìn)行平均濃度測量，為保證混合均勻，控制各取樣探頭樣氣管前段及混測管路段長度相同，且流量相同。

4.2 分區(qū)測量設(shè)計

現(xiàn)場煙道內(nèi)煙氣濃度不斷變化，同步測量各分區(qū)的樣氣濃度，測量結(jié)果才能真實反應(yīng)煙道截面的濃度分布。首先設(shè)定各分區(qū)樣氣的測量時間相同，作為各路樣氣管上電磁閥的啟動間隔時間，即各分區(qū)管路中樣氣進(jìn)入分析儀間隔時間。然后以第一路樣氣進(jìn)入分析儀的時間為基準(zhǔn)，通過分區(qū)管路樣氣流量大小及間隔時間設(shè)計各分區(qū)管路管徑及長度，保證第一路樣氣測量完畢后第二路樣氣正好進(jìn)入分析儀進(jìn)行測量，第二路樣氣測量完畢，第三路樣氣正好進(jìn)入分析儀進(jìn)行測量，以此類推，實現(xiàn)分區(qū)同步測量過程。

5 現(xiàn)場應(yīng)用

國能集團(tuán)某能源有限責(zé)任公司發(fā)電機組進(jìn)行脫硝CEMS系統(tǒng)升級改造，在脫硝出口安裝2套稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)（每側(cè)煙道各1套），現(xiàn)場脫硝出口單側(cè)煙道平均分為6個區(qū)，在每個分區(qū)的中心位置布置1個稀釋取樣探頭，現(xiàn)場稀釋取樣探頭安裝分布示意圖如圖5所示，實際安裝時，探頭垂直布置，現(xiàn)場情況如圖6所示。

6 現(xiàn)場應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場脫硝CEMS系統(tǒng)改造后，機組穩(wěn)定運行工況及變負(fù)荷工況的運行曲線如圖7所示。

圖7中曲線表明在穩(wěn)定工況及變負(fù)荷工況的時候，脫硝出口分區(qū)混合測量系統(tǒng)NOX測量值總是圍繞著脫硝出口NOX設(shè)定值上下波動，自動控制效果顯著，由此可見，分區(qū)混合測量系統(tǒng)的NOX測量值真實可靠，為噴氨自動控制提供了理論依據(jù)，保證了脫硝自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高投運率，進(jìn)而減輕運行人員的操作強度，符合現(xiàn)代化智慧電廠的要求[11-13]。

更為精確的脫硝出口NOX測量數(shù)據(jù)，用于指導(dǎo)脫硝系統(tǒng)的噴氨控制，也能夠為電廠節(jié)省一定的氨用量。表1為脫硝系統(tǒng)改造前后電廠運行日志中記錄的一個月時間的累計發(fā)電量及耗氨量數(shù)據(jù)。計算可知，脫硝改造之后每單位萬千瓦時發(fā)電量耗氨量降低了約9.2%。耗氨量的減少，有助于延緩空預(yù)器的堵塞時間，減少空預(yù)器沖洗頻率，降低風(fēng)機功耗，由此可以為電廠帶來一系列的經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語

本文基于燃煤電廠脫硝出口NOX測量單一測點代表性差極易造成過量噴氨、NOX數(shù)據(jù)“倒掛”、噴氨自動投運率低的問題，開展了脫硝出口NOX稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)行了恒流稀釋取樣技術(shù)的深入研究，并進(jìn)行工程示范應(yīng)用，結(jié)果表明：文丘里出入口壓差為0.3 MPa時，其喉部壓力最低，最低的壓力能夠滿足音速小孔的恒流條件。通過對化學(xué)發(fā)光測量技術(shù)研究、混合測量管路設(shè)計及分區(qū)測量管路設(shè)計，完成了脫硝出口NOX稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)的設(shè)計，并進(jìn)行工程示范，稀釋法分區(qū)混合測量系統(tǒng)運行后，測量數(shù)據(jù)真實可靠，保證了脫硝自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提高了投運率，并能夠為電廠運行節(jié)約9.2%左右的氨量，帶來了一系列的經(jīng)濟效益，具有一定的推廣價值。

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第一作者簡介：劉龍（1988-），男，工程師。研究方向為火電廠熱工檢修。

*通信作者：滕軍華（1989-），男，碩士，工程師。研究方向為火電廠煙氣在線監(jiān)測設(shè)備研發(fā)。