自適應SNCRSNCRR技術(shù)在水泥廠實現(xiàn)氮氧化物超低排放

唐多久，汪濤

1 工程概述

我國NOx排放標準日趨嚴格，《“十三五”節(jié)能減排綜合性工作方案》提出，2020年我國NOx排放總量控制在1 574萬噸以內(nèi)。水泥工業(yè)是我國的基礎性工業(yè)，水泥行業(yè)的氮氧化物排放標準也日益嚴格。2013年我國頒布GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標準》，要求水泥廠氮氧化物排放濃度≯400/320mg/m3（分重點地區(qū)和非重點地區(qū)執(zhí)行，折算到10%氧氣濃度，標準狀態(tài)下，以NO2計）。而某些地方標準在國家標準基礎上進一步提高，比如2015年河北省發(fā)布的排放標準要求水泥企業(yè)氮氧化物排放量≯260mg/m3。

我國水泥企業(yè)普遍采用SNCR技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)降低氮氧化物排放。自2011年天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司在中材湘潭水泥廠建立我國第一套SNCR系統(tǒng)以來[1]，我國水泥企業(yè)在2014年前基本完成了水泥行業(yè)SNCR改造。但很多水泥企業(yè)的SNCR技術(shù)并不成熟，常常存在氮氧化物排放超標、氨水用量過大等問題[2]。而低氮燃燒技術(shù)在我國實際應用情況并不理想，僅有極少數(shù)生產(chǎn)線通過低氮燃燒技術(shù)將氮氧化物排放濃度降低到比較理想的水平，且仍然需要SNCR技術(shù)才能保證排放達標[3-4]。

面對未來更加嚴格的排放標準，現(xiàn)有的水泥企業(yè)SNCR系統(tǒng)很難保證達到氮氧化物超凈排放（100mg/m3）的要求。目前我國一些科研院所普遍考慮在水泥行業(yè)引進SCR技術(shù)，滿足氮氧化物排放[5]要求。但SCR技術(shù)存在總投資及運行成本高等問題，因此大連斯迪歐公司深入研究SNCR技術(shù)，在現(xiàn)有常規(guī)SNCR技術(shù)基礎上，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自適應SNCR技術(shù)，并成功在山西省某2 500t/d生產(chǎn)線投入使用，取得良好的效果，氮氧化物排放濃度降低到100mg/m3以下，達到了超低排放要求。

2 自適應SNCR技術(shù)工藝

自適應SNCR系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)、氨水存儲系統(tǒng)、氨水輸送系統(tǒng)、自適應計量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。自適應SNCR系統(tǒng)與常規(guī)的水泥窯SNCR系統(tǒng)相比，具有以下獨有的特點。

2.1 氨水車間的安全防護

氨水是氨氣的水溶液，而氨氣是無色、透明、容易揮發(fā)的氣體，因此必須特別注意氨水的存儲。自適應SNCR系統(tǒng)充分考慮了氨水的危險性，全方位解決了氨水的安全問題。

（1）將氨水車間避開附近建筑物的出入口。氨水的存儲量一般≮3～5d的氨水消耗量，同時氨水儲罐≮2個且≯4個。

（2）水泥窯SNCR工程氨水普遍采用外購，氨水車運抵氨水車間后，通過防腐的離心泵、管道泵等設備將氨水輸送到儲罐中。自適應SNCR系統(tǒng)的氨水管道一般設置有0.3%～0.5%的坡度，有利于將氨水全部注入到儲罐中而不殘留。為了保持儲罐內(nèi)外的壓力平衡，同時防止儲罐內(nèi)的氨氣逃逸，自適應SNCR系統(tǒng)配置了水封裝置。為了防止氨水儲罐破損，自適應SNCR系統(tǒng)設置了圍堰，圍堰的有效容積大于最大單罐的有效容積。

（3）為了防止火災，自適應SNCR系統(tǒng)設置了氨氣濃度報警儀與自動噴水裝置。同時為了防止自適應SNCR系統(tǒng)車間內(nèi)積累較多的氨氣，要求暖通專業(yè)將氨氣濃度報警儀與自動排風系統(tǒng)連鎖設計，以有效降低車間內(nèi)氨氣濃度。

2.2 氨水噴入位置及噴槍布置

受反應溫度、反應時間的影響，選擇合適的位置加入氨水對SNCR的效果非常重要。自適應SNCR系統(tǒng)首先在現(xiàn)場對窯爐溫度、氣體成分進行測量，初步判斷窯內(nèi)的燃燒狀態(tài)；然后搜集有關窯爐運行數(shù)據(jù)，給定噴射的初始控制參數(shù)；再借助CFD流場數(shù)值模擬技術(shù)，對水泥窯爐內(nèi)的溫度、氮氧化物濃度、氧氣濃度、氨水噴射情況進行數(shù)值模擬，確定最佳的加入位置。

自適應SNCR系統(tǒng)的噴槍采用多層均勻布置。多層噴槍布置具有以下優(yōu)勢：其一，使氨水與煙氣的混合更加均勻，有利于反應向脫硝而不是氧化的方向進行；其二，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的窯況，控制噴槍的啟停運行，以適應不同水泥窯系統(tǒng)的煙氣溫度、喂料量、窯電流等；其三，自適應SNCR系統(tǒng)可以根據(jù)在線煙氣系統(tǒng)檢測的氮氧化物排放濃度，啟停不同的單只噴槍，尋找最合理的噴槍運行狀態(tài)。

3 第二代自適應控制系統(tǒng)

自適應SNCR系統(tǒng)的核心是控制，目前該生產(chǎn)線采用的是人工設定控制。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，普通水泥窯的SNCR系統(tǒng)在技術(shù)專家調(diào)試期間，運行效果往往比較理想，而當交付水泥廠運營后，脫硝效率、運行成本指標均有所下降。針對這一問題，通過與國內(nèi)高校合作，我公司正在開發(fā)具備人工智能與大數(shù)據(jù)分析的第二代自適應SNCR系統(tǒng)。

針對水泥窯選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)的被控對象（氮氧化物排放濃度）具有大遲延、大慣性的特點，以及多種干擾因素耦合（窯運行參數(shù)干擾多）導致的被控對象參數(shù)變化大、模型準確度無法保證等問題，大連斯迪歐公司基于自身經(jīng)驗，參考國內(nèi)有關先進控制理念[6]，與高校合作研發(fā)基于專家模糊控制策略的SNCR脫硝系統(tǒng)自動控制策略，用以實現(xiàn)SNCR系統(tǒng)的人工智能控制，該系統(tǒng)主要的控制策略見圖1。

在還原劑加入量設定值形成的過程中，自適應控制系統(tǒng)并沒有使用常規(guī)的PID控制，而是借鑒了PID與專家控制相結(jié)合的動態(tài)疊加方式。當NOx排放濃度變動時，自適應控制系統(tǒng)會進行判定，不直接增減還原劑的加入量。當滿足改變控制參數(shù)條件時，發(fā)送一個脈沖信號，將計算得到的設定值通過疊加后得到實際還原劑設定值。然后再經(jīng)過一個判斷周期，再次判斷是否需要變更還原劑的設定值。

（1）數(shù)據(jù)預處理

由于在線測試設備得到的反饋數(shù)據(jù)往往帶有隨機擾動，可以利用死區(qū)特性進行濾波，濾除小擾動信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在數(shù)據(jù)預處理時，對氮氧化物濃度、氧氣濃度、窯尾喂煤量、窯電流、生料喂料量、各測試點溫度等參數(shù)的隨機干擾的變化率限制在一定范圍內(nèi)，對上下限范圍內(nèi)的波動認為是隨機干擾導致的波動，對上下限范圍外的波動認為確實發(fā)生了變化。

（2）基于專家經(jīng)驗的設定值形成結(jié)構(gòu)

基于專家經(jīng)驗的設定值形成結(jié)構(gòu)包括，基于專家經(jīng)驗的區(qū)間控制、基于專家經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和基于重要因素的前饋控制。

基于專家經(jīng)驗的區(qū)間控制是指，當被控量NOx的測量值不在所設定的區(qū)域范圍內(nèi)時，還原劑設定值按照預先設定的專家算法進行調(diào)整。

圖1 自適應SNCR系統(tǒng)控制邏輯

基于專家經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化是指，當NOx的測量值在設定區(qū)域范圍內(nèi)，并且NOx沒有上升趨勢（根據(jù)NOx排放值變化率計算）時，通過專家算法計算可以減少的還原劑量。經(jīng)過一定的反應時間后，再判斷是否需要進一步優(yōu)化。

基于重要因素的前饋控制是指，對NOx、SNCR反應影響較大的參數(shù)實行前饋控制，包括窯電流、分解爐各溫度點、氧氣濃度等參數(shù)。其調(diào)節(jié)規(guī)則由預先設定的專家算法確定。

經(jīng)過對基于專家經(jīng)驗的設定值形成結(jié)構(gòu)進行設定值疊加后，得到初步的還原劑設定值。

（3）基于專家模糊控制策略的還原劑低限自適應控制

在逐步降低還原劑用量的同時，需要設置一個最低流量限值。其目的是保持一定的還原劑余量，使其滿足NOx的排放濃度的常見波動，保證排放瞬時值不超過排放標準。該數(shù)據(jù)需要根據(jù)累積的歷史數(shù)據(jù)和專家預先設置規(guī)則，由自適應系統(tǒng)定期自動更新低限數(shù)據(jù)。

經(jīng)過基于專家經(jīng)驗的設定值形成結(jié)構(gòu)得到的還原劑初步設定值，與基于專家模糊控制策略的還原劑低限自適應控制相互耦合后，得到還原劑的自適應控制值。

（4）NOx快速保護

當水泥窯的燃燒工況發(fā)生突變（如分解爐掉大塊結(jié)皮等）導致NOx急劇變化時，常規(guī)的控制調(diào)整因反應時間過長無法滿足控制要求。因此當被控量NOx超過設定的上限值時，自適應系統(tǒng)將切換到快速保護模式，根據(jù)預設的算法直接控制還原劑噴射量。

（5）其他調(diào)整

在自適應系統(tǒng)得到實際還原劑設定值后，根據(jù)專家預先設置的規(guī)則調(diào)配各只噴槍的分配關系，并根據(jù)預先設置的規(guī)則對其定期更新，進一步優(yōu)化氨水在各只噴槍的分配關系。

自適應系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)結(jié)合4G網(wǎng)絡技術(shù)，可以將不同生產(chǎn)線的運行數(shù)據(jù)傳遞到大連斯迪歐公司的SNCR數(shù)據(jù)庫，用來更新專家規(guī)則預先設置及解決常見的技術(shù)問題。

4 自適應SNCR系統(tǒng)實際運行效果

山西某水泥廠自適應SNCR系統(tǒng)在改造前，很難將氮氧化物排放濃度降低到300mg/m3以下，在進行自適應SNCR系統(tǒng)改造后，氨水消耗量在300～400L/h之間時，氮氧化物排放濃度即可降低到300mg/m3以下，滿足現(xiàn)行環(huán)境保護標準；將氨水消耗量增加到600L/h時，氮氧化物排放濃度即可＜100m/m3，滿足超低排放要求。不同氨水流量與氮氧化物排放濃度之間的關系如圖2所示。

將反應掉的氮氧化物的摩爾量與加入的氨的摩爾量的比例，定義為氨的利用比例，作為衡量SNCR系統(tǒng)的重要指標。通過氨水流量、氨水濃度可以求得加入的氨量（氨氣量），通過水泥窯系統(tǒng)的風量和氮氧化物排放濃度可以得出氮氧化物的減排量。該項目自適應SNCR系統(tǒng)經(jīng)過計算，得到的氨的利用比例如表1所示。由表1可知，在氨水流量設定為200L/h時，加入的氨幾乎100%與氮氧化物發(fā)生反應，但是隨著氨水流量的增加，氨的利用比例不斷下降。當氨水流量設定到700L/h時（＜100mg/m3），氨的利用比例將低于60%。我們認為，隨著氨水流量的增大，氨與煙氣的混合條件不斷惡化，是造成氨的利用比例不斷降低的原因之一。如果在設計中給予SNCR更大的反應空間，同時充分保證氨與氮氧化物的混合，那么氨的利用比例有可能增加，從而降低氨水的消耗量。

圖2 氨水消耗量與氮氧化物排放濃度之間的關系

表1 氨的利用比例*

圖3 連續(xù)24h運行數(shù)據(jù)

為了測試超低排放是否有穩(wěn)定的運行效果，業(yè)主和大連斯迪歐公司又進行了連續(xù)運行考核試驗。在氨水噴射量控制在650L/h時，相關數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)過調(diào)試后，自適應SNCR系統(tǒng)在該生產(chǎn)線取得良好的效果，不僅滿足了氮氧化物的排放標準，降低了氨水消耗量，同時滿足了超低排放的要求，獲得了業(yè)主的認可。

5 結(jié)語

大連斯迪歐自適應SNCR系統(tǒng)在2 500t/d生產(chǎn)線的實際應用表明，自適應SNCR系統(tǒng)可以滿足國內(nèi)水泥工業(yè)超低排放的要求，同時運行成本較低，可廣泛推廣。

外循環(huán)生料輥磨技術(shù)的開發(fā)與應用項目通過行業(yè)科技成果鑒定

6月20日，由天津水泥工業(yè)設計研究院有限公司承擔的“外循環(huán)生料輥磨技術(shù)的開發(fā)與應用”項目行業(yè)科技成果鑒定會在北京召開。

中國建筑材料聯(lián)合會副秘書長潘東暉、天津院有限公司總工程師隋明潔、中材國際研究總院院長助理聶文海、副總工程師柴星騰以及項目組相關人員參加了會議。隋明潔總工程師代表天津院有限公司對與會各位領導和專家表示熱烈的歡迎和衷心的感謝，并介紹了天津院有限公司近年來的研發(fā)投入、創(chuàng)新成果以及應用情況。

會上，聶文海和杜鑫代表項目組對項目的研究背景、研究思路、研究內(nèi)容以及工程應用情況進行了詳細匯報。與會專家們進行了充分的質(zhì)詢和討論，對該研究成果給予了充分的肯定，最終得出統(tǒng)一結(jié)論：該成果是傳統(tǒng)生料輥磨技術(shù)升級的有效方式，社會效益和經(jīng)濟效益顯著，市場應用前景廣闊，成果整體技術(shù)達到國際先進水平。