SCR控制

SCR控制（精选十篇）

SCR控制 篇1

全球化石燃料的短缺及CO2减排压力的增加, 柴油机以它载重量大、比油耗低、热效率高等优点得到了越来越广泛的应用。但柴油机排放的氮氧化物 (NOx) 和微粒 (PM) 也对人们的生活环境产生的严重的危害。各国纷纷出台了排放法规, 大幅度减少机动车的排放。目前, 国内外专家普遍认为通过燃烧优化等机内控制措施很难满足欧Ⅳ、欧Ⅴ排放法规的要求。高效的排气后处理技术SCR以它较高的燃油经济性、对油品要求较低的性质被公认为最具有潜力的技术之一。

以尿素溶液作为还原剂具有技术成熟、催化剂稳定、NOx转化效率高等优点, 因此得到了最广泛的应用。

1 SCR系统的工作原理

1.1 反应机理

SCR技术利用还原剂尿素在高温下热解及在催化剂的作用下发生水解, 生成具有还原性质的物质NH3。在催化器表面涂层的催化作用下与排气中的NOx进行还原反应生成氮气和水。其化学反应为:

氨气的生成反应:

NOx的催化还原的主要反应:

柴油机排放的氮氧化物中NO含量通常占85%~95%, 因此NOx的催化还原反应中反应 (4) 是最主要的, 通常称为“Standard-SCR”反应;当气体成份中同时也含有NO2时, 由于NO2比O2具有更强的氧化性, 可以明显促进低温时催化剂活性成分的还原, 反应 (5) 通常称为“Fast-SCR”反应;当n (NO2) /n (NO) 大于1.0时, 主要发生反应 (6) 通常称“Slow-SCR”反应。

1.2 SCR系统构成

尿素-SCR系统主要由控制器、尿素泵、喷嘴、SCR催化器组成。控制器主要在发动机的不同工况下控制尿素喷射量, 并有检测系统故障的功能。尿素泵为尿素水溶液输送到喷嘴提供动力。喷嘴在高压喷射尿素, 尿素液滴雾化。雾化效果越好越有助于催化剂的转换效率。SCR催化器由三部分组成:载体、涂层、封装, 并且一般与消声器安装在一起, 以减少安装空间。

2 影响SCR系统转换效率的主要因素

2.1 催化器的温度特性

目前SCR以钒基 (Ti O2-V2O5) 或沸石为主要催化成份。钒基催化剂的高效温度范围为250~500℃。一般中重型发动机排气温度很少能达到这么高的温度, 因此适用于我国中重型发动机。沸石分成铜基沸石和铁基沸石。铜基在低温时催化能力较强, 适用于排温较低的发动机 (低于200℃) , 铁基适合于排温较高的发动机。沸石的价格较高。图2为各种催化剂的高效催化性能温度范围。

2.2 SCR的空速特性

SCR空速特性曲线见图3, 发动机在不同工况下, 催化器的空速变化范围很大。从图中可以看出, 大约在200~300℃时SCR的转化效率随空速的增加而减少, 主要是因为空速大, 反应时间短, 很多NOx来不及反应。当温度上升到300℃时, 空速与转化效率基本无关, 主要因为在高温下, 催化剂活性很强, 抵消了空速造成的不利影响。

3 还原剂流量控制策略及改进方案

SCR技术应用于柴油机排放控制时, 还原剂流量的控制尤为重要, 控制不好易引起低温时转化效率不高、瞬变工况时喷射量控制不得当以及氨气泄露等问题。必须综合考虑发动机的排放性能、催化器的储氨特性、催化器的储热特性和转化效率以制定合理的还原剂流量控制策略。

3.1 稳态喷射控制策略

调整柴油机, 优化缸内燃烧, 尽量使PM达到排放法规要求。在此条件下, 测量发动机全工况下, 排气温度, 排气流量及其对应的NOx排放量等参量。根据化学反应方程式 (4) ~ (6) 计算还原剂喷射量, 尿素溶液的质量分数为32.5%, 1 mo L的尿素可生成2 mo L的氨气, 1 mo L的氨气可以还1 mo LNOx。

3.2 瞬态排放修正策略

瞬态修正策略是建立在稳态喷射控制之上的。

3.2.1 储氨修正

SCR系统的催化器通常具有一定的NH3储存能力, 对于给定的催化器, 排气温度是影响其储氨能力的主要因素。排气温度高时, 催化器的储氨能力弱, 当发动机从低排温工况瞬间过渡到高排温工况时, 储存的NH3会释放出来, 可能导致NH3过量从而出现NH3的滑失;而在排气温度低时, 催化器的储氨能力强, 当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时, 由于NH3大量储存在催化器中, 会降低NOx的转化效率。因此, 在制定尿素流量控制策略时还需要考虑催化器对NH3的储存作用。

3.2.2 排气温度修正

在稳态控制模型中, 只考虑了发动机系统各参数, 如转速、扭矩、催化器温度等均达到稳定的情形, 但是在实际使用中, 由于催化器具有容热容性, 当发动机从一个工况过渡到另一个工况时, 催化器的床温有一段时间的延时。当发动机从低排温工况瞬间过渡到高排温工况时, 催化剂的活性未变强, 喷入的尿素水溶液在低排温环境下会生成氨盐覆盖在催化剂表面或者存储在催化器内。随着催化剂床温的逐步升高, 催化剂内部吸附的氨气会大量逸出, 氨盐也发生热解反应释放出氨气, 此时氨气的量往往会超出理论需求量, 在催化器出口以滑失的形式排出。当发动机从高排温工况瞬间过渡到低排温工况时, 催化器的床温通常温度较高, 催化器的转化效率也较高。如果能根据催化器的实时温度适当加大尿素水溶的流量, 就可以提高NOx的转化效率。当发动机工况发生变化时, 让喷射量在一段时间内缓慢发生变化, 以适应催化器温度变化规律。使NOx的转化效率达到较高的水平, 同时也降低了NH3的泄漏。

4 SCR系统的控制策略展望

上面获得的控制策略, 是以发动机的转速、扭矩和排气温度为基本控制量, 即通过发动机的转速、扭矩和排气温度变化控制还原剂流量的改变的。这是一种开环控制。当环境条件发生改变, 发动机的转速、扭矩、排气温度和排气流量与NOx排放量的对应关系通常会发生偏离。今后SCR势必朝着闭环控制方向发展。闭环控制必须要有可靠高精度的NOx传感器。因此, NOx传感器的发展也与SCR系统的密切相关。SCR系统采用的是质量浓度为32.5%的尿素水溶液作为还原剂。32.5%浓度的尿素水溶液的最低冻点只有-11℃。因此在严寒地区使用SCR系统必须考虑尿素水溶液结冰问题。目前有电加热和用冷却水加热尿素水溶液, 但这两种方案均不节能。发展一种高效的熔冰设备也是发展SCR系统的当务之急。

参考文献

[1]殷勇, 项旭舁, 阳松林.重型柴油机达国IV SCR实验研究[J].汽车科技, 2009 (3) :61-65.

[2]卢继东.SCR技术在国内车用柴油机上的应用[J].装备制造技术, 2007 (5) :80-81.

[3]温苗苗, 吕林, 高孝洪.柴油机选择性催化还原后处理系统仿真[J].内燃机学报, 2009, 27 (3) :249-254.

[4]陶泽民, 宋崇林, 吕刚, 等.钒基SCR催化剂动态反应特性的发动机试验研究[J].内燃机学报, 2009, 27 (5) :417-422.

[6]覃军.降低柴油机NOx排放的SCR系统控制策略的研究[D].武汉:武汉理工大学, 2007.

SCR控制 篇2

控制氮氧化物排放的低温SCR催化剂及工程应用

讨论了选择性催化脱硝工艺(SCR)的原理、工艺分类和工程应用情况,着重介绍了低温SCR催化剂的研究、工艺和工程应用问题,对低温SCR工艺的发展方向做出了分析和展望,并提出了一些具体建议.

作 者：沈伯雄 王成东 郭宾彬 梁材 史展亮 SHEN Bo-xiong WANG Cheng-dong GUO Bin-bin LIANG Cai SHI Zhan-liang  作者单位：南开大学 刊 名：电站系统工程  PKU英文刊名：POWER SYSTEM ENGINEERING 年，卷(期)： 22(4) 分类号：X703 关键词：低温SCR   烟气脱硝   选择性催化还原   氮氧化物  

SCR脱硝技术分析 篇3

关键词：锅炉；NOx；环境污染

一、SCR法烟气脱硝原理

在催化剂作用下，向温度约为280～420℃的烟气中喷入氨，将NO和NO2还原成N2和H2O。化学反应方程式如下：

4NO+4NH3+O2→ 4N2+6H2O

6NO+4NH3→ 5N2+6H2O

6NO2+8NH3→7NO2+12H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

副反应方程式如下：

2SO2+O2=2SO3

NH3+SO3+H2O=NH4HSO4

二、SCR脱硝的主要影响因素分析

（一）NH3/NOx摩尔比的影响

1.氨的过量和逃逸取决于 （NH3 ） / （NOx）、工况条件和催化剂的活性用量（工程设计氨逃逸不大于0.0003%， SO2 氧化生成SO3 的转化率≤1%）。2.氨的逃逸率增加，增加了净化烟气中未转化NH3 的排放浓度，进而造成二次污染。

（二）反应温度的影响

1、在300～400 ℃ 内（对中温触媒） ，随着反应温度的升高，脱硝率逐渐增加，升至400 ℃时，达到最大值，随后脱硝率随温度的升高而下降。2、存在两种趋势：一方面温度升高时脱硝反应速率增加，脱硝率升高；另一方面随温度升高，NH3 氧化反应加剧，使脱硝率下降。3、存在最佳温度。4、脱硝反应一般在300～420℃范围内进行，此时催化剂活性最大，所以，将SCR 反应器布置在锅炉省煤器与空气预热器之间。

（三）接触时间的影响

1、脱硝率随反应气与催化剂的接触时间 的增加而迅速增加；t 增至200ms 左右时，脱硝率达到最大值，随后脱硝率下降。2、由于反应气体与催化剂的接触时间增加，有利于反应气体在催化剂微孔内的扩散、吸附、反应和产物气的解吸、扩散，从而使脱硝率提高；但若接触时间过长，NH3 氧化反应开始发生，使脱硝率下降。故接触时间并非越长越好。

（四）催化剂的影响

催化剂是SCR工艺的核心，催化剂对脱除率的影响与催化剂的活性、类型、结构、表面积等特性有关。其中催化剂的活性是对NOx的脱除率产生影响的最重要因素。催化剂性能参数：

1、催化剂体积。催化剂体积是催化剂所占空间的体积，m3。在SCR系统中，所需催化剂体积的大小由NOx的浓度和脱除效率、氨逃逸量、催化剂的活性及几何特性、烟气流量、压力损失等因素决定。

2、催化剂比表面积。催化剂面积是指催化剂的几何表面面积（比表面积）。催化剂比表面积是一个单位体积催化剂的几何表面积，即m2/m3。空隙越多的催化剂几何表面积越大，性能也越好。

3、空间速度。空间速度定义：烟气流量（标准温度和压力下湿烟气）与催化剂体积的商数，即：

式中，SV——空间速度，[h-1]。

Vfg——烟气流量，[m3/h]；

Vcat——催化剂体积[m3]

空间速度的物理意义：表示烟气在催化剂容积内滞留时间的尺度。空间速度是催化反应器的主要设计依据，空间速度的确定除受催化剂特性的影响之外，需要考虑脱氮效率、运行温度、氨的允许逃逸量、以及烟气中的粉尘含量、锅炉型式、催化反应器布置位

4、面积速度。面积速度定义：烟气流量（标准温度和压力下湿烟气）与催化剂几何表面面积之比，即：

式中，AV——面积速度，m/h

面积速度AV又可以表示为烟气空间速度与催化剂几何比表面面积之比。即：

5、SO2/SO3转化率。SO2/SO3转化率是指烟气中的SO2转化为SO3的比例，以百分数表示。SO2/SO3转化率高对催化剂本身以及下游设备都是有害的，所以大都要求催化剂的SO2/SO3转化率控制在小于1%（最多不能高于2%）。影响SO2/SO3转化率的因素主要有反应温度和催化剂成分，还有氨的喷入量。同时反应温度越高转化率越高。

6、催化剂活性。催化剂中的V2O5是主要活性物质。当V2O5的质量分数低于6.6%时，随 V2O5 质量分数的增加，催化效率增加，脱硝率提高； 当V2O5 的质量分数超过6.6%时，催化效率反而下降。这主要是由于V2O5在载体TiO2 上的分布不同造成的。当V2O5的质量分数为1.4%～4.5%时， V2O5 均匀分布于TiO2 载体上，且以等轴聚合的V 基形式存在；当V2O5 的质量分数为6.6%时， V2O5在载体TiO2 上形成新的结晶区（V2O5 结晶区） ，从而降低了催化剂的活性。

三、催化剂的活性分析

催化剂的活性随温度、压力、烟气流量、催化剂配方、催化剂受损害的情况而变化。随着使用时间的延续，催化剂的活性将会不断降低。催化剂的活性降低将导致脱硝率的降低，同时将导致氨逃逸量的增大。

其中，催化剂失活的机理主要有：

（一）砷中毒

中毒机理：

14000C左右时，4As +3 O2 = 2 As2O3

当烟气在省煤器中冷却下来时， As2O3与飞灰反应生成稳定的化合物，在催化剂上凝结， 覆盖活性成分或堵塞毛细孔。As2O3气体还很容易和氧气以及催化剂中的活性成分五氧化二矾发生反应，在催化剂表面形成五氧化二砷，导致催化剂活性的破坏。

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（二）碱金属和碱土金属中毒

中毒机理：

1、碱金属（第一主族元素，包括锂、钠、鉀、铷、铯、钫。 碱金属是活泼金属，其氢氧化物易溶于水，呈强碱性，故叫“碱金属元素”）能与催化剂的活性成分直接发生反应。

2、碱土金属（第二主族元素，包括：铍，镁，钙，锶，钡，镭。也都是非常活泼的金属）的游离氧化物和催化剂表面吸附的SO3反应，生成物是MSO4垢（主要是CaSO4 ），覆盖在催化剂表面阻止催化还原。

3、堵塞。烟气中的粉尘和其它化合物（硫酸铵/硫酸氢铵）沉积在催化剂的表面。通过吹扫清除已沉积的灰颗粒（可利用气力、振动等方法），同时加装导流和筛网减少飞灰颗粒的沉积。硫酸铵的沉积现象可通过提高温度消除。

4、热损伤。燃煤电厂烟气中的粉尘冲刷和酸性气体腐蚀的共同作用将使催化剂受到损伤，这种现象统称为冲蚀。

5、冲蚀。损伤机理：温度的高低波动太大，催化剂各部分热应力分布不均匀，造成机械应变而导致部分脱落。同时如果催化剂的温度太高，导致催化剂中的某些成分出现催化剂颗粒晶型的改变，从而导致催化性能的改变。

四、加装SCR系统对锅炉及辅机的影响

（一）对锅炉引风机的影响

加装SCR 脱硝装置而产生的烟气阻力包括烟气在烟道中的沿程阻力、局部阻力和催化剂本身的阻力。催化剂在反应器中采用分层布置（一般为2～3 层），对于反应器中典型的设计烟气流速4～6m/s 和标准尺寸的催化剂模件，每层催化剂的烟气阻力约为200Pa。采用SCR 脱硝装置，烟气侧阻力增加约为1000Pa，引风机裕度可能无法满足要求而被迫改造。

（二）对回转式空预器的影响

SCR 催化剂将烟气中部分SO2被催化氧化为SO3，与逃逸的部分氨反应生成硫酸氢铵，增加了空预器堵塞和腐蚀的风险。并且硫酸氢铵牢固粘附在空预器蓄热元件的表面上，使蓄热元件发生积灰，减小空预器内流通截面积，从而引起空预器阻力的增加，降低空预器换热元件的效率。此外，SCR 反应器内烟气流速约为4～6m/s，势必形成一定程度的积灰。为保证SCR 催化剂的催化效果，在SCR 内配置的吹灰器将会把积灰吹入空预器，在空预器内会形成堵灰。而且加装SCR 脱硝装置后，空预器段烟气负压增加较多，漏风压差增加，通常空预器漏风率增加0.8%～1.5%。

五、总结

SCR脱硝技术虽然比较成熟，但是影响其脱硝效率的因素也很多，所以在运行的过程中应当加强实时监控，定期抽取催化剂进行检验，同时在应用SCR脱硝的过程中除了应该注意脱硝效率之外，也应该注意催化剂的活性及氨的逃逸率，在不能保证氨的逃逸率的前提下，过分的追求脱硝效率是不科学的，不仅会产生新的污染，也会增加空预期腐蚀、堵灰的概率。

参考文献：

[1]佚名.火电厂SCR烟气脱硝技术[M].中国电力出版社，2013.

[2]武宝会，崔利.火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电，2013，42（10）.

[3]夏怀祥.选择性催化还原法（SCR） 烟气脱硝[M].中国电力出版社，2012.

SCR烟气脱硝系统运行控制策略 篇4

据调查,在全球范围内每年将会有大约几千吨硝排放到大气中,其中有80% 的硝都是由于人类活动造成的。硝是环境污染的一种主要原因,在环境污染中,产生硝污染的原因主要是由于矿石燃料的燃烧、金属冶炼、硝矿开发等,其中产生硝污染的最主要的原因是燃煤燃烧造成的。燃煤是造成硝污染的主要原因,在燃煤企业生产过程中必须要加强硝排放的控制,加强对自然的保护,以提高人们的身体健康能力。

1 脱硝技术的概述

当前脱硝过程中使用的技术主要有两种,一种是SNCR,另一种是SCR,一般说来,在水泥企业生产过程中一般采用SNCR进行脱硝的几率加大。

SNCR也叫做选择性非催化还原技术,这种脱硝技术指的是不使用催化剂的一种脱硝方法,指的是将温度控制在850 ~ 1100℃范围内对氮氧化合物进行还原的方法,利用这种技术和方法进行脱硝,不使用催化剂的情况下一般会使用氨和尿素作为催化进行脱硝处理。一般说来,SNCR脱硝技术在大型燃煤机组中应用时可以达到25% ~ 40% , 对于小型机组而言,其效率会高很多,一般会有80%左右。这种脱硝的方法受到锅炉结构尺寸的影响比较大,一般可以用作进行低氮燃烧技术的补充处理手段。这种脱硝技术的工程造价不高,布置也比较简单,而且占地比较下,适合对老旧的工厂进行改造,当前在很多行业中都有广泛的应用,比如工业、农业、商业、能源、环保、安全监管、质检等。

SCR又叫做选择性催化还原技术。这种技术是当前行业内比较成熟的一种脱硝技术,是一种炉后脱硝技术,最早是在日本兴起的,主要是利用还原剂在金属催化剂作用下 , 选择性地与氮氧化合物进行反应,然后分布生成N2和H2O的方法,而不是被氧气氧化 , 因此也叫做选择性还原法,当前世界上使用较多的SCR技术主要有氨法SCR和尿素法SCR,根据所使用的催化剂的不同分类有所不同,这两种方法都是利用氨对氮氧化合物的还原功能 , 在催化剂作用下对在催化剂的作用下将氮氧化合物还原为对大气影响较小的N2和水的方法。在这种脱硝技术中,最常用的催化剂大多需要载体,载体一般都是Ti O2,以V2O5或V2 O5 -WO3或V2O5Mo O3为活性成分,载体的形式有三种,比如蜂窝式、板式、波纹式。

2 SCR 烟气脱硝自动化控制系统及应用

2.1 脱硝处理的难度

脱硝处理在当前的工业生产过程中还有较大的难度,SCR烟气脱硝技术是当前工业中使用较为广泛的一种技术,这种技术的最大的消耗品是还原剂和催化剂,这种脱硝的方法效率较高,价格也比较低廉,在国内外的很多工程生产过程中都有广泛的使用。在烟气脱硝过程中应用的SCR催化剂有高温、中温以及低温三种之分,高温可以达到600℃左右,不同的催化剂由于有不同的反应温度,因此脱硝处理过程中的难度主要表现在几个方面。第一,催温度的控制方面,在脱硝处理过程中,一个重要的原理就是对排出的气体进行还原,由于不同的催化剂有不同的工作温度,因此对温度的控制是一个重要的内容,如果温度较低,则会使得催化剂的活性也降低,脱硝的效率也会相应地降低。如果催化剂持续在低温下运行会使催化剂发生永久性损坏,但是在当前的脱硝过程中,对温度的控制技术还不够精确,因此很难将催化剂的最佳功效发挥出来。另外,但是如果外界的反应温度过高,NH3容易被氧化,会导致氮氧化合物的生成量增加,还会引起催化剂材料的相变,使催化剂的活性退化。因此,外界环境的温度过高或者过低都不利于催化剂的工作。第二,外界环境中的氧的控制难度较大。在脱硝过程中,如果有外界的催化剂的影响,加上外界空气中有氧的存在,会导致SO3的生成量会增大,而对周围环境中的氧气进行控制,是一个难点问题,氧气是空气中的一种重要组成部分,只要有空气的地方就会有氧气,而当前一些脱硝装置的密封效果并不好,也不能实现绝对的真空,因此导致脱硝难度增加。

并且和其他的物质一起反应生成NH4HSO4。NH4HSO4是一种具有腐蚀性和粘性的物质,会对金属设备带来损坏,而且在脱硝的过程中,虽然SO3的生成量有限,但是它的影响也比较大,也不能忽视。

2.2 SCR 烟气脱硝自动化控制系统及应用

2.2.1SCR 脱硝装置

(1)氨液制备区

SCR烟气脱硝装置中,一般会采用液氨作为还原剂,液氨的纯度一般为99.5%,在脱硝装置中一共有2套储存、卸载、蒸发氨系统,其中一套使用,另一套备用,系统中的装置包括卸氨压缩机、液氨储罐、液氨供应泵、液氨蒸发器、废水泵、废水池等设备。其中的蒸发器的温度保持在325℃左右,压力为0.72MPa的蒸汽加热 ;液态氨的压力要保持在0.15-0.2MPa,进入蒸发器的管程要进行加热,其中加热到30℃为最佳,蒸汽进口阀可以对蒸汽的进量进行调节,氨气出口的温度要控制在30℃左右。氨气紧急排放系统将氨气排入稀释槽中,经水吸收排入废水池内,可以经过废水泵的处理,将其排入到废水处理场中。

(2)SCR反应器

烟气脱硝装置的烟道及SCR反应器都在锅炉省煤器后以及空气预热器之前,进行氨气喷射的格栅一般都安装在SCR反应器烟气进口,烟气在锅炉出口处可以分成两个方向,其中每一个方向的烟气都可以进入到一个呈垂直状态布置的SCR反应器中,并且可以向下流动,经过均流板、催化剂层,进入回转式空气预热器、静电除尘器以及脱硫系统中,对其中的各种物质进行过滤处理,然后可以通过烟囱将过滤之后的气体排入到大气中。

2.2.2 脱硝控制系统

(1)氨液压力和加热蒸汽温度控制

当氨系统开始运行之后,可以通过对蒸汽的进口阀的开度大小进行调节,对氨气的出口温度进行相应的控制,可以将其控制在30摄氏度左右为最佳,为单回路控制。通过蒸发器氨液入口调节阀可以对氨气的出口的压力进行控制和调节,也是单回路控制。由于在实际变负荷的过程中,氨气的流量变化比较大,为了保持压力的稳定,在控制回路的过程中加入流量指令信号的前馈作用,可以实现对压力的优先调节,将其完善后可以实现对氨流量的控制。

(2)氨气流量和出口氮氧化合物浓度控制

SCR烟气脱硝控制系统中的另一个重要的部分就是要对氨气的流量和出口氮氧化合物的浓度进行控制,对这部分内容进行控制的过程中,可以利用NH3/ 氮氧化合物的摩尔比提供所需要的氨气流量,使用基本的氮氧化合物含量,再乘以NH3 /氮氧化合物摩尔比就可以计算出在脱硝的过程中所需要的氨气的需求量。出口氮氧化合物的浓度控制可以实现对NH3/ 氮氧化合物摩尔比进行修正,主要是对氨气的需求量进行修正,最终得到氨气流量的目标设定值,从而实现对脱硝质量的控制。需要注意的是,SCR控制系统根据计算得出的氨气需求量可以通过相应的信号传输传递到相应的控制系统中,实现对氨气阀的开度控制,实现脱硝的自动控制和管理。

目前,采用脱硝调节控制出口氮氧化合物浓度的策略较多,但氮氧化合物浓度存在时变形、非线性的问题,给脱硝自动调节系统带来很大干扰,给氮氧化合物的浓度的调节带来很大困难,其中造成影响的因素主要有以下几个方面 :

(1)NH3/ 氮氧化合物反应需要时间,NOX的测量需要时间,从调阀开度变化到NOX变化一般需要1.5-3min时间,这给整个系统带来较长时间的滞后,调节对象惯性大、滞后时间长一直都是传统PID调节的难题,只能通过增加微分作用或准确使用前馈量提前调节。

(2)进行NOX测量时需要定期吹扫和校准,需要较长时间,一般长达8min。这段时间内的NOX无法测量,只能保持吹扫前的溶度不变,出口NOX此时与设定值若存在偏差,在积分作用下阀门会朝一个方向持续变化,造成当校验结束时,NOX溶度出现较大偏差。

(3)3)NOX调节前馈量难以确定,负荷、煤质的变化对NOX的影响没有一定的规律,无法有效的使用前馈量调节,而烟气量目前难以准确测量,只能以风量替代。

(4)目前多数火电机组使用配煤掺烧,煤种、煤质变化大,当负荷变化较大需要启停磨时,煤质的变化更大,往往造成入口NOX发生较大幅度的变化,给系统造成很大扰动,只能通过增大比例作用和积分作用来提高系统响应速度,而比例作用和积分作用过强又会造成系统的振荡,只能讲其调整到适当的强度。

(5)调阀流量特性的变化,一般调阀特性非线性,造成在某些开度范围流量变化大,某些开度范围流量变化小。而且一般机组是从氨站引一根总管至机组,然后分别至A、B侧,当其中一侧开度陡变时不可避免的影响到了另一侧氨气的流量。

针对上述问题,有些机组引进了“模糊控制”、“提前预测”等先进控制策略替代原有PID调节,但这些系统一般都封装在“黑匣子”中,电厂维护人员看不到逻辑,看不到控制策略,给维护带来难度,出现问题只能咨询厂家。与此同时,由于这些系统本身在使用过程中也会出现一些问题,经过一段时间的使用之后应该要重新修改模型,但是在重新修改模型的过程中存在价格昂贵等问题。因此可以使用传统PID调节,在一定程度上可以实现对调节系统的优化 :

(1)在PID出口增加折线函数,修正流量曲线。

(2)适当使用入口NOX、风量等前馈量。

(3)当NOX定期吹扫和校准时,放大积分时间减弱积分强度,避免阀门因校准前的偏差在积分作用下阀门持续朝一个方向动作。

(4)如下图,曲线为NOX出口浓度变化趋势图,在t1至t2时间段,比例作用使阀门开大,但由于积分作用使阀门关小,综合比例和积分作用阀门并不马上开大,但此时NOX增大速率较大,有超调的趋势,此时应放大比例作用,减小积分作用让阀门马上动作,减小积分作用对阀门开大的阻碍,当实际值已接近设定值后(即接近时间t2)恢复原有的比例作用和积分作用,因为由于调节对象的长时间滞后此时再开大阀门对NOX的超调意义已经不大,反而会导致NOX在后期t4出现较低值,出现恶性循环。t3至t4时间段采用策略与其类似。

3结语

高井热电厂SCR脱硝系统性能检测 篇5

高井热电厂SCR脱硝系统性能检测

介绍了高井热电厂SCR脱硝工艺流程,针对电厂SCR法脱硝系统的主要性能指标进行了现场检测,并对检测结果进行分析,为SCR脱硝系统的竣工验收提供参考.

作 者：易玉萍 吴碧君 魏晗 YI Yu-ping WU Bi-jun WEI Han 作者单位：国电环境保护研究院,江苏,南京,210031刊 名：电力环境保护英文刊名：ELECTRIC POWER ENVIRONMENTAL PROTECTION年，卷(期)：25(3)分类号：X701.1关键词：SCR 性能检测 脱硝效率

SCR控制 篇6

摘要： 催化剂是燃煤电厂选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术的核心，催化剂的活性和寿命决定了脱硝效率和脱硝成本.针对目前国内燃煤机组脱硝催化剂易失活、更换频率高等问题，通过查阅相关文献对催化剂磨蚀、堵塞、烧结、中毒等四种主要失活现象进行了研究.从四种主要失活现象的微观机理入手进行分析，并结合实际运行经验，总结了不同失活现象产生的原因，提出了在燃煤电厂实际运行中可有效抑制催化剂失活的方法.研究对提高脱硝效率、降低脱硝成本具有一定的指导意义.

关键词：

氮氧化物； 选择性催化还原； 失活

中图分类号： X 701 文献标志码： A

燃煤电厂是用煤大户，伴随煤炭的燃烧排放出大量的氮氧化物（NOx）.据统计[1]，2009—2010年，全国燃煤电厂NOx排放总量从860万t增加到1 000万t.随着燃煤机组装机总量不断增加，NOx的排放量也逐年增多，因此，控制燃煤机组NOx排放是有效控制大气污染物的重要途径.现行的NOx排放标准对火电机组的要求极为严格，甚至比日本、欧美等国家和地区的排放标准还要严格.燃煤电厂单纯采用低NOx燃烧系统已不能满足如此严格的排放标准的要求.采用选择性催化还原（selective catalytic reduction，SCR）烟气脱硝技术可以实现烟气的深度净化，其脱硝效率可达90%.而在整个选择性催化还原过程中催化剂处于核心地位.实际运行过程中，催化剂维持较高的活性是保证高效脱硝的前提.目前，在燃煤电厂应用最广泛的是V2O5/TiO2 基催化剂，它以具有高比表面积的锐钛矿（TiO2）为载体，以V2O5为活性成分，添加适量WO3 或MoO3 作为“化学”助劑和“结构”助剂，可以提高催化剂的酸性[2]，从而扩大SCR脱硝反应的温度区间[3]，同时还可抑制锐钛矿转化为金红石[4]、SO2 转化为SO3[5]，增强了催化剂抵抗中毒的能力[6-7].通过查阅相关文献，结合SCR脱硝实际运行经验，本文对其中出现的催化剂磨蚀、堵塞、烧结、中毒等问题进行分析，提出了实际运行中可有效抑制催化剂失活、延长催化剂寿命的方法.

1SCR脱硝反应机理

SCR脱硝是一种低温反应的脱硝方式[8-9]，反应温度在320～420 ℃.由于受反应温度的限制，SCR催化反应过程通常设置在省煤器后，即烟气从省煤器出来后，进入SCR反应器内进行反应.在催化剂作用下，喷入反应器内的NH3将烟气中的NOx还原成无毒无污染的N2和H2O.SCR脱硝机理如图1所示.主要化学反应式为

4NH3+4NO+O2→6H2O+4N2（1）

4NH3+6NO→6H2O+5N2（2）

催化剂的活性通常采用NO的脱除率XNO表示，其定义为

XNO=Ci-CoCi·100%（3）

式中：Ci为SCR反应器进口NO的质量浓度，mg·m-3；Co为SCR反应器出口NO的质量浓度，mg·m-3.

SCR催化剂活性随运行时间增加逐渐降低.催化剂活性降低的快慢常常采用失活速率r表示.运行t时间后，r可以表示为t时刻NO的脱除率X′NO相对于刚投入运行时NO的脱除率X0NO的降低值与时间的比，即

r=X′NO-X0NOt

（4）

2催化剂物理性失活

通常催化剂失活分两种情况，一种是物理性失活，另一种化学性失活.一般认为物理过程是可逆过程，所以物理性失活的催化剂通常可以通过浸泡、洗涤、机械处理等方法进行再生[10].最为常见的物理性失活有磨蚀、表面微孔堵塞、通道堵塞等.

2.1催化剂磨蚀

燃煤电厂SCR脱硝过程通常发生在除尘之前，流经SCR反应器的烟气中携带有大量飞灰，具有一定动能的飞灰颗粒撞击催化剂表面从而对催化剂造成磨蚀[11].催化剂磨蚀如图2所示.

尤其是流场分布不均或负荷变动时，飞灰颗粒会以不同浓度和不同倾斜角度流经催化剂层，

对催化剂侧壁面进行撞击和冲刷，因此，即使采用顶部硬化的方式进行防磨处理，侧面依然会受到磨蚀，且磨蚀程度更为严重.催化剂的磨蚀除了与流场分布有关外还与飞灰自身特性有关，其中飞灰的硬度、颗粒大小、颗粒形状、灰熔点等特性尤为显著[12].灰熔点越高，灰颗粒的尖角越锋利，撞击在催化剂表面对催化剂的削切磨损作用越强，对催化剂的磨蚀越严重.

通常要在大颗粒飞灰进入SCR反应器前对其进行捕集，这可以有效降低催化剂的磨损程度.为了防止磨蚀，可以选用高硬度的耐磨材料将催化剂顶部边缘进行覆盖包裹，从而达到硬化的目的.同时，通过计算流体力学（CFD）软件对SCR反应器内流场分布进行模拟，通过合理加装导流、整流结构对流场进行优化，使烟气刚好竖直通过催化剂床层，可大大降低催化剂的磨损程度.

2.2催化剂表面微孔堵塞

燃煤电厂SCR实际运行中常常发生催化剂表面微孔堵塞的现象.堵塞在催化剂微孔内的物质主要是铵盐（硫酸铵、硫酸氢铵）和细小的灰颗粒.实验研究[13]表明，当温度低于320 ℃时，烟气中的SO3与未参与反应的NH3发生反应生成硫酸铵和硫酸氢铵.由于这两种铵盐具有较强的黏性，可附着在催化剂表面同时又会使烟气中的细小飞灰粘在其表面，阻止了 NOx和NH3向活性表面运动，导致催化效率降低.因此，控制进入SCR反应器内的烟气温度在320 ℃以上，同时控制氨逃逸量在5 μL·L-1以下可有效抑制催化剂表面微孔堵塞[14].

2.3催化剂通道堵塞

为了保证催化反应充分进行，烟气在流经反应器时速度较低，通常在4～6 m·s-1[15].由于流速较低，飞灰颗粒很容易在催化剂上游积聚.当浮升力小于飞灰自身重力时，飞灰便会降落在催化剂孔道间的肋隔上.随着飞灰量的增多最终在肋隔与肋隔之间形成 “飞灰桥”，彻底堵塞催化剂通道.催化剂通道堵塞如图3所示.同时，烟气中的大颗粒飞灰直接以“爆米花”[16]的形式堵塞催化剂通道，导致催化剂通道损坏，造成SCR脱硝系统压降增加.

为了避免催化剂通道堵塞，通常在烟气进入

SCR反应器之前对烟气中的飞灰进行捕集.

在省

煤器出口和SCR烟道拐角处设置捕灰斗，可有效捕集烟气中的大飞灰颗粒.巴威公司自行研制生产的蝙蝠翼折流式省煤器灰斗，对大颗粒飞灰具有较高的捕集效率，其最高捕集效率可达98.9%[17].

3催化剂化学性失活

与物理性失活不同，化学性失活指通常因发生化学反应使催化剂的化学性质改变而导致的催化剂失活.化学性失活是一种不可逆过程.烧结、重金属中毒、碱金属中毒是催化剂化学性失活的最常见形式.

3.1催化剂烧结

催化剂烧结是由于催化剂长时间置于高温环境（高于450 ℃）引起的.Navo 等[18]研究发现，烧结导致TiO2的晶粒尺寸变大，比表面积减小.催化剂烧结如图4所示.同时，催化剂中单体钒氧物质发生聚合，形成类似O=V—O—V=O的磁性聚合钒物质.发生烧结的催化剂活性急剧下降，当溫度接近690 ℃时直接导致催化剂失活，并且不能通过再生手段恢复其活性.

机组实际运行过程中，SCR反应器没有旁路，反应器入口温度普遍偏高，吹灰系统出现故障时会导致催化剂床层积灰，催化剂表面热阻变大，温度升高，进而导致催化剂高温烧结，尤其是在高负荷运行时，更应严格监控SCR进口烟气温度.实验[19]表明，在催化剂中适当添加WO3可有效提高催化剂的热稳定性，从而提高催化剂的抗烧结性能.

3.2催化剂碱金属中毒

存在于燃煤中的碱金属（Na+、K+）通常有两种形式：一种是以氯化物、硫酸盐、碳酸盐等形式存在的活性碱[20]；另一种是以云母石、长石等形式存在的非活性碱.煤粉燃烧后产生的Na+、K+等混合物会随烟气流入SCR反应器内，使催化剂的吸氨能力下降，从而使催化剂失活.碱金属中毒原理如图5所示.

3.3催化剂重金属中毒

烟气中常含有As、Pt、Pb等重金属.这些重金属的存在同样会导致催化剂活性降低，其中造成影响最为严重的是As2O3.烟气中的As2O3在通过催化剂床层时会附着在催化剂表面的毛细孔上，发生“毛细凝结”现象[21]，同时与催化剂中的活性物质发生化学反应，从而降低催化剂活性.研究[22]表明，MoO3与As2O3可以发生化学反应，在催化剂中适量添加MoO3可有效抑制砷中毒.

4结论

在选择性催化还原（SCR）烟气脱硝过程中，催化剂失活是一个同时伴有物理作用和化学作用的极其复杂的过程.催化剂失活是导致催化剂寿命降低的最主要原因，采取有效措施抑制催化剂失活可降低更换催化剂的频率，大大降低脱硝成本.同时，研发具有自主知识产权且抗失活性强的催化剂对我国脱硝工业具有重要意义.

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SCR控制 篇7

近年来我国玻璃产量逐年递增, 全国玻璃生产企业大气污染物排放量也在不断增加, 国家对烟气污染物排放的控制要求也越来越严格, 在烟气治理迫在眉睫的大形势下, 全国大部分的玻璃厂已采取相应的控制手段, 较多地使用了选择性催化还原烟气脱硝 (SCR) 技术来控制氮氧化物 (NOX) 的排放在玻璃窑炉SCR脱硝的控制系统中, 由ABB旗下的DCS控制系统满足了烟气脱硝 (SCR) 技术的工艺控制要求, 并以其自身的灵活性、开放性、协调性高可靠性、易于维护、控制功能齐全等特点, 在保证了烟气脱硝 (SCR) 控制系统稳定运行的前提下, 大大提升了烟气脱硝 (SCR) 技术的工业控制水平。

1 玻璃窑炉SCR脱硝技术控制要求

玻璃窑炉SCR脱硝系统工艺控制逻辑设计依据主要是SCR脱硝工艺的控制要求, 并且按照玻璃厂实际情况进行适当调整。 玻璃厂SCR脱硝系统主要工艺流程为原烟气→高温电除尘器→SCR反应器→回到锅炉再排放, 主要包含除尘系统、脱硝系统、吹灰系统、氨输送系统以及烟气监测系统, 具体工艺流程如图1所示。

(1) 大部分玻璃厂SCR脱硝系统使用氨水或液氨作为脱硝还原剂, 满足SCR出口氨逃逸量在0.003‰以内。

(2) SCR脱硝控制系统要求能在玻璃窑炉额定负荷工况下持续稳定运行, SCR脱硝控制系统响应能力应满足玻璃窑炉周期换火工况的氮氧化物 (NOX) 浓度变化要求。 在满足NOX脱除率、氨逃逸量的性能保证条件下, 保证SCR系统具有长期正常运行能力。

(3) 玻璃窑炉SCR脱硝控制系统还要满足一系列安全联锁, 如高温除尘器入口温度高于系统规定的连续运行温度 (400 ℃) 时, 应启动自动喷水降温系统;高温除尘器入口可燃物浓度高于系统规定的连续运行上限值 (CO 18‰) 时, 应立即自动停止电场;SCR入口温度低于系统规定的连续运行温度 (300 ℃) 时, 控制系统应自动切断喷氨系统, 停止喷氨等。

2 玻璃窑炉SCR脱硝的ABB DCS电气控制

以山东省某玻璃公司运行的玻璃窑炉SCR脱硝项目为例介绍玻璃窑炉SCR脱硝采用ABB DCS的电气控制系统情况。

2.1 硬件配置

该公司玻璃窑炉SCR脱硝的ABB DCS电气控制系统配备了一套AC800F控制器, 这套控制器配备了电源模件、以太网模件、通讯模件等, 现场机柜主要采用profibus通讯模件, 与高频电源的通讯采取了Modbus通讯协议。 硬件配置表如表1所示。

2.2 软件结构

该公司玻璃窑炉SCR脱硝的ABB DCS电气控制系统配备了一套Freelance2000系统的组态软件和Control Builder F (简称CBF) 软件。 现场实际配有一个操作员站兼工程师站, 该站安装一套Digvis监控软件。

2.3 玻璃窑炉SCR脱硝的ABB DCS电气控制逻辑

2.3.1 喷氨系统电气控制

通过烟气监测系统监测脱硝系统入口的氮氧化物 (NOX) 浓度, 以入口与出口要求达到浓度的差值和烟气量来计算出氨水的喷射量。 该喷射量需要按一定的计量比放大 (一般为1.03) , 就得到实际应喷入脱硝系统的氨水喷射值。 同时, 计算出NH3/NOX摩尔比。根据喷氨量和阀门特性, 给出初步喷氨阀门开度作为前馈, 根据反应器出口实际NOX浓度的偏差, 作为反馈量对阀门开度 (喷氨量) 进行细调。

2.3.2 吹灰系统电气控制

该公司玻璃窑炉SCR脱硝系统所需的吹灰系统则是利用压缩空气按循环或压差控制方式对催化剂表面进行周期性吹扫, 以防止催化剂堵塞情况的发生。采用循环方式控制, 当压缩空气压力满足条件时, 自动开启吹灰程序, 吹灰器从上催化剂层到下催化剂层单台依次吹扫, 该周期吹扫结束后进入设定的间隔时间进行倒计时, 倒计时结束再进行下一周期的吹扫;采用压差方式控制, 当催化剂层压差高于预设定值且压缩空气压力满足条件时, 开始单周期循环吹扫, 一个周期结束后, 如压差和压缩空气压力还满足吹扫条件, 则继续下一周期的吹扫。

2.3.3 高温电除尘系统电气控制

该公司玻璃窑炉SCR脱硝系统前端配置的是高温电除尘系统, 将烟气里的大部分粉尘收集处理, 大大降低了进入反应器的烟气含尘量。 该系统主要部件为两个除尘电场 (使用两台高频电源) 、四台阴极振打电机、两台阳极振打电机、五组加热器、两台缷灰器以及一些温度压力检测仪表等。 电气控制为传动部件的周期控制、 系统的温度振荡控制、系统的安全联锁控制以及系统的报警控制等。

(1) 周期控制:系统里所有的传动电机均采用周期控制, 即选择自动运行方式时, 直接设定相应电机的运行时间与间隔时间, 电机将作周期性运行与停止。

(2) 温度振荡控制:系统里的加热器采用自动温度振荡控制时, 当检测到顶部绝缘子室温度低于150 ℃时, 开启绝缘子加热器, 当此处温度高于 (180+5) ℃时, 系统停止加热;当检测到灰斗温度低于40 ℃时, 开启灰斗加热器, 当此处温度高于 (120+5) ℃时, 系统停止加热。

(3) 安全联锁控制:该系统的安全联锁主要有两部分组成:一是由于业主烟气里含有可燃物成分 (主要为CO) , 在运行时需要进行相关的电气安全联锁, 当检测到除尘器入口可燃物浓度过高 (参考值18‰) 时, 应立即自动停止电场, 即停止两台高频电源的运行。 二是除尘器进口烟气的温度需要控制在一定范围内 (280~420 ℃) , 若温度高于规定值时需要开启喷水降温系统, 温度低于规定值时需要停止喷氨系统。

(4) 报警控制:在除尘设备关键的位置都安装相应的仪器仪表, 如温度传感器、压力变送器。系统提供相应的参数设定值, 当检测到某些温度或者压力超过预设定值时, 将利用上位机自带的声卡发出报警音, 并作出报警提示。

3 结语

该公司玻璃脱硝项目已稳定运行半年多时间, SCR出口氮氧化物 (NOX) 浓度控制和SCR出口氨逃逸量满足环保要求, 控制系统的故障率和出错率基本为零。 依此可见, 玻璃窑炉SCR脱硝项目利用ABB DCS电气控制系统, 在系统控制方面, 无论是硬件结构还是软件构成, 都能很好地满足工艺控制要求, 加上ABB在工业方面的品牌力量, 凸显出玻璃窑炉SCR脱硝系统采用ABB DCS的优势。 可能由于行业性质等因素的影响, 目前在玻璃窑炉SCR脱硝项目中采用ABB DCS电气控制系统的应用还不多。 相信不久的将来具有高可靠性和稳定性的ABB DCS电气控制系统很有可能在玻璃窑炉SCR脱硝项目中得到广泛应用。

摘要：我国为了控制大气中的氮氧化物污染, 对工业烟气的排放提出了严格的要求, 选择性催化还原烟气脱硝 (SCR) 技术因此被应用到了多种行业, 如水泥厂、玻璃厂、发电厂。烟气脱硝 (SCR) 技术所采用的控制系统多种多样, 文章就ABB DCS电气控制系统在玻璃窑炉SCR脱硝控制系统中的实际工程应用进行了分析。

关键词：玻璃窑炉,SCR脱硝,DCS控制,工程应用

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SCR控制 篇8

氮氧化物是指对NO、NO2、N2O、N2O3、N2O4、N2O5等的总称, 其中NO和NO2是造成环境污染的主要因素。氮氧化物的危害主要包括:感染呼吸道, 引发气管、肺的慢性中毒;形成酸雨, 地表水酸化, 富营养化;形成光化学烟雾, 当氮氧化物与碳氢化物共存于空气中时, 经阳光紫外线照射, 发生光化学反应产生光化学烟雾, 它是一种有毒性的二次污染物, 其产生的温室效应约是CO2的200~300倍;NOx还可转化为硝酸盐颗粒, 形成PM2.5, 增加颗粒物的污染浓度、毒性和酸性。

据统计, 70%的氮氧化物来自于煤炭的直接燃烧, 为减少氮氧化物的排放改善大气环境, 2012年新修订的《火电厂大气污染物排放标准》要求, 到2015年国内已运行和新建火电机组要全部安装烟气脱硝设施, 以实现“十二五”规划纲要中要求的氮氧化物减排10%的总体目标。为有效控制电站锅炉NOx排放, 适应国内日益严格的环保政策要求, 沧东电厂3号机组于2008年安装了脱硝系统, 采用了选择性催化还原法烟气脱硝技术。SCR烟气脱硝系统的控制策略不仅要保障工艺设备的稳定运行, 还要满足脱硝系统的安全稳定运行。

1 SCR烟气脱硝系统工艺流程

1.1 选择性催化还原 (SCR) 脱硝技术

SCR (Selective Catalytic Reduction) ———选择性催化还原法是目前国际上技术最成熟、应用最广泛的烟气脱硝技术, 反应流程如图1所示。SCR法是指在催化剂及氧气存在的条件下, 向温度约280~420℃的烟气中喷入氨, NOx与氨发生反应, 将NOx还原成无害的N2和H2O。我国首例SCR脱硝工程于1999年投运, 目前国内约300家电厂已采用该工艺。SCR烟气脱硝效率较高, 可达80%~90%, 但SCR脱硝技术投资和运营成本相对较高。其基本的反应方程式为:4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O;6NO2+8NH3→7N2+12H2O;NO+4NH3→6H2O+5N2。

1.2 液氨存储及供应系统

此系统为脱硝反应提供氨气。液氨车运送的液氨, 经过卸料压缩机将液氨送至液氨储存槽内, 液氨在蒸发槽内蒸发为气氨, 然后进入气氨储罐, 气氨通过稀释风机稀释后, 分别经过两2台机组的喷氨格栅送入SCR反应器。按 (NOx/NH3) 1∶1的比例喷入锅炉烟气中的NH3在SCR反应器中催化剂的作用下与烟气中NOx进行反应, 从而达到降低排烟中NOx含量的目的。液氨储存和供应系统的控制在主体机组的DCS上实现, 就地也同时安装了MCC手操。

1.3 SCR反应器

脱硝反应器布置在锅炉的省煤器与空预器之间, 每台锅炉设2个反应器, 每个反应器设三层催化剂, 其中一层备用。烟气在省煤器出口处被分为两路, 并行进入SCR反应器, 经过反应器入口的氨喷射格栅, 向下流经均流板、催化剂, 反应完成后进入空预器、电除尘器、引风机、脱硫系统, 从烟囱排入大气。

2 SCR烟气脱硝控制系统

脱硝自动控制系统仪表及设备选型应能满足国家和国际相关的规范标准。所有控制仪表及设备具有高的可用性、稳定性、可操性和可维护性, 并满足系统控制功能的要求。脱硝系统SCR区 (含声波吹灰系统) 的控制均纳入本机组DCS, 能实现以DCS操作员站显示器为中心对脱硝系统进行监视和控制。氨制备区的控制系统由独立的MODICON QUANTUM冗余的PLC及调试工程师站组成, 最终通过以太网, 在除灰集控中心完成对氨制备区的监控。脱硝控制系统能够完成对相关参数的扫描与数据处理、参数越限自动报警、系统辅机程序启停等功能。当系统出现故障时, 可以利用保护、联锁、人为干预的方式让系统安全运行或停止。

脱硝系统SCR区及氨区监控的所有显示器画面 (包括模拟图、操作画面、趋势图、报警画面及操作指导等) , 集成在主机DCS操作员站上, 实现对脱硝工艺系统进行远方监视和控制的功能。沧东公司二期DCS控制系统, 使用的是南京西门子公司SPPA-T3000控制系统, 该系统是基于Windows操作系统开发的一套自动控制系统, 系统总线采用工业以太网结构, 总线冗余通过虚拟环网实现, 虚拟环网是通过光纤和OSM连接组成的。T3000系统中有2条虚拟环网, 它们是Automation Highway、Application Highway。每台机组DCS控制系统包括8台操作员站、1台工程师站、1对冗余服务器及17对AP控制器, 硬件主要由操作站、应用服务器、自动控制服务器及其网络等组成。

3 SCR烟气脱硝控制策略

3.1 氨气压力与温度控制

氨气温度控制为单回路控制, 主要通过调整蒸汽入口调节门的开度来控制氨气出口温度。氨气压力也是单回路控制方式, 通过调整氨液蒸发器入口调节门来控制氨气压力稳定在一定范围内。由于在实际运行中, 负荷波动变化较为频繁, 因此氨气流量变化也较大, 为维持压力稳定, 将流量指令信号作为前馈加入到控制回路中, 可提前进行压力调节。

3.2 稀释风量控制

稀释风流量的控制目的是要保证氨气在满足一定稀释比的条件下进入SCR反应器。将稀释风量信号与氨流量信号相比得出稀释比, 稀释比必须要控制在爆炸极限范围内, 根据空气流量与氨气流量稀释比不超过5%, 可以确定稀释风量大小, 稀释风量确定后, 并不随锅炉负荷改变而变化。稀释风流量是通过稀释风机调节挡板来控制的, 在低负荷或低NOx值时, 氨气将低于5%。

3.3 氨气流量控制

氨气流量是通过NOx流量信号乘以NH3/NOx摩尔比得到的。NH3/NOx摩尔比是固定的, NOx流量为烟气入口NOx浓度与烟气流量的乘积。同时烟气出口NOx浓度对NH3需求量加以修正, 最终得出所需要的氨气流量值。脱硝控制系统根据计算得出的氨气流量值, 通过控制氨气调节门的开度, 可以实现氨气流量的自动控制。

3.4 脱硝率

脱硝率是通过反应器进出口烟气中氮氧化物含量计算得出的脱销效率, 计算公式如下:

式中, NOxe为脱硝系统运行时反应器入口烟气中NOx含量 (mg·m-3) ;NOx1为脱硝系统运行时反应器出口烟气中NOx含量 (mg·m-3) 。

在SCR脱硝过程中, 氨氮比、混合气体流速和温度是脱硝率的3个主要影响因素。

(1) 氨氮比。氨氮比是脱硝率最直接的影响因素, 烟气入口的NOx含量随着实际工况的改变而不断变化着, 这就要求作为控制变量的入口NH3必须根据NOx的变化而不断调整, 以特定的氨氮比来实现所要求的脱硝率。经过机组运行数据, 脱硝率与氨氮比的关系如图2所示。氨氮比不均匀性会导致SCR系统脱硝效率下降;氨氮比不均匀性越大, 系统脱硝效率下降得越多。随着SCR系统脱硝效率的上升, 氨氮比不均匀性会导致更大程度上的脱硝效率下降。

(2) 混合气体流速。烟气与氨气混合均匀后, 混合气体流经催化剂床层的时间就是反应时间, 反应时间的长短决定着反应能否充分进行。混合气体的流速决定着反应时间的长短, 通过机组实际运行数据, 流速与脱硝率的关系如图3所示。

(3) 温度。根据实际运行情况看, 温度对催化剂的影响很大, 在温度较低的情况下反应速度十分缓慢, 而当达到合适的反应温度区间 (250~450℃) 时, 反应速率很快。通过机组实际运行数据, 温度与脱硝率的关系如图4所示。

较低温度的环境下催化剂的反应非常缓慢, 然而当温度介于250~450℃时, 催化剂的反应速率急剧加快, 脱销效率也随之急速增加, 当温度超过450℃时, 催化剂的反应速率变化不大, 脱销效率也达到稳定。

图3流速—脱硝效率曲线

4 脱硝控制系统报警

4.1 氨气泄漏检测

氨区共设在线固定式氨泄漏报警器4台, 分别设在液氨槽车卸料处1台、液氨贮罐处2台及2套蒸发器、缓冲器处1台。氨泄漏报警器距设备最小频率风向的上风侧不大于2 m且离地面约0.3~0.6 m处, 并在此设备附近各设有自动喷淋装置。氨气泄漏检测仪器通过现场采样气体, 通过分析处理输出4~20 m A信号。当检测到空气里的氨气含量达到2×10-5时, 就发出喷淋信号给稀释喷淋阀, 直到空气里的氨气含量小于安全值以下, 稀释喷淋阀停止喷淋。

4.2 储氨罐液位高声光报警

当卸氨时, 储氨罐液位到达高位时, 由控制装置发出声光报警信号。就地操作箱设有消音按钮, 当液位回落后, 按复位按钮可熄灭光报警信号。

5 结语

SCR脱硝控制系统可以整体提高控制系统的稳定性和可靠性, 利用NH3/NOx摩尔比函数实现脱硝效率的精确控制, 而且控制策略简单, 有利于热工人员整定各个自动系统的参数。最后通过多次实际应用, 得出结论是控制系统能达到结构无静差性或是静差很小, 可以忽略, 能有效地控制脱销系统各项控制指标, 满足自动化控制SCR脱硝系统的要求, 为SCR脱硝系统提供了有效参考, 有力地保障了整个系统的安全、高效运行。

参考文献

[1]李锐.氮氧化物排放控制技术的现状.第五届火电厂排放控制技术研讨会, 2008

[2]廖正球.超临界机组SCR脱硝技术特点.湖南电力, 2008 (4)

[3]西门子公司.西门子SPPA-T3000手册, 2006

[4]李宏.宁海电厂烟气脱硝控制技术介绍.电力环境保护, 2008, 24 (4)

SCR控制 篇9

我国2011年初通过的“十二五”规划纲要, 将NOX排放治理列为我国现阶段减排重点。在此背景下, 华能济宁运河发电公司二期#6机组于2013年底改装低氮燃烧器, 加装SCR烟气脱硝装置, #5机组于2014年5月完成低氮-脱硝改造。

1 降低NOx排放的手段

燃煤过程中, 影响NOx生成的主要因素包括煤种特性, 燃烧区域的温度峰值, 反应区中氮、氧、烃等含量及可燃物在反应区中停留的时间等。因此, 对原有燃烧器进行改造并改变运行方式, 以达到一定程度上降低烟气NOx排放的目的。

降低NOx生成的主要途径:减少燃烧区燃料周围的氧浓度;降低燃烧区的温度峰值;延长燃料在燃烧区的停留时间, 使燃料中的N不易生成NOx。

采用低氮燃烧技术是降低NOx生成比较经济的方式, 但NOx降低的效果有限, 必须联合SCR烟气脱硝技术进一步降低烟气NOx的排放。

2 SCR烟气脱硝原理

运河电厂SCR采用高尘布置, 即SCR反应器安装在省煤器和空预器之间。SCR系统设备分布如图1所示。

低氮燃烧后生成的含NOx烟气自省煤器来, 同氨、空气稀释混合气混合后进入SCR催化反应区。在此, 氨气与烟气在催化剂和300~320℃环境下进行如下化学反应:

反应后, 大量NOX转化成无害的氮气和水, 随烟气排向大气, 达到环保的目的。

由于氨气是碱性气体, 容易与烟气中的酸性物质反应生成盐类物质, 在温度较冷 (120~130℃) 的空气预热器内容易结晶, 同烟尘一起粘附在空预器换热板上, 造成空预器堵塞, 因此在运行过程中, 需要合理控制氨气供应量, 防止空预器堵塞。

3 SCR主反应控制系统

SCR反应区入口、出口各装设NOx和O2监测点, 用来测量SCR原烟气和脱硝后烟气的NOx和O2浓度;SCR出口/空预器入口处装设NH3测点, 用来测量SCR出口氨气逃逸量。利用上述测点及脱硫系统净烟气NOx测点共同分析确定氨气供应量, 以实现脱硝系统的合理、有效控制。

运河电厂#5、#6机组采用双侧SCR布置。由于机组脱硫后烟气中NOx已充分混合均匀, 此位置取样检测NOx更为准确, 因此NOx自动控制系统中的被控量由脱硫系统后净烟气CEMS系统采集获得。但两侧SCR之间脱硝过程传递规律存在一定偏差, 因此双侧脱硝、烟气充分混合后NOx浓度保持稳定时, SCR两侧出口NOx浓度可能出现偏差, 导致单侧氨逃逸量过大, 威胁机组的安全经济运行。因此, 控制系统设计采用具有双侧自平衡功能的串级PID控制方式, 即通过两侧SCR喷氨执行器开度控制喷氨流量, 进而控制SCR后烟气NOx含量;利用两侧SCR后NOx浓度偏差进行PID控制, 输出执行器指令偏置量, 参与两侧喷氨自动控制。同时, 根据机组AGC工况下燃烧变化对NOx生成的影响, 设计风量煤量前馈, 使NOx控制超前响应AGC工况的变化, 减少外部扰动, 提高控制品质。控制系统如图2所示。

4 SCR反应区温度控制系统

运河电厂330MW机组SCR脱硝系统设有省煤器旁路烟道及调节挡板, 其作用是当烟气温度较低时, 从低温省煤器前区烟道引出一部分较高温度的烟气同低温省煤器出口烟气混合, 以提高SCR反应区烟气温度, 保证SCR脱硝反应顺利进行。此外, 机组另设计有低温省煤器出口主烟气调节挡板, 其作用是, 若机组出现长时间深度调峰, 全开省煤器旁路挡板已无法继续维持SCR脱硝反应, 则在旁路挡板保持全开的同时, 微调主烟气调节挡板, 达到升温的目的。由于所涉机组皆为AGC调峰机组, 锅炉常运行在低负荷工况, 为了保证较高的脱硝效率, 设有省煤器旁路烟道主烟道调节挡板。

省煤器旁路烟气挡板控制系统设计为单回路PID烟气气温控制, 主烟气挡板采用手动控制, 同时设计烟气挡板开关允许闭锁条件, 保证机组及SCR系统的安全和高效运行。

SCR反应区温度控制系统原理如图3所示。

5 结语

运河电厂330MW机组进行低氮燃烧-SCR脱硝工艺改造后, 目前烟气NOx浓度排放量长期稳定控制在65~85mg/Nm3, 脱硝效率达到85%以上。

SCR烟气脱硝系统初期投资成本大, 但其工艺成熟、可靠性高、脱硝效率高、运行成本低, 脱硝产物可直接排放大气, 无二次污染。因此对于已建成机组, 在考虑到现有设备基础、还原剂存储空间的布局及SCR装置对现有设备的影响因素并完善相应控制策略后, SCR工艺仍是较好的选择。

摘要：结合济宁运河电厂二期2台330MW机组SCR脱硝工艺改造, 介绍SCR工艺的原理、流程、技术特点, 设计其自动控制系统。

关键词：火电厂,烟气脱硝,SCR,自动控制

参考文献

[1]胡永峰.SCR法烟气脱硝技术在火电厂的应用[J].节能技术, 2007, (2) :152-155

[2]顾卫荣.燃煤烟气脱硝技术的研究进展[J].化工进展, 2012, 31 (9) :2084-2092

SCR控制 篇10

近年来,随着汽车保有量逐年增加,柴油机的主要排放物,氮氧化物(NOx)及颗粒物(PM)的排放量也逐年增长。为了达到国-Ⅳ及国-Ⅴ排放标准,不仅要利用机内优化措施,同时还需要采用排气后处理技术[1]。 选择性催 化还原 (selective catalytic reduction,SCR)技术具有高选择性和高抗硫性等优点,是最具前景的柴油机后处理技术之一[2]。

在国内,基于脉谱的SCR控制系统开发难度相对较低,大部分生产厂家均采用此控制系统来实现国-Ⅳ排放。然而,随着排放法规的日益严格,基于脉谱的控制策略的标定工程量会越来越大,精确控制的修正脉谱标定工作需要大量的复杂工况,有些工况(如老化的修正脉谱等)甚至是难于获得的。而基于数学模型的SCR控制策略会大幅度减少标定的工程量,同时还能提高NOx的转化效率,有效控制NH3排放泄漏。所以,建立基于数学模型的SCR控制策略对SCR技术在车用柴油机上的应用与推广具有重大意义。

本文中从尿素选择催化还原(urea-SCR)系统的动态过程着手,基于能量与质量守恒定律,首先,建立能够反映系统动态特性的SCR催化转化器控制模型;然后,以SCR下游的NH3/NOx摩尔比为 定值作为控制目标,建立了前馈 控制器模 型,即SCR开环控制模型;最后,建立了反馈控制器模型以控制NH3的泄漏量,即SCR闭环控制模型。通过欧洲瞬态循环(European transient cycle,ETC)试验发现,所建立的SCR闭环控制模型能够大幅度减少NH3的泄漏量,为实现国-Ⅴ排放奠定基础。

1 试验装置

台架试验对象为国产六缸重型柴油机,原机排放满足国-Ⅲ排放标准。发动机的性能参数见表1。试验发动机通过采用了电控高压共轨燃油系统,燃油系统的压力可高达1600MPa。通过标定及优化高压共轨系统 轨压及喷 油提前角 等参数,可以使CO、HC及颗粒物排放达到国-Ⅳ 排放标准,再利用SCR系统去处理由此而生成的大量氮氧化物。SCR催化转化器采用桶式的催化器,其内部的催化剂为V2O5-WO3/TiO2金属氧化物类催化剂,载体的体积为17L。尿素喷射系统为无空气辅助式喷射系统,催化转化器下游出口 的地方安 装了氮氧 化物传感器。SCR控制策略为基于MAP图的开环控制,如图1所示。

试验中冷却水温、发动机转速及扭矩由AVL电力测功机及测控系统控制。采用日本HORIBA公司的MEXA-7100D废气分析仪测量气体污染物的排放;采用不分光红外线吸收型分析仪(NDIR)测量CO排放;采用加热式氢火焰离子化分析仪(HFID)测量HC排放,其阀、检测器及管道等 都需要被 加热,使气体的温度保持在200℃附近;采用带有加热式化学发光分析仪(HCLD)或NO2/NO转换器的化学发光分析仪(CLD)测量NOx排放;采用HORIBA公司的CVS-7100S定容采样系统测量颗粒物排放,废气的稀释采用了全流稀释系统;采用西门子生产的LDS6设备测量NH3泄漏量,其测量原理是通过单行的分子来吸收光谱进行测量氨气的浓度,一定条件下的LDS6中心单元 会向废气 的通道发 射激光,逸出的NH3恰恰能够吸收某一确 定波长的 激光,通过分析吸收的光谱 即可实时测出氨气浓 度。其他设备还有AVL735s智能油耗仪、通风系统及空气流量计等。图2为试验系统的布置示意图。

2 开环控制策略的建模仿真及试验验证

2.1 SCR催化转化器控制模型

基于能量与质量守恒定律,本文中推导出气态NOx、气态NH3、吸附态NH3及温度T的模型控制表达式[3],分别如方 程式 (1)~ 方程 (4)所示。 在MATLAB/Simulink软件中建立相 应的模型,分别如图3~图6所示。

式中,cNOx为NOx浓度,mol/m3;cNH3为NH3浓度,mol/m3;ΘNH3为NH3覆盖度;nN*Ox,in为从外界输入的NOx的摩尔流 量,mol/s;mE*G为排气的 质量流量,kg/s;nN*H3,in为外界输入的NH3的摩尔流量,mol/s;T为模型的平均温度,K;Tin为流入模型前的排气温度,K;Tamb为环境温度,取常温298K;a1~a8均与NOx及NH3浓度无关,其各自的定义如式(5)~式(12)所示。

式中,RS,EG为排气的气体常数,取值288J/(kg·K);pamb为环境压力,取大气压为101 325Pa;cs为单位气体体积活性原子浓度,mol/m3;sc为1mol活性原子表面积,m2/mol;αprob为粘着概率;ε为空隙比;VC为催化器的体积,m3;kDes为NH3解吸附的频率因子,s-1;Ea,Des为NH3解吸附的 活化能,J/mol;kox为NH3氧化反应的频率因子,s-1;Ea,ox为NH3氧化反应的活化能,J/mol;kSCR为SCR反应的频 率因子,m2/s;Ea,SCR为SCR反应的活化能,J/mol;cp,EG为排气的比定压热容,J/(kg·K);cp,C为催化器的比定压热容,J/(kg·K);εRad,SCR为黑度,取值为0.507;σSB为气体的辐射 常数,取值为5.67×10-8W/(m2·K4);ARad,SCR为催化器的辐射表面积,m2;R为气体常数,取值为8.314 5J/(mol·K);MNH3为NH3摩尔质量,取值为17g/mol;nCell为次级分模型个数;mC为催化器的质量,kg。

将上面所建立的气态氮氧化物、气态氨气、吸附态氨气及温度模型按逻辑进行组合,即将温度模型的输出作为其他三个模型的输入,将氨气模型及氮氧化物模型作为储氨模型的输入,将储氨模型的输出作为气态氨气的输入,组成了SCR催化转化器模型,如图7所示。

2.2 开环控制策略模型

通过相关仿真及试验发现,将SCR催化转化器模型分成两个次级分模型后,可以同时满足系统响应的速度和模型精度要求,所以本文中SCR催化转化器模型是由两个次级分模型组成,其中数字1和2分别表示次级分模型1和次级分模型2。

所建立的开环控制模型必须能够保证在NH3滑失量尽可能小的前提下,NOx的转化效率尽可能大[4]。本文中以SCR催化转化器下游的NOx浓度与NH3浓度的比值为定值作为建立开环控制模型的控制目标,此比值的定义式如式(13)所示。

为了能够清晰地表示出NH3基本需求量的表达式,在此对一些参数进行定义,如式(14)~式(23)所示。

由方程式(1)得:

由方程式(2)得:

联立式(13)及式(20)~ 式(23),得到开环控制模型中NH3的基本需求量,如式(24)所示。

在MATLAB/Simulink软件中建立SCR开环控制模型,如图8所示。

2.3 开环控制模型的试验验证

针对2001年开始实行的欧-Ⅲ、欧-Ⅳ、欧-Ⅴ排放标准,欧盟地区制定了欧洲稳态测试循环(European steady cycle,ESC),又称为13工况点法,包含了三个不同转速下的各四个负荷点及一个怠速工况点。表2为ESC测试循环中试验发动机的工况参数值。

图9为ESC测试循环中试验结果与模拟结果的对比情况。从图9可以看出,与试验结果相比,除怠速及B25工况模拟结果的误差稍大外,其他工况下的误差都较小,基本在10% 以内,这说明所建立的SCR开环控制模型能够满足精度要求。

3 闭环控制策略的建模与仿真分析

闭环控制算法是通过改变尿素喷射量来补偿外界因素引起的误差,闭环控制的目标是使系统收敛,即使系统的反馈变量的值达到设定目标。本文中在上述所建立的SCR开环控制模型的基础上,选择催化转化器下游的NOx传感器信号作为闭环控制的反馈量,对周围环境或随机误差对催化器的影响进行补偿。下面详细介绍SCR闭环控制模型的建模过程。

3.1 NOx传感器信号处理

目前,市场上使用的NOx传感器对NH3具有“交叉敏感”作用,即所测得的NOx浓度会受到废气中NH3浓度的影响,所以需要对NOx传感器信号进行处理。 其中,NOx传感器信 号的表达 式如式(25)所示[5]。

为了使所建立的模型较为精确,本文中采用正交相关性技术来消除此不利影响。

(1)正交相关性原理是指在一定的激励频率下估算NOx传感器信 号的幅值θk,估算表达 式如式(26)所示。

式中,APE为激励函数的振幅;TPE为激励函数 的周期;ωPE为激励函数的频率。

(2)通过比较估算值θk及预先设定的限值θth,对测得的NOx信号进行处理,处理表达式如式(27)所示。

在滤波器模型设计中,本文中选取正弦函数作为反馈模型的激励函数,正弦函数的振幅为200,周期为2s,其表达式如式(28)所示。

3.2 预估器的设计

预估器的主要作用是估算SCR催化器下游的NOx浓度的理想值,其模型精度对建立理想的SCR反馈控制器非常重要,其控制表达式和MATLAB/Simulink模型分别如式(29)和图10所示。

3.3 PI控制器模型设计

SCR反馈控制器模型实际上就是一个比例积分(PI)控制器模型,能够消除NOx预测模型误差、尿素喷射系统误差、尿素浓度误差、偶然误差、发动机生产一致性误差[5]。大量试验表明:前三种误差对模型的精度影响较大,NOx预测模型误差可以导致NOx浓度与实际值偏离±15%左右,尿素喷射系统误差及尿素浓度误差可以导致实际喷射量与最优喷射量偏差±10%左右。为此,建立高质量的PI控制器模型是非常必要的。

PI控制器调 节因子kFBC的表达式 如式 (30)所示。

式中,kP为PI比例系数,取值为-0.5×10-5;kI为PI积分时间常数,取值为 -2.5×10-5;kFBC,0为PI控制模型的初值,取值为1。

图11为PI控制器的MATLAB/Simulink模型。在所建立的前馈控制器模型的基础上,加上上面建立的反馈控制器模型,SCR催化器闭环控制策略的MATLAB/Simulink框架图如图12所示。

3.4 SCR闭环控制策略模型的仿真分析

为了验证SCR闭环控制策略模型的性能,利用MATLAB/Simulink软件进行了相 关的模拟 计算。在模拟过程中,假设由于喷嘴的故障,尿素喷射量变为原来的90%,且同时利用开环控制和闭环控制进行仿真计算,并比较结 果。 图13和图14分别为ETC测试循环计算中SCR催化转化器下游的NOx浓度及NH3浓度。

从图13可以看出,在ETC测试循环 中,开环控制与闭环控制中SCR催化转化器下游NOx浓度基本相同,后者仅仅稍微小 于前者,这说明反 馈控制器对SCR催化转化 器下游的NOx排放影响不大。

从图14可以看出,采用闭环控制后,SCR催化转化器下游NH3浓度迅速下降,且泄漏峰值也比单纯利用前馈控制器小得多。排放法规对NH3泄漏量控制得非常严格,几乎不允许NH3的泄漏,采用反馈控制后NH3泄漏量得到了有效的控制,这有利于满足国-Ⅴ排放标准,也是采用反馈控制策略的优势之一。

4 结论

(1)以SCR催化转化器下游NOx浓度与NH3浓度的比值为定值作为控制目标,建立了SCR开环控制策略模型。通过ESC测试循环发现,与试验结果相比,除个别工况外,NOx转化效率模拟结果的误差均在所允许的范围之内,这说明所建立的SCR开环控制策略模型是精确的。

(2)ETC测试模拟结果表明:SCR闭环控制中催化转化器下游NOx浓度稍小于开环控制中NOx浓度,这说明闭环控制策略对NOx的转化效率影响不大。