SCR脱硝出口的高精度氨氮同时测量方案及对喷氨优化控制的意义

五氨氮摩尔比分布均匀性优化方案

为了能够掌握每个催化剂模块的出口NOx和NH3浓度。SCR烟气脱硝系统通常约有数十个模块，因此需要测量数十个网格中心点的NOx和NH3浓度。常规的便携式烟气取样方法，由于人工网格法采样，完成脱硝反应器全截面的烟气分布测量预计需要数小时以上，并且由于测量时间过长，机组工况难以维持稳定，测量结果存在较大误差，再者烟气冷凝除水步骤容易造成铵盐堵塞。因此国内SCR烟气喷氨的优化调整工作尚未有较好方案。

浙能技术研究院与宁波海尔欣公司合作，研发出一套基于中红外激光光谱原理测量技术的高精度脱硝氨氮一体化分析仪，可以快速分析同源烟气中的NH3 和NOx浓度，高温烟气只需要进行除尘处理，无需稀释和冷凝除水，对双组分的分析精度均可达0.01ppm量级，更适合针对“超低排放”脱硝技术改造的工程。相比于传统CEMS仪表或电化学分析仪表，激光光谱法更适合于热湿法采样，施工和维护难度低，不受水份和铵盐干扰，准原位式的全自动测量使得采样实时性，规范性，长期运行可靠性和气体检测精度大大提高，具体参数对比见下表3。

表3、传统NOx仪表和激光光谱仪表的特点对比

据选择性催化反应原理，对于每一采样点i处喷入的氨气量NH3in_i，要么与入口的NOx反应消耗掉，要么没有参与反应作为氨逃逸脱出，因此有平衡方程：

NH3in_i= (NOxin_i – NOxout_i)+ NH3slip_i, (1)

两边同时除以NOxin_i，可以得出对于采样点i的脱硝入口氨氮摩尔比为：

NH3in_i/NOxin_i = (1 – NOxout_i/NOxin_i) + NH3slip_i/NOxin_i, (2)

上述等式对反应器所有位置处都适用，其中NOxin_i和NOxout_i分别为采样点处脱硝入口和出口的NOx体积浓度，NH3slip_i是同样位置处的氨逃逸体积浓度。由2式可以看出，氨氮摩尔比即为脱硝效率与NH3slip_i/NOxin_i之和。

氨氮摩尔比分布的测量和优化，可以通过多点测量反应器入口和出口处的NOx和NH3体积浓度来获得，具体操作步骤如下：

氨氮摩尔比分布的测量和优化，可以通过多点测量反应器入口和出口处的NOx和NH3体积浓度来获得，具体操作步骤如下：

1)测量脱硝入口NOx分布。方法a)直接获取正常工况下脱硝入口多点分布的NOx浓度，方法b)短时关闭AIG，测量脱硝出口处多点分布的NOx浓度。方法a)不用担心NOx排放超标，但需要增加脱硝入口采样点的安装施工，方法b)无需额外施工，但NOx排放会在短时超标;

2)开启AIG至原来状态，测量正常脱硝工况下出口NOx和氨逃逸的分布(应通过校准、检修或技改等方式提高SCR系统测量准确性);

3)根据1、2步测量结果以及上述2式，计算出氨氮摩尔比NH3in_i/NOxin_i在脱硝入口的分布;

4)调整AIG各喷嘴的调节阀、流量计，以达到氨氮摩尔比在截面分布均匀性最优化(新建机组在运行前冷态和热态调试中，特别要做好注氨格栅的细调工作和相应实验);

5)逐渐增加整体喷氨量，持续监测出口NOx和氨逃逸分布，使得NOx排放达到脱硝标准，氨逃逸分布均值控制在3ppm以内;

六测试设备及原理

该方案的核心测量仪器为第二代中红外激光光谱技术，如图4所示，由于NH3和NO分子在中红外的吸收光谱强度远高于近红外的吸收光谱，检测精度比近红外激光气体分析仪高数十倍。仪器不需要长光程吸收即可达到所需精度，解决了近红外激光气体分析仪在现场使用中的长光程气体池维护、稳定可靠性、对光、精度、采样代表性等问题。

图4、NH3(左图)和NO(右图)的中红外吸收谱与近红外吸收谱强度的对比

图5、氨氮一体化分析仪表

图6、自动化多点分布采样示意图

仪器采用全自动多点分布采样方案，可以有效测量每一采样点处的NH3和NOx含量，各点采样时间均匀，消除了人工采样的误差。激光测量法的样气预处理无需冷凝除水，由于内部没有活动部件，抗机械振动能力也远高于CEMS仪表，因此可以在脱硝出口空预器附近进行直接采样测量，无需进入分析小屋。准原位式的测量使得采样的滞后时间控制在十秒以内，提高喷氨反馈控制的实时性。为验证仪器性能，现场对仪表的氨和NOx测量功能进行，浓度阶梯测试，结果曲线如下图7所示：

图7、高精度氨氮一体分析仪浓度阶梯测试曲线

目前现场实测结果以及喷氨优化的调整工作正在进行中，更详尽结果及讨论留待后续论文中发表公布。

总结

燃煤电厂SCR脱硝装置运行情况直接关系着电厂NOx排放及相关环保电价的获取程度。本文对浙能集团内两台独立机组超低排放改造后SCR脱硝反应器出口NOx分布和逃逸氨浓度进行研究, 发现改造后机组存在脱硝反应器入口流场和出口NOx分布严重不均的情况，说明超低排放改造后机组需重点优化的是入口氨氮摩尔比均匀性这一核心要素。提出一种基于中红外激光光谱分析的氨氮一体化监测方案，采用热湿法在脱硝出口处分布自动取样的方式，适合安装于采样现场，提高了喷氨反馈控制的实时性及系统长期运行可靠性。

延伸阅读：

脱硝系统喷氨优化调整在火电机组中的应用

火电厂SCR脱硝系统喷氨优化调整及烟气取样方法改进

脱硝喷氨自动控制系统现状及优化

SCR脱硝喷氨优化靶向控制解决方案