火电厂SCR法脱硝及控制系统
摘要：随着人类对环境问题的重视，以及国家对火电厂脱硫技术的推广、脱硝技术的试点运行、对未来CO2的减排控制技术的研究等，人们对大气环境污染的治理也不断加强。本文以我省首批脱硝试点电厂—乌沙山电厂＃4炉脱硝系统为例，对脱硝技术及SCR法脱硝的控制系统进行阐述。
关键词：SCR法脱硝脱硝控制系统, 脱硝系统调试
0 引 言
我国是以煤炭为主要能源的发展中国家，每年直接用于燃烧的煤炭达12亿吨以上，煤炭燃烧后排放出大量的污染物，如SO2、SO3（通称SOX，硫化物）；NO、NO2（通称NOX，氮氧化物）； CO2；粉尘等。大量的污染物已在局部地区造成了酸雨等现象，严重危害着生态环境，在国际上也造成很大影响。而目前在我国的电力电源结构中，燃煤发电仍占电力总量的75％以上，因此火电厂已经成为我国主要的大气污染源之一。
NOX（氮氧化物）对大气环境的污染除了与其他化合物一起造成酸雨，对土壤和水生态系统带来不可逆的后果外，还由于它们参与光化学烟雾的生成而受到人们的重视。日本、欧洲等发达国家早在八十年代已开始在火电厂应用脱硝控制技术，并在某些核心技术的研究取得了垄断地位。而我国近几年也开始加大对烟气脱硝控制技术的研究及应用，如2006年年底前我省投运的宁海国华电厂＃4机组、大唐乌沙山电厂＃4机组，成为首批采用烟气脱硝技术的600MW机组。
1 SCR法脱硝原理
火电厂的脱硝控制技术方式一般有燃烧控制脱硝和烟气脱硝等。烟气脱硝技术按其作用原理不同，可分为吸收、吸附和催化还原等三类。
吸收法：向烟道内直接喷入吸收剂（如水、碱溶液、稀硝酸等），吸收烟气中的NOx物，由于NOx物难溶于水和碱液，因此常采用氧化、还原或配合吸收的办法以提高NOx物的净化效率。
吸附法：用浸渍了碳酸钠等吸附剂的圆球等作为触媒，用来吸附去除烟气中的NOx物，虽然净化效率高，但吸附容量小，吸附剂用量大。
催化还原法：利用催化剂或高温等条件来提高、加速烟气中NOx物与还原剂的还原反应，还原成无污染的氮气和水，从而达到净化NOx物。其中催化还原法由于脱硝效率高、投资运行成本相对较低，因此催化还原法目前占主流地位。
催化还原法又根据是否采用催化剂分为选择性催化还原法（简称SCR）和选择性非催化还原法（简称SNCR）：
SCR还原法的原理，是还原剂（NH3、尿素）在催化剂作用下，选择性的与烟气中的NOX物进行还原反应，生成N2和H2O，而不是被O2所氧化，故称为“选择性”，其主要方程式为：
4NH3 + 4NO + O2＝4N2 + 6H2O
4NH3 + 2NO2 + O2＝3N2 + 6H2O
SNCR还原法与SCR还原法不同处，是不采用催化剂的情况下，用还原剂（NH3、尿素）直接与烟气中的NOx物在高温下进行还原反应。其特点是：不使用催化剂；脱硝还原反应所需的温度高，以还原剂为氨为例，反应温度窗为870~1100℃；投资省、可以直接使用尿素；脱硝效率低（30~50%）、运行的可靠性和稳定性不好。
综合比较，SCR法由于还原反应温度要求低，可安装在锅炉尾部，具有对炉膛影响小；脱硝效率高，用于电站锅炉时脱硝效率可达到85％以上；氨逃逸率低等优点。因此SCR法在工业上得到了广泛应用，也是目前用于固定源NOx治理的一种最好的脱硝工艺。
2 大唐乌沙山电厂SCR法脱硝工艺流程
乌沙山电厂＃4炉脱硝系统采用SCR脱硝技术，以液氨为还原剂，引进法国的FLOWTECH公司工艺技术，主要核心设备催化剂由奥地利CERAM公司提供，烟气成套分析仪由德国西门子公司提供。该脱硝系统包括烟道系统、SCR反应器、催化剂、氨喷射系统、氨的制备及供应系统、吹灰系统、控制系统及仪表和电气系统等，在国内600MW机组中首次应用，其工艺流程如图1。
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SCR法脱硝工艺流程是，液氨储罐中的液氨（约1.6MPa G）通过压力调节阀将压力减到0.2-0.6MPa G进入到氨蒸发器蒸发，经氨气缓冲槽后，控制一定的压力及流量与稀释空气在混合器中混合均匀，最后经喷氨格栅喷入烟道，在SCR反应器内进行脱硝反应。
0.2-0.6MPa G的液氨进入氨蒸发器内的蒸发管道受热蒸发到40℃，加热源为蒸发器内的蒸汽管道（350℃、1.29MPa G的辅助蒸汽），蒸发器的壳程充装约140kg的纯甲醇，这样可以确保液氨蒸发过程中不引起凝结水冻结堵塞氨蒸发器。甲醇正常操作压力0.1MPa G，避免甲醇急速受热，给定0.8MPa G联锁报警，此时关闭蒸汽进口控制阀门，该阀门与氨气出口温度联锁控制，调节辅助蒸汽进量，保证氨气出口温度40℃左右。
氨气系统紧急排放的氨气，排入氨气稀释槽中，经水的吸收排入废水池，再经由废水泵送至废水处理厂处理。废水池设有液位报警联锁，控制废水泵的开停。
氨站和SCR反应器区均设置氨气泄漏监测器，测得环境中氨气浓度过高，则报警并采取相应得措施。
根据SCR反应器的烟气流量和进出口烟气中的NOx含量计算出的氨气用量，由流量调节阀控制由氨站过来的氨气进入SCR反应器，其逻辑见下节的控制逻辑图及说明。
3 控制系统介绍
SCR脱硝系统在我国尚属起步试运阶段，除其核心技术—催化剂技术掌握在欧洲、日本等发达国家外，其控制系统相对火电厂的主机系统或脱硫系统来讲比较简单。
大唐乌沙山电厂＃4炉脱硝的控制系统主要包括氨控制系统、吹灰控制系统、烟气测量系统、电气测量控制系统等。其中氨控制系统为主要控制系统，它主要包括液氨、氨气、氨和空气混合系统的控制。
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当氨管上阀门打开时，通过流量控制阀气动氨检测系统，氨气流量显示在控制回路中。
NOx总量可通过烟气监测系统得到（烟气量可从锅炉DCS系统获得），在反应器进出口测量NOx浓度（烟气成套分析仪）。
NH3总量计算的标准方法是根据进出口NOx浓度的差值和烟气量来决定。
上述信号按照设定的计量比放大（一般设定1.03），NH3摩尔量根据要捕获的NOx摩尔量来决定。
通过进口NOx测量值，NH3的理论计算值，出口NOx浓度值等就可以计算得到控制系统喷入NH3总量的反馈值。
这个NH3反馈值代表了气态NH3的远程控制值。反应器进出口O2含量用来折算进出口烟气的NOx浓度到6%O2含量的标准值。
可以通过改变内部的或外部的设定值来自动控制NH3的检测值。外部值指的是通过计算得到的NH3的控制值，内部值指可以通过计算机设定的值，通常根据外部设定值来考虑相应的操作。
为了防止催化剂表面地积灰堵塞反应器，设计采用声波吹灰及控制系统。每层布置4个声波吹灰器，预留层留有接口，初始设置清灰为每10分钟吹10秒钟，每次一组2个喇叭在同一时间运行，第一组运行停止40秒钟后第二组开始清灰。可以在现场调节清灰时间和间隔。
3.2 DCS控制系统介绍
脱硝DCS系统采用与主机系统一样的硬件（上海福克斯波罗公司）。脱硝系统相对主厂房或脱硫系统来说，其需控制设备的点数较少，下表为乌沙山电厂＃4机组脱硝的DCS系统的信号表：
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以上统计未包括脱硝与主机的联络信号、系统备用点等。
控制系统安装需注意事项：
（1）根据DCS厂家要求做好脱硝DCS系统的接地工作，其系统地、信号地、本安地应单独接地；
（2）由于氨为腐蚀性、易燃易爆物，在储氨区、以及氨管周围5米内均为防爆区域；
（3）从氨区（防爆区域）送至脱硝的DCS机柜的信号，其电缆宜采用本安型电缆，其信号应先进安全隔离栅进行隔离后，再进入DCS卡件。
（4）做好氨区所有电气设备的防爆封堵措施，及设备接地工作。
4 系统调试
脱硝系统进入系统调试前，首先应满足系统边界条件，即
（1）所需电源已经接入到脱硝系统且可投运；
（2）工业用水母管和循环排污水母管已经与供水系统接通且可投运；
（3）脱硝系统压缩空气母管已经与系统接通,且可投运；
（4）脱硝废水排放系统管道与废水接受系统接通, 且可投运；
（5）脱硝还原剂——液氨可以按设计要求投入使用；
（6）业主脱硝化验室设备已经校验合格, 且可投运。
其次设备单体调试工作基本结束：
（1）拟进入脱硝系统调试的所有设备的单体调试已经基本合格，单体调试记录并经过鉴证认可；
（2）管道压力试验和管道的冲洗和吹扫合格；
（3）管道与设备的连接完成；
（4）管道滤网和孔板按设计要求已经安装完成. (包括临时项目)；
（5）所有转动机械的润滑油和润滑脂的油位正常；
（6）现场所有仪表安装完成并已单体调试合格；
（7）所有接线均已完成；
（8）DCS系统已供电；
（9）电机的单体测试已完成。
完成上述工作后，进入系统调试流程，调试准备&调试的程序的概要如图3所示：
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调试中注意事项：
（1）完善接地系统：由于氨是腐蚀性、易燃易爆物，除系统的原有接地外，还需要注意氨管路的接地及仪表端的本安接地。DCS系统通电调试前，应对系统地、信号地、本安地、保护地等进行检查，保证接地的电阻符合设计及一点接地要求，防止干扰信号串入烧坏卡件。
（2）防止氨气泄漏：在氨系统投入前，氨系统的管道应经水压试验合格、以及氨气泄露报警系统已投入。在调试中曾发生氨管道法兰面泄漏，由于氨气泄露报警系统的检测报警，消除了事故的隐患。
（3）注意仪表调试：由于本系统的核心控制是氨气的流量控制，而氨气控制的依据则是烟气的进出口两侧的含量分析，因此必须按厂家要求，用标准气瓶对分析仪表进行调校。在调试间，曾发生由于氨气流量变送器的量程设计偏大，在氨气投入的情况下，显示为零，致使自动投不上，开始怀疑测量管路受堵，后经改用合适量程的变送器，故障消除。
（4）关注风机运行：由于反应器、挡板及烟道等增加了烟气的流动阻力，使引风机的出力增加。在调试期间，应注意风机的运行参数。
5 乌沙山脱硝工程总结
本工程从投运至今，已经多月正常运行，各项指标均达到或超过设计值。
（1）由于技术方FLOWTECH公司对乌沙山电厂进行了精心的流场模拟试验和1:10的物理模型试验，使各部分烟气流场均匀。运行结果证明没有出现大的积灰等现象。
（2）烟气进口挡板门的位置不妥：由于烟气旁路系设计后期增加，造成挡板门只能设在垂直向上的部分，使挡板下部成为烟气死区，可能会造成积灰。
（3）采用声波吹灰器的设计：吹灰器能够清除催化剂上粘附的飞灰，防止催化剂堵塞。本工程灰份的粘度低，飞灰的含量适中，因而选择了声波吹灰器。这种类型的吹灰器的结构十分简单，占用空间小，维护方便，吹灰效果好。在本工程运行了一个月后打开检查发现催化剂表面很干净，没有积灰，证明声波吹灰器的选择是合理的。
（4）导流板的设计：导流板是反应器内十分重要的组件，其设计的合理与否将直接影响烟气流场分布的均匀性，从而对催化剂的性能产生直接的影响。经技术方FLOWTECH公司采用CFD与模型模拟实验，提出的导流板，形式简单、数量合理，但是效果好，防磨性能好。
（5）整流器的设计：整流器能够使烟气垂直流向催化剂，消除飞灰的偏离，降低对催化剂的磨损。本工程的整流器结构采用筛网形式，分块预制，分块安装，降低了制造难度。隔板的间距分布合理，不容易积灰，压降小。
（6）分析仪表灵敏稳定：德国西门子公司整套烟气分析仪，使用取样风机抽取烟气，用抽取法进行进出口NOx的检测，检测结果稳定可靠，对SCR的控制非常有利。
（7）氨控制系统精确：由于控制逻辑合理，仪表精确，使脱硝效率跟随响应速度非常快，调节非常灵敏，在喷氨量变化50g/min时，1分钟内脱硝效率变化1%。在使用一层催化剂（预留两层备用）的情况下，脱硝效率可达到50％以上，因此整个工程脱硝效果还是非常好的。
6 结束语
随着人们对大气环境污染的日益重视，火电厂烟气脱硝技术将得到广泛的应用。本文以大唐乌沙山电厂＃4炉脱硝系统为例，详细地介绍了SCR法烟气脱硝法的原理以及其控制系统的构成、调试等，抛砖引玉，希望能使人们对火电厂的烟气脱硝技术有所了解，以便能更好地治理环境问题。
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