局部噴氨過(guò)量，是造成燃煤鍋爐空預(yù)器堵塞的主要原因之一，實(shí)際是由于SCR入口氨氮摩爾比分布不均勻造成的。為更精準(zhǔn)的評(píng)估及優(yōu)化氨氮摩爾比，本文提出了一種利用熱濕法多點(diǎn)多組分激光氣體分析系統(tǒng)，同時(shí)測(cè)量SCR催化劑出口端NOx和NH3的方案。該方案可以用來(lái)更精準(zhǔn)的評(píng)估實(shí)時(shí)脫硝效率、脫硝催化劑壽命以及優(yōu)化SCR入口氨氮摩爾比，結(jié)合精準(zhǔn)分布式噴氨方案，可以有效降低局部噴氨過(guò)量，噴氨消耗，緩解空預(yù)器堵塞，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，對(duì)于燃煤電廠(chǎng)的脫硝系統(tǒng)優(yōu)化具有積極意義。
作者：張國(guó)鑫（浙江省浙能技術(shù)研究院）、鄒正偉（浙江省浙能技術(shù)研究院）、陳彪（浙江省浙能技術(shù)研究院）、王胤*（寧波海爾欣光電科技有限公司/浙江清華長(zhǎng)三角研究院）
SCR脫硝出口的高精度氨氮同時(shí)測(cè)量方案 及對(duì)噴氨優(yōu)化控制的意義
一
SCR背景介紹
燃煤鍋爐煙氣排放所含的氮氧化物，是空氣污染的重要前體物，控制燃燒鍋爐煙氣排放的氮氧化物(NOx)總量是各國(guó)環(huán)保法規(guī)的重點(diǎn)。選擇性催化還原（SCR，Selective Catalyst Reduction）是目前煙氣脫硝的主流技術(shù)。通過(guò)在煙氣中注入還原劑氨或尿素的熱解水溶液，其主要成分NH3在催化劑的作用下選擇性的(不發(fā)生NH3的氧化反應(yīng))與煙氣中的NOx（其中95%是NO）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成對(duì)環(huán)境無(wú)害的N2和H2O。
主要化學(xué)反應(yīng)式為： 4NH2+4NO+O2→4N2+6H2O，當(dāng)脫硝效率為80%時(shí)的氨氮摩爾比約為0.8。其中催化劑的主要成分為：V2O5-WO3/TiO2，最佳催化反應(yīng)溫度區(qū)間為280攝氏度至420攝氏度之間。由于氨氮不完全反應(yīng)或者催化劑模塊安裝不夠密封，有一些剩余的NH3逃逸出催化劑層，這些催化反應(yīng)完成后煙氣中剩余的NH3體積濃度，就被稱(chēng)為氨逃逸(Ammonia Slip)。氨逃逸量是衡量SCR運(yùn)行健康狀況最重要指標(biāo)之一。
二
燃煤電廠(chǎng)SCR脫硝系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題-氨逃逸造成空預(yù)器堵塞嚴(yán)重
對(duì)于歐美日等國(guó)的燃?xì)怆姀S(chǎng)，氨逃逸量主要是排放限制的問(wèn)題。然而，對(duì)于以燃煤為主要能源的我國(guó)電廠(chǎng)，氨逃逸的高低影響著脫硝過(guò)程的成本，過(guò)量噴氨不僅僅不會(huì)提高脫硝效率，反而會(huì)與煙氣中的SO3反應(yīng)生成硫酸氫銨(AmmoniumBisulfate, 簡(jiǎn)稱(chēng)ABS)，ABS在一定溫度區(qū)間呈高粘性液態(tài)物質(zhì)，尤其是低溫低負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，由于沒(méi)有有效的氨逃逸監(jiān)測(cè)手段，極易造成噴氨過(guò)量，使得大量ABS凝結(jié)于SCR下游空預(yù)器換熱面的冷端，吸附煙氣中的粉塵形成板結(jié)狀銨鹽，大大降低了空預(yù)器的換熱效果。嚴(yán)重時(shí)造成空預(yù)器堵塞，引風(fēng)機(jī)負(fù)荷上升甚至失速，影響鍋爐的運(yùn)行安全和燃燒效率。電廠(chǎng)必須停爐清洗空預(yù)器，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。
三
脫硝出口氨逃逸，NOx測(cè)量的難點(diǎn)
由于氨逃逸的設(shè)計(jì)建議上限僅為3ppm，氨分子的表面吸附效應(yīng)和水溶解度非常強(qiáng)，決定了測(cè)量?jī)x器最好是在原位，或距離測(cè)量點(diǎn)越近越好，以避免樣氣傳輸管線(xiàn)過(guò)長(zhǎng)造成采樣誤差。另外，儀器不可采用冷凝除水裝置以免氨溶解于水中或銨鹽遇冷堵塞儀器，因此不同于CEMS系統(tǒng)需要除水，當(dāng)前氨逃逸測(cè)量的主流方法是激光光譜法，主流的產(chǎn)品形態(tài)包括單側(cè)式，對(duì)穿式，以及單點(diǎn)抽取式。由于測(cè)量點(diǎn)均為煙道截面內(nèi)某一處的氨逃逸，其測(cè)量結(jié)果不具代表性，無(wú)法獲取整個(gè)煙道截面上的平均氨逃逸量，常常是測(cè)量點(diǎn)的氨逃逸符合設(shè)計(jì)上限，而其他區(qū)域氨逃逸超標(biāo)，無(wú)法反映在氨逃逸測(cè)量結(jié)果中。
另外，由于大多數(shù)國(guó)有電力集團(tuán)采購(gòu)的氨逃逸分析儀表主要是來(lái)自于歐美廠(chǎng)商，這些進(jìn)口產(chǎn)品主要是針對(duì)國(guó)外天燃?xì)忮仩t脫硝工況設(shè)計(jì)的，無(wú)法有效克服我國(guó)燃煤鍋爐煙氣高粉塵、高ABS沉積等更為復(fù)雜嚴(yán)重的工況，多數(shù)進(jìn)口氨逃逸分析儀無(wú)法達(dá)到標(biāo)稱(chēng)精度值，無(wú)法連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)有效的氨逃逸數(shù)據(jù)。目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)電廠(chǎng)對(duì)氨逃逸量的評(píng)估，是根據(jù)脫硝入口和出口的NOx測(cè)量結(jié)果，以及SCR過(guò)程理論模型間接推算出來(lái)的。而這一間接算法對(duì)脫硝入口和出口NOx測(cè)量的準(zhǔn)確度、實(shí)時(shí)性和代表性提出了更高的要求。
脫硝出口NOx的持續(xù)性測(cè)量主要是基于非色散紅外(NDIR)或紫外(DOAS)光譜法的CEMS儀表，此類(lèi)儀表由于煙氣中水份存在光譜重疊干擾，需要在煙氣預(yù)處理中先冷凝除水，再進(jìn)行干基測(cè)量。由于受環(huán)境溫度和振動(dòng)等因素的影響，CEMS儀表只能置于距離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)的環(huán)境穩(wěn)定的小屋里，對(duì)于實(shí)現(xiàn)分布式多點(diǎn)測(cè)量，需要搭建多股長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米的采樣管線(xiàn)，有較高的施工難度，且易造成采樣實(shí)時(shí)性問(wèn)題，因此脫硝出口NOx的測(cè)量結(jié)果，大多參考煙氣排放口的CEMS儀表，無(wú)法反映整個(gè)截面濃度分布的特性；另外，處于分析小屋中的冷干法NOx測(cè)量?jī)x表一般是獨(dú)立采樣做預(yù)處理，很難與熱濕法激光氨逃逸測(cè)量共用一套采樣預(yù)處理裝置，對(duì)于煙道截面同一點(diǎn)處的氨氮摩爾比的分析，失去實(shí)際價(jià)值。近年來(lái)，基于電化學(xué)原理的便攜式測(cè)量?jī)x被作為脫硝出口NOx分布網(wǎng)格法測(cè)量的儀器，但這種便攜式的測(cè)量?jī)x器只適合于做人工短期測(cè)量（由于樣氣冷凝除水這一步，長(zhǎng)期測(cè)量很容易形成管路銨鹽沉積），對(duì)于鍋爐負(fù)荷變化情況下的噴氨優(yōu)化，則需要一種更適合長(zhǎng)期運(yùn)行，可靠的分布式測(cè)量方案。
四
氨氮摩爾比分布均勻性的意義
影響SCR脫硝系統(tǒng)性能的關(guān)鍵參數(shù)包括：脫硝入口處煙氣流場(chǎng)的均勻性，反應(yīng)器溫度場(chǎng)均勻性，NOx濃度分布的均勻性，催化劑活性分布的均勻性，以及氨氮摩爾比分布的均勻性。煙氣流場(chǎng)，溫場(chǎng)以及NOx濃度分布的均勻性，主要經(jīng)由CFD流場(chǎng)仿真，冷態(tài)測(cè)試，初始煙道設(shè)計(jì)，導(dǎo)流板結(jié)構(gòu)布置決定，但在實(shí)際工況由于燃燒場(chǎng)的溫度差異這些參數(shù)與初始設(shè)計(jì)差異較大。例如，圖1顯示了根據(jù)網(wǎng)格法，用TH-880F煙塵采樣儀，對(duì)浙能某電廠(chǎng)3#爐SCR進(jìn)口甲乙兩側(cè)煙道流場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果。很明顯甲乙兩側(cè)流場(chǎng)均勻性都不佳，且投運(yùn)后較難進(jìn)行有效調(diào)整。
圖1、 SCR進(jìn)口流場(chǎng)測(cè)試（左圖：甲側(cè)；右圖：乙側(cè)；單位：m/s）
而催化劑活性分布的均勻性，一方面由催化劑生產(chǎn)質(zhì)量決定，另一方面由脫硝運(yùn)行中流場(chǎng)和NOx濃度分布的均勻性決定，因此上述各均勻性參數(shù)，除氨氮摩爾比分布的均勻性以外，在脫硝設(shè)備投產(chǎn)后均難以進(jìn)行有效的改善，且NOx濃度分布均勻性隨機(jī)組負(fù)荷變化，有較大改變。例如，浙能某電廠(chǎng)#2機(jī)組負(fù)荷1000MW時(shí)，在脫硝A側(cè)出口人工測(cè)試斷面，按網(wǎng)格法布點(diǎn)采樣測(cè)定NOx濃度（均為NOx折算濃度，mg/Nm3），測(cè)試結(jié)果如下表1。
表1 脫硝出口A斷面NOx濃度測(cè)試結(jié)果（1000MW工況）
將表1結(jié)果轉(zhuǎn)化為NOx濃度等高線(xiàn)圖如圖2。
圖2 脫硝出口A斷面NOx濃度分布圖
（1000MW工況）
A側(cè)，下-爐膛，上-電除塵側(cè)
同一機(jī)組負(fù)荷750MW時(shí)，在脫硝A側(cè)出口測(cè)定NOx濃度，測(cè)試結(jié)果如表2
表2 脫硝出口A斷面NOx濃度測(cè)試結(jié)果
（750MW工況）
將表2結(jié)果轉(zhuǎn)化為NOx濃度等高線(xiàn)圖如圖3。
圖3 脫硝出口A斷面NOx濃度分布圖
（750MW工況）
A側(cè)，下-爐膛，上-電除塵側(cè)
在流場(chǎng)及NOx濃度分布不均的情況下，需要將噴氨分布調(diào)整不均，使得氨氮摩爾比的分布均勻性在不同機(jī)組負(fù)荷條件下提升，才能有效降低氨逃逸，提高脫硝效率。這是可以在脫硝設(shè)備投產(chǎn)后進(jìn)行優(yōu)化改善的參數(shù)，因此也是脫硝系統(tǒng)可以?xún)?yōu)化的核心參數(shù)。理論上，煙道截面各點(diǎn)的噴氨量應(yīng)是根據(jù)噴口覆蓋區(qū)域的煙氣流量、NOx濃度，依照最佳氨氮摩爾比得出的。
可調(diào)整噴氨量是由噴氨格柵(AIG)這一脫硝系統(tǒng)的核心部件實(shí)現(xiàn)的。其主要特點(diǎn)是在反應(yīng)器前煙道橫截面上布置若干根安裝噴嘴的噴氨管，將氨水-空氣混合物噴射到煙道截面的不同位置處，使還原劑與煙氣在到達(dá)催化劑之前按照設(shè)計(jì)氨氮摩爾比混合。靈活調(diào)整的AIG在SCR優(yōu)化中發(fā)揮重要功能，可在煙道截面的2D范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)整各噴點(diǎn)的噴氨量，以匹配此處的NOx濃度。然而，在實(shí)際運(yùn)行中各點(diǎn)噴氨量的控制比較粗放盲目，從而出現(xiàn)局部區(qū)域氨過(guò)噴的現(xiàn)象，煙道橫截面上脫硝入口的氨氮摩爾比分配極度不均衡，進(jìn)而導(dǎo)致脫硝效率偏低，出口局部氨逃逸過(guò)高的問(wèn)題。主要原因，是由于脫硝出口工況的惡劣，缺乏對(duì)出口NOx濃度，NH3濃度等在煙道截面的分布這些關(guān)鍵參數(shù)在變機(jī)組負(fù)荷工況下的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備和手段。因此，對(duì)SCR出口煙道橫截面上每一點(diǎn)的NOx和NH3濃度場(chǎng)進(jìn)行分布式在線(xiàn)實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)，可以指導(dǎo)噴氨分布的調(diào)整，對(duì)解決脫硝系統(tǒng)局部區(qū)域氨逃逸過(guò)量、脫硝效率低等問(wèn)題具有重要意義。
五
氨氮摩爾比分布均勻性?xún)?yōu)化方案
為了能夠掌握每個(gè)催化劑模塊的出口NOx和NH3濃度。SCR煙氣脫硝系統(tǒng)通常約有數(shù)十個(gè)模塊，因此需要測(cè)量數(shù)十個(gè)網(wǎng)格中心點(diǎn)的NOx和NH3濃度。常規(guī)的便攜式煙氣取樣方法，由于人工網(wǎng)格法采樣，完成脫硝反應(yīng)器全截面的煙氣分布測(cè)量預(yù)計(jì)需要數(shù)小時(shí)以上，并且由于測(cè)量時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，機(jī)組工況難以維持穩(wěn)定，測(cè)量結(jié)果存在較大誤差，再者煙氣冷凝除水步驟容易造成銨鹽堵塞。因此國(guó)內(nèi)SCR煙氣噴氨的優(yōu)化調(diào)整工作尚未有較好方案。
浙能技術(shù)研究院與寧波海爾欣公司合作，研發(fā)出一套基于中紅外激光光譜原理測(cè)量技術(shù)的高精度脫硝氨氮一體化分析儀，可以快速分析同源煙氣中的NH3 和NOx濃度，高溫?zé)煔庵恍枰M(jìn)行除塵處理，無(wú)需稀釋和冷凝除水，對(duì)雙組分的分析精度均可達(dá)0.01ppm量級(jí)，更適合針對(duì)“超低排放”脫硝技術(shù)改造的工程。相比于傳統(tǒng)CEMS儀表或電化學(xué)分析儀表，激光光譜法更適合于熱濕法采樣，施工和維護(hù)難度低，不受水份和銨鹽干擾，準(zhǔn)原位式的全自動(dòng)測(cè)量使得采樣實(shí)時(shí)性，規(guī)范性，長(zhǎng)期運(yùn)行可靠性和氣體檢測(cè)精度大大提高，具體參數(shù)對(duì)比見(jiàn)下表3。
表3、傳統(tǒng)NOx儀表和激光光譜儀表的特點(diǎn)對(duì)比
據(jù)選擇性催化反應(yīng)原理，對(duì)于每一采樣點(diǎn)i處噴入的氨氣量NH3in_i，要么與入口的NOx反應(yīng)消耗掉，要么沒(méi)有參與反應(yīng)作為氨逃逸脫出，因此有平衡方程：
NH3in_i= (NOxin_i – NOxout_i)+ NH3slip_i, (1)
兩邊同時(shí)除以NOxin_i，可以得出對(duì)于采樣點(diǎn)i的脫硝入口氨氮摩爾比為：
NH3in_i/NOxin_i = (1 – NOxout_i/NOxin_i) + NH3slip_i/NOxin_i, (2)
上述等式對(duì)反應(yīng)器所有位置處都適用，其中NOxin_i和NOxout_i分別為采樣點(diǎn)處脫硝入口和出口的NOx體積濃度，NH3slip_i是同樣位置處的氨逃逸體積濃度。由2式可以看出，氨氮摩爾比即為脫硝效率與NH3slip_i/NOxin_i之和。
氨氮摩爾比分布的測(cè)量和優(yōu)化，可以通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量反應(yīng)器入口和出口處的NOx和NH3體積濃度來(lái)獲得，具體操作步驟如下：
氨氮摩爾比分布的測(cè)量和優(yōu)化，可以通過(guò)多點(diǎn)測(cè)量反應(yīng)器入口和出口處的NOx和NH3體積濃度來(lái)獲得，具體操作步驟如下：
1）測(cè)量脫硝入口NOx分布。方法a)直接獲取正常工況下脫硝入口多點(diǎn)分布的NOx濃度，方法b)短時(shí)關(guān)閉AIG，測(cè)量脫硝出口處多點(diǎn)分布的NOx濃度。方法a)不用擔(dān)心NOx排放超標(biāo)，但需要增加脫硝入口采樣點(diǎn)的安裝施工，方法b)無(wú)需額外施工，但NOx排放會(huì)在短時(shí)超標(biāo)；
2）開(kāi)啟AIG至原來(lái)狀態(tài)，測(cè)量正常脫硝工況下出口NOx和氨逃逸的分布（應(yīng)通過(guò)校準(zhǔn)、檢修或技改等方式提高SCR系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性）；
3）根據(jù)1、2步測(cè)量結(jié)果以及上述2式，計(jì)算出氨氮摩爾比NH3in_i/NOxin_i在脫硝入口的分布；
4）調(diào)整AIG各噴嘴的調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)，以達(dá)到氨氮摩爾比在截面分布均勻性最優(yōu)化（新建機(jī)組在運(yùn)行前冷態(tài)和熱態(tài)調(diào)試中，特別要做好注氨格柵的細(xì)調(diào)工作和相應(yīng)實(shí)驗(yàn)）；
5）逐漸增加整體噴氨量，持續(xù)監(jiān)測(cè)出口NOx和氨逃逸分布，使得NOx排放達(dá)到脫硝標(biāo)準(zhǔn)，氨逃逸分布均值控制在3ppm以?xún)?nèi)；
電話(huà)：