燃煤电厂SCR脱硝出口分区同步测量系统研究与应用

王树辉，高 阳，吴 峰，胡光华，马 强

(国电投集团东北电力有限公司朝阳燕山湖发电有限公司，朝阳 122000)

0 引 言

近年来，中国的环保要求的日益严格，燃煤电厂排放标准不断出台，火电厂氮氧化物排放浓度要求越来越高，国家发改委、环保部和国家能源局联合发布的《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》中要求东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，即要求在基准氧含量(质量分数)为6%条件下，氮氧化物排放质量浓度不高于50 mg/m3。为满足超低排放的标准，电厂普遍采用SCR脱硝技术进行氮氧化物脱除处理[1-3]。在SCR实际投运中，脱硝装置入口的NOx浓度波动大且不均匀，导致出口浓度控制难度较大[4-5]。常规CEMS系统为单点取样，脱硝入口NOx不均匀及催化剂性能差异导致测量值代表性差，引起“倒挂”现象，即脱硝出口CEMS测量值与烟囱出口的CEMS测量值偏差较大。同时，将不具备代表性的CEMS测量值引入喷氨控制系统进行喷氨控制时，会导致逃逸氨浓度偏高或脱硝装置排放指标超标。为此本文提出来一套分区同步测量系统，用于解决传统CEMS测量代表性差的问题。

1 分区同步测量系统研究

为解决分区喷氨不均，脱硝出口氨逃逸大的问题，需要针对烟道各个区域的实际情况进行分区精准喷氨，因此需要将烟道进行精准分区，并且同步测量同一时刻的各个分区的NOX浓度，只有同步测量的数据才能够进行对比，从而分区精准调配各分区的喷氨量，达到优化控制节省喷氨，减小氨逃逸的目的。

1.1 取样方法及测量原理研究

分区同步测量系统采用稀释取样法进行烟道烟气的取样，该取样技术的核心是文丘里和音速小孔，稀释取样过程如图1所示，一定压力的零气流过文丘里后，会在文丘里喉部产生远低于烟道内部压力的负压，从而将烟道内部的气体抽取出来。音速小孔是限流装置，当音速小孔入口与出口压力差达到0.46倍时，流经音速小孔的气体流量为定值，达到恒流，而且此流量不再随着压力的变化而变化。利用此特性，设计烟道内部的压力为音速小孔的入口压力P2，文丘里产生的负压为音速小孔的出口压力P1，从而创造出满足音速小孔恒流条件的工况，进行稳定流量的烟气取样。进行文丘里入口压力的控制，从而得到恒定的进气流量。在文丘里恒定进气流量与恒定烟气取样流量的情况下，稀释取样的稀释比为定值，从而能够进行稳定的取样过程。

图1 稀释取样过程示意图

化学发光法是进行NOX高精度测量的一种最常用的方法，NO与O3反应并产生一种特有的光，该光的强度与NO的浓度成线型比例关系，因此可以通过光电倍增管检测反应中的发光，从而推测出NO的浓度。烟气中的NO2通过钼转换器转化为NO之后送入反应室反应，因此可以通过化学发光法精确测量烟气中全部的氮氧化物值[6-7]。

稀释取样法是一种经济合理、可靠性高、维护量小的取样方法，通过稀释使取样烟气中的水分及粉尘含量大大降低，从而减小了设备故障率，同时降低了烟气露点，省去了大量的高温伴热管线，降低了系统成本和维护量。稀释后，取样气体中的NOX也浓度大大降低，因此选择测量精度达到ppb级别的化学发光法进行测量，能够精确测量出取样气体的NOX浓度，稀释取样法和化学发光发法测量原理配合，是分区同步测量系统的优先选择。

1.2 分区同步性原理

烟道中的NOX浓度是波动的，因流场不均、催化剂差异等原因，不同区域、不同时刻的NOX浓度不同，因此必须测量同一时刻、同一烟道截面的NOX浓度值才有意义，才能作为分区精准喷氨的数据基础。

将脱硝烟道分区为多个区域，每个区域中心位置安装稀释取样探头进行取样，采用连续取样+管线储气法，达到分区同步测量的目的。同一时刻各分区探头同时抽取烟道内部的烟气，设计不同分区取样烟气到达分析仪的管长及管径不同，增加电磁阀进行不同区域取样气体的切换，同时设计各分区切换时间与分析仪测量每一路气体的时间相同，保证前一路气体测量完毕后，立刻打开下一路气体进行测量，且测量气体为与第一路气体同时刻的取样气体。通过电磁阀的切换控制各支路的测量时间，通过管径及管长控制各路取样烟气，从而实现各分区测点的同步测量。

1.3 分区同步测量系统系统设计

结合稀释取样法、化学发光法及同步性测量方法，进行分区同步测量系统的系统设计。该系统主要由就地取样系统、零气处理系统、同步轮测系统及辅助系统组成。其中，就地取样系统在恒定稀释比的情况下进行稳定的连续取样；零气处理系统对现场的压缩空气进行干燥、净化处理，为取样系统等提供超净的零气；同步轮测系统对各取样烟气进行控制切换，实现同步性的高精度测量，并且能够计算出烟道界面的不均匀度，直观反应NOX分布的均匀程度；辅助系统包括吹扫系统及标定系统，保障系统的可靠、稳定、长期运行。

2 实际应用

2.1 现场情况

国电投某发电有限公司2×600 MW机组，采用SCR方式进行烟气脱硝。存在脱硝出口波动大，NOX空间分布不均匀的问题，造成现场氨逃逸过大，下游空预器容易堵塞，引起风机出力不足、增加高压水在线冲洗成本的现象。为此。该公司进行精细化喷氨改造，增加脱硝精细化喷氨控制系统，将喷氨格栅处分为7个区域，增设分区喷氨自动控制阀，同时在下游脱硝出口烟道安装分区同步测量系统进行脱硝出口NOX的测量，为精细化喷氨控制系统提供数据。现场取样探头安装在电厂烟道的脱硝出口，A、B侧各7个测点，均匀布置，如图2所示。

图2 取样探头安装位置示意图

2.2 运行效果

分区同步测量系统安装运行后，能够长期稳定运行，维护量小。该系统能够准确测量出烟道内部各分区的NOX浓度值，并且能够将浓度值上传至精细化喷氨控制系统，为喷氨控制提供真实、可靠的数据基础。

图3、图4分别为分区喷氨自动投运前与投运后脱硝出口烟道分区的NOX测量数据图，从图2中可以看出，分区喷氨自动投运前，A、B两侧NOX浓度值偏差较大，计算A、B侧不均匀度分别32.1%、93.6%；脱硝出口大部分区域NOX浓度较低，相对应的区域喷氨量大，而B6、B7区域NOX浓度较高，这两处分区喷氨量不足，局部喷氨过量易造成下游空预器堵塞，排烟温度升高，氨气资源浪费等问题。从图3可以看出，分区喷氨自动投运后，改善了脱硝出口NOX空间分区，A、B两侧NOX浓度值偏差较小，计算A、B侧不均匀度分别12.7%、18.9%，较投运前NOX分布均匀性大幅提高，能够有效减少“倒挂”现象的发生；A、B脱硝出口NOX浓度均较大，但低于环保要求的50 mg/m3，这种工况运行下，节省了脱硝系统的喷氨量，降低脱硝出口氨逃逸量，减少了空预器的堵塞现象，带来一定的经济效益和社会效益。

图3 分区喷氨自动投运前

图4 分区喷氨自动投运后

3 结束语

提高脱硝出口NOX分布的均匀性是减少“倒挂”现象及局部喷氨过量现象的有效手段，而分区同步测量系统研究与应用，使脱硝出口各分区的NOX浓度能够准确的在线测量，直观反应NOX分布的均匀性，为精细化喷氨控制提供数据依据，是对脱硝系统进行优化的必要过程。实践证明，本文研发的脱硝出口分区同步测量系统能够长期、稳定、可靠的运行，为公司带来了一定的经济效益和社会效益。