SCR脱硝系统运行优化

Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海电力股份公司 徐亦淳上海上电漕泾发电有限公司 胡震，马建华

SCR脱硝系统运行优化

Operation Optimization of Denitration System in SCR

上海电力股份公司 徐亦淳上海上电漕泾发电有限公司 胡震，马建华

SCR脱硝装置在设计阶段虽然进行了流场优化设计，以保证SCR入口截面烟气流速和NOx分布的均匀。但往往由于现场空间限制和安装因素影响，实际运行中SCR入口截面NOx分布偏差较大，经常达到20%以上，为保证排放NOx浓度和脱硝效率，部分区域氨过剩，反应器出口氨逃逸超出限值。这就提出了“等摩尔比喷氨”优化的理念，“SCR脱硝优化运行系统”就是基于此理论基础上，开发的SCR AIG喷氨格栅在线优化系统。系统根据机组运行的实际情况，分析截面分布图和变化趋势，可以有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量，实现不同区域不同的NH3/NOx摩尔比，从而充分发挥有限体积的催化剂的性能，在氨逃逸率较小前提下，实现较高的脱硝效率。

在线优化控制；等摩尔比喷氨；氨逃逸；虚拟测量

根据国家环境保护部和国家质量监督检验检疫总局在2011年7月29日联合发布的《火电厂大气污染物排放标准GB13223-2011》的精神，要求燃煤电厂氮氧化物排放限值由200mg/Nm3调整为100mg/ Nm3。当今降低NOx的污染主要有两种措施: 一是控制燃烧过程中NOx的生成，即低NOx燃烧技术，亦称一级低氮技术；二是对生成的NOx进行处理，即烟气脱硝技术，亦称二级脱氮技术。

如果要达到新颁布的排放要求，仅采用一级低氮技术是不够的，因此目前电厂均加装了二级脱氮技术的SCR设备。SCR是脱硝效率最高、最为成熟的脱硝技术，该技术在日本、欧洲、美国得到广泛应用，已成为目前国内外电站脱硝比较成熟的主流技术。但如果过度使用SCR技术来脱硝，会造成氨逃逸，逃逸的氨与烟气中的SO3反应，形成硫酸氢铵，其凝结点高于通过空预器冷却后的烟气温度，冷却后的硫酸氢铵像沥青一般，非常粘稠，它与烟气中的粉尘结合会造成空预器堵塞或腐蚀，引起机组效率降低和/或出力下降，严重的话还会造成机组的非计划停役。另外，氨逃逸还会形成二次污染，在美国把其称之为“Blue Plume（蓝羽毛）”，会造成耕田土壤的板结。

因此有必要对SCR的运行进行优化控制并深入研究，确保SCR的安全稳定运行及电厂利润最大化。

1 设备简介

漕泾电厂1号炉配有上海电气石川岛电站环保工程有限公司提供的烟气脱硝系统（SCR），采用选择性催化还原脱硝法（SCR），还原剂采用液氨。脱硝系统按单烟道单SCR反应器形式设计，SCR反应器尺寸为26.44m（W）×15.20m（D）×12.0m（H）, 最大允许烟气温度为420℃，设计压力±8700Pa。SCR反应器设计成烟气竖直向下流动，反应器进出口段合理设置导流板，入口处设气流均布整流装置，以保证催化剂对烟气分布、温度分布等的要求。

在SCR反应器入口布置有3×8个喷氨小室，每个喷氨小室有一个“氨”喷入嘴，每个喷嘴原来设计有一个手动门控制，如图1所示。

2 SCR脱硝优化运行思路

结合目前SCR设备实际运行情况，对SCR的喷氨格栅门进行在线优化控制，严格监控氨逃逸及确保SCR运行在其最佳效率区。

当前脱硝效率是衡量SCR装置性能的重要指标，它与SCR装置的造价成本等密切相关。SCR烟气脱硝系统设计的脱硝效率一般要求为80%~85%，这对系统设计提出了很高的要求。制约脱硝效率的因素有：

（1）最大允许氨逃逸率 (低于3×10-6ppm)；

图1 上海上电漕泾发电有限公司1号锅炉SCR布置图

（2）SCR反应器入口烟气流的分布状态。SCR反应器入口烟气流的分布状态需要通过合理的烟道设计来调整；

（3）NOx/ NH3混合效果。NOx/NH3混合效果是这三个因素中最难克服的问题。

有试验数据为证，氨逃逸率与NOx/NH3混合效果有着密切的关联，氨的分布对SCR系统运行的最佳性能非常重要。烟气流在烟道内很难做到理想均匀分布，而且其分布特性会随着锅炉负荷、磨煤机组合等因素发生变化。如果采用目前常规的均衡AIG喷氨格栅的方法，就会造成NOx/NH3混合效果下降，会导致氨逃逸率升高；相反，会导致反应区域脱硝效果差。

当脱硝效率较高时，如氨分布稍有不均，就会出现局部逃逸峰值和较高的逃逸平均值。如要求氨逃逸平均值必须保持在3×10-6ppm以内，那么应经常更换催化剂。实际上，即使分布不均程度较轻，氨逃逸峰值也足以引发问题。这是因为脱硝效率较高时，如果系统没有调节氨分布不均的能力，当部分烟气含氨量超过NOx反应量时，多余的氨流经系统时就会逃逸。

氨逃逸率值由于在10-6ppm等级内，且与安装位置有着紧密的关系，因此一直是一个较难在线测量的值。目前的技术只能较为正确反映氨逃逸率的变化趋势，而且电厂一般只配备两套氨逃逸率测量装置，因此只能得到氨逃逸率的均值，并不能具体真实反映具体氨逃逸率的分布状况。

我们通过离线人工网格法，在各个负荷段和磨煤机的组合下测量氨逃逸率的情况，然后通过OPTC-Sensor建立在线数学模型，再用电厂现有的在线氨逃逸表计值进行修正，得出氨逃逸烟道内在线分布值表单。

在此基础上，根据氨逃逸率在不同空间位置的分布情况，采用矩阵控制理念，进行有计划、有步骤地控制不同区域的喷氨量，实现不同区域不同的NOx/NH3配比，达到实现高效率、低成本运行脱硝（SCR）的优化目的。

3 锅炉燃烧与脱硝运行综合优化项目实施情况

2013年5～6月，利用1号机组检修时间，我们完成了DCS逻辑的修改，优化控制器同DCS的通讯，所有硬件的安装改造，如加装SCR喷氨格栅远程控制气动调门及手动隔绝门的改造。

至此，老砍头身份浮出水面，他是个隐匿于市井的刺客。他不是什么活儿都接的，只有最棘手的事，才会找上他。他接活儿，不跟对方见面，也不用书信。他去米店买米，对方有什么事，都写在米粒上，混在一麻袋米里面。老砍头把一袋米运回家，找出有字的米，看完了，就把它和其他米混在一块上锅煮，等煮成熟饭，就什么痕迹也找不着了。吃完米饭，他就对家人说要做生意去了，实则是杀人去了。

2013年8~11月期间，由西安热工院和上海明华电力技术工程有限公司一起完成了100%、70%、45%机组负荷下，脱硝系统（SCR）分区试验，用网格法对SCR的脱硝效率、氨逃逸率等进行测试和调整试验，为建立脱硝优化运行模型和氨逃逸虚拟测量模型提供原始数据。

如图2所示，在额定工况（1000MW）下， SCR入口NOx修正到6%O2为252mg/Nm3；在70%（700MW）负荷下，SCR入口NOx修正到6%O2为317mg/Nm3；在45%（450MW）负荷下，SCR入口NOx修正到6%O2为405mg/Nm3。

图2 SCR入口NOx浓度分布图

保持SCR反应器入口AIG喷氨格栅门均在原始设定值75%开度下，如图3所示，在额定工况（1000MW）下， SCR出口NOx修正到6%O2为48mg/Nm3，分布的标准偏差为18.7%；在70%（700MW）负荷下，SCR出口NOx修正到6%O2为62mg/Nm3，分布的标准偏差为28.6%；在45%（450MW）负荷下，SCR出口NOx修正到6%O2为79mg/Nm3，分布的标准偏差为29.2%。脱硝效率均在80%。

如图4所示，在额定工况（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）为3.0ppm，分布的标准偏差为1.55%；在70%（700MW）负荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）为0.36ppm，分布的标准偏差为0.23%；在45%（450MW）负荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）为0.20ppm，分布的标准偏差为0.07%。

从上述SCR试验可看出，SCR入口NOx的分布并未如想象得那么均衡，相对偏差在高负荷时，达到了39%，如果采用目前常用的均衡AIG喷氨（保持75%）开度，在SCR出口，NOx的分布会偏差较大，造成局部NOx的超标，及某些区域氨逃逸（NH3）偏高。并且我们从实验的数据中不难看出，SCR入口NOx会随着负荷的变化，其分布情况会也发生较大的变化。

图3 SCR出口NOx浓度分布图

图4 SCR出口NH3浓度分布图

表1 SCR 24个格栅门粗调设定值

图5 粗调后SCR入口NOx浓度分布图

图6 粗调后SCR出口NOx浓度分布图

图7 粗调后SCR出口NH3浓度分布图

众所周知，氨的分布对SCR系统运行的最佳性能非常重要，氨/氮比分布不均会造成SCR系统性能变差，并且导致催化剂活性降低。如果氨/氮比在烟气中分布不合理，即某些区域过量，会导致氨逃逸率升高；相反，会导致反应区域脱硝效果差。为此对SCR反应器入口AIG喷氨格栅门的优化调整是十分必要的。

采用有限体积法对SCR反应器及其连接烟道内的流体流动及氨扩散过程进行数值模拟，揭示其内部流动规律并求得定性分析结果，然后结合现场测试结果，对SCR的AIG格栅门进行初步优化调整。具体对24个格栅门在高（1000MW）、中（700MW）和低（450MW）负荷下的设定如表1所示。

从实验结果不难看出，经锅炉低氮燃烧在线优化控制后，在各负荷段下，SCR入口处NOx的浓度场分布有了极大的改善，平均分布的标准偏差为15%。

在额定工况（1000MW）下，SCR出口NOx修正到6%O2为75mg/Nm3，分布的标准偏差为24%；在70%（700MW）负荷下，SCR出口NOx修正到6%O2为47mg/Nm3，分布的标准偏差为15%；在45%（450MW）负荷下，SCR出口NOx修正到6%O2为60 mg/ Nm3，分布的标准偏差为21%。脱硝效率均在80%。

如图7所示，在额定工况（1000MW）下，SCR出口氨逃逸（NH3）为0.58ppm，分布的标准偏差为0.48%；在70%（700MW）负荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）为0.30ppm，分布的标准偏差为0.18%；在45%（450MW）负荷下，SCR出口氨逃逸（NH3）为0.17ppm，分布的标准偏差为0.08%。

然后通过基于现代控制论基础上的控制系统采用先进的数据处理算法和人工智能算法，分析烟气截面气分布变化的同时，结合机组运行数据通过数据积累最终得到不同工况、不同煤种情况下的烟气分布模型，虚拟测量系统将不断修正烟气流场模型以保证模型数据的精度，来保证各喷氨小室的NH3/NOx摩尔比精确控制，实现SCR AIG喷氨在线优化控制。

2014年3月11日~12日，我们邀请西安热工院对“1号机组锅炉燃烧与脱硝综合优化项目” 进行了考核试验，并详细绘制了不同脱硝效率下的SCR入/出口NOx和NH3浓度分布图。

2014年3月11日，在额定工况（1000MW）下，保证SCR出口NOx平均浓度（44mg/Nm3@6%O2）与2013年8月21~22日（48mg/ Nm3@6%O2）基本一致的情况下进行的考核试验，如图8所示。

图8 在额定工况（1000 MW）下试验1 - SCR入出口NOx及NH3分布图

2014年3月12日，在额定工况（1000MW）下，保证SCR脱硝平均效率（83.95%）与2013年8月21~22日（80.95%）基本一致的情况下进行了进一步的考核试验，如图9所示。

图9 在额定工况（1000 MW）下试验2 - SCR入出口NOx及NH3分布图

综合上述试验，当采用“离线人工网格法”模型对SCR喷氨格栅门进行在线优化控制，实现SCR各小室的“等摩尔” 喷氨后，结合锅炉低氮燃烧的在线优化，可有效保证SCR出口的NOx浓度的分布偏差（≤12%）。这样既可在保证国家的排放指标内，降低喷氨量，也可在确保氨逃逸在可控范围内最低限的前提下，提高SCR脱硝效率，大幅度降低SCR出口的NOx排放。

4 锅炉燃烧与脱硝运行综合优化系统收益分析及结论

根据西安热工院的“锅炉燃烧与脱硝运行综合优化摸底试验”和目前调试和试运行的初步数据分析，预计低氮燃烧和脱硝运行优化两者合计可节省SCR的喷氨量约12%左右。上电漕泾电厂2013年SCR总用氨量2410吨，即单台机组的用氨量约为1205吨，上海地区氨的采购价3500元/吨，预计直接可节省氨的费用为：1205吨×3500元/吨×12%≈50.6万元。

系统运行后将有效降低NH3逃逸量，降低空预器的维护成本，这项大概也能获得20万元/年的收益左右。优化SCR喷氨运行方式后，预计可延长催化剂使用年限5%，按漕泾电厂一层催化剂费用1500万元、每4~5年三层催化剂更换一遍计算，每年节省催化剂费用约60万元。图10为“中德技术合作火电厂SCR烟气脱硝装置的优化和性能试验示范”中展示的在SCR出口NOx分布的相对标准偏差与催化剂寿命的关系。

图10 不同脱硝率时NOx浓度的不均匀对催化剂寿命的影响

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During the SCR design, in order to ensure the flue gas velocity and distribution of NOx at SCR inlet section, the SCR should be designed optimally about flue gas flow field. However, due to space limitations on site and installation quality, the distribution deviation of NOx at the SCR inlet is usually large, even more than 20%. Operator often injects more NH3 to control NOx emissions and De-NOx efficiency. However, it will be charged the some areas of ammonia slip over limitation at the outlet of SCR. The "Equi-molar ratio of ammonia injection" optimization concept is therefore proposed. Based on this theory, the "SCR optimal operation of the system" is developed, and the SCR AIG ammonia injection grid online optimization system is therefore implemented. According to the actual situation of the SCR, the system can achieve the planned and systematic control for the ammonia spray in different regions by analyzing the grid distribution and trends. The SCR performance can achieve high removal efficiency to maximize the finite volume of catalyst in the minimum for the rate of ammonia escape.

On-line optimization control; Equi-molar ratio of ammonia injection; Ammonia slip; The virtual measurement

徐亦淳（1979-），男，上海人，工程师，本科，现就职于上海电力股份有限公司，从事发电技术节能管理工作。