節(jié)能減排背景下火電廠(chǎng)SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)建模與分析

寧夏大學(xué)新華學(xué)院 張?jiān)~秀 張?jiān)~赟

引言

選擇性催化還原法（SCR），是一種以NH3為還原劑對(duì)脫銷(xiāo)系統(tǒng)運(yùn)行煙道中出現(xiàn)的NOx 進(jìn)行分解，從而獲得無(wú)害N2和H2O的干法脫硝方法。隨著全球自然環(huán)境惡化加劇以及我國(guó)針對(duì)脫銷(xiāo)系統(tǒng)排放要求的日益嚴(yán)格，利用SCR 進(jìn)行煙氣脫銷(xiāo)已經(jīng)逐漸成為我國(guó)化工系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用燃煤機(jī)組場(chǎng)景中的主要脫銷(xiāo)方法與體系[1]。然而，現(xiàn)有的燃煤機(jī)組SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期超低排放工作以后，普遍存在NH3/NHx氣體分布均勻性控制能力差等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了燃煤機(jī)組安全、環(huán)保、運(yùn)行，同時(shí)也在一定程度上加劇了系統(tǒng)設(shè)備腐蝕，影響了燃煤機(jī)組長(zhǎng)期工作的安全性。本文通過(guò)對(duì)SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)工作原理、工作流程等進(jìn)行分析，對(duì)脫銷(xiāo)過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行噴氨量最優(yōu)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，利用粒子群算法得到了一種SCR 煙氣脫銷(xiāo)系統(tǒng)噴氨量最優(yōu)控制方法，為解決影響燃煤機(jī)組脫銷(xiāo)系統(tǒng)超低排放長(zhǎng)期運(yùn)行后的安全、高效運(yùn)行等次生問(wèn)題提供技術(shù)參考[2]。

1 SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)

1.1 SCR 脫銷(xiāo)技術(shù)

SCR 脫銷(xiāo)技術(shù)選擇性催化還原技術(shù)中的“選擇性”，是指在催化劑作用和在氧氣存在條件下，NH3優(yōu)先選擇和燃煤機(jī)組煙氣中的NOx發(fā)生還原脫除反應(yīng)，進(jìn)而獲得無(wú)害N2和H2O，而不和燃煤機(jī)組煙氣中的O2進(jìn)行氧化反應(yīng)的行為，SCR 脫銷(xiāo)體系中主要存在反應(yīng)式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在非催化反應(yīng)場(chǎng)景下，上述反應(yīng)通常在980℃條件下存在，該條件較為嚴(yán)苛一般在燃煤機(jī)組自然條件下不容易發(fā)生。然而，在SCR 脫銷(xiāo)中，催化劑的出現(xiàn)可以大幅降低這反應(yīng)式發(fā)生的溫度，保證該反應(yīng)在300～400℃條件下即可進(jìn)行。這一溫度與燃煤機(jī)組中鍋爐省煤器與空預(yù)器之間的煙氣溫度近似。由于NOx濃度較低，在催化劑條件下該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，并不會(huì)因?yàn)榇呋瘎囟壬叨鴮?duì)反應(yīng)溫度產(chǎn)生影響[3]。

1.2 SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)工藝流程

SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)主要由SCR催化反應(yīng)器/ 催化劑系統(tǒng)、煙氣/ 氨氣注入混合系統(tǒng)、煙氣旁路系統(tǒng)、氨的儲(chǔ)存和制備系統(tǒng)、SCR 的控制系統(tǒng)等組成。

圖1 SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)工藝流程

其中NH3作為氨氣還原劑，主要以液體形態(tài)儲(chǔ)存于氨罐中，通過(guò)灌裝卡車(chē)進(jìn)行運(yùn)輸，在進(jìn)行脫銷(xiāo)工藝時(shí)，通過(guò)液氨儲(chǔ)槽流入液氨蒸發(fā)槽，經(jīng)由液氨緩沖槽，在稀釋風(fēng)機(jī)的作用下，氣化的氨與稀釋空氣經(jīng)過(guò)混合器等設(shè)備噴入SCR 反應(yīng)器上游的煙氣中進(jìn)入脫銷(xiāo)化學(xué)反應(yīng)，去除NOx；SCR 催化反應(yīng)器/ 催化劑系統(tǒng)一般采用高塵布置，利用該布置方法能夠幫助脫銷(xiāo)反應(yīng)在省煤器與空預(yù)器之間的高溫?zé)煹纼?nèi)獲取最佳溫度；煙氣在鍋爐省煤器中被平均分為兩路，各自進(jìn)入一個(gè)單獨(dú)的SCR 催化反應(yīng)器/ 催化劑系統(tǒng)中的催化劑層；反應(yīng)以后的煙氣進(jìn)入空預(yù)器、電除塵器等裝置進(jìn)行脫硫等工藝，最終排出煙囪[4]。

2 SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)建模與分析

2.1 噴氨控制環(huán)節(jié)工藝分析

SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)中的噴氨環(huán)節(jié)，主要保證氨氣進(jìn)行催化還原工作時(shí)的濃度。在較高的脫銷(xiāo)效率工作下運(yùn)行時(shí)，SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)一旦被鍋爐工況影響，則系統(tǒng)入口的NOx含量將會(huì)瞬間發(fā)生變化，一旦NOx排放質(zhì)量濃度超過(guò)50㎎/m3，不利于后續(xù)反應(yīng)進(jìn)行；同時(shí)，在我國(guó)當(dāng)前節(jié)能減排背景下，NOx的排放被定位于超低臨界值，噴氨控制環(huán)節(jié)往往容易面臨過(guò)度噴氨風(fēng)險(xiǎn)。因此，部分燃煤機(jī)組噴氨控制環(huán)節(jié)能力不足等問(wèn)題已成為節(jié)能減排超低NOx排放形勢(shì)下的主要優(yōu)化方向之一。

2.2 SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)噴氨量最優(yōu)控制系統(tǒng)建模

2.2.1 SCR 系統(tǒng)模型

本文以我國(guó)西部某700～800 兆瓦電廠(chǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)為研究基礎(chǔ)，對(duì)該電廠(chǎng)SCR 煙氣脫銷(xiāo)系統(tǒng)按照間隔時(shí)間60 秒頻率進(jìn)行采樣；利用穩(wěn)態(tài)指標(biāo)對(duì)所得數(shù)據(jù)中的異常值進(jìn)行剔除，最終得到3σ 標(biāo)準(zhǔn)下的穩(wěn)態(tài)工況數(shù)據(jù)樣本（共計(jì)357 組）用來(lái)訓(xùn)練。本次建模將主要脫銷(xiāo)效率影響因素（如SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)入口NOx濃度、噴氨量等）作為系統(tǒng)模型的輸入量；將SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)出口NOx濃度作為唯一輸出量[5]。

MKPLS 法（即多尺度核偏最小二乘法），能夠針對(duì)強(qiáng)非線(xiàn)性以及多重共線(xiàn)性等問(wèn)題，對(duì)于本次建模多輸入量可以利用遺傳算法來(lái)優(yōu)化核函數(shù)，使得每個(gè)核函數(shù)與輸入量相對(duì)應(yīng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)誤差和平均絕對(duì)誤差得出模型精度評(píng)價(jià)指標(biāo)，其表達(dá)式如下：

公式（1）、（2） 中，ei表示測(cè)量值表示預(yù)測(cè)值；s 表示樣本數(shù)。

2.2.2 噴氨量最優(yōu)控制

噴氨量最優(yōu)控制選用的是模型預(yù)測(cè)控制，該方法是一種智能控制算法，其輸入量是根據(jù)輸出量在進(jìn)行調(diào)整的，輸出量函數(shù)取最小值時(shí)，再求實(shí)際輸出函數(shù)的自變量的值。將模型預(yù)算控制算法轉(zhuǎn)化為求解非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，如公式（3）：

式（3）中，er表示設(shè)定值；h 表示輸入量的變化值；S 表示預(yù)測(cè)長(zhǎng)度；N 表示控制長(zhǎng)度；r 表示輸入權(quán)重系數(shù)；c 表示輸出權(quán)重系數(shù)。

本文采用POS（粒子群優(yōu)化）法解決非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題，最優(yōu)解是在不斷探索的基礎(chǔ)上最終決定的。在函數(shù)計(jì)算中，每個(gè)粒子都有自身相適應(yīng)的度，通過(guò)粒子相適應(yīng)的度尋求函數(shù)的最優(yōu)。

2.2.3 案例分析

本文選用陜西某火電廠(chǎng)為研究對(duì)象，數(shù)據(jù)樣本不變，按照取電功率為1000 時(shí)超臨界鍋爐SCR 煙氣脫硝進(jìn)行試驗(yàn)。非線(xiàn)性?xún)?yōu)化問(wèn)題采用粒子群算法，慣性因子設(shè)定為0.743，學(xué)習(xí)因子為1.5243，種群大小為15，迭代次數(shù)n=50，噴氨量改變量的范圍設(shè)為0 到1.0×105g/h，再根據(jù)相關(guān)條例設(shè)定氮氧化物濃度設(shè)定為50mg/m3。

SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)具有反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、大慣性、非線(xiàn)性等特征，傳統(tǒng)的SCR 脫銷(xiāo)系統(tǒng)采用PID 方法進(jìn)行控制，能夠在非超低脫銷(xiāo)水平下保證煤電機(jī)組正常工作。然而，采用傳統(tǒng)PID 方法的最低脫銷(xiāo)率僅不足58%，平均脫銷(xiāo)率也不足60%；利用MKPLS 法進(jìn)行優(yōu)化后，在該火電機(jī)組出口NOx 濃度最大值60.5mg/m3、平均濃度51.2mg/m3條件下，脫銷(xiāo)率達(dá)到了71.95%，達(dá)到了優(yōu)化效果。

由于MKPLS 法優(yōu)化后的預(yù)測(cè)控制目標(biāo)函數(shù)中對(duì)煤電機(jī)組SCR 煙氣脫銷(xiāo)系統(tǒng)中的噴氨量變化量進(jìn)行了融合，因此在調(diào)節(jié)噴氨量過(guò)程中避免了SCR 煙氣脫銷(xiāo)由于煙氣中NOx濃度變化而帶來(lái)的反復(fù)變化情況[6]。與一般PID 法相比，利用MKPLS 法優(yōu)化后的SCR 煙氣脫銷(xiāo)系統(tǒng)有效解決了NOx濃度工況波動(dòng)大、非線(xiàn)性以及大慣性問(wèn)題。同時(shí)，由于PID 法存在固有缺陷，導(dǎo)致氨氮摩爾比通常需要設(shè)置在0.8 左右，極容易導(dǎo)致系統(tǒng)噴氨量不足影響脫銷(xiāo)效率。優(yōu)化后的工作流程噴氨量得到了高效、精確控制，在不出現(xiàn)噴氨不足或過(guò)量噴氨條件下，得到了脫銷(xiāo)效率最高值。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)針對(duì)脫銷(xiāo)系統(tǒng)排放要求的日益嚴(yán)格，SCR 煙氣脫硝體系已經(jīng)成為我國(guó)化工系統(tǒng)、火力發(fā)電系統(tǒng)等應(yīng)用的主要脫銷(xiāo)方法與體系。傳統(tǒng)的SCR 煙氣脫硝體系普遍存在NH3/NHx 氣體分布均勻性控制能力差等問(wèn)題，對(duì)燃煤機(jī)組的安全性具有一定的影響。根據(jù)變量間的非線(xiàn)性關(guān)系將預(yù)測(cè)模型與MKPLS 模型相結(jié)合，建立了節(jié)能減排背景下火電廠(chǎng)SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)，該系統(tǒng)在效率上提高脫硝率，同時(shí)在環(huán)保上實(shí)現(xiàn)了噴氨量的精確控制。