西門子煙氣脫硝氨逃逸應用于火電廠SCR法脫硝及控制系統

我國是以煤炭為主要能源的發展中國家，每年直接用于燃燒的煤炭達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造成了酸雨等現象，嚴重危害著生態環境，在上也造成很大影響。而目前在我國的電力電源結構中，燃煤發電仍占電力總量的75%以上，因此火電廠已經成為我國主要的大氣污染源之一。

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

　　1 SCR法脫硝原理

　　火電廠的脫硝控制技術方式一般有燃燒控制脫硝和煙氣脫硝等。煙氣脫硝技術按其作用原理不同，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，還原成無污染的氮氣和水，從而達到凈化NOx物。其中催化還原法由于脫硝效率高、投資運行成本相對較低，因此催化還原法目前占主流地位。

　　催化還原法又根據是否采用催化劑分為選擇性催化還原法(簡稱SCR)和選擇性非催化還原法(簡稱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物進行還原反應，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物在高溫下進行還原反應。其特點是：不使用催化劑；脫硝還原反應所需的溫度高，以還原劑為氨為例，反應溫度窗為870~1100℃；投資省、可以直接使用尿素；脫硝效率低(30~50%)、運行的可靠性和穩定性不好。

　　綜合比較，SCR法由于還原反應溫度要求低，可安裝在鍋爐尾部，具有對爐膛影響小；脫硝效率高，用于電站鍋爐時脫硝效率可達到85%以上；氨逃逸率低等優點。因此SCR法在工業上得到了廣泛應用，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爐脫硝系統采用SCR脫硝技術，以液氨為還原劑，引進法國的FLOWTECH公司工藝技術，主要核心設備催化劑由奧地利CERAM公司提供，煙氣成套分析儀由德國西門子公司提供。該脫硝系統包括煙道系統、SCR反應器、催化劑、氨噴射系統、氨的制備及供應系統、吹灰系統、控制系統及儀表和電氣系統等，在國內600MW機組中應用，其工藝流程如圖1。

　　SCR法脫硝工藝流程是，液氨儲罐中的液氨(約1.6MPa G)通過壓力調節閥將壓力減到0.2-0.6MPa G進入到氨蒸發器蒸發，經氨氣緩沖槽后，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后經噴氨格柵噴入煙道，在SCR反應器內進行脫硝反應。

　　0.2-0.6MPa G的液氨進入氨蒸發器內的蒸發管道受熱蒸發到40℃，加熱源為蒸發器內的蒸汽管道(350℃、1.29MPa G的輔助蒸汽)，蒸發器的殼程充裝約140kg的純甲醇，這樣可以確保液氨蒸發過程中不引起凝結水凍結堵塞氨蒸發器。甲醇正常操作壓力0.1MPa G，避免甲醇急速受熱，給定0.8MPa G聯鎖報警，此時關閉蒸汽進口控制閥門，該閥門與氨氣出口溫度聯鎖控制，調節輔助蒸汽進量，保證氨氣出口溫度40℃左右。

　　氨氣系統緊急排放的氨氣，排入氨氣稀釋槽中，經水的吸收排入廢水池，再經由廢水泵送至廢水處理廠處理。廢水池設有液位報警聯鎖，控制廢水泵的開停。

　　氨站和SCR反應器區均設置氨氣泄漏監測器，測得環境中氨氣濃度過高，則報警并采取相應得措施。根據SCR反應器的煙氣流量和進出口煙氣中的NOx含量計算出的氨氣用量，由流量調節閥控制由氨站過來的氨氣進入SCR反應器，其邏輯見下節的控制邏輯圖及說明。

　　3控制系統介紹

　　SCR脫硝系統在我國尚屬起步試運階段，除其核心技術—催化劑技術掌握在歐洲、日本等發達國家外，其控制系統相對火電廠的主機系統或脫硫系統來講比較簡單。

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

　　當氨管上閥門打開時，通過流量控制閥氣動氨檢測系統，氨氣流量顯示在控制回路中。

　　NOx總量可通過煙氣監測系統得到(煙氣量可從鍋爐DCS系統獲得)，在反應器進出口測量NOx濃度(煙氣成套分析儀)。

　　NH3總量計算的標準方法是根據進出口NOx濃度的差值和煙氣量來決定。

　　上述信號按照設定的計量比放大(一般設定1.03)，NH3摩爾量根據要捕獲的NOx摩爾量來決定。通過進口NOx測量值，NH3的理論計算值，出口NOx濃度值等就可以計算得到控制系統噴入NH3總量的反饋值。

　　這個NH3反饋值代表了氣態NH3的遠程控制值。反應器進出口O2含量用來折算進出口煙氣的NOx濃度到6%O2含量的標準值。

　　可以通過改變內部的或外部的設定值來自動控制NH3的檢測值。外部值指的是通過計算得到的NH3的控制值，內部值指可以通過計算機設定的值，通常根據外部設定值來考慮相應的操作。

　　為了防止催化劑表面地積灰堵塞反應器，設計采用聲波吹灰及控制系統。每層布置4個聲波吹灰器，預留層留有接口，初始設置清灰為每10分鐘吹10秒鐘，每次一組2個喇叭在同一時間運行，*組運行停止40秒鐘后第二組開始清灰?？梢栽诂F場調節清灰時間和間隔。

　　3.2 DCS控制系統介紹

　　脫硝DCS系統采用與主機系統一樣的硬件(上海?？怂共_公司)。脫硝系統相對主廠房或脫硫系統來說，其需控制設備的點數較少，下表為烏沙山電廠＃4機組脫硝的DCS系統的信號表：

　　以上統計未包括脫硝與主機的聯絡信號、系統備用點等。

　　控制系統安裝需注意事項：

　　(1)根據DCS廠家要求做好脫硝DCS系統的接地工作，其系統地、信號地、本安地應單獨接地；

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

　　(3)從氨區(防爆區域)送至脫硝的DCS機柜的信號，其電纜宜采用本安型電纜，其信號應*安全隔離柵進行隔離后，再進入DCS卡件。

　　(4)做好氨區所有電氣設備的防爆封堵措施，及設備接地工作。

　　4系統調試

　　脫硝系統進入系統調試前，首先應滿足系統邊界條件，即

　　(1)所需電源已經接入到脫硝系統且可投運；(2)工業用水母管和循環排污水母管已經與供水系統接通且可投運；(3)脫硝系統壓縮空氣母管已經與系統接通,且可投運；(4)脫硝廢水排放系統管道與廢水接受系統接通,且可投運；(5)脫硝還原劑——液氨可以按設計要求投入使用；(6)業主脫硝化驗室設備已經校驗合格,且可投運。

　　其次設備單體調試工作基本結束：

　　(1)擬進入脫硝系統調試的所有設備的單體調試已經基本合格，單體調試記錄并經過鑒證認可；(2)管道壓力試驗和管道的沖洗和吹掃合格；(3)管道與設備的連接完成；(4)管道濾網和孔板按設計要求已經安裝完成. (包括臨時項目)；(5)所有轉動機械的潤滑油和潤滑脂的油位正常；(6)現場所有儀表安裝完成并已單體調試合格；(7)所有接線均已完成；(8)DCS系統已供電；(9)電機的單體測試已完成。

　　完成上述工作后，進入系統調試流程，調試準備&調試的程序的概要如圖3所示：

　　調試中注意事項：

　　(1)完善接地系統：由于氨是腐蝕性、易燃易爆物，除系統的原有接地外，還需要注意氨管路的接地及儀表端的本安接地。DCS系統通電調試前，應對系統地、信號地、本安地、保護地等進行檢查，保證接地的電阻符合設計及一點接地要求，防止干擾信號串入燒壞卡件。

　　(2)防止氨氣泄漏：在氨系統投入前，氨系統的管道應經水壓試驗合格、以及氨氣泄露報警系統已投入。在調試中曾發生氨管道法蘭面泄漏，由于氨氣泄露報警系統的檢測報警，消除了事故的隱患。

　　(3)注意儀表調試：由于本系統的核心控制是氨氣的流量控制，而氨氣控制的依據則是煙氣的進出口兩側的含量分析，因此必須按廠家要求，用標準氣瓶對分析儀表進行調校。在調試間，曾發生由于氨氣流量變送器的量程設計偏大，在氨氣投入的情況下，顯示為零，致使自動投不上，開始懷疑測量管路受堵，后經改用合適量程的變送器，故障消除。

　　(4)關注風機運行：由于反應器、擋板及煙道等增加了煙氣的流動阻力，使引風機的出力增加。在調試期間，應注意風機的運行參數。

　　5烏沙山脫硝工程總結

　　本工程從投運至今，已經多月正常運行，各項指標均達到或超過設計值。

　　(1)由于技術方FLOWTECH公司對烏沙山電廠進行了精心的流場模擬試驗和1:10的物理模型試驗，使各部分煙氣流場均勻。運行結果證明沒有出現大的積灰等現象。

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

　　(3)采用聲波吹灰器的設計：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構十分簡單，占用空間小，維護方便，吹灰效果好。在本工程運行了一個月后打開檢查發現催化劑表面很干凈，沒有積灰，證明聲波吹灰器的選擇是合理的。

　　(4)導流板的設計：導流板是反應器內十分重要的組件，其設計的合理與否將直接影響煙氣流場分布的均勻性，從而對催化劑的性能產生直接的影響。經技術方FLOWTECH公司采用CFD與模型模擬實驗，提出的導流板，形式簡單、數量合理，但是效果好，防磨性能好。

　　(5)整流器的設計：整流器能夠使煙氣垂直流向催化劑，消除飛灰的偏離，降低對催化劑的磨損。本工程的整流器結構采用篩網形式，分塊預制，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)分析儀表靈敏穩定：德國西門子公司整套煙氣分析儀，使用取樣風機抽取煙氣，用抽取法進行進出口NOx的檢測，檢測結果穩定可靠，對SCR的控制非常有利。

　　(7)氨控制系統：由于控制邏輯合理，儀表，使脫硝效率跟隨響應速度非常快，調節非常靈敏，在噴氨量變化50g/min時，1分鐘內脫硝效率變化1%。在使用一層催化劑(預留兩層備用)的情況下，脫硝效率可達到50%以上，因此整個工程脫硝效果還是非常好的。

　　6結束語

　　隨著人們對大氣環境污染的日益重視，火電廠煙氣脫硝技術將得到廣泛的應用。本文以大唐烏沙山電廠＃4爐脫硝系統為例，詳細地介紹了SCR法煙氣脫硝法的原理以及其控制系統的構成、調試等，拋磚引玉，希望能使人們對火電廠的煙氣脫硝技術有所了解，以便能更好地治理環境問題。