基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝控制研究

李智彪，劉果

（1.浙江環(huán)龍環(huán)境保護(hù)有限公司，杭州 310000；2.浙江藍(lán)天求是環(huán)保股份有限公司，杭州 310000）

1 機(jī)組概述

臺州市椒江熱電有限公司新建成2臺100t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐，煙氣排放執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）中的天然氣鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn)，即SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3、粉塵≤5mg/Nm3。

根據(jù)鍋爐廠提供的設(shè)計參數(shù)，脫硝系統(tǒng)采用“SNCR+SCR”耦合工藝，還原劑采用20%濃度氨水，在鍋爐旋風(fēng)除塵器入口布置一層雙流體SNCR噴槍，在省煤器出口布置一層中溫蜂窩式催化劑，不設(shè)置備用催化劑層。

2 面臨問題

機(jī)組投運(yùn)后，發(fā)現(xiàn)實際運(yùn)行參數(shù)與原設(shè)計參數(shù)偏離嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為：NOx實際生成濃度是設(shè)計值的兩倍；旋風(fēng)分離器入口煙溫低于設(shè)計值70℃，且低負(fù)荷時低于SNCR脫硝溫度窗口；煙氣量比設(shè)計值大20%左右。鍋爐廠家根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整優(yōu)化了一、二次風(fēng)比例等部分參數(shù)，但效果不明顯，低氧燃燒時還造成鍋爐飛灰中含炭量嚴(yán)重偏高。鍋爐設(shè)計參數(shù)與實際運(yùn)行參數(shù)對比見表1。另外，由于本鍋爐的主要功能是給工業(yè)園區(qū)提供蒸氣，因此負(fù)荷波動具有幅度大、快速而頻繁的特點(diǎn)，同時鍋爐控制的智能化程度不高，負(fù)荷變動時，鍋爐運(yùn)行參數(shù)主要由運(yùn)行人員手動調(diào)整，各項參數(shù)調(diào)整不同步，導(dǎo)致煙氣參數(shù)波動劇烈，采用傳統(tǒng)的PID控制不能保證NOx和氨逃逸穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)與實際運(yùn)行參數(shù)對比表

3 NOx生成濃度和在線監(jiān)測對脫硝系統(tǒng)控制影響的試驗研究

上述問題在電廠鍋爐中廣泛存在，因此如何在保持現(xiàn)有硬件配置不變的基礎(chǔ)上，通過調(diào)整控制方法實現(xiàn)NOx和氨逃逸穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，具有重要的意義。

調(diào)整控制方法的前提首先是通過試驗摸清影響脫硝的各因子在該鍋爐的具體影響。

3.1 鍋爐負(fù)荷（燃燒溫度）對NOx生成濃度的影響試驗

影響NOx生成濃度的一個主要因素是爐膛燃燒溫度，而爐膛燃燒溫度與鍋爐負(fù)荷呈正相關(guān)性，因此第一個試驗即保持其它條件不變，通過改變鍋爐負(fù)荷（燃燒溫度）觀察NOx生成濃度的變化（見表2）。

表2 鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度試驗記錄

從鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度趨勢線可直觀反映出NOx生成濃度與鍋爐負(fù)荷呈現(xiàn)幾乎一致的變化趨勢（見圖1），當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于50t/h時，生成濃度可低于50mg/Nm3，當(dāng)負(fù)荷高于85t/h時，濃度基本都在200mg/Nm3以上，滿負(fù)荷時達(dá)到300mg/Nm3。

圖1 鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度趨勢線

3.2 鍋爐煙氣含氧量對NOx生成濃度的影響試驗

根據(jù)NOx的生成理論，燃燒時的氧化氛圍是影響NOx生成濃度的另一個主要因素，因此第二個試驗即保持其它條件不變，通過改變煙氣含氧量觀察NOx生成濃度的變化（見表3）。NOx生成濃度與煙氣含氧量同樣呈現(xiàn)幾乎一致的變化趨勢（見圖2）。

表3 煙氣含氧量-NOx生成濃度試驗記錄

圖2 煙氣含氧量-NOx生成濃度趨勢線

3.3 監(jiān)測斷面的影響

脫硝系統(tǒng)設(shè)置了一套氨逃逸在線監(jiān)測和一套NOx、O2在線監(jiān)測。氨逃逸在線監(jiān)測安裝在空氣預(yù)熱器處，NOx、O2在線監(jiān)測安裝在布袋除塵器后。根據(jù)DCS曲線分析，當(dāng)改變氨水噴射量時，氨水流量峰值與氨逃逸峰值相差時間約3～5分鐘，氨水流量峰值與NOx谷值相差時間為8～10分鐘。

4 基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝系統(tǒng)控制試驗與實踐

4.1 根據(jù)監(jiān)測斷面選擇主次控制因子

基于NOx濃度在線監(jiān)測與氨逃逸在線監(jiān)測滯后時間的差異，分別采用兩種監(jiān)測因子作為主要條件對氨水流量進(jìn)行PID控制試驗。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用NOx在線測量值對氨水流量進(jìn)行PID控制時，因在線監(jiān)測滯后時間較長，無法根據(jù)NOx濃度對氨水流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，多次調(diào)整PID參數(shù)均不能實現(xiàn)NOx和氨逃逸同時達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)采用氨逃逸濃度來對氨水流量進(jìn)行PID控制時，因滯后時間較短，氨逃逸曲線與氨水流量曲線具有更好的跟隨性，可將氨逃逸控制在一個較小的變化范圍內(nèi)，同時NOx半數(shù)時間可實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因此選用氨逃逸濃度作為主要控制因子，NOx排放濃度作為輔助控制因子，進(jìn)行更進(jìn)一步試驗。

4.2 根據(jù)鍋爐負(fù)荷統(tǒng)計達(dá)標(biāo)需要的氨逃逸濃度規(guī)律

從影響NOx濃度的各因子中，可看出鍋爐負(fù)荷是最主要的影響因子，因此本組試驗即在煙氣含氧量基本相同的情況下，根據(jù)鍋爐負(fù)荷調(diào)整氨水用量，使煙氣NOx排放值保持在30mg/Nm3左右，統(tǒng)計對應(yīng)負(fù)荷下氨逃逸的濃度，得到鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度對應(yīng)關(guān)系（見表4、圖3）。

表4 不同負(fù)荷下的氨逃逸濃度

圖3 鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度曲線

4.3 根據(jù)煙氣含氧量統(tǒng)計達(dá)標(biāo)需要的氨逃逸濃度規(guī)律

煙氣含氧量對NOx的生成濃度影響很大，影響煙氣含氧量的主要原因是進(jìn)煤量與風(fēng)量的比例關(guān)系。更重要的是這個比例的變化往往很突然，例如當(dāng)鍋爐負(fù)荷調(diào)整時，一兩次風(fēng)量的調(diào)整與進(jìn)煤量不同步或不匹配以及斷煤情況的發(fā)生，都會造成煙氣含氧量的突然變化，如果根據(jù)氨逃逸在線監(jiān)測或NOx在線監(jiān)測數(shù)據(jù)檢測到變化時再進(jìn)行調(diào)整，必定會造成NOx排放濃度和氨逃逸劇烈波動，使排放數(shù)據(jù)不合格，而且會使PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定狀態(tài)被打破，如果不進(jìn)行人工干預(yù)，就需要很長時間才能恢復(fù)穩(wěn)定，甚至不能恢復(fù)穩(wěn)定失去自動調(diào)節(jié)功能。

除了引風(fēng)機(jī)后的O2在線監(jiān)測外，鍋爐在省煤器位置也配置了O2在線監(jiān)測，相比于前者，省煤器位置能更早檢測到O2的變化，作為前饋條件調(diào)節(jié)氨水噴射量，提前削弱NOx和NH3逃逸的波動。

該組試驗保持鍋爐負(fù)荷90t/h不變，根據(jù)省煤器處煙氣含氧量調(diào)節(jié)氨水噴射量，使NOx排放值保持在30mg/Nm3左右，統(tǒng)計對應(yīng)含氧量下氨逃逸的濃度，得到含氧量-氨逃逸濃度對應(yīng)關(guān)系（見表5）。

表5 煙氣含氧量對氨逃逸的影響

通過觀察，正常穩(wěn)定燃燒時，省煤器處含氧量出現(xiàn)頻率最高的數(shù)值在4%左右，因此將4%作為基準(zhǔn)氧，將表格中的氨逃逸濃度全部減去1.45，得到含氧量對氨逃逸濃度的貢獻(xiàn)值（見表6）。

表6 煙氣含氧量對氨逃逸濃度的貢獻(xiàn)

圖4 煙氣含氧量對氨逃逸濃度影響曲線

從圖4的曲線來看，似乎煙氣含氧量比鍋爐負(fù)荷對氨逃逸濃度的影響更大，這是因為鍋爐負(fù)荷升高時，不僅NOx的生成濃度提高了，SNCR的脫硝效率、氨的利用率也隨之提高了，綜合后的影響就減弱了。

4.4 根據(jù)NOx排放濃度的影響統(tǒng)計NOx對氨逃逸目標(biāo)值的影響

鍋爐負(fù)荷和煙氣含氧量都是作為調(diào)節(jié)的前饋條件參與控制，但最終的達(dá)標(biāo)排放仍要以脫硝系統(tǒng)出口的NOx濃度為準(zhǔn)。因此再引入NOx濃度作反饋條件參與控制，當(dāng)NOx濃度高于理想控制值時，增加氨逃逸量，當(dāng)NOx濃度低于理想控制值時，減少氨逃逸量。

4.5 氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的公式擬定與實踐

在進(jìn)行了上述試驗后，可以設(shè)想在某一工況，可能存在一個平衡點(diǎn)，其氨逃逸濃度是達(dá)標(biāo)的，NOx排放濃度也在理想值附近。而如果能通過某經(jīng)驗公式，計算出該工況時最合適的氨逃逸濃度，然后通過調(diào)節(jié)氨水流量使實際氨逃逸趨近該濃度，就能間接使NOx濃度趨近于需要的理想值。該工況下最合適的氨逃逸濃度可稱作氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值，將其作為PID控制目標(biāo)因子，再將氨逃逸實測值作為PID控制反饋因子，通過調(diào)節(jié)氨水流量，使氨逃逸實測值趨近氨逃逸目標(biāo)值，從而實現(xiàn)氨逃逸與NOx的同時達(dá)標(biāo)。

鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度試驗數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值，mg/Nm3；

a：鍋爐負(fù)荷，t/h。

試驗測定值與經(jīng)驗公式計算值對比曲線見圖5。

圖5 試驗測定值與經(jīng)驗公式計算值對比曲線

將省煤器處煙氣含氧量-氨逃逸濃度貢獻(xiàn)值試驗數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值，mg/Nm3；

b：省煤器處煙氣含氧量，%。

將①②兩公式合并，得到：

將其中的常數(shù)-0.108用參數(shù)c代替，并允許值長根據(jù)需要微調(diào)，得到公式：

將公式應(yīng)用于DCS控制中，通過調(diào)整PID參數(shù)，將NOx控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，但曲線的起伏仍顯偏大，再根據(jù)NOx排放濃度手工微調(diào)參數(shù)c的試驗，得到一組NOx排放濃度-氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量數(shù)據(jù)。

NOx排放濃度對氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量貢獻(xiàn)見表7。

表7 NOx排放濃度對氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量貢獻(xiàn)

將NOx排放濃度-氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量試驗數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量，mg/Nm3；

d：NOx排放濃度，mg/Nm3。

將公式④、⑤合并，得到：

為了適應(yīng)煤種或其它條件變化后可能引起的公式變化，將省煤器處煙氣含氧量b、NOx排放濃度d的權(quán)重系數(shù)0.505和0.015全部參數(shù)化，允許值長根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗進(jìn)行微調(diào)。得到最終的公式：

y：氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值，mg/Nm3；

a：鍋爐負(fù)荷，t/h；

b：省煤器處煙氣含氧量，%；

c：常數(shù)，mg/Nm3（默認(rèn)取-0.558，允許值長微調(diào)）；

d：NOx排放濃度，mg/Nm3；

e：含氧量權(quán)重系數(shù)（默認(rèn)取0.4，允許值長微調(diào)）；

f：NOx排放濃度權(quán)重系數(shù)（默認(rèn)取0.015，允許值長微調(diào)）。

將改進(jìn)的經(jīng)驗公式重新應(yīng)用于DCS控制后，取得了非常理想的效果。脫硝系統(tǒng)在完全自動控制的條件下，NOx全天處于20～40mg/Nm3的理想?yún)^(qū)間，氨逃逸則基本低于2.0mg/Nm3；通過調(diào)整常數(shù)c，還可將理想?yún)^(qū)間上調(diào)或下移，以達(dá)到節(jié)約氨水的目的。

前文提到當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于50t/h時，NOx生成濃度可低于50 mg/Nm3。夜間蒸氣用量小，鍋爐負(fù)荷低，可以選擇1臺鍋爐保持在低負(fù)荷，使其NOx生成濃度低于50mg/Nm3，停該臺鍋爐的脫硝系統(tǒng)；另1臺鍋爐則開啟脫硝系統(tǒng)，用以調(diào)節(jié)負(fù)荷。

5 結(jié)語

燃煤電廠鍋爐普遍存在煙氣NOx生成濃度高、脫硝區(qū)域溫度低、煙氣參數(shù)波動劇烈、污染物排放不能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題。通過試驗研究，摸清了鍋爐負(fù)荷、煙氣含氧量、在線監(jiān)測等因素對煙氣中NOx生成濃度和脫硝控制的具體影響，提出了基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝控制理念，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合出滿足各種工況條件的氨逃逸濃度經(jīng)驗公式并應(yīng)用于DCS自動控制系統(tǒng)，在保持脫硝系統(tǒng)現(xiàn)有硬件配置不變的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了持續(xù)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的達(dá)標(biāo)排放，解決了此類鍋爐的脫硝難題，具有重大的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價值。