煤粉鍋爐污染物限值排放綜合控制系統(tǒng)研究

潘 昊

(1.煤科院節(jié)能技術有限公司，北京 100013；2.煤炭資源開采與環(huán)境保護國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

燃煤鍋爐產生的SO2、NOx是大氣污染物的重要組成部分，隨著國家環(huán)保政策的日益嚴苛，污染物排放限值呈逐年下降趨勢。近年來，針對電站鍋爐、燃煤工業(yè)鍋爐的環(huán)保改造取得顯著成果，其中包括以鈉堿法[1]、石灰石-石膏法[1-2]、CFB-FGD[3]、NGD[4-5]等為代表的煙氣脫硫技術和以SCR[6]、SNCR[7]、臭氧氧化法[8-9]等為代表的脫硝技術，與之配套的控制系統(tǒng)優(yōu)化研究也呈上升趨勢。白建云等[10]采用內模控制算法對循環(huán)流化床爐內脫硫系統(tǒng)進行辨識，并基于此設計了模糊PID算法，提升了控制響應指標；蘇翔鵬[11]基于RBF神經網絡對雙堿法脫硫塔出口SO2排放量進行了預測；張朝[6]提取擾動設備信號和NOx入口濃度作為PID控制器的前饋補償，優(yōu)化了SCR系統(tǒng)噴氨量控制策略；佟春海[12]采用風煤比修正尿素量調節(jié)，并設計了超前預估邏輯，改善了SNCR系統(tǒng)的滯后特性。目前鮮見針對煤粉工業(yè)鍋爐環(huán)保綜合控制系統(tǒng)的研究。本文依托神東礦區(qū)某鍋爐站污染物排放限值改造工程，基于可編程控制器(programmable logic controller，PLC)和網絡通訊技術，結合NGD和SNCR、臭氧脫硝工藝流程，分別提出了脫硫、脫硝系統(tǒng)的優(yōu)化控制策略，脫硫系統(tǒng)在NGD的基礎上設計了自動脫硫劑補充和調節(jié)邏輯，脫硝系統(tǒng)采用SNCR-臭氧協(xié)同方式，設計了串級啟動和自動投送控制邏輯，以此為基礎搭建了綜合污染物排放控制系統(tǒng)。

改造區(qū)為神東礦區(qū)某選煤廠煤粉工業(yè)鍋爐站，站內設有4×20 t/h高效煤粉工業(yè)鍋爐，煙氣凈化系統(tǒng)包括4套煤科院節(jié)能技術有限公司自主研發(fā)的高倍率灰鈣循環(huán)脫硫(no gap desulfurization,NGD)，1套以尿素為還原劑的選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)(selective non-catalytic reduction,SNCR)。原站內煙囪處設有一套煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(continuous emission monitoring system,CEMS)，用以監(jiān)測鍋爐站總污染物排放。改造前鍋爐站出口SO2及NOx排放濃度均高于150 mg/m3，脫硫、脫硝系統(tǒng)均為人工手動調節(jié)控制，系統(tǒng)慣性大，已不能滿足當地最新的環(huán)保排放限值標準。為滿足環(huán)保要求，站內根據自身情況對NGD脫硫系統(tǒng)進行升級改造，并增設臭氧氧化脫硝系統(tǒng)。本文對站內各環(huán)?？刂谱酉到y(tǒng)進行集成改造，在滿足最新煙氣限值排放指標的基礎上，以期實現環(huán)保系統(tǒng)的穩(wěn)定自動控制。

1 脫硫控制系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)工藝流程

脫硫系統(tǒng)基于站內原有NGD系統(tǒng)進行優(yōu)化，選取鈣基脫硫劑熟石灰(Ca(OH)2)作為活化劑，提升脫硫效果[4]。系統(tǒng)由脫硫反應器、旋風分離器、布袋除塵器、循環(huán)灰倉、增濕混合器、增濕水系統(tǒng)等組成，改造工程去除原有旋風分離器，增加石灰緩沖倉、石灰加料閥，并增設脫硫劑儲運系統(tǒng)，由脫硫劑儲存塔、氣力輸送倉泵、輸送電動閥等組成，工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫系統(tǒng)工藝流程Fig.1 Process flow diagram ofdesulfurization system

脫硫系統(tǒng)運行時，布袋除塵器收集的爐灰經由循環(huán)灰倉進入增濕混合器，與通過緩沖倉投加的熟石灰在增濕混合器中混合均勻，同時通以工藝水進行增濕活化，而后送入脫硫反應器，與鍋爐煙氣中的SO2反應，生成CaSO3、CaSO4等脫硫產物[4-5]，最終脫硫后的煙氣經布袋除塵器除塵后引風機排入煙囪。

脫硫劑的投送和混合是NGD煙氣脫硫效果提升的關鍵，為實現精細控制，本文在各爐石灰緩沖倉增設料位計、稱重指示儀，石灰加料閥電機采用變頻器驅動，所有儀表均設置遠傳變送器。

1.2 脫硫系統(tǒng)控制邏輯

單臺脫硫系統(tǒng)邏輯框圖如圖2所示，具體包括3項控制內容。

1)灰鈣循環(huán)與增濕混合控制

灰鈣循環(huán)保留原有NGD控制流程，采用持續(xù)循環(huán)方式。鍋爐啟動后，依次開啟布袋除塵器、增濕混合器和循環(huán)灰倉下料裝置，核查各運行參數無誤后開啟增濕水系統(tǒng)；若參數超限，則連鎖停機，以保證設備運行安全。

圖2 單臺脫硫系統(tǒng)控制邏輯Fig.2 Control logic diagram of single desulfurization system

2)脫硫劑投送控制

煙囪出口總SO2超過設定限值時，控制系統(tǒng)觸發(fā)脫硫劑投送邏輯。

① 自動調節(jié)。由于站內僅在煙囪處設置CEMS監(jiān)測系統(tǒng)，鍋爐運行時無法確定各爐出口SO2濃度；同時，脫硫反應延遲時間使得煙氣SO2濃度變化存在較長滯后性，使用常規(guī)PID算法易產生較大的超調量和震蕩，本文采用在線查詢數據庫的優(yōu)化算法調節(jié)脫硫石灰加料閥頻率。

評估數據庫由離線數據生成，通過手持式煙氣分析儀測量鍋爐不同負荷下單臺爐出口SO2排放值，配合NGD灰鈣循環(huán)量、增濕水流量等參數對所需石灰量進行標定[4]。脫硫系統(tǒng)在線運行時，利用上述各實時數據對數據庫進行查詢，得到石灰投送值，同時引入出口實時SO2總量進行修正，進而調節(jié)石灰加料閥頻率。

② 手動調節(jié)?？刂葡到y(tǒng)保留人工操作權限，切換至手動模式時，由操作人員手動調整各爐脫硫石灰加料閥頻率，直至調整至總出口SO2值滿足限值。

3)脫硫劑補充控制

站內4臺爐共用一套石灰儲系統(tǒng)，各爐石灰補充采用輪序排隊方式控制。

① 每臺爐設置石灰緩沖倉重量高、低限值，當單臺爐石灰緩沖倉稱重儀測量值小于低限時，控制程序發(fā)出加料指令；稱重儀測量值高于高限時，程序發(fā)出停止指令；料位計開關信號觸發(fā)時，程序發(fā)出報警提示。

② 控制程序緩存觸發(fā)的加料指令，依據觸發(fā)時間進行排隊輸送，例如依次觸發(fā)1、2號倉加料指令時，則氣力倉泵優(yōu)先向1號倉輸送，直至收到1號停止指令，而后向2號倉加料，直至收到2號倉停止指令后停止，依此類推。

③ 為防止輸送管路堵塞，向單倉輸送時，程序保持其他倉通路的輸送電動閥為鎖閉狀態(tài)，同時，單倉輸送完畢后，氣力倉泵延遲輸送一倉空氣，以保證管路沒有存料。

2 協(xié)同脫硝控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工藝流程

站內改造工程采用SNCR-臭氧協(xié)同脫硝方式，4臺爐共用一套脫硝系統(tǒng)，工藝流程如圖3所示。SNCR系統(tǒng)主要包括尿素儲存運輸裝置(尿素罐、循環(huán)泵、出液閥、回流閥)和投加設備(尿素計量泵、噴槍)，其利用鍋爐爐膛內高溫驅動投加的尿素與煙氣中NO發(fā)生選擇性非催化還原反應[7,9]。然而SNCR脫硝效率偏低，逃逸的氨氣還會與煙氣中硫氧化物反應凝結生成氨鹽，堵塞后端的傳感器取樣設備，因此適于作為前一級脫硝手段。

圖3 脫硝系統(tǒng)工藝流程Fig.3 Process flow diagram ofdenitration system

臭氧脫硝系統(tǒng)由氣源系統(tǒng)(液氧罐、氧氣進氣閥組)、循環(huán)冷卻設備(內、外循環(huán)水泵、板式換熱器、冷卻塔)、臭氧制取設備(臭氧發(fā)生器)、投加設備(臭氧投送閥組)以及相應的儀器儀表系統(tǒng)組成。氧氣氣源經減壓穩(wěn)壓后進入臭氧發(fā)生器，通過中頻高壓放電生成臭氧，并投送至爐尾省煤器后部排煙道，臭氧與經一級脫硝后煙氣中的NOx充分混合反應生成NO2、N2O5等產物，而后被脫硫系統(tǒng)中鈣基脫硫劑吸收[9,13]，經過脫硝的潔凈煙氣排入煙囪。

2.2 脫硝控制邏輯

脫硝系統(tǒng)控制邏輯如圖4所示，SNCR系統(tǒng)和臭氧系統(tǒng)采用串級啟動方式控制，圖中尿素和臭氧投加邏輯僅做單臺鍋爐示意。

1)啟爐后，程序啟動SNCR設備：依次啟動尿素回流閥、出液閥和尿素循環(huán)泵，并啟動當前所有運行中鍋爐的尿素投加計量泵，計量泵變頻電機頻率采用定流量PID控制，根據總出口NOx值以及當前運行鍋爐數量計算各臺爐所需尿素量，調節(jié)PID流量設定值。

2)根據環(huán)保排放指標設定NOx緩沖限，總出口排放NOx排放超過緩沖限時，控制系統(tǒng)延時啟動臭氧系統(tǒng)：依次啟動臭氧內、外冷卻水泵，由于臭氧氧化后的反應產物需由后端脫硫劑吸收，因此需先核查脫硫系統(tǒng)運行狀態(tài)；之后分別啟動氧氣供氣閥組、臭氧發(fā)生器。為保證設備安全，控制程序在臭氧系統(tǒng)運行全程監(jiān)控關鍵參數，若參數超限則觸發(fā)連鎖停機邏輯。

圖4 脫硝系統(tǒng)控制邏輯Fig.4 Control logic diagram ofdenitration system

3)臭氧發(fā)生器正常工作后，開啟所有運行中鍋爐的投送閥組。臭氧投送產量=臭氧制備濃度×臭氧投送流量，控制程序使用串級調節(jié)方式，分別為：調整臭氧發(fā)生器功率的臭氧濃度PID、調整支管投送閥開度的臭氧支管流量PID。本文引入實時出口總NOx值，在分配計算模塊中綜合各鍋爐負荷，計算各爐投送臭氧的目標產量設定值，之后分配至各爐控制邏輯。

3 控制系統(tǒng)架構

本文控制系統(tǒng)包含4個子系統(tǒng)，分別為鍋爐系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、SNCR系統(tǒng)和臭氧系統(tǒng)，均采用西門子PLC作為主控制器，并組態(tài)以太網通訊模塊，系統(tǒng)硬件配置見表1。

所有子系統(tǒng)PLC分別通過以太網線連接至原有鍋爐站區(qū)電子設備間工業(yè)以太網交換機，組成通訊子網，各系統(tǒng)控制器間通過TCP/IP、西門子S7協(xié)議進行實時通訊[14-15]，以實現鍋爐站控制室操作員站對各系統(tǒng)的直接控制，以及各系統(tǒng)之間的數據互通，系統(tǒng)拓撲圖如圖5所示。

表1 綜合控制系統(tǒng)硬件配置

圖5 控制系統(tǒng)拓撲Fig.5 Topological graph of control system

本文基于前述脫硫、脫硝控制邏輯編寫控制程序，分別下裝至各控制子系統(tǒng)PLC，子系統(tǒng)間耦合性低，獨立運行；控制程序設置網絡數據緩沖區(qū)，通過通訊子網交換各子系統(tǒng)內部數據，以保證設備之間的安全聯鎖，以及脫硫、脫硝系統(tǒng)對鍋爐負荷情況的跟蹤響應。

4 控制效果分析

4.1 鍋爐出口SO2排放特性

對站內3號鍋爐進行單機試驗，鍋爐運行負荷80%，蒸發(fā)量16 t/h，出口SO2折算濃度(按氧含量9%折算)[4]隨運行時間的變化如圖6所示。

圖6可以看出，起爐后，控制系統(tǒng)開啟NGD循環(huán)灰混合設備并投入增濕水，設定排放限值為100 mg/m3。SO2排放濃度持續(xù)提升至超過限值后，開啟石灰加料閥，石灰經增濕混合并進入脫硫反應器發(fā)生反應后，SO2排入濃度下降，在10 min內降至排放限值以下。

圖6 3號鍋爐SO2排放濃度Fig.6 SO2 emission concentration of NO.3 boiler

對3號鍋爐進行變負荷測試，出口SO2折算濃度、鍋爐負荷隨運行時間的變化如圖7所示。鍋爐負荷在50%～100%時，SO2排放值發(fā)生延遲變化，控制系統(tǒng)根據鍋爐負荷、增濕水流量等參數動態(tài)調整石灰加料閥供料頻率，根據圖7，系統(tǒng)可使排放值始終穩(wěn)定在100 mg/m3以下。

圖7 3號鍋爐變負荷工況下SO2排放濃度Fig.7 SO2 emission concentration of NO.3 boiler at variable load

4.2 脫硫劑補充控制效果

脫硫系統(tǒng)脫硫劑為熟石灰Ca(OH)2，易與空氣中CO2反應生成CaCO3板結成塊，堵塞下料口，因此不宜長時間在緩沖倉中大量存放。每臺爐脫硫系統(tǒng)開始運行時，控制程序執(zhí)行排隊邏輯控制輸送倉泵和輸送發(fā)依次向各緩沖倉補充石灰。

系統(tǒng)投用24 h內站內各爐脫硫劑緩沖倉相關控制參數見表2。石灰投送時，緩沖倉質量由高限下降至低限為一個用料周期；石灰塔倉泵向緩沖倉輸送石灰時，倉重由低限上升至高限為一個補充周期；倉泵工作模式為：準備—下料—充氣—增壓—輸送—吹掃，倉泵準備、吹掃時間與緩沖倉排隊時間之和為等待時間。

表2 脫硫劑緩沖倉控制參數

由表2可知，各緩沖倉平均用料周期約為80 min，倉重高限與低限之差為補充料量，約700 kg；平均補充周期約4.5 min，平均等待時間約7 min，即各倉平均約需等待1.5個單倉補充周期，均小于用料周期的1/10，可保證石灰補充的快速性；緩沖倉質量達低限后，經過排隊等待的剩余料量=緩沖倉低限-平均等待時間×平均用料量。根據表2計算得各倉剩余料量均大于0，可見控制邏輯能夠保證緩沖倉連續(xù)供料不間斷。

4.3 鍋爐出口NOx排放特性

3號鍋爐NOx折算濃度、臭氧投加量、SNCR尿素計量泵頻率隨運行時間的變化如圖8所示?？芍馉t后出口NOx濃度提升，程序優(yōu)先開啟SNCR系統(tǒng)，投加尿素溶液，設定排放限值80 mg/m3。

圖8 3號鍋爐NOx排放濃度Fig.8 NOx emission concentration of NO.3 boiler

NOx排放值超過緩沖限值時，程序開啟臭氧投加邏輯。由于臭氧系統(tǒng)需要氧氣預吹掃，同時設備啟動和自檢需要一定時間，因此臭氧制備存在一定延遲性。根據圖8，NOx濃度經過5～10 min后開始下降，并在20 min內下降至100 mg/m3以下。在開啟臭氧投送邏輯且NOx排放值下降后，降低SNCR計量泵頻率以適當減少尿素投送量，降低氨逃逸及銨鹽對后端設備的影響。

4.4 鍋爐站出口污染物排放特性

鍋爐站內4臺鍋爐運行時總污染物排放情況隨時間的變化如圖9所示。選取運行期間80 h內鍋爐站煙囪出口處CEMS每小時平均SO2、NOx折算后(按氧含量9%折算)[4]濃度作為評價指標，與改造前進行對比。

圖9 鍋爐站SO2和NOx總排放濃度每小時平均值Fig.9 Average SO2 and NOxemission concentration per hour of whole boiler station

由圖9可知，4臺鍋爐長周期運行時，站內SO2、NOx總排放值均顯著下降，由原來的100～200 mg/m3下降至50～100 mg/m3，其中SO2排放濃度80 h總平均值由改造前的163.55 mg/m3降至72.54 mg/m3，NOx排放濃度80 h總平均值由改造前的160.85 mg/m3降至71.06 mg/m3，均滿足國家與當地的環(huán)保排放標準。

鍋爐站污染物排放特性如圖10所示。可知污染物排放值的波動性較改造前有所降低。其中鍋爐站運行80 h時，SO2濃度標準差由改造前的21.04降至18.14，NOx濃度標準差由改造前的25.09降至15.84，控制系統(tǒng)在站內多臺鍋爐運行時能合理分配脫硫、脫硝劑的投加，具有一定的抗干擾性。

圖10 鍋爐站污染物排放特性Fig.10 Pollutant emission characteristics of boiler station

5 結 論

1)基于PLC和網絡通訊技術，結合NGD和SNCR-臭氧工藝流程，設計了石灰自動投送邏輯以及SNCR-臭氧協(xié)同控制邏輯，以此為基礎搭建了綜合污染物排放控制系統(tǒng)。集成化的環(huán)保控制系統(tǒng)能使鍋爐站排放滿足國家標準，降低人工操作量。

2)試驗表明，改造后的控制系統(tǒng)能在起爐后較短時間內將SO2、NOx濃度控制在限值以內，降低了污染物排放的波動性，保證鍋爐站長周期運行時煙氣排放達標。

3)由于脫硫、脫硝系統(tǒng)滯后性大，系統(tǒng)反應時耦合變量多，控制系統(tǒng)開始投送后，SO2、NOx排放曲線易出現延遲和震蕩，脫硫劑、脫硝劑投加量的計算也出現相應波動，有待使用更智能的模型優(yōu)化石灰、臭氧投加量的評估和預測算法，提升系統(tǒng)的魯棒性和經濟性。