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烟气脱硝系统喷氨调节控制技术研究

1 背景介绍

根据国家最新环保标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)的要求,为确保烟气中氮氧化物NOx浓度达到相应的排放要求,火电厂需要进行烟气脱硝。燃煤火电厂普遍采用选择性催化还原烟气脱硝技术(SCR)进行脱硝,选择性催化剂还原法的系统主要由催化剂反应器、催化剂,氨储存供应系统及氨喷射系统等组成,SCR脱硝工艺是向催化剂上游的烟气中喷入反应剂,在反应器内催化剂的作用下,利用反应剂将烟气中的NOx转化为氮气和水。在常用的设计中,使用液氨、氨水(氨的水溶液)或尿素分解后的氨作为反应剂,无论以何种方式使用氨,首先使氨蒸发,然后将氨气稀释后与烟气混合,最后将其喷入SCR反应器上游的烟气中。

2 存在的问题

为了保证NOx有较高的脱除率,达标排放,又减少氨的逃逸率,必须调节控制好氨气流量。然而燃煤锅炉燃烧过程比较复杂,燃煤来源、燃烧调整、负荷变化等造成NOx浓度变化幅度大。

常规脱硝装置在氨气喷射调节控制阀门选型时都是按满足最大氨气需要流量考虑,且考虑一定余量,选择流通能力大的阀门,涵盖最大氨气流量。当氨气需要量较大时,阀门调节控制满足要求,当氨气需要量较小时,阀门开度减小,工作点降低。理论上调节阀的开度工作范围在10%~90%,但综合考虑调节阀机械性能等因素的影响,实际运行时调节性能及精度等较好的开度工作范围大约在30%~80%。可当工作点低到一定位置(阀门开度约30%以下)时,阀门可调比缩小,调节缓和,调节性能下降,调节精度降低,跟踪性能差不能很好实时调节控制,造成SCR出口NOx浓度瞬时超标,或喷氨过量,氨逃逸率增加。这些问题给锅炉、脱硝装置安全经济运行以及NOx达标排放带来严重影响,必须妥善解决。

3 烟气脱硝喷氨调节控制技术

针对上述存在的问题,本文研发了一种新型烟气脱硝系统喷氨调节控制系统,图1为该烟气脱硝喷氨调节控制技术结构示意图。

如图1所示,为了根据不同浓度的NOx而需要不同氨气量,将流通能力大的调节阀组和流通能力小的调节阀组并联设置,每个调节阀组包括切断球阀、流通能力大(小)的调节阀和手动切断球阀,其中流通能力大的调节阀的流通能力是流通能力小的调节阀的1.5~3倍,两者均选用等百分比流量特性。理论上调节阀的开度范围在10%~90%,但在实际工作中,为了让调节阀维持较好的调节性能和精度,综合考虑调节阀机械性能,调节阀开度范围大约在30%~80%。根据锅炉中NOx浓度和锅炉负荷,判断氨气需要量,当氨气需要量较大时,关闭流通能力小的调节阀,用流通能力大的调节阀进行调节控制,能较好地满足工艺要求,当氨气需要量减小到流通能力大的调节阀的开度为30%左右时,关闭流通能力大的调节阀,用流通能力小的调节阀进行调节控制,此时流通能力小的调节阀的开度约在80%左右,如氨气需要量继续减少,则流通能力小的调节阀的开度也继续减小,精度满足工艺要求。

1-流量计;2-并联的调节阀组;3-管路;4-氨气/空气混合器;5-喷氨装置;

6-稀释气供气系统;7-反应器;8-锅炉;9-烟道;21、23及25-切断球阀;

22-流通能力大调节阀;24-流通能力小调节阀;26、27-手动切断球阀;

61及62-稀释风机;63、稀释风流量计。

图1 烟气脱硝喷氨调节控制技术示意图

具体在操作时,当氨气需要量大时,先关闭流通能力小的调节阀组中的切断球阀及手动切断球阀,然后打开流通能力大的调节阀组,此时氨气经过流通能力大的调节阀组到达氨气/空气混合器,与空气混合后,通过氨气装置喷入烟道,与烟气充分混合后,进入反应器,锅炉中产生的NOx气体在反应器中催化剂的作用下产生选择性催化还原反应,生成氮气和水,完成烟气中NOx的脱除工作。如图1所示,流通能力小的调节阀组中手动切断球阀的作用是防止喷入管道的氨气倒流从而损害流通能力小的调节阀。安装在并联的调节阀组后侧的管道上的切断球阀,其作用是当反应器停运或联锁保护动作时,可安全可靠地切断管道,起到双重保险的作用。当氨气需要量小时,先关闭流通能力大的调节阀组中的切断球阀和手动切断球阀,然后打开流通能力小的调节阀,此时氨气经过调节阀组到达氨气/空气混合器,与空气混合后,通过氨气喷射系统喷入烟道,与烟气充分混合后,进入反应器,锅炉中产生的NOx气体在反应器中催化剂的作用下产生选择性催化还原反应,生成氮气和水,完成烟气中NOx的脱除工作。流通能力大的调节阀组中手动切断球阀的作用也是防止喷入管道的氨气倒流回来,出现倒流现象损害流通能力大的调节阀。

4 运行结果

河南某电厂2×600MW机组脱硝装置工程建设时采用了该技术设计的SCR喷氨流量控制装置,具体方案为:根据调节阀控制流量特性曲线、氨需要量,以及锅炉负荷变化情况,配置了口径分别为DN65和DN25的喷氨流量调节阀,本控制装置将流通能力大的调节阀和流通能力小的调节阀并联设置,均选用等百分比流量特性的调节阀。当氨气需要量大于60kg/h左右时,关闭流通能力小的调节阀,开启流通能力大的调节阀进行调节控制;当氨气需要量减少到60kg/h左右时,则关闭流通能力大的调节阀,开启流通能力小的调节阀进行调节控制。在几个月的运行过程中,喷氨流量控制投入自动运行,保证了SCR出口NOx浓度不超标,喷氨不过量,氨逃逸率减小,锅炉、脱硝装置安全经济运行以及NOx达标排放。

5 结语

鉴于烟气脱硝系统喷氨调节控制的重要性及国内火电厂烟气脱硝喷氨调节普遍存在的问题,介绍了一种新型烟气脱硝系统喷氨调节技术及其工程应用情况。该技术克服了常规脱硝喷氨存在的缺陷,提高了脱硝装置的投运率,降低了停运检修时间,实现了脱硝系统SCR喷氨的准确控制,最终达到了SCR还原剂宽范围、高精度、实时供给调控的目的,为整个脱硝系统的安全稳定运行提供了有力保障。

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