SCR脱硝系统精准喷氨改造

李卫平

（国电电力大同发电有限公司，山西大同 037043）

近年来，机组运行中暴露出了空预器堵塞的问题，原因之一为脱硝系统过量喷氨。一方面，烟气中会存在大量的三氧化硫以及水蒸气，逃逸的氨气会与这些物质发生反应生成硫酸氢铵。硫酸氢铵在150～200 ℃会呈现液态，而液化状态的硫酸氢铵具有较高的粘性，会直接附着在空预器的热片结构上，吸收大量的烟尘和飞灰，形成堆积状态，严重影响设备的换热能力，最终形成空预器堵塞。另一方面，二氧化硫会在脱硝催化剂的作用下形成三氧化硫，加剧空预器中硫酸氢铵堆积程度；与此同时，空预器内部整体处理效果和控制机制也会造成酸露点温度的增高，加剧空预器酸腐蚀问题以及堵灰问题[2]。

本文对机组过量喷氨的原因进行了分析研究，结合当下脱硝喷氨与测量的一些技术，针对性地提出了一些改进思路，为选择性催化还原技术（SCR）脱硝系统精准喷氨的设计和优化改造提供参考。

1 脱硝出口局部氨浓度过量，氨逃逸过高分析

1.1 脱硝烟气流场不均

虽然，SCR脱硝系统在设计阶段考虑了烟道流场特性，并在机组脱硝超低排放改造时进行了流场优化。但在实际运行过程中，由于机组经常处于中低负荷区域运行，锅炉运行参数偏离设计，造成锅炉燃烧时烟气流场紊乱不均匀；且设计煤种改变，供电煤耗较设计值上升，烟气飞灰量增大，对烟道内导流板冲刷磨损加剧，逐渐放大了流场不均的程度[1]。同时，灰量的增大亦造成了催化剂的局部堵塞，同样影响到流场不均的程度。另外，机组负荷在满足电网要求的速率下大幅增减时，燃烧工况的突变和烟气流速的急剧变化，亦造成了流场不均[3]。受上述因素的影响，脱硝系统入口烟气流场存在分布不均的情况，且机组各负荷段烟气流场不均的情况还存在较大差异。

1.2 喷氨混合器数量不足，无法实现分区喷氨控制

机组单侧烟道共设置4根喷氨支管，烟道内对应配置4个喷氨涡流混合器。虽然涡流混合器喷氨覆盖面广、喷氨均匀，但因布置数量有限，无法实现更加精确的区域调节。因烟气流场不均，同时机组运行时还要保证氮氧化物达标排放，故而只能依靠增大喷氨总量，使氮氧化物质量浓度高的区域喷氨量增大，提高氮氧化物还原效率，但亦增大了氮氧化物质量浓度低区域的喷氨量，导致局部氨逃逸增加。

1.3 脱硝CEMS系统单点取样，数据不具备代表性

机组脱硝出入口CEMS（烟气排放连续监测系统）系统均为单点取样，因脱硝烟道内流场不均，CEMS系统测量数据只是取样区域氮氧化物浓度，无法代表整个烟道氮氧化物浓度分布的情况。而脱硝系统喷氨总量控制完全依靠脱硝系统入口、出口氮氧化物测量值，氮氧化物测量数据与真实工况氮氧化物浓度的偏差必然会影响喷氨总量控制的调节精度。依据单点测量得出的数据进行调节，必然会出现喷氨不均的情况。为保证脱硫出口氮氧化物的达标排放，只能增大喷氨量，从而出现脱硝出口氮氧化物浓度与脱硫出口氮氧化物浓度测量数据之间“倒挂”的现象，存在一定的环保风险。增大喷氨量的同时，亦增加了局部氨逃逸量。

2 脱硝系统精准喷氨实施建议

2.1 脱硝烟气流场优化

目前，流体CFD（计算流体力学）动力学研究是普遍使用的一种流场分析方法。流体CFD动力学研究是为了了解烟气速度场、温度场和氨氮摩尔比大致分布情况，在CFD研究结果的基础上，确定烟道中氨喷射系统、导流板和整流器的形状和位置，目的是：（1）优化烟道和反应器的布置，确定烟道中烟气导流装置的最佳几何尺寸、型式、数量及位置，使在氨喷射区域和SCR催化剂入口的烟气流动均匀和氨分布均匀；（2）考虑流场设备易于支撑和方便现场安装，且须考虑导流板等的刚度、强度以及磨损情况等；（3）优化整流器的设计，使催化剂表面烟气的冲角降至最低；（4）优化脱硝装置的总压力损失；（5）脱硝装置的入口温度偏差满足设计要求；（6）模拟系统积灰情况，确定积灰位置。

采用流体CFD模拟，根据烟道及SCR反应器布置图，建立计算流体力学模型进行计算机数值模拟，并建立物理流动模型进行实际烟气模拟试验，测试并验证烟气流量分布，寻找烟道中导叶和导流板的压损减少位置，确定导叶、导流板和整流装置的初步几何形状和位置，使其设置合理、压力分布均匀，最大限度减小流动阻力，优化烟气流速、温度和催化剂前的成分分布；评估氨喷射系统的详细设计研究，合理设置喷嘴数量及间隔调节各喷嘴的氨流量和位置，预防喷嘴堵塞，优化氨喷射系统以改善第一层催化剂入口的氨混合；确定不同运行负荷下的积灰情况，将积灰高度控制在允许范围内；确定和提供导流板、氨喷射系统和整流器优化的几何形状设计。流场模型的最终结果应以实际工程形式给出，实现脱硝烟气流场的优化。

CFD模拟的范围为从省煤器换热面末端至空预器入口的烟气系统及其部件，包括省煤器底部及烟道；省煤器出口至SCR反应器入口的烟道，包括烟气导流板、氨喷射、烟气整流格栅等内部件；SCR反应器出口至空预器入口烟道，包括烟气导流板等内部件；SCR反应器，包括三层催化剂层等内部件；其他附加的烟气均布装置以及以上烟道及设备内所有大于150 mm或面积≥5%烟道截面面积的内部件。

2.2 喷氨混合器及喷氨支管控制改造

实现分区精准喷氨，首先硬件条件要满足要求，要具备局部区域控制调整的条件，以达到区域喷氨流量控制、精准控制、分区域按需喷氨的目的，最大程度降低各区域的氨逃逸量。

目前，机组氨喷射系统硬件条件无法满足分区控制的要求，需按照烟道尺寸，参考CFD模拟的结果，重新设计改造氨喷射系统。建议对烟道截面进行分区，每个分区均匀布置氨喷射器，每个分区引出供氨支管，每个支管设置智能调节门，各分区支管汇总至供氨母管。机组运行中，可依据各分区氮氧化物浓度情况实时调节调门开度，达到调节喷氨量、控制氨逃逸的目的。各支管调节门建议接入脱硝控制系统实现远程集中控制，具备实时调整支管调门开度的条件。

2.3 脱硝系统仪控设备改造

因脱硝CEMS系统均为单点取样，测量数据无法代表整个截面烟气氮氧化物含量数据，故需对CEMS取样系统进行设计改造。将脱硝出口烟道截面进行分区，布置全截面多点取样装置，按照分区数量布置取样点，分区的数量根据氨喷射器喷氨控制区域的对应关系进行确定。通过每个分区氮氧化物浓度值测量值，实时调整对应的分区喷氨调门，达到控制烟道内局部氨逃逸的目的。为避免铵盐结晶堵塞取样系统，需保证取样管内烟气维持较高的温度，同时需增设管线定时反吹系统。目前，脱硝烟道全截面多点取样系统类型较多，可结合系统实际取样功能及流程，设计控制策略，实现喷氨总量自动控制及分区喷氨自动控制。

对于脱硝入口氮氧化物浓度分布较为均匀，但烟气流速相对不均的情况，如能测得喷氨各分区烟气流速，即掌握了单位时间内各喷氨分区氮氧化物质量，对于更加精准地控制喷氨量将起到一定的作用。

2.4 脱硝系统精准喷氨控制策略

2.4.1 脱硝喷氨总量控制策略

脱硝的主要目的是脱除烟气中的氮氧化物，喷氨量的大小取决于脱硝入口氮氧化物含量的大小。且脱硝入口氮氧化物取样装置设置在氨喷射系统之前，根据脱硝入口氮氧化物调节喷氨量更加快速准确。因此，可以依据脱硝入口氮氧化物含量的变化，设计喷氨控制模型，作为喷氨控制的静态前馈控制。

氮氧化物的测量数值需经过氧量折算，结合24%～100%锅炉额定工况烟气氧量的变化趋势，增加机组负荷修正函数，作为喷氨控制的静态前馈控制及动态前馈控制，在高、低负荷阶段以及负荷变化阶段，实时修正喷氨量，提升机组全负荷段喷氨调节的灵活性及适应性，在机组负荷高峰、低谷以及高速率大幅度变动情况下，辅助调节喷氨量满足工况变化要求。视机组运行情况选择脱硝出口或总排口氮氧化物含量作为控制目标值，采用常规PID控制维持自动系统调节的稳定性。加入目标值保护控制策略，根据目标值限值设定的危险程度，直接控制喷氨调门开度，确保总排口氮氧化物达标排放。

2.4.2 脱硝分区喷氨控制策略

对脱硝入口烟道截面进行分区，按控制分区设置氨喷射单元，通过调整门控制各单元喷氨量的大小。通过试验，确定每个喷氨单元对应的分区测量单元，通过测量单元氮氧化物含量变化实时调整分区喷氨单元调整门开度实现独立分区喷氨量的控制。

各分区单独建立自控系统，通过各分区喷氨量的调节达到分区氮氧化物浓度的控制，从而降低氨逃逸量。

各分区独立调节时，势必影响喷氨总量的变化。故喷氨总量控制与分区控制应为两套独立的控制系统。两套系统相互配合，通过分区精准喷氨调整，达到喷氨总量精准调整的目的，从而达到精准喷氨改造的目的。

3 结论

通过对机组脱硝系统运行工况的研究，分析目前系统运行存在的问题及弊端，针对性地提出问题的大致解决方案为：（1）通过流场模拟及优化治理，从根源上解决一些因流场不均引起的干扰因素；（2）通过氨喷射系统改造，使脱硝系统具备独立分区喷氨量控制的功能；（3）通过喷氨单元分区自动控制，使分区喷氨量控制具有针对性、实时性及精确性；（4）通过氮氧化物测量取样系统改造，使脱硝系统具备全截面分区氮氧化物测量功能，为分区喷氨量控制提供数据支持；（5）通过增加热控测量仪表，使自动调节系统功能更加完善，调节更加灵活；（6）通过脱硝系统喷氨总量控制策略优化及喷氨分区调整控制策略优化，达到脱硝系统喷氨自动调节的目的，实现脱硝系统精准喷氨。