CN115144231B - 一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，该系统在烟道内分区布置多支雾化喷枪，以获得更好的热解与混合效果；根据雾化喷枪布置NOx浓度和烟气流速分区测量系统，以测量烟道内实时分区NOx浓度和烟气流速为依据调整尿素分区流量，减少催化剂层前各分区NH3/NOx浓度偏差，降低氨逃逸率，提高脱硝效率，确保了系统稳定高效的运行，保护了环境。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，属于燃气蒸汽联合循环电站烟气脱硝技术领域。
背景技术
燃气蒸汽联合循环发电是一种高效、清洁的发电技术，在天然气发电行业中得到广泛应用。不过随着电力行业的发展，环保标准随之提高，在基于国家对大气污染物控制环保标准ρ(NOx)≤50mg/m3的基础上，一些重点区域进一步将标准限制在ρ(NOx)≤30mg/m3，甚至≤(5-15)mg/m3，因此，迫切需要提高电站脱硝装置的效率。
对于联合循环机组而言，脱硝分为两部分，一部分是在燃机中的低氮燃烧，另一部分是余热锅炉出口的脱硝，余热锅炉出口的脱硝普遍采用SCR法烟气脱硝技术。SCR法即选择性催化还原法脱硝技术，其主要利用NH3对NOx的还原特性，在催化剂的作用下将NOx还原为对环境无害的N2和H2O。还原剂的选择一般为液氨、氨水和尿素，而由于液氨为重大危险源以及氨水运输成本昂贵且存在安全隐患，考虑到安全因素和经济成本，可选用尿素制备还原剂。尿素制备还原剂NH3的过程又可分为尿素水解、尿素热解炉热解和尿素直喷热解。尿素的熔点为132.5℃，尿素在温度高时不稳定，会分解成氨气(NH3)和异氰酸(HNCO)，异氰酸在有水蒸气存在的高温环境下(温度超过300℃)会发生水解反应生成NH3和CO2。脱硝装置中的尿素直喷热解技术就是利用尿素的这种特性，将尿素溶液通过雾化喷枪直接喷入燃机出口烟道中，直接利用燃机出口烟气热量将尿素颗粒热解成NH3，在催化剂作用下降低烟气中NOx排放浓度。因此尿素直喷热解技术相较于尿素水解和热解炉热解有安全性高，维护量小和运行费用低等特点。
由于尿素溶液雾化喷枪设置于燃气出口烟道中，而此处烟气存在流速高和温度高的特点，高流速烟气条件不利于尿素的热解和与烟气的混合，此外由于烟气流场在烟道横截面上的不均匀性，导致NOx浓度的不均匀性。这些问题对尿素溶液雾化喷枪的流量控制提出了更高的要求。当通过尿素溶液雾化喷枪的尿素溶液流量过高时，无法及时热解，易形成结晶附结在烟道壁面，影响烟气流场并降低运行经济性；当尿素溶液流量过低时，无法充分还原烟气中NOx气体，NOx浓度超过排放限定值；当横截面上NH3分配未根据相应NOx浓度调整时，会导致催化剂层前各分区NH3/NOx(氨氮比)浓度偏差不一致，或造成大量氨逃逸。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提出一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，该系统在烟道内分区布置多支雾化喷枪，以获得更好的热解与混合效果；根据雾化喷枪布置NOx浓度和烟气流速分区测量系统，旨在以测量烟道内实时分区NOx浓度和烟气流速为依据调整尿素分区流量，达到脱硝出口平均NOx浓度满足环保排放要求的目的。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，在燃机出口圆形烟道内按等面积法布置至少2圈尿素溶液雾化喷圈，每圈雾化喷圈由至少3套雾化喷枪组成，雾化喷枪的喷射方向与烟气流动方向一致；
燃机出口圆形烟道内每套雾化喷枪上游不超过1m布置一个烟气取样点，所有烟气取样点通过烟气取样支管竖直向上汇集到烟气取样母管上；每根烟气取样支管上各设置1个取样分阀，在取样母管上设置NOx浓度测量仪表，在NOx浓度测量仪表的下游的取样母管上至少设置一个取样总阀；烟气取样点的取样口迎烟气流布置；当所有取样分阀全部打开，NOx浓度测量仪表的测量值为烟道截面的平均NOx浓度；若将其中一套雾化喷枪上游的取样分阀打开，其余取样分阀关闭，则NOx浓度测量仪表的测量值为该套雾化喷枪上游的NOx浓度，关闭该取样分阀，打开下一取样分阀，即可实现下一套雾化喷枪上游的NOx浓度测量，依次类推，获得所有雾化喷枪上游的NOx浓度；
在烟气取样支管的下游、雾化喷枪的上游布置静压测量管，在线监测各烟气取样支管与静压测量管之间的差压，进而获得每套雾化喷枪上游的烟气流速；
分别测取每套雾化喷枪上游的烟气流速V1、V2、V3……Vn和NOx浓度M1、M2、M3……Mn，根据
调节各雾化喷枪的流量，使达控制目标、且脱硝出口平均NOx浓度满足环保排放要求。
作为现有技术，燃机出口烟道与余热锅炉相连通，余热锅炉内设置催化剂模块。
本发明在燃机出口圆形烟道内按等面积法布置至少2圈尿素溶液雾化喷枪(各圈雾化喷枪在燃机出口圆形烟道的横截面上按等面积法布置)，每圈布置至少3套雾化喷枪，使得雾化喷枪在圆形烟道同一横截面均匀分布，保证尿素溶液与出口烟气混合均匀；雾化喷枪喷口方向与烟气流动方向一致，使得尿素溶液雾化颗粒覆盖横截面。
上述每套雾化喷枪对应一个尿素直喷分区。
本发明根据雾化喷枪布置进而提出一种对应分区NOx浓度测量方案，针对每套雾化喷枪在烟道横截面上的布置，沿烟道方向在雾化喷枪上游1m内分别设置有烟气取样点。烟气取样点处设置的烟气取样口迎烟气流布置；烟气经取样口对应取样支管竖直向上汇集于烟道的外取样母管；每根烟气取样支管对应设置1个取样分阀，并在烟气取样母管上设置NOx浓度测量仪表，在NOx浓度测量仪表的下游至少设置一个取样总阀。该取样装置可以实时监测各分区烟气NOx浓度以及烟道截面平均NOx浓度：当所有取样分阀全部打开，则抽取所有烟道分区内烟气，NOx浓度测量仪表即可测量烟道截面的平均NOx浓度；若将某一分区取样分阀打开，其余分区取样阀门关闭，则抽取该分区取样支管内的烟气，即可测量该取样支管对应分区的NOx浓度，关闭该取样分阀，打开下一取样分阀，即可实现下一分区的NOx浓度测量，进而获得所有分区NOx浓度。另外，沿烟气流动方向在烟气取样口下游，雾化喷枪上游布置静压测量管，得以在测量系统中得到该烟道分区内各取样支管与静压测量管之间的实时差压，进而获得该区域内烟气流速。
为了提高控制的准确性，所有的雾化喷圈同心设置，雾化喷圈与燃机出口圆形烟道同心设置。
为了便于安装和应用，上述系统还包括尿素溶液供给装置、尿素供给母管、空气压缩装置和空气供给母管；
尿素供给母管一端与尿素溶液供给装置的出料口连通、另一端分支为六路以上的尿素供给支管，每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀；
空气供给母管一端与空气压缩装置的出气口连通、另一端分支为六路以上的空气供给支管，每路空气供给支管上均设有压缩空气阀；
尿素供给支管、空气供给支管及雾化喷枪的数量相等、且一一对应，尿素供给支管和与其对应的空气供给支管汇合在与它们对应的雾化喷枪进口。
也即每路尿素供给支管对应一路空气供给支管和一个雾化喷枪，尿素供给支管和与其对应的空气供给支管汇合在与它们对应的雾化喷枪进口，被空气稀释后的尿素从喷嘴中喷出形成雾状。
每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀，能够根据测量系统反馈值精确控制输送到每只雾化喷枪的尿素溶液流量；同时，调节空气供给支管上的压缩空气阀可调节每只雾化喷枪的雾化空气流量。
为了方便控制，分支前的尿素供给母管上设有尿素溶液流量总阀。控制尿素溶液直喷总量。
上述尿素溶液供给装置、分支前的尿素供给母管、空气压缩装置和支前的空气供给母管均位于燃机出口圆形烟道外；尿素溶液流量总阀设在燃机出口圆形烟道外。
上述每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀，能够根据测量系统反馈值精确控制输送到每只喷枪的尿素溶液流量，并调节雾化空气的流量；每支雾化喷枪对应的尿素供给支管向上汇集于烟道的尿素供给母管，并在尿素供给母管上设置尿素溶液流量总阀，控制尿素溶液直喷总量。
上述烟气取样支管的一端作为烟气取样点设有取样口、另一端汇集到烟气取样母管上；烟气取样母管位于燃机出口圆形烟道外。
为了提高各测量值的代表性，所有取样口在燃机出口圆形烟道的横截面上按雾化喷枪相同的等面积法布置。也即雾化喷枪中心与其对应的取样口中心的连线与燃机出口圆形烟道的中心轴平行，这样能更好地确保所取样品的代表性。
为了便于安装，还包括连接管，静压测量管一端为取样端、另一端为连接端，连接管一端与烟气取样母管连通、另一端与静压测量管的连接端连通，连接管上设有压力表。
上述连接管设在燃机出口圆形烟道外。
尿素溶液总管中尿素溶液直喷总量可以通过DCS\PLC控制系统，采取闭环控制法，即以测量系统所得燃机出口烟道烟气流速和总负荷、总风量等为参数引入前馈量，然后在NOx浓度设定值与余热锅炉出口NOx偏差比较运算控制后，与引入的前馈量运算后作为尿素溶液直喷总量控制器的设定值。各分区雾化喷枪中尿素溶液流量，则以脱硝化学反应原理为依据，根据测量系统所得参数确定各分区流量占比：
进而通过雾化喷枪流量调节阀控制对应分区尿素溶液直喷量，使各分区氨氮摩尔比接近一致，从而提高脱硝效率。
本申请上游到下游的方向，与物料的流动方向一致。
等面积法参照GB/T 10184-2015《网格法等面积的划分原则及代表点的确定》。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，根据尿素直喷雾化喷枪在烟道横截面上布置情况，在各分区依次布置烟气取样点及静压测量管，实现各分区烟气流速和NOx浓度在线监测，以测得的各分区烟气流速和NOx浓度为依据，精准确定各分区内雾化喷枪中尿素溶液流量，减少催化剂层前各分区NH3/NOx浓度偏差，降低氨逃逸率，提高脱硝效率，确保了系统稳定高效的运行，保护了环境。
附图说明
图1为本发明适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统的结构示意图；
图2为本发明尿素直喷雾化喷枪分区计量模块的原理示意图；
图3为烟气NOx浓度分区测量系统的结构示意图；
图中，1为雾化喷圈，2为尿素溶液供给装置，3为空气压缩装置，4为雾化计量模块，5为尿素溶液流量总阀，6为手动调节阀，7为自动调节阀，8为压缩空气阀，9为雾化喷枪，10为烟气取样点，11为取样分阀，12为取样总阀，13为静压管测点，14为催化剂层，15为烟气；A截面为烟气取样点布置面，B截面为静压测量管测点布置面。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1
如图1-2所示，一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，在燃机出口圆形烟道内按等面积法布置至少2圈尿素溶液雾化喷圈，每圈雾化喷圈由至少3套雾化喷枪组成，作为尿素直喷雾化喷枪分区计量模块，雾化喷枪的喷射方向与烟气流动方向一致；
如图1和图3所示，燃机出口圆形烟道内每套雾化喷枪上游不超过1m布置一个烟气取样点，所有烟气取样点通过烟气取样支管竖直向上汇集到烟气取样母管上，每根烟气取样支管上各设置1个取样分阀，在取样母管上设置NOx浓度测量仪表，在NOx浓度测量仪表的下游的取样母管上至少设置一个取样总阀，作为烟气NOx浓度分区测量系统；烟气取样点的取样口迎烟气流布置；当所有取样分阀全部打开，NOx浓度测量仪表的测量值为烟道截面的平均NOx浓度；若将其中一套雾化喷枪上游的取样分阀打开，其余取样分阀关闭，则NOx浓度测量仪表的测量值为该套雾化喷枪上游的NOx浓度，关闭该取样分阀，打开下一取样分阀，即可实现下一套雾化喷枪上游的NOx浓度测量，依次类推，获得所有雾化喷枪上游的NOx浓度；
在烟气取样支管的下游、雾化喷枪的上游布置静压测量管，在线监测各烟气取样支管与静压测量管之间的差压，进而获得每套雾化喷枪上游的烟气流速；
分别测取每套雾化喷枪上游的烟气流速V1、V2、V3……Vn和NOx浓度M1、M2、M3……Mn，根据
调节各雾化喷枪的流量，使达控制目标、且脱硝出口平均NOx浓度满足环保排放要求。
如图1所示，燃机出口烟道与余热锅炉相连通，余热锅炉内设置催化剂模块。上述每套雾化喷枪对应一个尿素直喷分区。
上述燃机出口圆形烟道内按等面积法布置至少2圈尿素溶液雾化喷枪(各圈雾化喷枪在燃机出口圆形烟道的横截面上按等面积法布置)，每圈布置至少3套雾化喷枪，使得雾化喷枪在圆形烟道同一横截面均匀分布，保证尿素溶液与出口烟气混合均匀；雾化喷枪喷口方向与烟气流动方向一致，使得尿素溶液雾化颗粒覆盖横截面。
上述在雾化喷枪上游1m内分别设置有烟气取样点。烟气取样点处设置的烟气取样口迎烟气流布置；烟气经取样口对应取样支管竖直向上汇集于烟道的外取样母管；每根烟气取样支管对应设置1个取样分阀，并在烟气取样母管上设置NOx浓度测量仪表，在NOx浓度测量仪表的下游至少设置一个取样总阀。该取样装置可以实时监测各分区烟气NOx浓度以及烟道截面平均NOx浓度：当所有取样分阀全部打开，则抽取所有烟道分区内烟气，NOx浓度测量仪表即可测量烟道截面的平均NOx浓度；若将某一分区取样分阀打开，其余分区取样阀门关闭，则抽取该分区取样支管内的烟气，即可测量该取样支管对应分区的NOx浓度，关闭该取样分阀，打开下一取样分阀，即可实现下一分区的NOx浓度测量，进而获得所有分区NOx浓度。另外，沿烟气流动方向在烟气取样口下游，雾化喷枪上游布置静压测量管，得以在测量系统中得到该烟道分区内各取样支管与静压测量管之间的实时差压，进而获得该区域内烟气流速。
实施例2
在实施例1的基础上，进一步作了如下改进：为了提高控制的准确性，所有的雾化喷圈同心设置，雾化喷圈与燃机出口圆形烟道同心设置。
实施例3
在实施例2的基础上，进一步作了如下改进：为了便于安装和应用，上述系统还包括尿素溶液供给装置、尿素供给母管、空气压缩装置和空气供给母管；尿素供给母管一端与尿素溶液供给装置的出料口连通、另一端分支为六路以上的尿素供给支管，每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀；空气供给母管一端与空气压缩装置的出气口连通、另一端分支为六路以上的空气供给支管，每路空气供给支管上均设有压缩空气阀；尿素供给支管、空气供给支管及雾化喷枪的数量相等、且一一对应，尿素供给支管和与其对应的空气供给支管汇合在与它们对应的雾化喷枪进口。也即每路尿素供给支管对应一路空气供给支管和一个雾化喷枪，尿素供给支管和与其对应的空气供给支管汇合在与它们对应的雾化喷枪进口，被空气稀释后的尿素从喷嘴中喷出形成雾状。每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀，能够根据测量系统反馈值精确控制输送到每只雾化喷枪的尿素溶液流量；同时，调节空气供给支管上的压缩空气阀可调节每只雾化喷枪的雾化空气流量。为了方便控制，分支前的尿素供给母管上设有尿素溶液流量总阀。控制尿素溶液直喷总量。
上述尿素溶液供给装置、分支前的尿素供给母管、空气压缩装置和支前的空气供给母管均位于燃机出口圆形烟道外；尿素溶液流量总阀设在燃机出口圆形烟道外。
实施例4
在实施例3的基础上，进一步作了如下改进：上述烟气取样支管的一端作为烟气取样点设有取样口、另一端汇集到烟气取样母管上；烟气取样母管位于燃机出口圆形烟道外。为了提高各测量值的代表性，所有取样口在燃机出口圆形烟道的横截面上按雾化喷枪相同的等面积法布置。也即雾化喷枪中心与其对应的取样口中心的连线与燃机出口圆形烟道的中心轴平行，这样能更好地确保所取样品的代表性。为了便于安装，还包括连接管，静压测量管一端为取样端、另一端为连接端，连接管一端与烟气取样母管连通、另一端与静压测量管的连接端连通，连接管上设有压力表。上述连接管设在燃机出口圆形烟道外。
尿素溶液总管中尿素溶液直喷总量可以通过DCS\PLC控制系统，采取闭环控制法，即以测量系统所得燃机出口烟道烟气流速和总负荷、总风量等为参数引入前馈量，然后在NOx浓度设定值与余热锅炉出口NOx偏差比较运算控制后，与引入的前馈量运算后作为尿素溶液直喷总量控制器的设定值。各分区雾化喷枪中尿素溶液流量，则以脱硝化学反应原理为依据，根据测量系统所得参数确定各分区流量占比：
进而通过雾化喷枪流量调节阀控制对应分区尿素溶液直喷量，使各分区氨氮摩尔比接近一致，从而提高脱硝效率。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
经工程实践，上述适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，根据尿素直喷雾化喷枪在烟道横截面上布置情况，在各分区依次布置烟气取样点及静压测量管，实现各分区烟气流速和NOx浓度在线监测，以测得的各分区烟气流速和NOx浓度为依据，精准确定各分区内雾化喷枪中尿素溶液流量，减少催化剂层前各分区NH3/NOx浓度偏差，降低氨逃逸率，提高脱硝效率至90％以上水平，确保了系统稳定高效的运行，保护了环境。
Claims (9)
1.一种适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：在燃机出口圆形烟道内按等面积法布置至少2圈尿素溶液雾化喷圈，每圈雾化喷圈由至少3套雾化喷枪组成，雾化喷枪的喷射方向与烟气流动方向一致；
燃机出口圆形烟道内每套雾化喷枪上游不超过1m布置一个烟气取样点，所有烟气取样点通过烟气取样支管竖直向上汇集到烟气取样母管上；每根烟气取样支管上各设置1个取样分阀，在取样母管上设置NOx浓度测量仪表，在NOx浓度测量仪表的下游的取样母管上至少设置一个取样总阀；烟气取样点的取样口迎烟气流布置；当所有取样分阀全部打开，NOx浓度测量仪表的测量值为烟道截面的平均NOx浓度；若将其中一套雾化喷枪上游的取样分阀打开，其余取样分阀关闭，则NOx浓度测量仪表的测量值为该套雾化喷枪上游的NOx浓度，关闭该取样分阀，打开下一取样分阀，即可实现下一套雾化喷枪上游的NOx浓度测量，依次类推，获得所有雾化喷枪上游的NOx浓度；
在烟气取样支管的下游、且雾化喷枪的上游布置静压测量管，在线监测各烟气取样支管与静压测量管之间的差压，进而获得每套雾化喷枪上游的烟气流速；
分别测取每套雾化喷枪上游的烟气流速V1、V2、V3……Vn和NOx浓度M1、M2、M3……Mn，根据
调节各雾化喷枪的流量，使达控制目标、且脱硝出口平均NOx浓度满足环保排放要求。
2.如权利要求1所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：所有的雾化喷圈同心设置，雾化喷圈与燃机出口圆形烟道同心设置。
3.如权利要求1或2所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：还包括尿素溶液供给装置、尿素供给母管、空气压缩装置和空气供给母管；
尿素供给母管一端与尿素溶液供给装置的出料口连通、另一端分支为六路以上的尿素供给支管，每路尿素供给支管上均同时设有手动调节阀与自动调节阀；
空气供给母管一端与空气压缩装置的出气口连通、另一端分支为六路以上的空气供给支管，每路空气供给支管上均设有压缩空气阀；
尿素供给支管、空气供给支管及雾化喷枪的数量相等、且一一对应，尿素供给支管和与其对应的空气供给支管汇合在与它们对应的雾化喷枪进口。
4.如权利要求3所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：分支前的尿素供给母管上设有尿素溶液流量总阀。
5.如权利要求3所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：尿素溶液供给装置、分支前的尿素供给母管、空气压缩装置和支前的空气供给母管均位于燃机出口圆形烟道外；尿素溶液流量总阀设在燃机出口圆形烟道外。
6.如权利要求1或2所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：烟气取样支管的一端作为烟气取样点设有取样口、另一端汇集到烟气取样母管上；烟气取样母管位于燃机出口圆形烟道外；所有取样口在燃机出口圆形烟道的横截面上按雾化喷枪相同的等面积法布置。
7.如权利要求1或2所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：还包括连接管，静压测量管一端为取样端、另一端为连接端，连接管一端与烟气取样母管连通、另一端与静压测量管的连接端连通，连接管上设有压力表。
8.如权利要求7所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：连接管设在燃机出口圆形烟道外。
9.如权利要求1或2所述的适用于燃机余热锅炉脱硝装置的尿素直喷分区测控系统，其特征在于：根据测得的流量占比：
调节各雾化喷枪的流量，使得各雾化喷枪所在分区的氨氮摩尔比一致。
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