★江西大唐国际新余第二发电有限责任公司黎志萍

关键词：SCR脱硝；过量喷氨；精准喷氨；喷氨控制

氮氧化合物（NO_x）是主要大气污染物之一，对环境危害非常严重，而火力发电是NO_x的主要排放源。近年来，我国氮氧化物排放量随着能源消费的快速增长而迅速上升。为了改善日益恶化的生态环境，2015年环保部等三部委发布的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》中明确要求2020年前实现超低排放，其中NO_x排放标准为：在基准氧含量6%条件下不高于50mg/m³，这意味着多数项目需达到80%至90%以上的脱硝效率。为达到高脱硝效率，势必会增加氨喷射量；同时，常规的SCR设计采用的是单一喷氨单元系统，总体较为粗放，进一步增加了喷氨过量的可能性。在超低排放要求下，电厂普遍存在过量喷氨问题^[1-2]。

氨成本在脱硝日常运行成本中占比可达50%以上，过量喷氨电厂的运行成本也将长期偏高。此外，过量喷氨会加剧硫酸氢铵的生成，带来催化剂堵塞、空预器腐蚀等一系列问题，严重影响电力系统的正常运行。因此，在现有系统基础上进行精准喷氨对于提高发电系统整体运行的稳定性和经济性意义重大。

1　喷氨过量原因分析

超低排放条件下常规SCR系统普遍存在喷氨过量，主要基于以下几个原因：

1.1　喷氨控制系统不精确

国内燃煤电厂烟气脱硝喷氨量控制系统中的SCR反应器NO_x浓度及氨量控制主要有两种方式：固定摩尔比控制和固定出口NO_x浓度控制^[3-5]。

固定摩尔比控制中，烟气流量与脱硝反应器入口的NO_x浓度进行计算得出烟气中的NO_x流量，再根据系统设定的氨氮摩尔比例和计算出的NO_x流量得出系统需要的氨耗量。机组运行中，喷氨流量调节阀的控制随着脱硝入口NO_x浓度的升高而升高；为保证系统的脱硝效率，固定摩尔比控制下设定的摩尔比通常高于根据脱硝效率计算出的摩尔比。固定摩尔比控制方式虽然简单，但在控制中只考虑了脱硝效率，没有考虑出口NO_x浓度的变化；当入口的NO_x浓度较低时，上述方式会引起SCR过度脱氮，造成运行成本增加。

在固定出口NOx浓度控制中，烟气脱硝控制系统根据系统设定的出口NO_x浓度值与反应器出口NO_x浓度的测量值作比较，将所得差值作为系统控制器的输入值，接着PID调制器经运算后，发出指令来改变喷氨调节阀的开度，通过不断调整喷氨量，最终将出口NO_x浓度控制在标准要求的范围内。固定出口控制方式只考虑了脱硝系统出口NO_x浓度的变化，当SCR入口NO_x浓度过高时，若系统设定的出口NO_x浓度不变，则系统的脱硝效率将显著增加，有可能超出催化剂的脱硝能力，从而造成系统过度喷氨，导致氨逃逸增大、运行成本增加。

此外，常规SCR系统设计假定在同一截面烟气流速和NO_x浓度为相同状态，因此采用单一控制调节阀对整个喷氨格栅流量进行控制，在烟道出口也仅用单一测点来代表整个断面的出口NO_x值，并作为反馈值代入喷氨控制系统。但是上述同一断面不同位置烟气流速和NO_x浓度通常存在差异，造成实际需要的喷氨量与依靠测点反馈计算出的喷氨量存在偏差，将再次诱发喷氨过量问题。

1.2　流场条件恶劣

众所周知，烟气流场对脱硝系统有重要影响，良好的流场性能是SCR脱硝装置正常运行的前提条件。但是，流场异常在SCR脱硝装置中普遍存在，且未得到足够重视。在导流条件不佳的情况下，流场存在较大的氨浓度分布不均匀的可能，从而造成在催化反应区氨氮摩尔比偏离理想值，导致脱硝性能下降^[6]。如图1所示，某项目由于未考虑导流设计，在竖直烟道段存在严重的烟气偏流现象，导致催化剂入口氨浓度分布极不均，显著影响了脱硝性能，因此在催化剂反应部分区域存在氨气不足，而部分区域则氨气过量。为保证所有区域还原剂氨量充足，势必要加大喷氨量，从而导致脱硝系统过量喷氨，引发氨逃逸量大、硫酸氢铵大量生成等问题。

图1 某项目烟气迹线和催化剂入口截面氨浓度分布

1.3　喷氨格栅设计不合理

SCR工艺中氨气通过喷氨管输送至喷氨格栅，经过喷氨格栅再分配后由喷孔喷出与烟气混合，最后在催化剂区域进行NOx的还原反应，将NO_x还原为N₂，完成脱硝。由于喷氨格栅布置形式对喷氨的均匀性和系统的调节性能有重要影响，因此会影响系统的脱硝性能^[7]。传统的SCR喷氨格栅采用单调阀设计，难以精细化控制，且在格栅管道布置上较为随意，各喷氨孔流量不一致普遍存在^[7]。如图2所示，某项目采用图中所示的喷氨管道布置时，奇偶数支管流量存在50%以上的偏差，这势必会使催化剂各区域氨氮比不一致，从而导致过量喷氨问题。

图2 某项目喷氨管道示意图

2　精准喷氨技术与方法

2.1　智能化喷氨控制技术

针对传统控制算法存在的喷氨系统滞后、对变负荷工况适应性差的问题，本研究针对传统控制算法进行改良和再创新。图3展示了目前智能化喷氨控制普遍采用的算法逻辑。在智能化喷氨控制策略中，在原有、前后反馈基础上，引入变负荷智能预喷氨、氧量与风煤比前馈、烟囱出口NO_x偏差校正、CEMS仪表吹扫校正等计算模型，不仅考虑了负荷波动的影响，还考虑了出口NO_x波动，以及机组运行参数与入口NO_x浓度的连动性，能有效解决常规控制逻辑存在的不足。在具体实施上，该优化方案所需增加的硬件设备极少，仅需重新修改控制程序并与DCS重新组态即可，实施时极为快捷简便，具有较好的应用推广价值_[5]。

图3 智能喷氨控制逻辑

2.2　分区测量与喷氨调节技术

针对上述问题，分区测量和喷氨调节技术近年来被逐步使用。该技术的显著特征为将出口断面假定分为多个区域，在每个区域中心设置一个监测点作为控制反馈值；同时，与测量点相匹配，对喷氨格栅进行分割，将喷氨格栅对应测点区域分割成若干组，每一组格栅对应设置一个控制调阀，对所覆盖区域进行喷氨量调节^[2,8]。分区测量与喷氨调节典型布置形式如图4所示。

图4 分区测量和格栅分区示意图

格栅分区除了能实现划块喷氨外，由于其变相缩短了在宽度方向喷氨母管长度和所控制的喷孔数量，因此可以显著减小各个喷孔的流量差异，从而进一步提高了喷氨的准确性。

2.3　精细化流场设计

通过对原导流板结构和布置进行重新设计优化（见图5a），如：调整反应器罩体的斜顶与水平夹角，斜顶内壁加装导流柱；在SCR水平烟道入口处加装导流板；对竖直烟道上下弯头处导流板进行优化等^[7,9]，可以显著提升原有系统的流场性能，消除偏流、均匀性差等典型问题，为精准喷氨奠定基础条件。

此外，为进一步提高分区喷氨的有效性，在竖直烟道布置分区强制混合器已被部分项目所采用（见图5b和5c）。利用分区混合器将竖直烟道分成与格栅分区数一致的分区，使分区内烟气形成旋转混合，并在较短距离内尽可能混合均匀。分区间不设置物理隔板，通过气流的合理组织可保持相对独立，不相互混合，维持分区前后良好的对应性，为喷氨分区控制提供保证。

图5 流场改造及分区混合示意图

3　应用案例

某600MW燃煤发电机组原始存在氨耗量大、氨逃逸高，并由此诱发空预器堵塞等一系列问题。经过采用精细化流场设计、分区测量与喷氨调节技术和喷氨控制算法优化后，喷氨量性能得到了显著提升。喷氨波动明显减小，喷氨量大幅下降，平均喷氨量由160kg/h降至105kg/h，改造效果明显。

图6 精准喷氨改造前后喷氨量曲线

4　小结

（1）喷氨控制系统不精确、流场条件恶劣和喷氨格栅设计不合理是导致过量喷氨的主要原因，严重影响机组的经济、稳定运行。

（2）通过智能化喷氨控制技术、分区测量与喷氨调节技术和精细化流场设计等先进技术，可以有效消除常规SCR系统存在的过量喷氨问题，实现系统的精准喷氨。

（3）应用案例表明，采用针对性精准喷氨技术后，喷氨量显著下降，改造效果明显。

作者简介：

黎志萍（1972-），男，江西萍乡人，工程师，本科，现就职于江西大唐国际新余第二发电有限责任公司，研究方向为热控及智慧电厂。

参考文献：

[1] 崔建华. 选择催化还原 (SCR) 脱硝技术在中国燃煤锅炉上的应用(上)[J]. 热力发电, 2007, 36 (8) : 13 - 18.

[2] 韦振祖, 赵宁波, 李明磊, 等. 非均匀入口条件下SCR脱硝系统流场优化改造技术研究[J]. 锅炉技术, 2021, 52 (04) : 74 - 80.

[3] 中国大唐集团科技工程有限公司. 燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2009.

[4] 高畅. SCR脱硝系统非均匀喷氨技术研究[D]. 东南大学, 2017.

[5] 刘国富. 基于多运行参数耦合的SCR精细化喷氨控制系统及其应用研究[D]. 东南大学, 2019.

[6] 张楚城, 叶兴联, 苏寅彪, 等. SCR脱硝流场对氨逃逸影响的诊断优化及应用[J]. 电力科技与环保, 2019, 035 (003) : 13 - 17.

[7] 翁骥, 王铮, 李小海, 等. SCR脱硝系统分区控制式喷氨格栅的优化[J]. 环境工程学报, 2017, 11 (05) : 2915 - 2919.

[8] 李源, 毛睿, 任利明, 等. 非均匀来流条件下SCR系统静态混合器布置及喷氨优化数值模拟研究[J]. 热能动力工程, 2021, 36 (06) : 78 - 85.

[9] 张春梅, 丁桂彬, 李宇轩, 等. SV型静态混合元件排列方式对SCR系统竖直烟道混合效果的影响[J]. 辽宁化工, 2021, 50 (05) : 601- 604 + 609.

摘自《自动化博览》2023年12月刊