脱销系统SNCR优化调整在流化床机组中的应用

陈要华

（山西耀光煤电有限责任公司，山西 平遥 031105）

1 系统现况

山西耀光煤电有限责任公司是一座供热、发电一体的热电厂，安装2×200 MW抽汽凝汽式供热汽轮发电机组，配2×705 t/h循环流化床锅炉，主要燃烧洗煤厂、焦化厂排放的中煤和矸石，同时解决平遥古城的集中供热问题。2014年新建SNCR脱硝装置，可以满足NOx排放小于200 mg/Nm3。

山西耀光煤电有限责任公司2×200 MW机组脱销系统超低排放工程，由山西华仁通电力科技有限公司EPC总承包，于2018年4月6日正式开工。本次工程以尿素溶液为还原剂，在原制备系统的基础上，对稀释水泵及相应尿素、稀释水管路进行扩容，改进SNCR控制系统，使控制更精准。还原剂通过喷枪雾化后喷射至水平烟道及炉膛，控制系统通过锅炉实际负荷和在线的烟气NOx含量、分离器温度等数据，控制混合单元内尿素溶液和稀释水按不同的比例送入喷射单元利用模块化设计，从而实现高效脱硝。

2 脱销控制方案确定

2.1 分离器喷枪位置优化

针对耀光电厂炉型，山西华仁通电力科技有限公司对几种不同的喷枪布置方案进行了流场模拟，以观察尿素溶液在分离器内的覆盖情况。模拟结果如图1—图4。

图1 流场模拟结果

图2 尿素溶液热解模拟结果

图3 尿素溶液轨迹

图4 尿素热解后NH3扩散情况

通过分析模拟结果，单侧布置喷枪无法很好地覆盖水平烟道整个截面，在旋风筒内也就无法实现还原剂与烟气的充分混合，所以分离器入口烟道进行两侧交错布置能够有效提高还原剂覆盖率，提升脱硝效率。因此选定分离器内喷枪的优化方案为，在分离器入口烟道处，内侧布置3只喷枪，外侧布置4只喷枪，内外两侧喷枪交错布置（图5）。

图5 分离器喷枪布置图

2.2 炉膛内布枪方案

在前期温度场试验中发现，低于40%负荷下，分离器温度远低于850℃，不符合SNCR技术中尿素反应的最佳温度窗口。针对这一现状，对几种不同的喷枪布置方案进行了流场模拟：在温度合适的情况下，从尿素的质量分数分布云图可以看出，前墙20.5 m布置喷枪，覆盖面积更大，行程更远（图6），利于脱硝反应的进行，能够在一定程度上提高脱硝效率。因此选定炉膛内的喷枪布置方案为前墙10只。

图6 炉前墙20.5 m标高处喷枪布置图（mm）

2.3 SNCR热控PID控制优化方案

控制模块收到锅炉负荷、烟气流量、烟气含氧量、NOx排放浓度、石灰石用量信号、远方设定值等信号后，通过PID调节计算出需要的尿素溶液量，发出信号给调节阀。再由分配模块将其分为均匀的3条支路通向不同的喷枪，在喷枪中与雾化用的压缩空气进行混合并雾化后喷入预设喷射点。喷入的尿素溶液将NOx还原成为N2。

2.3.1 SNCR影响因素及主要反应

SNCR的主要影响因素：反应器温度、反应时间、烟气与尿素溶液混合的程度。用尿素作为还原剂还原NOx的主要反应为

2.3.2 喷射控制模块的主要控制策略

a)根据锅炉负荷、烟气流量、烟气含氧量、NOx排放浓度、石灰石用量信号、远方设定值等，控制喷入尿素溶液流量和尿素溶液浓度，即纯尿素的量。

b）尿素溶液流量和浓度是互相挟制的量，设计时均有一个最大值和最小值。为保证喷射效果，两者在不同的工况下自动优化匹配。

c）每个喷射模块雾化压缩空气流量控制，通过调试得出，脱销雾化压缩空气进喷枪前压力一般维持在0.2 MPa。

d）根据锅炉负荷、分离器温度远程控制炉膛内喷枪的投运情况。

图7 NOx排放浓度控制图

2.3.3 NOx排放浓度控制原理

通过调节尿素溶液供给泵变频器频率，调节尿素溶液的供给母管压力保持在1.2 MPa左右，调整脱销雾化压缩空气调门开度，控制进喷枪前压缩空气压力维持在0.2 MPa。根据锅炉负荷、烟气流量、烟气含氧量、NOx排放浓度、石灰石用量信号、远方设定值等信号，结合对不同位置喷枪的灵活控制，计算出喷入炉膛及3个分离器尿素溶液量，用于还原烟气中的NOx。同时，为保证喷枪雾化效果及覆盖率，适当增加稀释水供给量，达到喷枪最佳的喷射条件。通过以上主要控制策略烟囱入口低于超低排放NOx限值50 mg/Nm3（干烟气，6%含氧量）。

3 试运行试验数据

试运行试验数据参见表1—表3，以及图8—图15。

注：所有量为均值；SNCR入口NOx值SNCR系统停运后分离器的NOx值。脱硫总出口NOx值取稳定运行、SNCR最大出力时的值。

图8 168试运行第1天数据

图9 168试运行第2天数据

图10 168试运行第3天数据

图11 168试运行第4天数据

图12 168试运行第5天数据

图13 168试运行第6天数据

图14 168试运行第7天数据

图15 启动过程中负荷烟囱入口NOx浓度曲线（干基，6%O2）

4 存在问题、改进方法及调整控制建议

a)在锅炉运行过程中，发生6台给煤机给煤量不平衡、SO2排放浓度突然增大、给煤机单侧跳闸等情况需对炉内石灰石投料进行频繁及大幅度的操作，石灰石投料变动较大（以2台注料泵压力变化为基准，当2台泵压力需要同时升高，或是单台注料泵压力瞬时上涨0.05 MPa等操作频繁发生时），NOx浓度会短时间升高大于50 mg/Nm3（干基，6%O2）。控制改进方法：控制增加石灰石给料机转速前馈；运行人员在尿素流量偏置及稀释水流量偏置上同时给定150～300 kg/h的流量偏置。等石灰石变动不明显或炉内SO2明显下降时，可取消相应的流量偏置值。

b)在40%负荷以下，烟囱入口NOx浓度无法稳定降至50 mg/Nm3（干基，6%O2）以下达到超低排放限值。控制改进方法：控制逻辑及时投入20.5 m 10支喷枪。锅炉需做如下燃烧调整：一次流化风量控制在16万Nm3/h，二次风量6万Nm3/h至7万Nm3/h，播煤风开度30/20，给煤机均匀给煤，上下二次风挡板25/50，降低返料风的风量，空预器入口氧量控制在8%以下。经上述控制方案，此时SNCR系统正常运行可保证总出口氮氧化物的超低排放。

5 结论

锅炉负荷在20%至40%负荷工况时：脱销系统炉膛部分投运时（负荷20%时） 烟囱入口NOx值104 mg/m3，脱销效率在50%左右；炉膛和分离器同时投运后（负荷大于30%时） NOx降到48 mg/m3以下，达到超低排放限值。

表1 1号机组SNCR脱硝性能试验结果统计表（2018年5月11日—6月14日）

表2 1号机组物料统计（2018年6月6日00∶00—2018年6月13日00∶00）

表3 1号机启动过程DCS实时数据

机组脱硝超低排放改造后（负荷大于40%负荷工况），调试及试运行过程中自动控制系统运行稳定，平均尿素用量比改造前省10%至15%。烟囱入口NOx排放值可以稳定控制在30至40 mg/Nm3（干烟气，6%含氧量） 之间，低于超低排放NOx限值50 mg/Nm3（干烟气，6%含氧量）[1]。