CN108827724B - 一种烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大截面烟道SCR‑CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置，通过在进口第一级采样管路和出口第一级采样管路两端的烟气静压差下形成自引射；通过设置进口烟气采样支管和出口烟气采样支管，烟气分别汇流到进口第一级采样管路和出口第一级采样管路内混合，在烟气静压差引射作用下快速自动流入空预器出口烟道；进口第一级采样管路和出口第一级采样管路均途径SCR‑CEMS仪表间，分别从进口第一级采样管路和出口第一级采样管路抽取烟气样品，经预处理后分别输送到进口CEMS分析仪和出口CEMS分析仪，形成第二级烟气采样管路。本发明可提高CEMS分析仪的烟气采样代表性和缩短测量滞后时间，提高SCR喷氨总量调节的机组负荷跟随性，减小NOx排放浓度的波动幅度。
Description
技术领域
本发明涉及SCR烟气脱硝技术领域，尤其涉及一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置及其方法。
背景技术
当前，国内燃煤机组普遍采用SCR烟气脱硝装置来控制NOx达到超低排放限值50mg/m3。通常在SCR反应器的进口和出口烟道分别布置1套在线CEMS分析仪测量NO/O2浓度，采用前馈（负荷、进口NOx浓度及出口NOx设定值计算喷氨量）+反馈（实测出口NOx浓度修正喷氨量）的方法按需自动调节喷氨量。但在实际运行过程中，存在两个与测量相关的问题和现象：
1）CEMS采样测量的代表性低
SCR进出口烟道截面积都比较大，进口尺寸约为2-3m×10-25m，出口尺寸约为3-6m×10-25m。进出口烟道截面烟气中的NOx/O2浓度分布不均匀，进口NOx浓度的分布相对标准偏差约3-8%，出口约20-50%。较大的烟道截面和NOx浓度的不均匀分布，降低了单点采样及CEMS分析值的代表性。部分机组CEMS采用3点烟气采样或者分布式多点烟气采样，但前者采样点过少、后者没有确保各点等量采样，影响了采样代表性的提高。
2）CEMS测量滞后燃烧工况的时间长
在线CEMS仪表间通常布置在SCR反应器出口平台，CEMS烟气采样管线长、管内流速低，采样时间长导致检测值严重滞后于燃烧工况的变化。尤其SCR进口CEMS的烟气采样管线长达50-70m，测量滞后时间高达2-3min。机组升降负荷或者磨煤机启停期间，SCR进口烟气中的实际NOx浓度随燃烧工况波动幅度约为±10-50mg/min。当机组燃烧工况快速变化时，因CEMS测量值滞后，会使SCR喷氨量的调节滞后，造成脱硝出口NOx浓度周期性波动，波动幅度超过±20mg/m3。
在SCR出口NOx浓度波动曲线的波峰处易造成NOx排放超标，波谷处易造成氨逃逸过大。为全时段实现NOx排放浓度小于50mg/m3，只能设定SCR出口NOx控制值到30mg/m3以下，这将加剧空预器硫酸氢铵堵塞。如表1所示，波峰工况的NOx排放浓度达到了排放限值，而波谷工况的NOx排放浓度很低，其氨逃逸浓度比稳定工况高6μL/L。
表1 SCR出口NOx波动幅度对氨逃逸的影响
目前有两种方法可提高SCR喷氨的机组负荷跟随性：1）根据SCR进口NOx浓度与机组燃烧工况变化的对应关系，在喷氨控制逻辑中增加预置量，针对燃烧工况的变化，提前增加或者减少喷氨量。这种方法可控制出口NOx浓度的波动幅度小于±10mg/m3，但当燃烧工况与NOx的对应关系发生较大变化时，需重新设定预置量。2）缩短烟气采样点与CEMS仪表间的距离，尽可能减小测量滞后时间到2min以内，但对于SCR进口NOx浓度随燃烧工况波动剧烈的机组，SCR出口的NOx浓度波动幅度仍较大。
发明内容
鉴于上述现有技术中存在的缺陷，本发明的目的是提出一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置及其方法，提高CEMS分析仪的测量代表性和缩短测量滞后时间。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置，包括依次连接的锅炉，SCR反应器和空预器，所述锅炉和所述SCR反应器之间设有SCR进口烟道，所述SCR反应器和所述空预器之间设有SCR出口烟道，所述空预器的出口设有空预器出口烟道；
所述SCR进口烟道内设有AIG喷氨格栅，所述AIG喷氨格栅上游的所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道的大尺寸截面沿炉宽方向上分别设置有进口烟气采样支管和出口烟气采样支管；
所述进口烟气采样支管与位于所述SCR进口烟道外的进口烟气采样汇流管连通，所述进口烟气采样汇流管与所述空预器出口烟道之间设有进口第一级采样管路；
所述出口烟气采样支管与位于所述SCR出口烟道外的出口烟气采样汇流管连通，所述出口烟气采样汇流管与所述空预器出口烟道之间设有出口第一级采样管路；
所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别通过进口第二级采样管路和出口第二级采样管路连接入CEMS分析仪表间。
进一步的，所述AIG喷氨格栅通过SCR喷氨流量控制阀与喷氨母管连通。
进一步的，所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管分别由6-10根不同长度、不同直径的笛型碳钢支管构成。
进一步的，所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管分别垂直于来流烟气布置，其迎风面分别设置有防磨三角铁。
进一步的，所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别为长度为20m-70m、直径为100mm-200mm的圆形碳钢母管。
进一步的，所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别外敷设有保温棉。
进一步的，所述进口第二级采样管路和所述出口第二级采样管路分别为长度5m-15m、带伴热的CEMS采样管。
上述任意一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，包括以下步骤：
1）在机组高中低负荷下，分别测量所述空预器出口烟道与所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道之间的烟气静压差，在烟气静压差的引射作用下，采样混合烟气流入空预器出口烟道，形成第一级烟气采样管路，管内烟气流速为10 m/s -20m/s，所述进口第一级采样管路内的烟气停留时间小于5s，所述出口第一级采样管路内的烟气停留时间小于2s；按照管内烟气流速和管路长度，设计所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路的直径；根据采样点的烟气温度设计保温棉的厚度，确保所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路内的温度不低于200℃；
2）在机组高中低负荷下，分别在所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道的截面用网格法测量NOx浓度分布，根据截面的NOx平均值与代表点的NOx平均值相等原则，选择所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道中多点烟气采样截面的采样代表点的位置，以确保采样点的代表性；
3）根据各支管烟气流量相等原则，采用CFD数值模拟方法，所述多点烟气采样截面上的所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管的直径自母管远端到近端逐渐减小，确保各采样代表点的烟气采样等量混合，以提高烟气采样代表性；
4）所述进口第二级采样管路和所述出口第二级采样管路分别从所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路内抽取烟气样品，采样烟气经预处理器除湿后，输送到CEMS分析仪表间内测试，第二级采样分析时间小于15s；
5）基于二级烟气采样测试分析的滞后时间，提高前馈+反馈的SCR喷氨控制的喷氨调节跟随性。SCR进口烟气采样测试滞后于燃烧工况变化的时间小于20s，考虑氨气在喷氨AIG母管与支管内的停留时间小于3s，AIG喷氨格栅与顶层催化剂之间的烟气停留时间小于2s，反应器内的烟气停留时间小于4s，SCR出口烟气采样测试时间小于17s，滞后于喷氨的时间小于26s。结合常规的前馈+反馈喷氨控制方式，在大幅度缩短了CEMS在线分析仪的检测滞后时间基础上，提高SCR喷氨量调节与机组燃烧工况波动之间的响应跟随性，稳定控制SCR反应器出口NOx浓度的波动幅度小于±10mg/m3。
进一步的，所述烟气静压差为1.5 kPa -2.5kPa。
进一步的，所述烟气流速为15m/s。
本发明的突出效果为：本发明的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置，通过在进口第一级采样管路和出口第一级采样管路 两端的烟气静压差下形成自引射；通过设置进口烟气采样支管和出口烟气采样支管，烟气分别汇流到进口第一级采样管路和出口第一级采样管路内混合，在烟气静压差引射作用下快速自动流入空预器出口烟道；进口第一级采样管路和出口第一级采样管路均途径SCR-CEMS仪表间，分别从进口第一级采样管路和出口第一级采样管路抽取烟气样品，经预处理后分别输送到进口CEMS分析仪和出口CEMS分析仪，形成第二级烟气采样管路。本发明可提高CEMS分析仪的烟气采样代表性和缩短测量滞后时间，提高SCR喷氨总量调节的机组负荷跟随性，减小NOx排放浓度的波动幅度。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图中：1为锅炉，2为SCR反应器，3为空预器，4为SCR进口烟道，5为进口烟气采样支管，6为进口烟气采样汇流管，7为SCR喷氨流量控制阀，8为喷氨母管，9为AIG喷氨格栅，10为SCR出口烟道，11为空预器出口烟道，12为出口烟气采样支管，13为出口烟气采样汇流管，14为进口第一级采样管路，15为出口第一级采样管路，16为CEMS分析仪表间，17为进口第二级采样管路，18为出口第二级采样管路。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例
如图1所示，本实施例的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置，包括依次连接的锅炉1，SCR反应器2和空预器3，锅炉1和SCR反应器2之间设有SCR进口烟道4，SCR反应器2和空预器3之间设有SCR出口烟道10，空预器3的出口设有空预器出口烟道11；
SCR进口烟道4内设有AIG喷氨格栅9，AIG喷氨格栅9上游的SCR进口烟道4和SCR出口烟道10的大尺寸截面沿炉宽方向上分别设置有进口烟气采样支管5和出口烟气采样支管12；
进口烟气采样支管5与位于SCR进口烟道4外的进口烟气采样汇流管6连通，进口烟气采样汇流管6与空预器出口烟道11之间设有进口第一级采样管路14；
出口烟气采样支管与12位于SCR出口烟道10外的出口烟气采样汇流管13连通，出口烟气采样汇流管13与空预器出口烟道11之间设有出口第一级采样管路15；
进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15分别通过进口第二级采样管路17和出口第二级采样管路18连接入CEMS分析仪表间16。
其中，AIG喷氨格栅9通过SCR喷氨流量控制阀7与喷氨母管8连通。
进口烟气采样支管5和出口烟气采样支管12分别由6-10根不同长度、不同直径的笛型碳钢支管构成。
进口烟气采样支管5和出口烟气采样支管12分别垂直于来流烟气布置，其迎风面分别设置有防磨三角铁。
进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15分别为长度为20m-70m、直径为100mm-200mm的圆形碳钢母管。
进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15分别外敷设有保温棉。
进口第二级采样管路17和出口第二级采样管路18分别为长度5m-15m、带伴热的CEMS采样管。
上述任意一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，包括以下步骤：
1）在机组高中低负荷下，分别测量空预器出口烟道11与SCR进口烟道4和SCR出口烟道10之间的烟气静压差，在烟气静压差的引射作用下，采样混合烟气流入空预器出口烟道11，形成第一级烟气采样管路，管内烟气流速为10 m/s -20m/s，进口第一级采样管路14内的烟气停留时间小于5s，出口第一级采样管路15内的烟气停留时间小于2s；按照管内烟气流速和管路长度，设计进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15的直径；根据采样点的烟气温度设计保温棉的厚度，确保进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15内的温度不低于200℃；
2）在机组高中低负荷下，分别在SCR进口烟道4和SCR出口烟道10的截面用网格法测量NOx浓度分布，根据截面的NOx平均值与代表点的NOx平均值相等原则，选择SCR进口烟道4和SCR出口烟道10中多点烟气采样截面的采样代表点的位置，以确保采样点的代表性；
3）根据各支管烟气流量相等原则，采用CFD数值模拟方法，多点烟气采样截面上的进口烟气采样支管5和出口烟气采样支管12的直径自母管远端到近端逐渐减小，确保各采样代表点的烟气采样等量混合，以提高烟气采样代表性；
4）进口第二级采样管路17和出口第二级采样管路18分别从进口第一级采样管路14和出口第一级采样管路15内抽取烟气样品，采样烟气经预处理器除湿后，输送到CEMS分析仪表间16内测试，第二级采样分析时间小于15s；
5）基于二级烟气采样测试分析的滞后时间，完善前馈+反馈的SCR喷氨控制逻辑。SCR进口烟气采样测试滞后于燃烧工况变化的时间小于20s，考虑氨气在喷氨AIG母管与支管内的停留时间小于3s，AIG喷氨格栅与顶层催化剂之间的烟气停留时间小于2s，反应器内的烟气停留时间小于4s，SCR出口烟气采样测试时间小于17s，滞后于喷氨的时间小于26s。结合常规的前馈+反馈喷氨控制方式，在大幅度缩短了CEMS在线分析仪的检测滞后时间基础上，提高SCR喷氨量调节与机组燃烧工况波动之间的响应跟随性，稳定控制SCR反应器出口NOx浓度的波动幅度小于±10mg/m3。
其中，优选的，烟气静压差为1.5 kPa -2.5kPa。烟气流速为15m/s。
应用本实施例，某1000MW机组采取前后墙对冲燃烧方式，设2台SCR反应器，每台SCR反应器进口烟道截面为17.49m×4.6m，出口烟道截面为17.49m×7.1m。机组高中低负荷下的进口烟道截面NOx平均浓度约700-1000mg/m3，分布相对标准偏差约3-6%，出口NOx平均浓度约20-40mg/m3，分布偏差约40-80%。SCR反应器进出口烟道截面各设1台单点取样的CEMS分析仪，进口取样管线长约70m，出口长约35m。机组负荷变化率约10MW/min，SCR进口NOx浓度的每分钟变化幅度约0-50mg/m3。由于CEMS仪表的烟气采样代表性低和测量滞后时间长约60s，SCR喷氨很不稳定，经常造成氨逃逸浓度偏大，恶化空预器硫酸氢铵堵塞，烟侧阻力约2-4kPa。
针对该机组SCR进口CEMS仪表的烟气采样测量和运行现状，进行了烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的设计和应用：
1）现场测试机组高中低负荷下的SCR进出口烟道截面NOx分布、烟气温度、进出口烟道与空预器出口之间的烟气压降等参数，确定基本设计烟气边界条件；
2）烟气采样母管设计为直径100mm的碳钢管，外敷和后150mm的保温岩棉。SCR进出口烟道与空预器出口烟道之间的烟气采样连接母管长度分别为80m和45m，SCR进出口烟道与CEMS第二级采样点的母管长度分别为55m和20m，在此下游15m处开设烟气速度和温度测量孔；
3）SCR进口水平烟道沿宽度方向垂直布置8根3种直径（80mm、50mm、35mm）的烟气采样支管，长度分为4000mm、3000mm、2000mm、1000mm等4种，每根支管与烟气连接的端部1000mm范围内分别设置10个10mm小孔；
4）SCR出口垂直烟道沿宽度方向水平布置8根3种直径（80mm、50mm、35mm）的烟气采样支管，受安装空间限制，只在1/3深度烟道内布置取样支管，长度分为2500mm、2000mm、1500mm、1000mm等4种，每根支管与烟气连接的端部500mm范围内分别设置5个10mm小孔；
5）进出口采样母管上的CEMS烟气取样点与分析仪之间的第二级烟气采样管长度分别为15m、15m。
系统安装完成后，在机组高中低负荷下，对烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的性能特点进行现场测试评估，具体测试结果汇总于表2：
1）以网格法测量的截面NOx浓度平均值为基准，采用相对偏差法评估采样母管测量的NOx浓度、机组DCS显示值的代表性，相对偏差越接近于零，表明测点代表性越好。测试结果显示，高中低负荷下：SCR进口采样母管的NOx浓度相对标准偏差越-0.6%~1.2%，DCS显示值的相对偏差约-6.1%~-2.5%；SCR出口采样母管的NOx浓度相对标准偏差越-3.9%~18.2%，DCS显示值的相对偏差约101.8%~-149.5%，烟囱处DCS显示值的相对偏差约7.5%~-16.1%；多点烟气等量混合取样的代表性均较高，出口1/3烟道的采样混合效果与经过长距离混合后烟囱处的混合效果接近；
2）SCR反应器进出口采样母管内的烟气流速分别约14.1~17.2m/s、14.6~17.8m/s，到第二级烟气采样点的停留时间分别为3.1~3.9s、1.1~1.4s。结合第二级采样13s时间，进口烟气采样滞后时间约16~17s，出口滞后时间约14s；
3）在机组高中低负荷下，采样烟气初始温度约350~380℃，在第一级与第二级采样管接口位置，进口烟气采样管内的烟气温度分别约250~255℃，出口烟气采样管内的烟气温度分别约280~290℃，确保第一级烟气采样母管内烟气不结露和不发生硫酸氢铵粘附。
表2 烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的测试结果
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，所述采样装置包括依次连接的锅炉，SCR反应器和空预器，其特征在于：所述锅炉和所述SCR反应器之间设有SCR进口烟道，所述SCR反应器和所述空预器之间设有SCR出口烟道，所述空预器的出口设有空预器出口烟道；
所述SCR进口烟道内设有AIG喷氨格栅，所述AIG喷氨格栅上游的所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道的大尺寸截面沿炉宽方向上分别设置有进口烟气采样支管和出口烟气采样支管；
所述进口烟气采样支管与位于所述SCR进口烟道外的进口烟气采样汇流管连通，所述进口烟气采样汇流管与所述空预器出口烟道之间设有进口第一级采样管路；
所述出口烟气采样支管与位于所述SCR出口烟道外的出口烟气采样汇流管连通，所述出口烟气采样汇流管与所述空预器出口烟道之间设有出口第一级采样管路；
所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别通过进口第二级采样管路和出口第二级采样管路连接入CEMS分析仪表间；
所述采样方法包括以下步骤：
1)在机组高中低负荷下，分别测量所述空预器出口烟道与所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道之间的烟气静压差，在烟气静压差的引射作用下，采样混合烟气流入空预器出口烟道，形成第一级烟气采样管路，管内烟气流速为10m/s-20m/s，所述进口第一级采样管路内的烟气停留时间小于5s，所述出口第一级采样管路内的烟气停留时间小于2s；按照管内烟气流速和管路长度，设计所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路的直径；根据采样点的烟气温度设计保温棉的厚度，确保所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路内的温度不低于200℃；
2)在机组高中低负荷下，分别在所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道的截面用网格法测量NOx浓度分布，根据截面的NOx平均值与代表点的NOx平均值相等原则，选择所述SCR进口烟道和所述SCR出口烟道中多点烟气采样截面的采样代表点的位置，以确保采样点的代表性；
3)根据各支管烟气流量相等原则，采用CFD数值模拟方法，所述多点烟气采样截面上的所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管的直径自母管远端到近端逐渐减小，确保各采样代表点的烟气采样等量混合，以提高烟气采样代表性；
4)所述进口第二级采样管路和所述出口第二级采样管路分别从所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路内抽取烟气样品，采样烟气经预处理器除湿后，输送到CEMS分析仪表间内测试，第二级采样分析时间小于15s；
5)基于二级烟气采样测试分析的滞后时间，提高前馈+反馈的SCR喷氨控制的喷氨调节跟随性。
2.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管分别由6-10根不同长度、不同直径的笛型碳钢支管构成。
3.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述进口烟气采样支管和所述出口烟气采样支管分别垂直于来流烟气布置，其迎风面分别设置有防磨三角铁。
4.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别为长度为20m-70m、直径为100mm-200mm的圆形碳钢母管。
5.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述进口第一级采样管路和所述出口第一级采样管路分别外敷设有保温棉。
6.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述进口第二级采样管路和所述出口第二级采样管路分别为长度5m-15m、带伴热的CEMS采样管。
7.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述烟气静压差为1.5kPa-2.5kPa。
8.根据权利要求1所述的一种大截面烟道SCR-CEMS烟气多点等量混合二级引射快速采样装置的采样方法，其特征在于：所述烟气流速为15m/s。
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