SCR脱硝系统氨需量计算的优化

朱宇翔，顾云非(上海申欣环保实业有限公司，上海 200431)

0 引言

氮氧化物中的NO、NO2是造成环境污染的主要因素[1]。在我国一次能源和发电能源结构中，燃煤占据了主导地位，在已探明的一次能源储备中煤炭仍是主要能源，煤炭在我国能源结构中所占的比例超过70%[2]，而据统计70%的氮氧化物来自于煤炭的燃烧。火电厂NOx产生量占全国总量的50%，社会经济发展的同时对于环境保护的要求越来越严格，因此火电厂脱硝工程的建设成为我国NOx总量控制的关键。在众多的脱硝技术中，SCR脱硝技术是脱硝效率最高，最为成熟的脱硝技术[3-4]。SCR脱硝控制系统的不断优化，对确保SCR脱硝系统正常运行，降低NOx的排放具有十分重要意义。

1 SCR脱硝系统

1.1 SCR脱硝技术的原理

SCR(Selective Catalyst Reduction)脱硝技术，是在一定温度和催化剂存在的条件下，利用还原剂有选择地把烟气中NOx还原成无毒无污染的氮气和水，还原剂可以是氨、碳氢化合物、一氧化碳、氢气等，工业应用的还原剂主要为氨，以氨为还原剂的SCR的反应化学式如下：

4NO+4NH3+O2=4N2+6H2O

(1)

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O

(2)

6NO+4NH3=5N2+6H2O

(3)

6NO2+8NH3=7N2+12H2O

(4)

NO+NO2+2NH3=2N2+3H2O

(5)

烟气中90%～95%的NOx以NO的形式存在，5%～10%的NOx以NO2形式存在。

1.2 SCR脱硝系统的工艺系统

SCR脱硝系统主要由两部分组成：一部分是SCR反应系统；另一部分是还原剂制备供应系统。目前工业使用还原剂原料主要有液氨、氨水、尿素三种，无论使用哪种原料，最终都是制成约5%浓度的氨气作为还原剂。本文就以上海外高桥第二发电厂的SCR脱硝工程为例，对SCR脱硝系统的工艺流程作一个简单介绍。该脱硝工程还原剂氨是通过尿素CO(NH2)2热解制成。尿素颗粒通过输送系统进入尿素溶解罐加入除盐水配置成50%的尿素溶液，然后通过尿素高流量泵送入热解炉，控制热解炉的温度，以确保尿素能够完全热解成NH3，热解炉送入一定量的稀释风，确保最终的氨气浓度不高于5%，稀释风取自锅炉热一次风，送入热解炉的一次风既有热媒作用又有稀释风的作用。制成的氨气通过喷氨格栅喷入SCR反应器与烟气均匀混合，与NOx充分反应，从而去除烟气中的氮氧化物。

SCR反应系统采取高尘布置，反应器是布置在省煤器之后，空预器之前，省煤器出口烟道两侧对称各布置一个反应器，因为SCR脱硝反应的合理反应温度区在310～430℃之间，在该温度区内反应器内的催化剂的活性达到最佳状态，脱硝反应效率高[5]。反应器的催化剂采取2+1布置即布置两层催化剂，预留一层。反应器进、出口分别装设有NOx浓度的CEMS监测点。SCR反应系统示意见图1。

图1 SCR反应系统的示意

2 SCR脱硝系统的控制方式

SCR脱硝系统的控制方案一般分为效率控制模式和出口浓度控制模式。效率控制模式以脱硝效率作为设定值，能够保持脱硝效率在一个比较稳定的水平。浓度控制模式以SCR出口浓度作为设定值，控制脱硝反应器的出口浓度满足排放要求[6]。两种控制模式对应有各自的氨气与氮氧化物摩尔比值的计算回路(见图2)，计算出相应的氨氮摩尔比，该值与烟气量，SCR反应器入口NOx的浓度的乘积就是去除烟气中氮氧化物所需的氨气量。

图2 SCR脱硫系统计算回路

图2中f(x)为效率-氨氮比函数; Δ为减法器；a/b为除法器；PI-H/L为PI调节器，上下限控制；+为加法器。

脱硝效率计算公式：

从脱硝效率根据f(x)函数，可以求出所需氨氮摩尔比值；以上主回路根据脱硝效率计算氨氮比，副回路根据控制效果对氨氮比进行一定范围修正。

3 SCR脱硝系统氨需量控制的优化

SCR脱硝技术不管采取哪种控制策略，其最终的目标就是在保证完成NOx脱除率的前提下，催化剂的工作寿命最长，氨逃逸率最少，空预器的沉积物和腐蚀最小。其主要的控制对象有以下几个方面：合适的氨气输入量；合适的反应温度、恰当的反应烟气与催化剂的接触时间；保持较高的催化剂活性。其中氨气的输入量的控制是重中之重。

3.1 氨需量设定值的计算

脱除NOx所需的NH3的量是主要是根据锅炉燃烧后烟气中所含的NOx量来决定的，氨需量的计算就涉及到SCR反应器入口的NOx浓度和入口烟气量的获取，入口NOx浓度由CEMS系统提供，而入口烟气量的获得有两种方式：一种方式是直接进行测量，目前很难有满足控制要求，较为精确的大型烟气流量的测量装置，尤其是在进行SCR脱硝工程改造后，锅炉烟道的布置不规则，无法满足一般流量装置对管道的要求，而且一般的测量装置很难使用在这样高烟温、高粉尘，腐蚀性大的烟道中[8]；另一种方式是采用软测量的方法，根据锅炉燃煤通过烟气流量函数获得烟气量；第二种方式是目前采用比较普遍的方法。氨需量计算方式见图3。

图3 SCR脱硝系统氨需量计算

SCR脱硝系统反应器分A、B两侧对称各布置一个反应器，各侧根据各自的NOx浓度，氨氮比计算值，按总烟气量的1/2计算各自的氨需量，最后相加求得总得氨需量。

3.2 存在问题

氨需量的控制计算中牵涉到NOx浓度，而NOx浓度值的获得来源于连续监测的CEMS系统 ，由于CEMS系统的探测采样部分都布置在高尘的烟道当中，必须定期进行自动吹扫和人工维护才能保证CEMS系统正常工作。在维护和吹扫的这段时间内由于没有采集到烟气，所以这段时间送入控制系统数据都是原有的保持值，这样控制系统只能根据保持的NOx浓度值计算氨需量。那么这段时间的喷氨计算量就不是实际的所需量，尽管每次自动吹扫时间不长，但对设备的长期安全运行和氮氧化物排放量的控制是不合理的。另外吹扫及维护时选取保持值为当前值具有随机性，当吹扫维护结束后，当NOx的保持值与实际测量值偏差较大，氨需量的计算设定值将会突变，极易造成控制系统失稳退出自动控制。在上海外高桥第二发电厂脱硝工程中SCR脱硝系统入口NOx的浓度是在不断变化的，尤其是电厂参加电网自动负荷调整系统，负荷在不断地变化，随着风煤比不断变化，NOx的浓度也是在不断变化的且变化幅度不小，而CEMS吹扫时的随机保持值是不变的，其与实际值是有差异的，这对氨需量的控制是不利的，易造成控制系统失稳。

3.3 氨需量计算控制的优化

针对以上的情况，对氨需量控制计算部分的NOx浓度的输入进行了调整优化，一般目前的脱硝工程的反应器分A、B侧对称各布置一个反应器，CEMS系统A、B侧各设NOx的测点，测量A、B侧的NOx浓度，A、B两侧反应器的进口均来自锅炉省煤器的出口烟道，浓度略有不同，但相差不大，A、B侧根据各自的NOx浓度的测定值和效率或NOx的出口设定值确定氨氮比来计算各自的氨需量。根据这个特点进行如下调整优化，即若A侧CEMS系统进行吹扫维护，由B侧的测量值代替A侧NOx值输入控制部分，反之亦然。若A、B侧出现短时同时吹扫维护，用吹扫前的小时均值代替。吹扫维护结束为防控制系统失稳，在控制系统中加入数据速率变化限制器。图4为优化后控制方式逻辑图。从优化后氨需量计算曲线可看出，在吹扫前后氨需量计算值有时会有所波动，但波动范围不大，调节控制系统能够及时跟踪响应，不至于失稳振荡，确保了烟气排放的指标能够符合环保标准。

图4 氨需量计算回路的NOx浓度输入优化控制策略(A侧)

4 结语

随着国家对大气污染物排放标准日益严格，SCR脱硝技术将是目前应用最广泛的烟气脱硝技术，以上海外高桥第二发电厂的SCR脱硝系统为例，介绍了SCR脱硝技术的基本原理和控制方式，并针对目前SCR脱硝控制系统中氨需量计算控制部分的不合理的地方提出优化方法，并应用于SCR烟气脱硝控制系统中，解决了控制系统失稳的问题，并使喷氨量更趋合理。

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