電力行業(yè)危險化學(xué)品安全風(fēng)險集中治理實施方案

引言

近年來,國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高,監(jiān)管力度也不斷加大。氮氧化物作為火電廠煙氣中的一種主要污染物,一直是火電廠環(huán)保治理的重點。目前,火電廠脫硝治理主流方法為SCR脫硝技術(shù),其一般采用氨氣作為還原劑,在催化劑的作用下,將氮氧化物還原成氮氣和水,從而達(dá)到脫硝的目的。

火電廠制備氨氣主要有液氨法、水解尿素法和熱解尿素法。液氨法由于其危險性,目前正在進(jìn)行改造、替代。根據(jù)國家能源局印發(fā)的《電力行業(yè)危險化學(xué)品安全風(fēng)險集中治理實施方案》要求,全國公用燃煤電廠的液氨一級、二級重大危險源尿素替代改造工程要于2022年12月底前完成,液氨三級、四級重大危險源尿素替代改造工程要于2024年底前完成。

某火電機組采用熱解尿素法制備氨氣、SCR脫硝方式。

1熱解尿素法制氨系統(tǒng)概況

尿素?zé)峤庀到y(tǒng)主要包括尿素溶液制備輸送系統(tǒng)、熱解爐系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng),如圖1所示。

尿素溶液制備輸送系統(tǒng)將尿素顆粒用一定比例的除鹽水溶解,并儲存于尿素溶液儲罐。尿素溶液輸送泵將尿素溶液儲罐中的尿素溶液輸送至計量分配裝置,經(jīng)計量分配后由尿素溶液噴槍霧化后進(jìn)入熱解爐分解為氨氣,尿素溶液噴槍投入數(shù)量根據(jù)尿素消耗量實時調(diào)整。

熱解爐熱源采用電加熱熱一次風(fēng)方式,將霧化進(jìn)入熱解爐的尿素溶液快速分解為氨氣、水和二氧化碳,并經(jīng)機組供氨母管輸送至A、B側(cè)SCR反應(yīng)器。

壓縮空氣用于尿素溶液的霧化和尿素噴槍的密封,由廠區(qū)儀用壓縮空氣管網(wǎng)提供。

熱解尿素化學(xué)反應(yīng)式為:

SCR(選擇性催化還原)煙氣脫硝技術(shù)以其穩(wěn)定、高效等特點被國內(nèi)外燃煤電廠脫硝工程廣泛采用,其主要化學(xué)反應(yīng)式為:

SCR脫硝裝置具有反應(yīng)溫度低、反應(yīng)產(chǎn)物清潔、脫硝效率高、布置靈活以及技術(shù)成熟等優(yōu)點。

某火電機組煙氣脫硝采用熱解尿素法制氨、SCR脫硝方式,在機組日常運行過程中,凈煙氣氮氧化物濃度波動較大。通過對其具體運行現(xiàn)狀的分析,制訂了針對性的改造、優(yōu)化措施,并在機組檢修期間進(jìn)行了改造優(yōu)化,取得了良好成效。

2機組運行現(xiàn)狀分析

(1)SCR出口氮氧化物測點不合理,采用單點測量方式,測量數(shù)據(jù)不能良好表征SCR出口實際氮氧化物濃度。且由于單點測量手段受限,各噴氨格柵支管手動調(diào)閥調(diào)節(jié)沒有良好依據(jù),導(dǎo)致SCR反應(yīng)器內(nèi)噴氨不均,整體脫硝效率偏低。

(2)脫硝自動控制策略不合理。機組脫硝控制采用簡單的氨氮摩爾比控制,SCR出口氮氧化物濃度長期低于目標(biāo)值,導(dǎo)致氨耗偏高,運行人員為降低氨耗,需頻繁修改SCR出口氮氧化物濃度目標(biāo)值,大大增加了運行人員的工作強度。

(3)尿素噴槍流量調(diào)節(jié)控制速率太慢,在機組需氨量發(fā)生變化時不能及時調(diào)整,從而造成整個脫硝系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)差,動態(tài)時波動過大,經(jīng)常需要手動干預(yù)。

3優(yōu)化措施

3.1SCR出口氮氧化物濃度多點取樣測量技術(shù)

將SCR出口氮氧化物濃度由單點測量改為多點取樣測量方式。以A側(cè)為例,在A側(cè)SCR反應(yīng)器出口截面上分別設(shè)置8個煙氣取樣口,將煙氣抽取至CEMs分析儀。A、B側(cè)SCR出口氮氧化物濃度多點測量技術(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

該多點取樣測量系統(tǒng)有3種工作模式:單點測量模式、混合測量模式和輪測測量模式。(1)單點測量模式工作時,CEMs分析儀連續(xù)對設(shè)定的某一取樣口煙氣進(jìn)行測量,其他7個取樣口的煙氣不進(jìn)行測量。運行過程中可根據(jù)實際情況選擇一個能良好表征反應(yīng)器出口氮氧化物濃度的取樣口進(jìn)行持續(xù)測量。(2)混合測量模式工作時,CEMs分析儀將8個取樣口抽取的煙氣混合后進(jìn)行測量。(3)輪測測量模式工作時,CEMs分析儀對8個取樣口抽取的煙氣依次進(jìn)行測量,此時可根據(jù)各取樣口煙氣氮氧化物濃度對各噴氨格柵支管手動閥進(jìn)行調(diào)整,將各取樣口抽取的煙氣中氮氧化物濃度調(diào)節(jié)至一定偏差范圍內(nèi),從而使反應(yīng)器內(nèi)噴氨較為均勻,提高脫硝效率,降低氨耗。圖3所示為改造后多點取樣測量系統(tǒng)DCS顯示畫面。

3.2改進(jìn)型基于氨氮摩爾比的串級PID脫硝控制

基于氨氮摩爾比的串級PlD脫硝控制,主調(diào)PlD控制回路設(shè)定值為SCR出口氮氧化物濃度控制目標(biāo)值,過程值為SCR出口氮氧化物實際值:副調(diào)PlD控制回路設(shè)定值為尿素溶液需求量,過程值為實際尿素溶液流量。

3.2.1尿素溶液需求量計算

通過脫硝系統(tǒng)氨氮實際反應(yīng)摩爾比,計算出理論尿素溶液需求量,其計算公式如下:

式中:F為理論尿素溶液需求量:a為氨氮摩爾比系數(shù):Cin為SCR反應(yīng)器入口氮氧化物濃度:Csp為SCR反應(yīng)器出口氮氧化物目標(biāo)值:Q為煙氣流量。

考慮不同負(fù)荷、不同溫度下的脫硝效率,通過負(fù)荷對應(yīng)的折線函數(shù)對不同負(fù)荷下的氨氮摩爾比進(jìn)行線性修正。

3.2.2反應(yīng)器入口N0x預(yù)測值

由于SCR入口氮氧化物濃度測量時延長,簡單采用SCR入口氮氧化物濃度進(jìn)行尿素需求量計算容易造成脫硝系統(tǒng)響應(yīng)滯后,在機組工況變化時參數(shù)波動會比較大。因此,在實際應(yīng)用中,對控制策略進(jìn)行了改進(jìn),引入相關(guān)前饋作為SCR入口氮氧化物濃度預(yù)測量進(jìn)行控制,將脫硝系統(tǒng)響應(yīng)時間提前。(1)入口N0x實測值基準(zhǔn)。將SCR入口N0x實測值作為SCR入口N0x預(yù)測值的基準(zhǔn),保證預(yù)測值的準(zhǔn)確性,避免因預(yù)測量不準(zhǔn)而造成系統(tǒng)失調(diào)。(2)空預(yù)器入口氧量前饋。通過機組歷史趨勢分析,空預(yù)器入口氧量與SCR入口N0x濃度存在良好的相關(guān)性,且氧量能更早地反映出SCR入口N0x濃度的變化趨勢及幅度,因此,引入空預(yù)器入口氧量作為主要前饋量。(3)機組負(fù)荷前饋。機組在變負(fù)荷過程中因為風(fēng)、煤配比的動態(tài)變化會出現(xiàn)較大幅度的N0x濃度波動,將變負(fù)荷信號引入脫硝控制作為前饋,可在變負(fù)荷初期就給脫硝系統(tǒng)一定的動作量,對SCR出口N0x指標(biāo)的穩(wěn)定有良好的促進(jìn)作用。(4)啟停磨前饋。啟停磨過程中,因為磨組配風(fēng)、配煤比例的變化,N0x濃度會大幅波動。根據(jù)不同磨在啟停過程中對N0x濃度的不同影響,引入不同強度的前饋,在啟停磨的同時改變尿素流量,可有效控制N0x濃度的波動幅度。

3.2.3模糊控制

以被調(diào)量的偏差和偏差變化量進(jìn)行模糊量化處理,將量化后的數(shù)據(jù)作為控制器的兩個輸入:然后,根據(jù)模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,并將推理后的模糊值解模糊化后,對當(dāng)前噴氨量進(jìn)行修正,可有效提高自動控制的調(diào)節(jié)速度并降低超調(diào)量。邏輯簡圖如圖4所示。

3.2.4數(shù)據(jù)保持

考慮到N0x儀表吹掃時數(shù)據(jù)保持,以A側(cè)為例,當(dāng)A側(cè)入口N0X數(shù)據(jù)吹掃保持時,采用A側(cè)保持值加B側(cè)入口變化量作為A側(cè)預(yù)估量:當(dāng)A側(cè)出口N0X數(shù)據(jù)吹掃保持時,為避免主調(diào)PID過調(diào),減弱出口N0X吹掃時主調(diào)PID調(diào)節(jié)作用。

4改進(jìn)效果

在上述優(yōu)化措施實施、熱態(tài)試驗調(diào)整后,機組常規(guī)運行工況下噴氨自動均保持投入。與優(yōu)化前相比,尿素流量調(diào)節(jié)速度明顯加快,A、B側(cè)反應(yīng)器出口N0X濃度、凈煙氣N0X濃度明顯趨于收斂,變負(fù)荷工況下波動幅度大幅減小,設(shè)定值跟蹤效果顯著提高。優(yōu)化效果如圖5所示。機組穩(wěn)態(tài)時,凈煙氣N0X濃度波動范圍為38~46mg/m3:機組變負(fù)荷工況時,凈煙氣N0X濃度波動范圍為32~49mg/m3。

優(yōu)化實施后,如表1所示,單位發(fā)電量尿素耗量比優(yōu)化前在300MM和600MM負(fù)荷時分別下降5w6.和5w0.。

5結(jié)語

采用SCR反應(yīng)器出口氮氧化物濃度多點取樣測量技術(shù),可參考各取樣點測量值對各噴氨格柵進(jìn)行調(diào)整,從而保證噴氨均勻,避免局部過噴和局部欠噴現(xiàn)象,有效提高脫硝反應(yīng)效率,減少氨逃逸。同時,引入SCR反應(yīng)器入口氮氧化物濃度預(yù)測值,以解決煙氣分析儀測量滯后而導(dǎo)致的噴氨滯后問題,保證在實際煙氣氮氧化物濃度發(fā)生變化時,噴氨量能及時調(diào)整。經(jīng)上述測量改造結(jié)合控制優(yōu)化,脫硝氨耗有效降低,實現(xiàn)了機組的節(jié)能降耗。