西門子煙氣脫硝氨逃逸應(yīng)用于火電廠SCR法脫硝及控制系統(tǒng)

我國(guó)是以煤炭為主要能源的發(fā)展中國(guó)家，每年直接用于燃燒的煤炭達(dá)12億噸以上，煤炭燃燒后排放出大量的污染物，如SO2、SO3(通稱SOX，硫化物)；NO、NO2(通稱NOX，氮氧化物)；CO2；粉塵等。大量的污染物已在局部地區(qū)造成了酸雨等現(xiàn)象，嚴(yán)重危害著生態(tài)環(huán)境，在上也造成很大影響。而目前在我國(guó)的電力電源結(jié)構(gòu)中，燃煤發(fā)電仍占電力總量的75%以上，因此火電廠已經(jīng)成為我國(guó)主要的大氣污染源之一。

　　NOX(氮氧化物)對(duì)大氣環(huán)境的污染除了與其他化合物一起造成酸雨，對(duì)土壤和水生態(tài)系統(tǒng)帶來不可逆的后果外，還由于它們參與光化學(xué)煙霧的生成而受到人們的重視。日本、歐洲等發(fā)達(dá)國(guó)家早在八十年代已開始在火電廠應(yīng)用脫硝控制技術(shù)，并在某些核心技術(shù)的研究取得了壟斷地位。而我國(guó)近幾年也開始加大對(duì)煙氣脫硝控制技術(shù)的研究及應(yīng)用，如2006年年底前我省投運(yùn)的寧海國(guó)華電廠＃4機(jī)組、大唐烏沙山電廠＃4機(jī)組，成為*采用煙氣脫硝技術(shù)的600MW機(jī)組。

　　1 SCR法脫硝原理

　　火電廠的脫硝控制技術(shù)方式一般有燃燒控制脫硝和煙氣脫硝等。煙氣脫硝技術(shù)按其作用原理不同，可分為吸收、吸附和催化還原等三類。

　　吸收法：向煙道內(nèi)直接噴入吸收劑(如水、堿溶液、稀硝酸等)，吸收煙氣中的NOx物，由于NOx物難溶于水和堿液，因此常采用氧化、還原或配合吸收的辦法以提高NOx物的凈化效率。

　　吸附法：用浸漬了碳酸鈉等吸附劑的圓球等作為觸媒，用來吸附去除煙氣中的NOx物，雖然凈化效率高，但吸附容量小，吸附劑用量大。

　　催化還原法：利用催化劑或高溫等條件來提高、加速煙氣中NOx物與還原劑的還原反應(yīng)，還原成無污染的氮?dú)夂退?，從而達(dá)到凈化NOx物。其中催化還原法由于脫硝效率高、投資運(yùn)行成本相對(duì)較低，因此催化還原法目前占主流地位。

　　催化還原法又根據(jù)是否采用催化劑分為選擇性催化還原法(簡(jiǎn)稱SCR)和選擇性非催化還原法(簡(jiǎn)稱SNCR)：

　　SCR還原法的原理，是還原劑(NH3、尿素)在催化劑作用下，選擇性的與煙氣中的NOX物進(jìn)行還原反應(yīng)，生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故稱為“選擇性"，其主要方程式為：

　　4NH3 + 4NO + O2＝4N2 + 6H2O

　　4NH3 + 2NO2 + O2＝3N2 + 6H2O

　　SNCR還原法與SCR還原法不同處，是不采用催化劑的情況下，用還原劑(NH3、尿素)直接與煙氣中的NOx物在高溫下進(jìn)行還原反應(yīng)。其特點(diǎn)是：不使用催化劑；脫硝還原反應(yīng)所需的溫度高，以還原劑為氨為例，反應(yīng)溫度窗為870~1100℃；投資省、可以直接使用尿素；脫硝效率低(30~50%)、運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性不好。

　　綜合比較，SCR法由于還原反應(yīng)溫度要求低，可安裝在鍋爐尾部，具有對(duì)爐膛影響小；脫硝效率高，用于電站鍋爐時(shí)脫硝效率可達(dá)到85%以上；氨逃逸率低等優(yōu)點(diǎn)。因此SCR法在工業(yè)上得到了廣泛應(yīng)用，也是目前用于固定源NOx治理的一種的脫硝工藝。

　　2大唐烏沙山電廠SCR法脫硝工藝流程

　　烏沙山電廠＃4爐脫硝系統(tǒng)采用SCR脫硝技術(shù)，以液氨為還原劑，引進(jìn)法國(guó)的FLOWTECH公司工藝技術(shù)，主要核心設(shè)備催化劑由奧地利CERAM公司提供，煙氣成套分析儀由德國(guó)西門子公司提供。該脫硝系統(tǒng)包括煙道系統(tǒng)、SCR反應(yīng)器、催化劑、氨噴射系統(tǒng)、氨的制備及供應(yīng)系統(tǒng)、吹灰系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及儀表和電氣系統(tǒng)等，在國(guó)內(nèi)600MW機(jī)組中應(yīng)用，其工藝流程如圖1。

　　SCR法脫硝工藝流程是，液氨儲(chǔ)罐中的液氨(約1.6MPa G)通過壓力調(diào)節(jié)閥將壓力減到0.2-0.6MPa G進(jìn)入到氨蒸發(fā)器蒸發(fā)，經(jīng)氨氣緩沖槽后，控制一定的壓力及流量與稀釋空氣在混合器中混合均勻，zui后經(jīng)噴氨格柵噴入煙道，在SCR反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行脫硝反應(yīng)。

　　0.2-0.6MPa G的液氨進(jìn)入氨蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)管道受熱蒸發(fā)到40℃，加熱源為蒸發(fā)器內(nèi)的蒸汽管道(350℃、1.29MPa G的輔助蒸汽)，蒸發(fā)器的殼程充裝約140kg的純甲醇，這樣可以確保液氨蒸發(fā)過程中不引起凝結(jié)水凍結(jié)堵塞氨蒸發(fā)器。甲醇正常操作壓力0.1MPa G，避免甲醇急速受熱，給定0.8MPa G聯(lián)鎖報(bào)警，此時(shí)關(guān)閉蒸汽進(jìn)口控制閥門，該閥門與氨氣出口溫度聯(lián)鎖控制，調(diào)節(jié)輔助蒸汽進(jìn)量，保證氨氣出口溫度40℃左右。

　　氨氣系統(tǒng)緊急排放的氨氣，排入氨氣稀釋槽中，經(jīng)水的吸收排入廢水池，再經(jīng)由廢水泵送至廢水處理廠處理。廢水池設(shè)有液位報(bào)警聯(lián)鎖，控制廢水泵的開停。

　　氨站和SCR反應(yīng)器區(qū)均設(shè)置氨氣泄漏監(jiān)測(cè)器，測(cè)得環(huán)境中氨氣濃度過高，則報(bào)警并采取相應(yīng)得措施。根據(jù)SCR反應(yīng)器的煙氣流量和進(jìn)出口煙氣中的NOx含量計(jì)算出的氨氣用量，由流量調(diào)節(jié)閥控制由氨站過來的氨氣進(jìn)入SCR反應(yīng)器，其邏輯見下節(jié)的控制邏輯圖及說明。

　　3控制系統(tǒng)介紹

　　SCR脫硝系統(tǒng)在我國(guó)尚屬起步試運(yùn)階段，除其核心技術(shù)—催化劑技術(shù)掌握在歐洲、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家外，其控制系統(tǒng)相對(duì)火電廠的主機(jī)系統(tǒng)或脫硫系統(tǒng)來講比較簡(jiǎn)單。

　　大唐烏沙山電廠＃4爐脫硝的控制系統(tǒng)主要包括氨控制系統(tǒng)、吹灰控制系統(tǒng)、煙氣測(cè)量系統(tǒng)、電氣測(cè)量控制系統(tǒng)等。其中氨控制系統(tǒng)為主要控制系統(tǒng)，它主要包括液氨、氨氣、氨和空氣混合系統(tǒng)的控制。

　　當(dāng)氨管上閥門打開時(shí)，通過流量控制閥氣動(dòng)氨檢測(cè)系統(tǒng)，氨氣流量顯示在控制回路中。

　　NOx總量可通過煙氣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到(煙氣量可從鍋爐DCS系統(tǒng)獲得)，在反應(yīng)器進(jìn)出口測(cè)量NOx濃度(煙氣成套分析儀)。

　　NH3總量計(jì)算的標(biāo)準(zhǔn)方法是根據(jù)進(jìn)出口NOx濃度的差值和煙氣量來決定。

　　上述信號(hào)按照設(shè)定的計(jì)量比放大(一般設(shè)定1.03)，NH3摩爾量根據(jù)要捕獲的NOx摩爾量來決定。通過進(jìn)口NOx測(cè)量值，NH3的理論計(jì)算值，出口NOx濃度值等就可以計(jì)算得到控制系統(tǒng)噴入NH3總量的反饋值。

　　這個(gè)NH3反饋值代表了氣態(tài)NH3的遠(yuǎn)程控制值。反應(yīng)器進(jìn)出口O2含量用來折算進(jìn)出口煙氣的NOx濃度到6%O2含量的標(biāo)準(zhǔn)值。

　　可以通過改變內(nèi)部的或外部的設(shè)定值來自動(dòng)控制NH3的檢測(cè)值。外部值指的是通過計(jì)算得到的NH3的控制值，內(nèi)部值指可以通過計(jì)算機(jī)設(shè)定的值，通常根據(jù)外部設(shè)定值來考慮相應(yīng)的操作。

　　為了防止催化劑表面地積灰堵塞反應(yīng)器，設(shè)計(jì)采用聲波吹灰及控制系統(tǒng)。每層布置4個(gè)聲波吹灰器，預(yù)留層留有接口，初始設(shè)置清灰為每10分鐘吹10秒鐘，每次一組2個(gè)喇叭在同一時(shí)間運(yùn)行，*組運(yùn)行停止40秒鐘后第二組開始清灰。可以在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)清灰時(shí)間和間隔。

　　3.2 DCS控制系統(tǒng)介紹

　　脫硝DCS系統(tǒng)采用與主機(jī)系統(tǒng)一樣的硬件(上海?？怂共_公司)。脫硝系統(tǒng)相對(duì)主廠房或脫硫系統(tǒng)來說，其需控制設(shè)備的點(diǎn)數(shù)較少，下表為烏沙山電廠＃4機(jī)組脫硝的DCS系統(tǒng)的信號(hào)表：

　　以上統(tǒng)計(jì)未包括脫硝與主機(jī)的聯(lián)絡(luò)信號(hào)、系統(tǒng)備用點(diǎn)等。

　　控制系統(tǒng)安裝需注意事項(xiàng)：

　　(1)根據(jù)DCS廠家要求做好脫硝DCS系統(tǒng)的接地工作，其系統(tǒng)地、信號(hào)地、本安地應(yīng)單獨(dú)接地；

　　(2)由于氨為腐蝕性、易燃易爆物，在儲(chǔ)氨區(qū)、以及氨管周圍5米內(nèi)均為防爆區(qū)域；

　　(3)從氨區(qū)(防爆區(qū)域)送至脫硝的DCS機(jī)柜的信號(hào)，其電纜宜采用本安型電纜，其信號(hào)應(yīng)*安全隔離柵進(jìn)行隔離后，再進(jìn)入DCS卡件。

　　(4)做好氨區(qū)所有電氣設(shè)備的防爆封堵措施，及設(shè)備接地工作。

　　4系統(tǒng)調(diào)試

　　脫硝系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試前，首先應(yīng)滿足系統(tǒng)邊界條件，即

　　(1)所需電源已經(jīng)接入到脫硝系統(tǒng)且可投運(yùn)；(2)工業(yè)用水母管和循環(huán)排污水母管已經(jīng)與供水系統(tǒng)接通且可投運(yùn)；(3)脫硝系統(tǒng)壓縮空氣母管已經(jīng)與系統(tǒng)接通,且可投運(yùn)；(4)脫硝廢水排放系統(tǒng)管道與廢水接受系統(tǒng)接通,且可投運(yùn)；(5)脫硝還原劑——液氨可以按設(shè)計(jì)要求投入使用；(6)業(yè)主脫硝化驗(yàn)室設(shè)備已經(jīng)校驗(yàn)合格,且可投運(yùn)。

　　其次設(shè)備單體調(diào)試工作基本結(jié)束：

　　(1)擬進(jìn)入脫硝系統(tǒng)調(diào)試的所有設(shè)備的單體調(diào)試已經(jīng)基本合格，單體調(diào)試記錄并經(jīng)過鑒證認(rèn)可；(2)管道壓力試驗(yàn)和管道的沖洗和吹掃合格；(3)管道與設(shè)備的連接完成；(4)管道濾網(wǎng)和孔板按設(shè)計(jì)要求已經(jīng)安裝完成. (包括臨時(shí)項(xiàng)目)；(5)所有轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械的潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂的油位正常；(6)現(xiàn)場(chǎng)所有儀表安裝完成并已單體調(diào)試合格；(7)所有接線均已完成；(8)DCS系統(tǒng)已供電；(9)電機(jī)的單體測(cè)試已完成。

　　完成上述工作后，進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試流程，調(diào)試準(zhǔn)備&調(diào)試的程序的概要如圖3所示：

　　調(diào)試中注意事項(xiàng)：

　　(1)完善接地系統(tǒng)：由于氨是腐蝕性、易燃易爆物，除系統(tǒng)的原有接地外，還需要注意氨管路的接地及儀表端的本安接地。DCS系統(tǒng)通電調(diào)試前，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)地、信號(hào)地、本安地、保護(hù)地等進(jìn)行檢查，保證接地的電阻符合設(shè)計(jì)及一點(diǎn)接地要求，防止干擾信號(hào)串入燒壞卡件。

　　(2)防止氨氣泄漏：在氨系統(tǒng)投入前，氨系統(tǒng)的管道應(yīng)經(jīng)水壓試驗(yàn)合格、以及氨氣泄露報(bào)警系統(tǒng)已投入。在調(diào)試中曾發(fā)生氨管道法蘭面泄漏，由于氨氣泄露報(bào)警系統(tǒng)的檢測(cè)報(bào)警，消除了事故的隱患。

　　(3)注意儀表調(diào)試：由于本系統(tǒng)的核心控制是氨氣的流量控制，而氨氣控制的依據(jù)則是煙氣的進(jìn)出口兩側(cè)的含量分析，因此必須按廠家要求，用標(biāo)準(zhǔn)氣瓶對(duì)分析儀表進(jìn)行調(diào)校。在調(diào)試間，曾發(fā)生由于氨氣流量變送器的量程設(shè)計(jì)偏大，在氨氣投入的情況下，顯示為零，致使自動(dòng)投不上，開始懷疑測(cè)量管路受堵，后經(jīng)改用合適量程的變送器，故障消除。

　　(4)關(guān)注風(fēng)機(jī)運(yùn)行：由于反應(yīng)器、擋板及煙道等增加了煙氣的流動(dòng)阻力，使引風(fēng)機(jī)的出力增加。在調(diào)試期間，應(yīng)注意風(fēng)機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。

　　5烏沙山脫硝工程總結(jié)

　　本工程從投運(yùn)至今，已經(jīng)多月正常運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)值。

　　(1)由于技術(shù)方FLOWTECH公司對(duì)烏沙山電廠進(jìn)行了精心的流場(chǎng)模擬試驗(yàn)和1:10的物理模型試驗(yàn)，使各部分煙氣流場(chǎng)均勻。運(yùn)行結(jié)果證明沒有出現(xiàn)大的積灰等現(xiàn)象。

　　(2)煙氣進(jìn)口擋板門的位置不妥：由于煙氣旁路系設(shè)計(jì)后期增加，造成擋板門只能設(shè)在垂直向上的部分，使擋板下部成為煙氣死區(qū)，可能會(huì)造成積灰。

　　(3)采用聲波吹灰器的設(shè)計(jì)：吹灰器能夠清除催化劑上粘附的飛灰，防止催化劑堵塞。本工程灰份的粘度低，飛灰的含量適中，因而選擇了聲波吹灰器。這種類型的吹灰器的結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，占用空間小，維護(hù)方便，吹灰效果好。在本工程運(yùn)行了一個(gè)月后打開檢查發(fā)現(xiàn)催化劑表面很干凈，沒有積灰，證明聲波吹灰器的選擇是合理的。

　　(4)導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)：導(dǎo)流板是反應(yīng)器內(nèi)十分重要的組件，其設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響煙氣流場(chǎng)分布的均勻性，從而對(duì)催化劑的性能產(chǎn)生直接的影響。經(jīng)技術(shù)方FLOWTECH公司采用CFD與模型模擬實(shí)驗(yàn)，提出的導(dǎo)流板，形式簡(jiǎn)單、數(shù)量合理，但是效果好，防磨性能好。

　　(5)整流器的設(shè)計(jì)：整流器能夠使煙氣垂直流向催化劑，消除飛灰的偏離，降低對(duì)催化劑的磨損。本工程的整流器結(jié)構(gòu)采用篩網(wǎng)形式，分塊預(yù)制，分塊安裝，降低了制造難度。隔板的間距分布合理，不容易積灰，壓降小。

　　(6)分析儀表靈敏穩(wěn)定：德國(guó)西門子公司整套煙氣分析儀，使用取樣風(fēng)機(jī)抽取煙氣，用抽取法進(jìn)行進(jìn)出口NOx的檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果穩(wěn)定可靠，對(duì)SCR的控制非常有利。

　　(7)氨控制系統(tǒng)：由于控制邏輯合理，儀表，使脫硝效率跟隨響應(yīng)速度非?？?，調(diào)節(jié)非常靈敏，在噴氨量變化50g/min時(shí)，1分鐘內(nèi)脫硝效率變化1%。在使用一層催化劑(預(yù)留兩層備用)的情況下，脫硝效率可達(dá)到50%以上，因此整個(gè)工程脫硝效果還是非常好的。

　　6結(jié)束語(yǔ)

　　隨著人們對(duì)大氣環(huán)境污染的日益重視，火電廠煙氣脫硝技術(shù)將得到廣泛的應(yīng)用。本文以大唐烏沙山電廠＃4爐脫硝系統(tǒng)為例，詳細(xì)地介紹了SCR法煙氣脫硝法的原理以及其控制系統(tǒng)的構(gòu)成、調(diào)試等，拋磚引玉，希望能使人們對(duì)火電廠的煙氣脫硝技術(shù)有所了解，以便能更好地治理環(huán)境問題。