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SCR脫硝出口的高精度氨氮同時測量方案及對噴氨優化控制的意義

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SCR脫硝出口的高精度氨氮同時測量方案及對噴氨優化控制的意義

發布日期:2018-08-15 作者:張成剛 點擊:

SCR脫硝出口的高精度氨氮同時測量方案及對噴氨優化控制的意義


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局部噴氨過量,是造成燃煤鍋爐空預器堵塞的主要原因之一,實際是由于SCR入口氨氮摩爾比分布不均勻造成的。為更精準的評估及優化氨氮摩爾比,本文提出了一種利用熱濕法多點多組分激光氣體分析系統,同時測量SCR催化劑出口端NOx和NH3的方案。該方案可以用來更精準的評估實時脫硝效率、脫硝催化劑壽命以及優化SCR入口氨氮摩爾比,結合精準分布式噴氨方案,可以有效降低局部噴氨過量,噴氨消耗,緩解空預器堵塞,延長催化劑的使用壽命,對于燃煤電廠的優化具有積極意義。

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)總量是各國環保法規的重點。選擇性催化還原(SCR,SelectiveCatalystReduction)是目前的主流技術。通過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(不發生NH3的氧化反應)與煙氣中的NOx(其中95%是NO)發生化學反應,生成對環境無害的N2和H2O。

⎝⎛im电竞⎞⎠主要化學反應式為:4NH2+4NO+O2→4N2+6H2O,當脫硝效率為80%時的氨氮摩爾比約為0.8。其中催化劑的主要成分為:V2O5-WO3/TiO2,佳催化反應溫度區間為280攝氏度至420攝氏度之間。由于氨氮不完全反應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,這些催化反應完成后煙氣中剩余的NH3體積濃度,就被稱為氨逃逸(AmmoniaSlip)。氨逃逸量是衡量SCR運行健康狀況重要指標之一。

二燃煤電廠系統的常見問題-氨逃逸造成空預器堵塞嚴重

⎝⎛im电竞⎞⎠對于歐美日等國的燃氣電廠,氨逃逸量主要是排放限制的問題。然而,對于以燃煤為主要能源的我國電廠,氨逃逸的高低影響著脫硝過程的成本,過量噴氨不僅僅不會提高脫硝效率,反而會與煙氣中的SO3反應生成硫酸氫銨(AmmoniumBisulfate,簡稱ABS),ABS在一定溫度區間呈高粘性液態物質,尤其是低溫低負荷運行狀態下,由于沒有有效的氨逃逸監測手段,極易造成噴氨過量,使得大量ABS凝結于SCR下游空預器換熱面的冷端,吸附煙氣中的粉塵形成板結狀銨鹽,大大降低了空預器的換熱效果。嚴重時造成空預器堵塞,引風機負荷上升甚至失速,影響鍋爐的運行安全和燃燒效率。電廠必須停爐清洗空預器,造成較大的經濟損失。

三脫硝出口氨逃逸,NOx測量的難點

由于氨逃逸的設計建議上限僅為3ppm,氨分子的表面吸附效應和水溶解度非常強,決定了測量儀器好是在原位,或距離測量點越近越好,以避免樣氣傳輸管線過長造成采樣誤差。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系統需要除水,當前氨逃逸測量的主流方法是激光光譜法,主流的產品形態包括單側式,對穿式,以及單點抽取式。由于測量點均為煙道截面內某一處的氨逃逸,其測量結果不具代表性,無法獲取整個煙道截面上的平均氨逃逸量,常常是測量點的氨逃逸符合設計上限,而其他區域氨逃逸超標,無法反映在氨逃逸測量結果中。

另外,由于大多數國有電力集團采購的氨逃逸分析儀表主要是來自于歐美廠商,這些進口產品主要是針對國外天燃氣鍋爐脫硝工況設計的,無法有效克服我國燃煤鍋爐煙氣高粉塵、高ABS沉積等更為復雜嚴重的工況,多數進口氨逃逸分析儀無法達到標稱精度值,無法連續在線監測有效的氨逃逸數據。目前國內大多數電廠對氨逃逸量的評估,是根據脫硝入口和出口的NOx測量結果,以及SCR過程理論模型間接推算出來的。而這一間接算法對脫硝入口和出口NOx測量的準確度、實時性和代表性提出了更高的要求。

⎝⎛im电竞⎞⎠脫硝出口NOx的持續性測量主要是基于非色散紅外(NDIR)或紫外(DOAS)光譜法的CEMS儀表,此類儀表由于煙氣中水份存在光譜重疊干擾,需要在煙氣預處理中先冷凝除水,再進行干基測量。由于受環境溫度和振動等因素的影響,CEMS儀表只能置于距離現場較遠的環境穩定的小屋里,對于實現分布式多點測量,需要搭建多股長達數十米的采樣管線,有較高的施工難度,且易造成采樣實時性問題,因此脫硝出口NOx的測量結果,大多參考煙氣排放口的CEMS儀表,無法反映整個截面濃度分布的特性;另外,處于分析小屋中的冷干法NOx測量儀表一般是獨立采樣做預處理,很難與熱濕法激光氨逃逸測量共用一套采樣預處理裝置,對于煙道截面同一點處的氨氮摩爾比的分析,失去實際價值。近年來,基于電化學原理的便攜式測量儀被作為脫硝出口NOx分布網格法測量的儀器,但這種便攜式的測量儀器只適合于做人工短期測量(由于樣氣冷凝除水這一步,長期測量很容易形成管路銨鹽沉積),對于鍋爐負荷變化情況下的噴氨優化,則需要一種更適合長期運行,可靠的分布式測量方案。

四氨氮摩爾比分布均勻性的意義

影響SCR脫硝系統性能的關鍵參數包括:脫硝入口處煙氣流場的均勻性,反應器溫度場均勻性,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,溫場以及NOx濃度分布的均勻性,主要經由CFD流場仿真,冷態測試,初始煙道設計,導流板結構布置決定,但在實際工況由于燃燒場的溫度差異這些參數與初始設計差異較大。例如,圖1顯示了根據網格法,用TH-880F煙塵采樣儀,對浙能某電廠3#爐SCR進口甲乙兩側煙道流場的測試結果。很明顯甲乙兩側流場均勻性都不佳,且投運后較難進行有效調整。

圖1、SCR進口流場測試(上圖:甲側;下圖:乙側;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質量決定,另一方面由脫硝運行中流場和NOx濃度分布的均勻性決定,因此上述各均勻性參數,除氨氮摩爾比分布的均勻性以外,在脫硝設備投產后均難以進行有效的改善,且NOx濃度分布均勻性隨機組負荷變化,有較大改變。例如,浙能某電廠#2機組負荷1000MW時,在脫硝A側出口人工測試斷面,按網格法布點采樣測定NOx濃度(均為NOx折算濃度,mg/Nm3),測試結果如下表1。

表1脫硝出口A斷面NOx濃度測試結果(1000MW工況)

⎝⎛im电竞⎞⎠將表1結果轉化為NOx濃度等高線圖如圖2。

⎝⎛im电竞⎞⎠圖2脫硝出口A斷面NOx濃度分布圖

(1000MW工況)

A側,下-爐膛,上-電除塵側

⎝⎛im电竞⎞⎠同一機組負荷750MW時,在脫硝A側出口測定NOx濃度,測試結果如表2。

表2脫硝出口A斷面NOx濃度測試結果

(750MW工況)

將表2結果轉化為NOx濃度等高線圖如圖3。

⎝⎛im电竞⎞⎠圖3脫硝出口A斷面NOx濃度分布圖

(750MW工況)

⎝⎛im电竞⎞⎠A側,下-爐膛,上-電除塵側

在流場及NOx濃度分布不均的情況下,需要將噴氨分布調整不均,使得氨氮摩爾比的分布均勻性在不同機組負荷條件下提升,才能有效降低氨逃逸,提高脫硝效率。這是可以在脫硝設備投產后進行優化改善的參數,因此也是脫硝系統可以優化的核心參數。理論上,煙道截面各點的噴氨量應是根據噴口覆蓋區域的煙氣流量、NOx濃度,依照佳氨氮摩爾比得出的。

可調整噴氨量是由噴氨格柵(AIG)這一脫硝系統的核心部件實現的。其主要特點是在反應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催化劑之前按照設計氨氮摩爾比混合。靈活調整的AIG在SCR優化中發揮重要功能,可在煙道截面的2D范圍內獨立調整各噴點的噴氨量,以匹配此處的NOx濃度。然而,在實際運行中各點噴氨量的控制比較粗放盲目,從而出現局部區域氨過噴的現象,煙道橫截面上脫硝入口的氨氮摩爾比分配極度不均衡,進而導致脫硝效率偏低,出口局部氨逃逸過高的問題。主要原因,是由于脫硝出口工況的惡劣,缺乏對出口NOx濃度,NH3濃度等在煙道截面的分布這些關鍵參數在變機組負荷工況下的實時監測設備和手段。因此,對SCR出口煙道橫截面上每一點的NOx和NH3濃度場進行分布式在線實時連續監測,可以指導噴氨分布的調整,對解決脫硝系統局部區域氨逃逸過量、脫硝效率低等問題具有重要意義。

五氨氮摩爾比分布均勻性優化方案

為了能夠掌握每個催化劑模塊的出口NOx和NH3濃度。SCR煙氣脫硝系統通常約有數十個模塊,因此需要測量數十個網格中心點的NOx和NH3濃度。常規的便攜式煙氣取樣方法,由于人工網格法采樣,完成脫硝反應器全截面的煙氣分布測量預計需要數小時以上,并且由于測量時間過長,機組工況難以維持穩定,測量結果存在較大誤差,再者煙氣冷凝除水步驟容易造成銨鹽堵塞。因此國內SCR煙氣噴氨的優化調整工作尚未有較好方案。

⎝⎛im电竞⎞⎠浙能技術研究院與寧波海爾欣公司合作,研發出一套基于中紅外激光光譜原理測量技術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,高溫煙氣只需要進行除塵處理,無需稀釋和冷凝除水,對雙組分的分析精度均可達0.01ppm量級,更適合針對“超低排放”脫硝技術改造的工程。相比于傳統CEMS儀表或電化學分析儀表,激光光譜法更適合于熱濕法采樣,施工和維護難度低,不受水份和銨鹽干擾,準原位式的全自動測量使得采樣實時性,規范性,長期運行可靠性和氣體檢測精度大大提高,具體參數對比見下表3。

⎝⎛im电竞⎞⎠表3、傳統NOx儀表和激光光譜儀表的特點對比

據選擇性催化反應原理,對于每一采樣點i處噴入的氨氣量NH3in_i,要么與入口的NOx反應消耗掉,要么沒有參與反應作為氨逃逸脫出,因此有平衡方程:

⎝⎛im电竞⎞⎠NH3in_i=(NOxin_i–NOxout_i)+NH3slip_i,(1)

兩邊同時除以NOxin_i,可以得出對于采樣點i的脫硝入口氨氮摩爾比為:

⎝⎛im电竞⎞⎠NH3in_i/NOxin_i=(1–NOxout_i/NOxin_i)+NH3slip_i/NOxin_i,(2)

上述等式對反應器所有位置處都適用,其中NOxin_i和NOxout_i分別為采樣點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量和優化,可以通過多點測量反應器入口和出口處的NOx和NH3體積濃度來獲得,具體操作步驟如下:

⎝⎛im电竞⎞⎠氨氮摩爾比分布的測量和優化,可以通過多點測量反應器入口和出口處的NOx和NH3體積濃度來獲得,具體操作步驟如下:

⎝⎛im电竞⎞⎠1)測量脫硝入口NOx分布。方法a)直接獲取正常工況下脫硝入口多點分布的NOx濃度,方法b)短時關閉AIG,測量脫硝出口處多點分布的NOx濃度。方法a)不用擔心NOx排放超標,但需要增加脫硝入口采樣點的安裝施工,方法b)無需額外施工,但NOx排放會在短時超標;

2)開啟AIG至原來狀態,測量正常脫硝工況下出口NOx和氨逃逸的分布(應通過校準、檢修或技改等方式提高SCR系統測量準確性);

⎝⎛im电竞⎞⎠3)根據1、2步測量結果以及上述2式,計算出氨氮摩爾比NH3in_i/NOxin_i在脫硝入口的分布;

4)調整AIG各噴嘴的調節閥、流量計,以達到氨氮摩爾比在截面分布均勻性優化(新建機組在運行前冷態和熱態調試中,特別要做好注氨格柵的細調工作和相應實驗);

⎝⎛im电竞⎞⎠5)逐漸增加整體噴氨量,持續監測出口NOx和氨逃逸分布,使得NOx排放達到脫硝標準,氨逃逸分布均值控制在3ppm以內;

六測試設備及原理

該方案的核心測量儀器為第二代中紅外激光光譜技術,如圖4所示,由于NH3和NO分子在中紅外的吸收光譜強度遠高于近紅外的吸收光譜,檢測精度比近紅外激光氣體分析儀高數十倍。儀器不需要長光程吸收即可達到所需精度,解決了近紅外激光氣體分析儀在現場使用中的長光程氣體池維護、穩定可靠性、對光、精度、采樣代表性等問題。

圖4、NH3(左圖)和NO(右圖)的中紅外吸收譜與近紅外吸收譜強度的對比

圖5、氨氮一體化分析儀表

圖6、自動化多點分布采樣示意圖

儀器采用全自動多點分布采樣方案,可以有效測量每一采樣點處的NH3和NOx含量,各點采樣時間均勻,消除了人工采樣的誤差。激光測量法的樣氣預處理無需冷凝除水,由于內部沒有活動部件,抗機械振動能力也遠高于CEMS儀表,因此可以在脫硝出口空預器附近進行直接采樣測量,無需進入分析小屋。準原位式的測量使得采樣的滯后時間控制在十秒以內,提高噴氨反饋控制的實時性。為驗證儀器性能,現場對儀表的氨和NOx測量功能進行,濃度階梯測試,結果曲線如下圖7所示:

⎝⎛im电竞⎞⎠圖7、高精度氨氮一體分析儀濃度階梯測試曲線

⎝⎛im电竞⎞⎠目前現場實測結果以及噴氨優化的調整工作正在進行中,更詳盡結果及討論留待后續論文中發表公布。

總結

燃煤電廠SCR脫硝裝置運行情況直接關系著電廠NOx排放及相關環保電價的獲取程度。本文對浙能集團內兩臺獨立機組超低排放改造后SCR脫硝反應器出口NOx分布和逃逸氨濃度進行研究,發現改造后機組存在脫硝反應器入口流場和出口NOx分布嚴重不均的情況,說明超低排放改造后機組需重點優化的是入口氨氮摩爾比均勻性這一核心要素。提出一種基于中紅外激光光譜分析的氨氮一體化監測方案,采用熱濕法在脫硝出口處分布自動取樣的方式,適合安裝于采樣現場,提高了噴氨反饋控制的實時性及系統長期運行可靠性。


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