一种SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法及其应用

摘要

本发明公开了一种SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法及其应用，其特征是在SCR脱硝装置的出口烟道中选取测点，针对氨逃逸选取三个变量并采用三条件正交试验的方法进行测试，三个变量分别是锅炉负荷、脱硝效率和测试深度；三条件分别是锅炉负荷三条件、脱硝效率三条件和测试深度三条件；锅炉负荷三条件分别为50％负荷、75％负荷和100％负荷；脱硝效率三条件分别为90％η、100％η和110％η；测试深度三条件分别为烟道的上层、中层和下层，按照L9(3)正交表，在出口烟道中各测点上进行测试，获得测试数据；η为设计脱硝效率。本发明方法可准确估算SCR脱硝装置氨逃逸量，指导SCR脱硝装置及下游空预器的运行。

说明书

技术领域

本发明涉及针对应用于燃煤电厂SCR脱硝装置中氨逃逸量的测算及其评估方法。

背景技术

我国《节能减排“十二五”规划》中要求火电行业节能减排重点从“脱硫”转向“脱硝”。《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223—2011)规定，燃煤机组NO_x排放浓度为100mg/m³。新颁布《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》文件对火电厂NO_x的排放标准提出了≤50mg/m³的更严格要求，截止2015年底，我国火电机组安装脱硝设施为8.3亿千瓦，安装率达到92％。

现有技术中，对烟气中NO_x的脱除主要采用择性催化还原脱硝即SCR技术，是将一定浓度的还原剂NH₃喷入烟道中与烟气混合，在脱硝反应器中在催化剂作用下反应生成无毒无害的N₂和H₂O。因技术成熟、脱硝效率高，被公认为是最有效的燃煤烟气脱硝方法。但在实际生产中，由于喷入的氨气与烟气不能做到均匀混合，在反应器的某些区域形成氨逃逸浓度较高。逃逸的氨存在以下危害：一是与烟气中SO₃发生化学反应生成硫酸铵，堵塞脱硝催化剂造成脱硝效率下降；二是与烟气中SO₃发生化学反应生成粘性硫酸氢铵，在空预器冷段换热元件上粘附烟尘，导致空预器堵塞和压降上升，引风机失速；三是造成脱硝氨还原剂的浪费，增加电厂运行成本；四是脱硝效率降低，出口NO_x分布不均，造成CEMS测点不具有代表性。

当前，在燃煤电厂中对于SCR脱硝装置氨逃逸测试主要是按照《火电厂烟气脱硝工程技术规范—选择催化还原法》(HJ562—2010)的要求，采用手工化学法、激光法，以及根据分析电除尘中烟尘氨折算等方法。测试步骤主要是参考烟气中SO₂和NO_x监测的试验流程。但是，烟气中氨逃逸率跟其它气体浓度分布及气体性质有着本质不同，氨逃逸跟锅炉负荷(烟气流量、温度场)、脱硝效率即喷氨量、浓度场分布的均匀性，以及催化剂活性等高度相关，而现有技术中各种方法的测试结果只是瞬时值或测试期间的均值，并不能代表整个SCR脱硝装置实际的氨逃逸量。虽然一些电厂SCR脱硝装置出口也配备有在线氨逃逸表，但因为堵灰、反射镜偏移和单点不具有代表性，不能很好地指导脱硝装置的实际运行。氨逃逸率跟反应器内烟气浓度场、温度场、速度场和催化剂性能及其变化直接相关，通常在一年内进口烟道内导流板布置、喷氨支管及催化剂性能变化不大，氨逃逸率主要受到锅炉负荷及相对应下喷氨量高度相关。如何准确测算出脱硝装置在运行中氨逃逸量、氨逃逸的增长率(单位脱硝效率下的氨逃逸量、ppm/％)和最大安全脱硝效率(脱硝装置在氨逃逸浓度在接近和达到设计值时对应的脱硝效率)，有效指导电厂实现投入较低的还原剂而获得较高的脱硝效率，实现SCR脱硝装置经济运行及出口NO_x、氨逃逸浓度达标显得尤为重要，迄今没有相关技术方案的公开报导。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法及其应用，以便能准确评估SCR脱硝装置实际氨逃逸量，提高SCR装置的运行效率，保证系统的运行安全和脱硝经济性。

本发明SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法的特点是：在SCR脱硝装置的出口烟道中选取测点，针对氨逃逸选取三个变量并采用三条件正交试验的方法进行测试，所述三个三个变量分别是锅炉负荷、脱硝效率和测试深度；所述三条件分别是锅炉负荷三条件、脱硝效率三条件和测试深度三条件；所述锅炉负荷三条件分别为50％负荷、75％负荷和100％负荷；所述脱硝效率三条件分别为90％η、100％η和110％η；所述测试深度三条件分别为烟道的上层、中层和下层，按照L9(3)正交表，在出口烟道中各测点上进行测试，获得测试数据；η为设计脱硝效率。

本发明SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法的特点也在于：

设置锅炉在50％负荷、75％负荷和100％负荷下运行时间所占权重分别为A₁、B₁和C₁；SCR反应器脱硝效率在90％η、100％η和110％η下运行时间所占权重分别为A₂、B₂和C₂；

则：脱硝装置氨逃逸量的估算值为：

并有：

$W_1=A_1\times A_2\times C_{{1\mathrm{NH}}_3};W_2=A_1\times B_2\times C_{{2\mathrm{NH}}_3};W_3=A_1\times C_2\times C_{{3\mathrm{NH}}_3};$

$W_4=B_1\times A_2\times C_{{4\mathrm{NH}}_3};W_5=B_1\times B_2\times C_{{5\mathrm{NH}}_3};W_6=B_1\times C_2\times C_{{6\mathrm{NH}}_3};$

$W_7=C_1\times A_2\times C_{{7\mathrm{NH}}_3};W_8=C_1\times B_2\times C_{{8\mathrm{NH}}_3};W_9=C_1\times C_2\times C_{{9\mathrm{NH}}_3};$

其中，和为表1所示的正交试验下九组氨逃逸测试值；

表1

本发明SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法的特点也在于设置：

A₁＝10％、B₁＝40％、C₁＝50％、A₂＝40％、B₂＝50％、C₂＝10％。

本发明SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法的特点也在于：所述表1所示的正交试验下九组氨逃逸测试值为氨逃逸分析仪在15分钟内的测试均值。

本发明SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法的特点也在于：

对于表1中的氨逃逸测试值和进行标准氧下的折算，获得标准氧下的折算值一一对应为：

和

由式(1)定义氨逃逸增长率为：

$V_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=(V_1+V_2+V_3)÷3---\left(1\right)$

其中：

$V_1=\left\{\right[({C_{{2\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{1\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{{3\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{2\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

$V_2=\left\{\right[({C_{{5\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{4\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{{6\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{5\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

$V_3=\left\{\right[({C_{{8\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{7\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{9{\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{8\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

则由式(2)获得氨逃逸增长率为：

$V_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=({C_{{3\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }+{C_{{6\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }+{C_{{9\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{1\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{4\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{7\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷0.6\eta ---\left(2\right)$

本发明SCR脱硝装置氨逃逸评估方法的特点是：利用本发明中SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法获得所述脱硝装置的氨逃逸量的估算值令所述脱硝装置的最大安全脱硝效率为η_A，所述最大安全脱硝效率η_A按如下原则进行设定：

若则

若则η_A＝η；

若则

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明方法能准确测算出SCR脱硝装置实际氨逃逸量，提高SCR装置的运行效率，保证系统的运行安全和脱硝经济性，指导SCR脱硝装置及下游空预器运行；

2、本发明直接给出SCR脱硝装置的氨逃逸增长率和最大安全脱硝效率，有效指导电厂实现投入较低的还原剂而获得较高的脱硝效率；

3、本发明充分考虑了锅炉负荷和脱硝装置的实际运行，并设计不同的权重时间，获得的结果更加全面、更加准确；

4、本发明采用正交试验法获得测算结果，其测试量少、工作量小、采用本领域技术人员熟知的氨逃逸测试仪即可进行测试分析；

5、本发明方法中以指锅炉负荷、脱硝效率和测试深度为测试变量，针对不对类型锅炉和催化剂种类具有广泛的适应性。

附图说明

图1为本发明方法中氨逃逸量测点示意图；

图中标号：1锅炉，2为AIG喷氨格栅，3为SCR脱硝装置，4催化剂，5测点，6出口烟道，7空预器。

具体实施方式

图1所示为本发明方法中氨逃逸量测点5的位置示意，锅炉1燃烧排放的NO_x与AIG喷氨格栅2喷入的氨气混合后进入SCR脱硝装置3，在SCR脱硝装置3中引入的催化剂4的作用下发生催化还原反应，未反应完的氨气经过出口烟道6流向空预器7，测点5处在出口烟道6中。

本实施例中SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法是：在SCR脱硝装置3的出口烟道6中选取测点5，针对氨逃逸选取三个变量并采用三条件正交试验的方法进行测试，三个变量分别是锅炉负荷、脱硝效率和测试深度；三条件分别是锅炉负荷三条件、脱硝效率三条件和测试深度三条件；所述锅炉负荷三条件分别为50％负荷、75％负荷和100％负荷；脱硝效率三条件分别为90％η、100％η和110％η；测试深度三条件分别为烟道的上层、中层和下层，按照L9(3)正交表，在出口烟道6中各测点上进行测试，获得测试数据；η为设计脱硝效率。

设置锅炉在50％负荷、75％负荷和100％负荷下运行时间所占权重分别为A₁、B₁和C₁；SCR反应器脱硝效率在90％η、100％η和110％η下运行时间所占权重分别为A₂、B₂和C₂；则：脱硝装置氨逃逸量的估算值为：

并有：

$W_1=A_1\times A_2\times C_{{1\mathrm{NH}}_3};W_2=A_1\times B_2\times C_{{2\mathrm{NH}}_3};W_3=A_1\times C_2\times C_{{3\mathrm{NH}}_3};$

$W_4=B_1\times A_2\times C_{{4\mathrm{NH}}_3};W_5=B_1\times B_2\times C_{{5\mathrm{NH}}_3};W_6=B_1\times C_2\times C_{{6\mathrm{NH}}_3};$

$W_7=C_1\times A_2\times C_{7{\mathrm{NH}}_3};W_8=C_1\times B_2\times C_{{8\mathrm{NH}}_3};W_9=C_1\times C_2\times C_{{9\mathrm{NH}}_3};$

其中，和为表1所示的正交试验下九组氨逃逸测试值；

表1

本实施例中设置：A₁＝10％、B₁＝40％、C₁＝50％、A₂＝40％、B₂＝50％、C₂＝10％；表1所示的正交试验下九组氨逃逸测试值为氨逃逸分析仪在15分钟内的测试均值。正交试验法是研究多因素多水平的一种设计方法，是根据正交性从全面试验中挑选出部分有代表性的点进行试验，这些有代表性的点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，正交试验是分析因式设计的主要方法，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。

对于表1中的氨逃逸测试值和进行标准氧下的折算，获得标准氧下的折算值一一对应为：

和

由式(1)定义氨逃逸增长率为：

$V_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=(V_1+V_2+V_3)÷3---\left(1\right)$

其中：

$V_1=\left\{\right[({C_{{2\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{1\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{{3\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{2\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

$V_2=\left\{\right[({C_{{5\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{4\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{{6\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{5\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

$V_3=\left\{\right[({C_{{8\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{7\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(100\%\eta -90\%\eta )]+[({C_{9{\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{8\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷(110\%\eta -100\%\eta )\left]\right\}÷2$

则由式(2)获得氨逃逸增长率为：

$V_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=({C_{{3\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }+{C_{{6\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }+{C_{{9\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{1\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{4\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }-{C_{{7\mathrm{NH}}_3}}^{\prime })÷0.6\eta ---\left(2\right)$

本实施例中给出SCR脱硝装置氨逃逸评估方法为：

是利用本实施例中SCR脱硝装置氨逃逸量测算方法获得脱硝装置的氨逃逸量的估算值令脱硝装置的最大安全脱硝效率为η_A，最大安全脱硝效率η_A按如下原则进行设定：

若则

若则η_A＝η；

若则

关于氨逃逸测试值进行标准氧下的折算，以氨逃逸测试值为例：

在测试氨逃逸同时测试该点位氧含量，烟气中浓度(标状，干基，过剩系数1.4)按式(1)计算，实测过量空气系数按式(2)计算：

${C_{{1\mathrm{NH}}_3}}^{\prime }=C_{{1\mathrm{NH}}_3}\times \alpha /1.4---\left(1\right)$

α＝21/(21-Co₂)>

式中：

为烟气中NH₃浓度(标状，干基，过剩系数1.4)，单位为ppm；

α为实测过量空气系数；Co₂为烟气中O₂的体积百分数，单位为百分数(％)。

具体现场试验实例

试验1：

选择安徽省某电厂#5机组，机组容量为1000MW，设计脱硝效率为87％，按照正交试验表依次在9组试验下，测试SCR脱硝反应器脱硝出口氨逃逸值、氧量，同时将氨逃逸进行标准氧条件下折算，测试结果如表2所示。

表2

试验编号氨逃逸实测值(ppm)氧量(％)氨逃逸折算值(ppm)12.304.52.0922.644.42.3933.104.52.8243.063.52.6253.183.62.7464.013.53.4473.761.92.9584.501.93.5395.971.84.66

通过机组DCS运行曲线及结合理论值，选取锅炉在50％负荷、75％负荷和100％负荷下运行时间占权重分别为10％、40％和50％，SCR反应器脱硝效率在90％设计效率、100％设计效率和110％设计效率下运行时间占权重分别为40％、50％和10％。

脱硝装置氨逃逸量的估算值为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=0.1\times 0.4\times 2.09+0.1\times 0.5\times 2.39+0.1\times 0.1\times 2.82+0.4\times 0.4\times 2.62+0.4\times 0.5\times 2.74+0.4\\ \times 0.1\times 3.44+0.5\times 0.4\times 2.95+0.5\times 0.5\times 3.53+0.5\times 0.1\times 4.66=3.04\mathrm{ppm}.\end{array}\right)$

根据计算结果得出，整个SCR脱硝装置平均氨逃逸量是大于3ppm(标状，干基，6％O₂)。显然，表2中九组测试结果中有六组氨逃逸值并未超标，未使用本发明方法进行测试很可能就得出SCR脱硝装置氨逃逸未超标的结论，从而给电厂运行人员提供错误的信息。据日本AKK测试结果表明，氨逃逸率(体积分数)为1ppm以下时，NH₄HSO₄生成量很少，堵塞不明显，若氨逃逸率增加到2ppm时，空预器运行半年后其阻力增加约30％，若氨逃逸率增加到3ppm时，空预器运行半年后阻力增加约50％，对锅炉和引风机造成较大影响。根据评估结果，建议进行锅炉燃烧调整、控制脱硝效率和进行喷氨优化调整，从而降低氨逃逸量。

氨逃逸增长率为：

最大安全脱硝效率因此在未进行喷氨优化调整前，脱硝效率不易超过86.35％，否则就会造成氨逃逸均值超标。

试验2：

选择安徽省某电厂#3机组，机组容量为660MW，设计脱硝效率为80％，按照正交试验表依次在9组试验下，测试SCR脱硝反应器脱硝出口氨逃逸值、氧量，同时将氨逃逸进行标准氧条件下折算，测试结果如表3所示。

表3：

试验编号氨逃逸实测值(ppm)氧量(％)氨逃逸折算值(ppm)10.964.50.8721.644.41.4832.764.52.5141.113.70.9652.523.62.1763.533.53.0371.461.91.1582.461.91.9394.391.83.43

通过机组DCS运行曲线及结合理论值，选取锅炉在50％负荷、75％负荷和100％负荷下运行时间占权重分别为10％、40％和50％，SCR反应器脱硝效率在90％设计效率、100％设计效率和110％设计效率下运行时间占权重分别为40％、50％和10％。

脱硝装置氨逃逸量的估算值为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{{\underset{‾}{\mathrm{NH}}}_3}=0.1\times 0.4\times 0.87+0.1\times 0.5\times 1.48+0.1\times 0.1\times 2.51+0.4\times 0.4\times 0.96+0.4\times 0.5\times 2.74+0.4\\ \times 0.1\times 3.03+0.5\times 0.4\times 1.15+0.5\times 0.5\times 1.93+0.5\times 0.1\times 3.43=1.73\mathrm{ppm}.\end{array}\right)$

根据计算结果得出，整个SCR脱硝装置氨逃逸量是小于3ppm(标状，干基，6％O₂)。表3中九组测试结果中仅有两组氨逃逸值超标，若未使用本发明方法进行测试很可能就得出SCR脱硝装置氨逃逸是超标的结论，从而给电厂运行人员提供错误的信息。根据评估结果，建议增加喷氨量以提高脱硝效率，从减小电厂缴纳排污费。

氨逃逸增长率为：

最大安全脱硝效率理论上可以增加脱硝A、B侧支管喷氨量，最大脱硝效率可以达到90.85％，低于这一值运行都不会形成氨逃逸均值超标。

以上实验证明，本发明方法可准确估算SCR脱硝装置氨逃逸量，指导SCR脱硝装置及下游空预器的运行。