SCR脱硝系统简介及其热工逻辑设计

王洪凯，吕雪霞，刘 洋（.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳，0006；.通辽霍林河坑口发电有限责任公司，内蒙古通辽，0900；.国家电网东北电力调控分中心，辽宁沈阳，080）



SCR脱硝系统简介及其热工逻辑设计

王洪凯1，吕雪霞2，刘 洋3
（1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁沈阳，110006；2.通辽霍林河坑口发电有限责任公司，内蒙古通辽，029200；3.国家电网东北电力调控分中心，辽宁沈阳，110180）

本文以辽宁抚顺热电厂2×300MW供热机组脱硝系统的组态设计为切入点，阐述了脱硝系统的意义；介绍了SCR脱硝系统的工艺；讲解了SCR脱硝系统的组态。旨在对SCR脱硝系统在燃煤发电机组的应用进行讲解。

脱硝系统；选择性催化还原法；氨气流量自动控制

0　概述

氮氧化物（主要是N0、N02以及少量的N20等，统称为NOx）主要来自燃烧时煤中氮的氧化及高温空气中N2和O2的反应。氮氧化物会破坏臭氧层；它也是形成酸雨、酸雾的主要污染物之一；此外它还影响人的免疫系统。因此，我们要深刻认识氮氧化物的危害，努力减少氮氧化物的排放。

在我国，火电机组一直占全国电力总装机容量的75%左右。截止2007年底，电力行业氮氧化物的排放量约为840万吨/年。因此，如何减少电力生产带来的氮氧化物已成为十分重要的课题，而脱硝技术的发展为解决氮氧化物的过度排放提供了有效的手段。

1　脱硝技术简介

1.1脱硝技术简介。对氮氧化物排放的控制可分为一次控制和二次控制：前者主要是在燃烧过程中抑制NOx的生成，通常称为低NOx燃烧技术。后者是在燃烧结束后进行的烟气净化处理，通常称为烟气脱硝技术。因为后者的脱硝效率要比前者高的多，所以在发达国家已普遍使用烟气脱硝技术来控制NOx的排放。

选择性催化还原技术（SCR）与选择性非催化还原技术（SNCR）是目前主流的烟气脱硝技术。SCR技术是在催化剂的作用下，用液氨为还原剂，在温度为300～400ºC间脱除烟气中NOx；SNCR技术则不需催化剂，直接将含有NHx基的还原剂喷入炉膛温度为850～1250ºC的区域脱除NOx。二者之间的技术比较见表1：

表1：SCR法与SNCR法技术比较

抚顺工程采用SCR工艺，所以本文主要对此技术进行介绍。

1.2SCR技术要点。选择性催化还原法是指在催化剂的作用下利用脱硝剂（氨气）将烟气中NOx分解成为N2和H2O，其反应公式如下：

SCR系统设计要求脱硝率要大于90%。脱硝率的定义可见公式1：

C1-C2

C1

式中：C1-脱硝系统运行时入口烟气中NOx含量

C2-脱硝系统运行时出口烟气中NOx含量（

脱硝率很大程度上取决于催化剂的反应活性。催化剂活性越高，反应速率越快，脱除NOx的效率越高。当催化剂活性降低时，NOx还原反应速率也降低，这会导致NOx脱除量降低，氨逃逸水平升高。

随着操作时间的增加，催化剂的活性会逐渐降低。随着催化剂活性的降低，通常要注入更多的氨来保持NOx脱除率，而这也增加了氨逃逸。当氨逃逸达到最大值时就必须更换催化剂。设计要求控制氨逃逸率（脱硝装置出口氨的浓度称为氨的逃逸率）在5ppm以下，2～3ppm更为适宜（1 pmm NH3=0.76 mg/m3NH3），以达到将SO2/SO3的转化率控制在1%以下的目的。

2　SCR系统工艺流程

电厂SCR烟气脱硝系统包括液氨储存与供应系统和脱硝反应系统两大部分。液氨储存与供应系统由液氨卸料机、液氨储罐、液氨蒸发槽、氨气缓冲槽及氨气稀释槽、废水泵、废水池等组成。脱硝反应系统由催化反应器、氨喷雾系统、空气供应系统等组成。

液氨储存与供应系统首先利用液氨卸料压缩机抽取液氨储槽中的氨气，经压缩后将槽车中的液氨由槽车输入液氨储槽内。储槽输出的液氨在液氨蒸发槽内蒸发为氨气，从蒸发槽蒸发的氨气流进氨气缓冲槽，通过调压阀减压到一定压力，再通过氨气输送管线送到锅炉侧的脱硝反应系统。

脱硝反应系统首先对氨气系统输送过来的氨气进行稀释，通过稀释风机提供的空气流和氨气混合，一般设计稀释比为5%。氨气均匀混合后通过均流混合装置进入反应器入口。SCR反应器位于锅炉省煤器出口烟气管线的下游。在催化剂的作用下，氨/空气混合物与烟气中的氮氧化物在SCR反应器内进行反应，烟气经脱硝过程后经空预器回收后进入电除尘装置。

液氨系统排放处所排出的氨气由管线汇集后从稀释槽底部进入，通过分散管将氨气分散入稀释槽中，利用大量的消防水来吸收安全阀排出的氨气。经由氨气稀释槽吸收成氨废水后排到废水池，再经由废水泵送到中和装置，达标后排放。

由于燃煤电厂排放的烟气中灰分含量普遍较高，这对催化剂的活性和寿命都产生了不利的影响，为了预防灰粉堆积在催化剂表面，需要选择适当的吹灰器。目前普遍应用的是声波和蒸汽两种吹灰技术。较之二者，前者对催化剂无毒副作用、无磨损，吹灰无死角又能够保证催化剂的连续清洁。因此声波吹灰技术在应用效果上要优于蒸汽吹灰技术。

3　抚顺脱硝系统逻辑设计

3.1抚顺SCR脱硝系统简介。抚顺SCR脱硝系统的液氨储存与供应系统采用典型工艺，脱硝反应系统采用高灰段布置方式，即SCR反应器布置在锅炉省煤器出口和空气预热器之间，不设置SCR反应器烟气旁路系统。

脱硝系统中的脱硝反应系统为DCS逻辑组态部分，其主要包括稀释风机、稀释空气阀、氨气快速切断阀、声波吹灰器、NOx/O2分析仪、NH3分析仪以及氨气流量控制阀。除氨气流量控制阀外，其他部分为顺序控制系统部分。

3.2顺序控制系统组态。稀释风机：考虑到脱硝系统安装在烟气管路上，因此联锁启动条件需设置同侧引风机运行时联启稀释风机；此外，运行稀释风机跳闸时需联启备用风机。此外还设计了停止允许条件，即在两侧氨气快速切断阀都关闭的情况下方可停止稀释风机。

稀释空气阀：设计了风机启动联开空气阀，风机停止联停空气阀的逻辑。

氨气快速切断阀：起到快速切断氨气供给的作用，它对于系统的安全起到重要的保护作用。因为系统要求当反应器入口烟温高于325ºC时才允许投入氨气，所以我们设计在切断阀联锁开关投入情况下，当入口烟温高于325ºC时联锁打开氨气快速切断阀。当入口烟温低于320ºC延时15分钟或低于310ºC时，保护关闭氨气快速切断阀。当同侧稀释空气流量低于氨流量最大值时氨稀释浓度为12%的稀释风流量值时，触发稀释风流量低低保护，此外，当MFT发生，两台稀释风机全停，同侧引风机跳闸，同侧空预器跳闸时，也应保护切断氨气供应，关闭氨气快速切断阀。

声波吹灰器共12支，分别设计单操。根据系统需要，分四组设计程控程序，循环吹灰。

各分析仪设计为单操。

3.3氨气流量控制系统的设计。氨气流量控制回路的目的是通过对供氨量的调节使SCR出口NOx的浓度保持在一个指定数值。它采用比例积分调节，以消除需求量与反馈量的偏差。

由于脱硝效率受摩尔比（NH3/NOx）控制，因此当反应器入口NOx量确定时，在稳定运行状态下所需喷氨量与此值成比例。所以可知，喷氨量初始设定值由式2得出。

其中：

NH3：所需的氨注入量（kg/h），为目标值。

G：锅炉烟气量，由总燃料量编程计算得到。

NOx：入口NOx浓度（ppm），由烟气流量与SCR入口NOx分析仪测得的NOx浓度的乘积来确定。烟气流量是根据锅炉总燃料量计算获得的。

α：NH3/NOx摩尔比，它为锅炉负荷的函数，由编程给出此数值。

为满足负荷变化或燃烧煤种的改变而引起的NOx的变化，特提供3个辅助调节信号。辅助信号累加在公式3中的摩尔比上。3个辅助信号分别如下：

（1）SCR出口NOx对摩尔比控制的修正调节；

（2）SCR入口NOx对摩尔比控制的修正调节；

（3）摩尔比偏置。

此外，为了响应由于煤燃烧器启动时引起的NOx瞬时变化，需要一个适宜的氨流量偏差以提高可控性。所以在首台磨煤机启动时，由负荷函数与反应器出口NH3浓度乘积作为偏置累加在氨流量设定值上。

经过上述逻辑的搭建，我们可以得到所需的氨流量设定值，为防止由于氨气量过高引起的安全隐患，对此设定值需要做上限限幅控制。

对于实际氨气流量信号，我们需要进行温度和压力补偿。修正系数为Cp/Ct，这里：

Cp：运行压力（kPa）/设计压力 （kPa）

Ct：运行温度（ºC）/设计温度 （ºC）

氨气关断阀打开后，氨气流量调节器阀设定在指定位置（设定值通过总燃料量计算得到），自氨气与NOx发生化学反应的时刻起，阀位保位300秒。达到稳定后，自动流量调节开始。

此外，逻辑中还设计了保护关闭环节。当氨气快速切断阀关闭，则意味着SCR跳闸，因此需要联锁关闭氨气流量调节阀。

至此为止，我们就完成了氨流量控制系统的逻辑组态。

4　结论

脱硝系统的控制逻辑经过静态调试与仿真试验，已经具备了投运的条件，能够满足运行人员的工作要求。

燃煤电厂锅炉SCR烟气脱硝技术经历了30多年的研究发展与工程实践，在技术上已发展成熟。随着环境保护意识的不断加强与SCR烟气脱硝技术的不断发展，SCR技术将在火电行业中起到更加重要的作用。

［1］ 蒋文举，宁平.大气污染控制工程［M］.成都：四川大学出版社，2001

［2］ 张强.燃煤电站SCR烟气脱硝技术及工程应用［M］.北京：化学工业出版社，2007.15-25

［3］ 裴庆春.声波吹灰器和蒸汽吹灰器在SCR的应用和经济性分析［J］.电力设备.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