【正文】 1 緒論 煤、石油、天然氣等化石燃料的燃燒會產(chǎn)生二氧化碳（ CO2）、二氧化硫（ SO2）、氮氧化物（ NOx）和顆粒物等污染物，其中燃煤燃燒產(chǎn)生的污染物最為嚴重，是我國目前大氣污染物的主要來源。 目前，我國的發(fā)電機組絕大多數(shù)為燃煤機組，而以燃煤為主的電力生產(chǎn)所造成的環(huán)境污染是制約電力工業(yè)發(fā)展的一個重要因素。其中氮氧化物（ NOx）是繼粉塵和硫氧化物（ SOx）之后燃煤電站環(huán)保治理的重點，因此根據(jù)相關(guān)環(huán)境法律法規(guī)的要求，需要在燃煤鍋爐尾部加裝脫硝裝置。煙氣脫硝應(yīng)用較多的是選擇性催化還原法（ SCR）、選擇性非催化還原法（ SNCR）及 SNCR/SCR 聯(lián)合技術(shù)，由于高的還原率及技術(shù)的廣泛使用，選擇性催化還原（ SCR）已成為目前國內(nèi)外電站煙氣脫硝的主流技術(shù)。 本文介紹了幾種重要的脫硝技術(shù)，著重分析了選擇性催化還原（ SCR）技術(shù)的脫硝原理、工藝流程、設(shè)備布置和系統(tǒng)組成，并在此基礎(chǔ)上重點分析其控制策略與控制難點，此外還介紹了脫硝系統(tǒng)所用還原劑、催化劑的選取 2 目 錄 第 1 章 緒論 ........................................................1 選題背 景和意義 ...............................................4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ...............................................5 主要研究內(nèi)容 ................................................. 8 第 2 章 脫硝系統(tǒng)設(shè)備及工藝流程 ...................................... 10 SCR 法煙氣脫硝的設(shè)備 及工藝流程 ................................10 SCR 法煙氣脫硝的技術(shù)原理 .................................. 10 SCR 法脫硝工藝流程及系統(tǒng)簡介 .............................. 10 SCR 煙氣脫硝運行方式 .....................................20 SCR 法脫硝工藝中的催化劑、還原劑的特性及選擇 ............. 22 SCR 法脫硝工藝設(shè)計中的注意事項 ...........................25 SNCR 法脫硝技術(shù) ..............................................27 SNCR 工藝原理及其系統(tǒng) .................................... 27 SNCR 影響因素 ............................................30 SNCR/SCR 聯(lián)合技術(shù) ............................................32 第 3 章 SCR 脫硝系統(tǒng)控制策略 .......................................34 液氨蒸發(fā)器水溫控制 ..........................................34 氨氣緩沖罐氨氣壓力控制 ...................................... 35 噴氨流量控制 ................................................36 出口 NOx 定值控制 ......................................... 36 3 固定摩爾比控制（典型控制）方式 .......................... 38 稀釋空氣流量控制 ............................................ 40 吹灰器控制 ..................................................41 蒸汽吹灰控制 ............................................ 41 聲波吹灰控制 ............................................ 41 第 4 章 SCR 脫硝系統(tǒng)在電站的應(yīng)用 ................................... 43 脫硝系統(tǒng) ....................................................43 氨液制備區(qū) .............................................. 43 SCR 反應(yīng)器 ............................................... 43 脫硝控制系統(tǒng) ................................................ 44 氨氣出口溫度控制 ........................................ 44 氨液壓力控制 ............................................ 44 氨氣流量和出口 NOx 濃度控制 ............................... 45 稀釋風(fēng)控制和聲波吹灰器控制 .............................. 46 SCR 脫硝控制系統(tǒng)試運行 ....................................... 47 。 4 第 1 章 緒論 選題背景和意義 為防止鍋爐內(nèi)燃煤燃燒后產(chǎn)生過多的氮氧化物污染環(huán)境，應(yīng)進行脫硝處理將氮氧化物還原為無污染產(chǎn)物。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國氮氧化物排放量最大的是火電行業(yè)，占到 38%左右。據(jù)中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)協(xié)會組織的《中國火電廠氮氧化物排放控制技術(shù)方案研究報告》的統(tǒng)計分析，2020 年火電廠排放的氮氧化物總量已增至 840 萬噸，比 2020 年的 ％，約占全國氮氧化物排放量的 35％～ 40％。據(jù)專家預(yù)測，隨著國民經(jīng)濟發(fā)展、人口增長和城市化進程的加快，中國氮氧化物排放量將繼 續(xù)增長。若無控制，氮氧化物排放量在 2020年將達到 3000 萬噸，給我國大氣環(huán)境帶來巨大的威脅。 氮氧化物及其危害：氮氧化物（ NOx）是 NO、 NO N2O、 N2O N2O N2O5等的總稱。造成大氣污染的主要是指 NO 和 NO2。 NO 是煤燃燒時的主要副產(chǎn)物，主要來源于燃燒時煤中 N 的氧化及高溫空氣中 N2 和O2 的反應(yīng)。氮氧化物主要侵入呼吸道深部的細支氣管及肺泡。當人們長期處于氮氧化物濃度過高的環(huán)境中會導(dǎo)致死亡，室內(nèi)氮氧化物的質(zhì)量濃度不能超過 5mg/m3[1]。氮氧化物不僅是導(dǎo)致酸雨形成的主要原因之一，也是造成光 化學(xué)煙霧的根本原因，其產(chǎn)生的溫室效應(yīng)約是CO2 的 200～ 300 倍，其污染產(chǎn)生的經(jīng)濟損失和防治所需價值量比SO2 約高出 ％； NOx 還可轉(zhuǎn)化為硝酸鹽顆粒，形成 ，增加顆粒物的污染濃度、毒性和酸性 [2]。 氮氧化物對環(huán)境危害嚴重，為了改善大氣環(huán)境必須對氮氧化物的排放進行控制，因此對電廠脫硝 5 系統(tǒng)控制的研究有很重要的工程意義和現(xiàn)實意義。 國內(nèi)外 研究現(xiàn)狀 目前氮氧化物的控制技術(shù)主要分為兩種，一種是在燃燒過程中控制 NOx 的產(chǎn)生，主要有低氮燃燒技術(shù)、循環(huán)流化床潔凈燃燒技術(shù)（ CFBC）、整體煤 氣化聯(lián)合循環(huán)（ IGCC）、潔凈煤發(fā)電技術(shù)等。另一種是煙氣脫硝技術(shù)，使 NOx 在形成后被凈化，主要有選擇性催化還原（ SCR）、選擇性非催化還原（ SNCR）、 SCR/SNCR 聯(lián)合技術(shù)等成熟技術(shù) [2]。本課題主要研究煙氣脫硝技術(shù)。 SCR 工藝是目前大規(guī)模投入商業(yè)應(yīng)用并能滿足最嚴厲的環(huán)保排放要求的脫硝工藝， NOx 脫除率能夠達到 90％以上 [3]。具有無副產(chǎn)物、不形成二次污染 , 裝置結(jié)構(gòu)簡單 , 運行可靠 , 便于維護等優(yōu)點，因而得到了廣泛應(yīng)用。 SCR 脫硝系統(tǒng)最早在 20 世紀 70 年代晚期日本的工業(yè)鍋爐機組和電站機組中得到應(yīng)用 ，在歐洲和美國， SCR 脫硝系統(tǒng)也得到了十分廣泛的應(yīng)用。我國 SCR 技術(shù)研究開始于上世 紀 90 年代。早在 1995 年臺灣臺中電廠 5～ 8 號 4x550MW 機組就安裝了 SCR 脫硝裝置，大陸第一臺脫硝裝置是福建后石電廠的 1～ 6 號6x600MWSCR 脫硝裝置，自 1999 年起陸續(xù)投運。典型的燃煤電廠SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)采用氨（ NH3）作為還原介質(zhì)，主要由供氨與噴氨系統(tǒng)、催化劑（反應(yīng)塔）、煙氣管道與控制系統(tǒng)等組成 [4]。在催化劑及氧氣存在的條件下， NOx 與還原劑發(fā)生反應(yīng)，被分解成無害的氮氣和水。其基本的反應(yīng)方程式為： 6 可以作為 還原劑的有 NH3， CO， H2，還有甲烷、乙烯和丙烷等。目前以 NH3 作為還原劑對 NOx 的脫除效率是最高的 [5]。為了保證 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的正常運行以及化學(xué)反應(yīng)的正常進行，主要調(diào)節(jié)任務(wù)有： （ 1）使液氨蒸發(fā)器內(nèi)水溫保持恒定。液氨屬于易燃易爆物品，通常以加壓液化的方式儲存，液氨轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)時會膨脹 850 倍。液氨蒸發(fā)器的結(jié)構(gòu)為螺旋管式，管內(nèi)為液氨，管外為溫水浴，以過熱蒸汽直接噴入溫水中，再以溫水將液氨氣化。為了保證氨蒸發(fā)器的正常運行，防止液氨泄漏，滿足氨氣量的需求，通常要使液氨蒸發(fā)器內(nèi)水溫恒定，即 40℃。 （ 2）使氨氣緩沖罐氨氣壓力保持恒定。氨氣緩沖罐的作用是對氨氣進行緩沖，正常運行時保證按期有一個穩(wěn)定的壓力。氨氣緩沖罐的結(jié)構(gòu)比較簡單，主要有按期的進出口、安全閥、排污閥等。為保證氨氣緩沖罐正常運行，起到緩沖作用，通常通過控制液氨蒸發(fā)器進口調(diào)節(jié)閥，控制液氨蒸發(fā)流量，使按期緩沖罐氨氣壓力保持在 。 （ 3）使 NH3/NOx 摩爾比恒定，保證機組脫硝效率。由選擇性催化還原煙氣脫硝的化學(xué)反應(yīng)方程式可知，若 NH3 投入量超過需求量，則 NH3 氧化等副反應(yīng)的反應(yīng)速率將增大，從而降低 NOx的脫除效率，同時也增加了凈化煙氣中未 轉(zhuǎn)化 NH3 的排放濃度，造成二次污染；若 NH3 投入量小于需求量，則會導(dǎo)致 NH3 脫除效率降低，達不到機 7 組煙氣脫硝的目的。因此為保證機組煙氣脫硝效率，應(yīng)使 NH3/NOx摩爾比恒定，一般控制在 以下 [6]。 SCR 控制系統(tǒng)的啟停由噴入的氨來控制 ,即依據(jù)固定的 NH3/NOx摩爾比來確定所需的氨氣流量。進口 NOx 濃度和煙氣流量的乘積產(chǎn)生 NOx 流量信號 ,此信號乘以 NH3 /NOx 摩爾比就是基本氨氣流量信號， SCR 控制系統(tǒng)根據(jù)計算出的氨氣流量需求信號去定位氨氣流控制閥 ,實現(xiàn)對脫硝的自動控制 [7] 。脫硝系統(tǒng) 雖然是環(huán)保裝置，但是與機組運行有密切的關(guān)系，從目前已投產(chǎn)的配套脫硝裝置電廠的情況看，脫硝裝置的控制基本上均納入機組的 DCS 控制系統(tǒng)中。根據(jù)對10 多家 硝裝置的統(tǒng)計，機組部分的 IO 點數(shù)大概在 200～ 770 點之間，公用系統(tǒng)的 IO 點數(shù)在 130～ 330 點之間，雖然不同工藝廠家系統(tǒng)的 IO點數(shù)有差異，但是基本上都能滿足脫硝系統(tǒng)的控制要求。針對 SCR煙氣脫硝領(lǐng)域的難點之一 —— NOx與 NH3 的混合，江蘇蘇源環(huán)保工程股份有限公司提出了“主動利用不均”的理念，在該理念的指導(dǎo)下開發(fā)了專利技術(shù)“噴氨格柵”，其功能是：在實際工況下，針 對 NOx的不均勻特性，有計劃、有步驟地控制不同區(qū)域的噴氨量，實現(xiàn)不同區(qū)域不同的 NOx/NH3 配比。對于 SCR 脫硝技術(shù)，文獻 [8][9][10]中都有介紹，文獻 [11]則舉了大唐陽城電廠的實例來介紹 SCR 脫硝技術(shù)在電廠的應(yīng)用。另外，文獻 [12]中提到了 SO3 在 SCR 反應(yīng)器中的生成及其危害，需要采取一定的措施脫除煙氣中的 SO3。 SNCR 技術(shù)是已投入商業(yè)運行的比較成熟的煙氣脫硝技術(shù)，其建設(shè)周期短、投資少、脫硝效率中等，比較適合于中小型電廠改造項目。 8 20 世紀 70 年代， SNCR 技術(shù)首先在日本投 入商業(yè)應(yīng)用，目前全世界大約有 300套 SNCR裝置，其中 30個為電站鍋爐，容量約為 7100MW。由于 SNCR 法脫硝率只有 30％～ 50％，一般采用低 NOx 燃燒技術(shù)/SNCR 或 SNCR/SCR 聯(lián)合使用 [13]。 SNCR/SCR 混合技術(shù)在 20 世紀 90 年代后期研發(fā)成功，與 SNCR和 SCR 工藝相比而言，這種混合技術(shù)特點主要是：系統(tǒng)脫硝效率相對較高；設(shè)備相對簡單，建設(shè)周期短，占地面積??；催化劑用量較少，系統(tǒng)壓損小等 [14]。 對于脫硝系統(tǒng)的控制，文獻 [15] 提出了一個指數(shù)ARMAX(ExpARMAX)模型，仿真研究 表明，此模型可以在一個大的經(jīng)營范圍內(nèi)提供令人滿意的脫硝進程的建模精度。其控制算法能顯著提高系統(tǒng)的控制性能。文獻 [16]對一個 60 萬千瓦的火電廠熱力系統(tǒng)進行了模擬和優(yōu)化，主要研究了氨的流場及分布對原設(shè)計的改善