陈国宝 易秉恒 翁文霖 林周勇 连达得 李 颖 张 健

（1.国能（泉州）热电有限公司，福建 泉州 362801；2.深圳市安瑞昕电力科技有限公司，广东 深圳 518038）

0 引言

2015年国家三部委联合印发的《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求各火电企业NOx的排放值不高于50mg/Nm3，给火电行业带来了严峻挑战，促成了各火电机组开始新一轮的氮氧化物超低排放改造。选择性非催化还原（SNCR）技术和选择性催化还原（SCR）技术以其成熟的工艺以及超高的脱硝效率被广泛用于燃煤电厂氮氧化物超低排放改造。目前，国内燃煤电站投运和在建的SCR系统超过800套，其中一些SCR反应器由于未在试运期间进行喷氨优化，导致其入口氨的分布不均匀，投运一段时间后空气预热器被硫酸氢铵严重堵塞，甚至引起炉膛负压波动，不得不停炉吹扫。因此，需进行喷氨优化调整试验和最大脱硝效率性能试验，在保证较高的脱硝效率和NOx排放浓度达标的前提下，使氨逃逸浓度不超过设计值（3uL/L），实现机组的安全、稳定运行。主要有以下几方面的因素：（1）烟气中含有未完全脱除的SO3和水蒸气，逃逸出来的氨气会与两者发生如下反应生成硫酸氢氨：

硫酸氢氨在150℃～210℃温度范围内呈现液态，而且燃煤机组烟道飞灰含量高，液态硫酸氢氨粘性极强，直接粘附在预热器传热原件上的同时，还吸附烟气中的大量飞灰形成融盐状的积灰，降低换热器的换热效率，造成换热器的腐蚀、堵塞，进而影响机组的正常运行，因此，氨泄漏必须小于5ppm，最好低于2～3ppm，以减少硫酸铵和硫酸氢铵的生成；（2）二氧化硫被氧化成三氧化硫的反应对温度敏感性超过了SCR反应，烟气中的SO2与SCR催化剂结合会被迅速氧化成SO3，容易造成催化剂中毒，而且SO3会加剧空预器的飞灰沉积，加剧换热部件的飞灰沉积和腐蚀，产生恶行循环，因此，提高脱硫装置的效率也是非常有效的方法[1]；（3）催化剂系统的入口的NH3/NOx摩尔比分布不均匀，N氨还原剂不足的区域会因还原剂不足造成脱硝效率下降，导致烟气排放NOx浓度超标。

本文分析了造成喷氨过量的主要原因，并结合前人对喷氨系统的改造经验，提出一些针对喷氨优化的建议，为燃煤电厂氮氧化物超低排放技术提供一定的理论基础。

1 脱硝系统喷氨过量主要原因分析

1.1 脱硝CEMS系统取样单一，喷氨控制系统粗放滞后[2]

燃煤机组脱硝系统安装的烟气排放连续监测系统（CEMS）采用的是单点取样法，因烟道流场分布，所以CEMS系统采集的数据只是取样器极窄区域的氮氧化物浓度，不具普遍性，无法代表整个控制区域的氮氧化物浓度分布。而且，整个脱硝系统的反馈调节主要依据就是取样器采集的脱硝系统出入口氮氧化物浓度，与实际脱硝系统控制区域的氮氧化物浓度出入较大，影响喷氨总量的控制精度。因此，燃煤电厂必然不会根据单点测试采集的数据进行喷氨量的调节，为保证高的氮氧化物脱除效率，只能增大喷氨总量，导致喷氨控制品质极差。另外，燃煤机组的配风、投入的煤质、负荷和制粉系统等影响都会给整个脱硝系统带来严重影响，降低实际脱硝控制系统的精准喷氨量，产生局部氨逃逸现象。

1.2 烟氨混合器数量不够，无法实现分区喷氨控制[3,4]

通常在单侧烟道共设置四个喷氨喷嘴，还设置了四个与之对应的喷氨涡流混合器。虽然喷氨涡流混合器喷氨覆盖面广、喷氨均匀，但是数量有限，再加上烟道流场紊乱，无法实现区域内精准喷氨控制，同样的，要保证高的氮氧化物脱除效率，只能增大喷氨总量，满足高氮氧化物浓度区域的还原条件，与此同时，低氮氧化物浓度区域呈现高氨还原剂浓度，局部氨还原剂过量，从而产生局部氨逃逸现象。

1.3 喷氨调节不合理和烟气分析仪表精度的影响

无论是SNCR还是SCR技术，其喷氨阀的开度总是根据NOx监测量自动调节，其按照设定的NH3/NOx摩尔比来确定当前机组运行情况以及当前条件下设计喷氨量。另外，控制系统中通过监测NH3浓度确定的NH3逃逸率这一反馈信号，进一步调节喷氨格栅的阀门开度，控制氨还原剂投入量。因此，喷氨过程中喷氨格栅的阀门开度是重要影因素，开度小，则氨还原剂不够，开度大，氨逃逸现象严重。另外，烟气分析仪的精度对喷氨格栅的阀门开度也有重要影响，通过烟气分析仪确定的氨还原剂喷入量会由于精度问题导致过多或过少，造成脱硝效率下降，烟气出口NOx浓度增大。

2 脱硝系统精准喷氨改造建议

2.1 改造CEMS系统，提高精度[5]

CEMS采样系统采用单点取样法，数据不具备普适性，无法表示采样器位置截面区域烟气氮氧化物浓度，因此需要对CEMS采样系统进行改造。可以将每个喷氨喷嘴阀门改为独立控制，将整个喷氨系统控制区域进行截面分区，分区的数量应与整个喷氨系统控制区域相对应，在整个截面上布置采样器，按照截面分区的数量布置取样点。综合每个截面区域取样器采集的氮氧化物浓度的平均值，实时独立调整各分区喷氨喷嘴的阀门，达到各局部区域截面的氨还原剂浓度达到脱除氮氧化物浓度的要求，避免产生局部氨逃逸现象。另外，为避免取样器的飞灰沉积，需要对整个流场进行模拟分析，找出飞灰沉积位置，优化取样器的布置，控制飞灰沉积高度负荷设计工况，同时还需要增设取样器区域的防飞灰沉积的反吹系统。现阶段CEMS取样系统的取样器布置方式多样，可结合神经网络等计算机模拟分析技术，优化控制算法，实现各局部区域喷氨量的自动控制；另外，还可综合考虑烟气流速对烟道内氮氧化物浓度分布的影响，掌握单位时间内各截面区域氮氧化物物质质量对于机组配风、投入的煤质、负荷和制粉系统等因素的变化具有实时监测和喷氨总量的可控制性，可以更加精准控制喷氨量。

2.2 喷氨混合器及喷嘴改造

同样的，根据CEMS系统对烟道划分的各控制区域，根据烟道的尺寸，参考CFD仿真分析结果，对喷氨混合器及喷嘴进行再设计，实现各区域喷氨量精准控制和分区按需喷氨的目的，保证最大程度减少各局部区域的氨逃逸量。各控制区域均匀布置喷氨喷嘴，设计辅助供氨支管，并且每个支管均需装备智能调节阀以控制喷氨量，各支管的智能调节阀并入总的脱硝系统，远程控制，实时根据各分区氮氧化物浓度情况调节自身开度，控制喷氨量，减少氨逃逸量。

2.3 喷氨总量和局部喷氨量反馈调节机制

机组配风、投入的煤质、负荷和制粉系统等发生改变时势必会影响整个脱硝系统的实时精确性，因此需要根据机组设计工况建立标准喷氨控制模型，通过实验及CFD模拟机组各参数变化的实时情况，给出修正系数，在机组变参数运行下，提升机组脱硝系统的灵活性，辅助调节喷氨总量和各区域喷氨量控制的联动性，另外对于喷氨总量和各区域喷氨量控制需设立两套独立的控制系统，以便于局部喷氨量随着氮氧化物浓度的变化而变化，起到精准控制喷氨量的作用，同时，两套系统相互联动，保证氨逃逸量降至设计工况范围内。

2.4 智能喷氨优化控制系统的应用

现阶段大多数燃煤电厂喷氨调节多为人工，不仅费时费力，其喷氨量调控难度系数较高。因此，建立智能喷氨优化控制系统非常必要，可实现喷氨阀门的精确控制，即精确开度控制，可以减少氨逃逸现象，避免氨还原剂的浪费，造成还原系统、空预器的堵塞，另外，杜绝了喷氨量不足导致的烟气NOx排放量超标。

智能喷氨优化控制系统主要包括：（1）构建炉内氨还原剂检测网格，解决区域单点数据的不准确性，实现脱硝系统流场界面的氨还原剂的高精度、高代表性；（2）安装高精度自动喷氨格栅阀门调节装置，解决了人工手动调节给氨量的不准确性以及人为反应的滞后性问题，提高了整个控制系统的灵敏程度以及灵活度，给喷氨精准控制奠定了基础；（3）建立喷氨量与氨逃逸量的大数据库监测，通过与历史数据的对比，建立喷氨量与氨逃逸量的一一对应关系，判断系统的运行状况，实现烟道流场、催化剂、炉内流场的智能控制，方便催化剂的吹灰控制，改变了固定频率导致的吹灰效果不佳等问题，延长了催化剂的使用寿命；（4）实时监测锅炉运行状态，调整催化剂入口烟温，保证燃烧最大效率，保证氨还原剂的喷入量，防止催化剂高温烧结和低温失活。

3 实施过程中常见问题

（1）公司甲精确喷氨项目改造完成后，NOx控制稳定性明显增加，氨逃逸量控制稳定，但此次改造项目同时增加导流板等，对区域流场进行了优化，并不能单独代表分区控制的优化效果；

（2）在总量控制无明显变化，分区控制不均衡度无明显变化，左右侧喷氨调门开度无明显变化，总喷氨量无明显变化的情况下，部分分区调门开度大幅度变化后，对应分区的 NOx无明显变化，厂家给出的解释是由于管道及调门的节流，调门到达一定开度后，再增加开度喷氨量变化不大。分区自动调节还有优化的空间；

（3）公司甲项目改造后投入时间较短（2018年12月初），且改造前2#机空预器无堵塞现象，无直观的数据可以说明此次改造项目能改善空预器堵塞问题；

（4）分区控制系统现场增加了每个分区喷氨的流量计、管路压力表、反吹回路、稀释空气回路、采样回路等，管路节点较多，若发生泄漏或堵塞时将影响分区自动控制和脱硝系统运行；

（5）SCR脱硝反应器的人口处氨氮分布均匀性及喷氨格栅出口流速均匀性是影响脱硝效率和副反应发生的重要因素，为保持脱硝装置安全经济运行，应定期进行喷氨优化调整，通过热态下测量SCR反应器进出口NOx和NH3浓度分布，优化不同格栅喷嘴的喷氨量，以实现机组在不同运行负荷下，脱硝效率合理、NO排放浓度达标及氨逃逸浓度最低的最佳控制。 此外，通过喷氨优化调整使氨与烟气混合均匀后，注意防止片面追求过高脱硝效率而造成整体过量喷氨，危害下游设备运行，脱硝装置的最大效率可通过最大脱硝效率试验来确定。

4 结语

本文对脱硝系统存在的喷氨过量问题进行了具体分析，针对性地提出了一些解决办法：（1）对喷氨系统进行分区，使各局部区域喷氨量控制与总喷氨量控制具备联动功能；（2）通过设置喷氨总量与局部喷氨量反馈调节机制，使其对机组变工况工作具有针对性、实时性和准确性；（3）改造CEMS采样方法，采用烟道截面取样法，使脱硝系统采集的数据更加准确，更具普适性；（4）总共增设总喷氨量控制和局部喷氨量控制两套系统，两套系统相互联动，起到精准控制喷氨量的作用。