火电机组脱硝喷氨自动控制优化

火电机组脱硝喷氨自动控制优化

郭浩浩

国家电力投资集团河北公司石家庄良村热电有限公司

河北省 石家庄市 050000

摘要：近年来，京津冀地区环境治理力度不断增大，污染物的排放标准日趋严格。在此环境背景下，如何平衡火电机组的长周期运行与污染物达标排放成为困扰火电厂的难题。当前，最普遍的脱硝工艺是 SCR （Selective Catalytic Reduction）选择性催化还原法。在目前烟气脱硝技术的基础上，为保证火电机组长周期运行与污染物达标排放双目标的实现；精准控制氮氧化物排放，并有效减轻氮氧化物排放降低对机组设备的影响，降低空预器堵塞，需对大型火力发电厂的烟气脱硝工艺和装置进行优化改造。

关键词：火电机组；脱硝喷氨；自动控制

随着环境保护政策的日益严格，许多火力发电厂都在积极响应实施减排，因此，如何减轻氮氧化物排放降低对机组设备的影响、实现高效脱硝日益受到电力行业的关注。国内燃煤锅炉烟气脱硝项目是 SCR脱硝技术的重点。因此，在火电厂的生产实践中，为充分发挥SCR脱硝技术的能力与优势，一方面要注重脱硝设施的建设、安装、投产后的脱硝效果和达标排放，另一方面脱硝系统投入使用后的运行模式和控制策略也是其中的关键环节。本文介绍了尿素脱硝系统的自动优化设计，该方案实施后，在满足环境保护要求的前提下，又大大减轻了氮氧化物排放降低对机组设备的影响，保障了机组设备的安全、经济、稳定运行，从而达到节能减排的目的。

1喷氨格栅对脱硝运行的影响

喷氨格栅工艺是 SCR脱硝技术中常用的一种工艺，它的喷氨作用不仅决定着催化剂层中氨氮的分配，而且对脱硝系统的运行有很大的影响。一般所说的氨气不均匀，是指在氨气喷淋后，氨氮摩尔比例分布不均，也就是脱硝系统各个反应区的氨氮浓度没有按照期望的氨氮比例分布；而非不均匀的喷洒氨水。只有当烟气流场和 NOx浓度场都是绝对均匀时，才需要均匀的喷氨。实际运行中，不同流速、不同浓度、不同催化剂性能的催化剂，实际需要去除的 NOx和处理量不同，实际氨需量也不同。在脱硝过程中，氨氮的实际喷氨量和氨需量的不匹配是造成氨过量、氨逃逸和 NOx浓度分布不均的重要因素。

过多的喷氨会导致脱氮效率过高，导致出口 NOx浓度偏低，同时氨气不能参与反应，导致大量氨气逸散，导致空预器发生腐蚀堵塞；喷氨量过少会降低脱硫效果，造成出口 NOx浓度过高，容易造成污染物浓度过高。

由于脱硝装置中 NOx浓度和氨气逃逸浓度的检测多为单一的点位，当氨浓度不均匀时，很容易产生与实际的反应条件不符的问题，其原因是：烟气排放口和烟气排放口 NOx浓度差异较大，氨气浓度与脱硝效率不匹配，氨气逃逸数据偏大，空预器堵塞严重，严重影响了操作人员对脱硝运行状态的判断和调节。

2喷氨格栅运行中存在的问题

2.1影响人身和设备安全的问题

检测装置是直接安装在烟道内的，在正常工作时，它的加热温度很高，对设备的维修有很大的危害。脱硝系统采用局部测点和少量的点数取代了整体的流场，而非分散式的控制模式会使氨气浓度过高，是引起空气预热器阻塞的一个重要原因，也间接地是引起引风机失速的原因。

2.2脱硝系统本体设计存在缺陷

烟气脱硝系统的导流设备不合理，导致烟气进口和反应器内的速度场和浓度场不均匀；喷氨格栅调节阀数目过小，单一阀的控制区面积过大，不能进行小区域、精细的氨喷调节；各喷氨阀的氨气浓度与实际的 NOx浓度存在明显的不一致；喷氨格栅氨调节阀为球形阀，其有效冲程过小，流量控制线性较差。

2.3试运阶段未进行优化调整

在脱硝设备投入运行之前，要对各个喷氨支气管的开度进行调节，使各个喷口喷氨量与 NOx浓度相适应，避免出现局部喷氨量过高或过低；确保每一阀的氨气流量都是一样的（事实上，因为氨气的输送压力随着距离的不同，不同的喷氨阀在不同的位置上会产生不同的流速），但是由于烟气中的流场和 NOx浓度场分布的不均匀，容易造成空预器堵塞。

2.4喷氨格栅堵塞

为了达到更好的混合效果，氨气格栅中的喷嘴通常设计成更多、更小的喷嘴，而在供氨阀长时间处于低开度时，由于分支流量太低，容易造成喷氨网的喷头堵塞。阻塞物的成因有：低温下的硫酸氢铵、烟气或高温下的微粒、尿素热解的中间产物、未热解的尿素结晶。喷管堵塞会对 NH3的分配造成很大的影响，从而造成脱硝效果的不均匀。

2.5脱硝两侧反应器供氨量不合理

当两个脱硝反应器入口 NOx浓度、烟气量等有明显差别时，两边反应器的氨量没有得到合理的调节，仍然采用均匀分布或者保持原来的状态，造成了一侧反应器的氨氮供应不足或过多；长期使用会导致两边反应器之间的催化剂使用寿命差别很大，并且使供氨过剩侧空气预热器的阻塞更加严重。

2.6喷氨格栅阀门腐蚀锈蚀无法调节

一些电厂的氨气格栅由于疏于保养和锈蚀，致使在进行氨气格栅优化调整时，不能调节局部氨气流量，从而影响了氨气的最佳调节。

3喷氨格栅优化调整

3.1调整前准备工作

由于喷氨气格栅的优化调整必须在热态进行，故建议在此之前，应利用空闲时段对脱硝系统设备进行消缺，以确保脱硝系统的各项设备都能正常运转；从而保证了优化的长期稳定性。一是对氨气栅格进行清洗，更换破损的喷头，确保氨气流通；二是要确保所有的喷氨阀都能正常工作，确保在测试过程中可以进行有效的调整；三是清除烟气中的灰尘，特别是催化剂表面的灰尘，以恢复催化剂的比表面积；四是对催化剂内部的情况进行检查，对触媒层的异常情况进行标识（包括严重磨损、塌陷、烧结等），并建议更换故障的催化剂组件，确保反应的有效性；五是在优化调节过程中，将脱氮喷氨从自动调节改为人工调节，以防止氨氮含量变化过大，从而不会影响到出口 NOx浓度场的精度.

3.2喷氨格栅优化调整试验方法

一般在正常运行和满载状态下，对喷氨网进行最优调节，根据脱硝量、入口 NOx浓度场数据和脱硝脱硝出口氨气逃逸分布数据，并根据流场状况和喷氨网的内部布局，判断出各区域的氨气过量和相应的喷氨阀，并通过多次调节气门的开度；通过增加NOx超量区的喷氨量，降低NOx缺乏区的喷氨量，从而达到调节浓度场的目的；并对各种工作条件下的调节效果进行了检验。

3.3超低排放浓度下出口NOx均匀性指标控制

特别是在超低排放改造后，NOx浓度控制在30 mg/Nm3（石家庄市地标）以下，并且对于瞬时超标的管控更加严格，同时，脱硝系统容易受到锅炉运行工况波动的影响，NOx浓度超标现象频发；为了保证不会出现超量，许多电厂都会把氮氧化物的浓度降到非常低的水平，一般在20毫克/Nm3以下。一方面容易发生氨气过喷，使氨耗量和氨气逃逸增加，另一方面，在这样的低浓度区间内，各个点的 NOx浓度差异很小，其数据的微小变动就会对非均匀性产生很大的影响，使得调节工作十分困难。

结论

与除尘系统相比，脱硝系统对运行工况和烟气参数波动的耐受性较差，对系统运行控制水平有较高的要求，定期对氨气喷淋系统进行优化调整；NH3与 NOx的混合更加均匀，氨氮摩尔比的分配更为合理。一般而言，脱硝装置的氨气格栅优化频率应为一年一次，并可视机组的实际工况而适当地增加优化频率，从而极大地改善了脱硝系统的运行稳定性。

参考文献：

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