水泥窯SNCR系統(tǒng)控制邏輯現(xiàn)狀

唐新宇 崔小璇 許 炎

1天津中材工程研究中心有限公司（300400）2湖州白峴南方水泥有限公司（313100）

氮氧化物是一種對環(huán)境有害的污染物，容易引起酸雨等危害。為了加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)，我國制定了GB 4915—2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，控制氮氧化物排放。目前水泥工業(yè)較多采用選擇性非催化還原技術(shù)（Selective non-catalytic reaction，即SNCR）降低氮氧化物排放。SNCR因其具有技術(shù)改造簡單、投資小等優(yōu)勢而得到了較為廣泛的應(yīng)用。但是水泥SNCR的控制目前較不成熟，具有排放易超標(biāo)、氨水用量大、使用成本高等缺點(diǎn)，其主要原因就是SNCR的控制邏輯并不理想。

1 水泥窯SNCR控制邏輯現(xiàn)狀

最傳統(tǒng)的水泥工業(yè)SNCR控制邏輯是定排放濃度調(diào)節(jié)。當(dāng)煙囪氮氧化物排放濃度在目標(biāo)范圍內(nèi)（如280～320 mg/m3）時(shí)，控制系統(tǒng)不進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)；當(dāng)?shù)趸锱欧艥舛鹊陀谀繕?biāo)范圍（如小于280 mg/m3）時(shí)，控制系統(tǒng)降低氨水泵的調(diào)節(jié)頻率（或固定氨水泵的調(diào)節(jié)頻率而減小閥門開度），從而降低氨水的流量；當(dāng)?shù)趸锱欧艥舛雀哂谀繕?biāo)范圍（如大于320 mg/m3）時(shí)，控制系統(tǒng)增加氨水泵的調(diào)節(jié)頻率（或固定氨水泵的調(diào)節(jié)頻率而增大閥門開度），從而增加氨水的流量。但是由于煙囪與噴氨點(diǎn)的距離遙遠(yuǎn)，煙氣分析儀的滯后時(shí)間往往在5～10 min，很容易出現(xiàn)氮氧化物排放濃度超標(biāo)等現(xiàn)象。部分SNCR系統(tǒng)采用不同的PID控制，但是由于水泥工業(yè)的氮氧化物排放濃度波動(dòng)極大，變化頻率快，因此控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻繁，很容易因系統(tǒng)振蕩而無法收斂。

在定排放濃度的基礎(chǔ)上，部分水泥SNCR系統(tǒng)采用定流量調(diào)節(jié)，即氨水泵的噴射流量固定，只要保證氨水有足夠的流量，就可以保證氮氧化物排放濃度達(dá)標(biāo)。但是采用此種控制方式常常出現(xiàn)氮氧化物排放濃度過低、氨水流量過大的問題，容易造成浪費(fèi)，且需要人工定期干預(yù)。

因此，傳統(tǒng)SNCR系統(tǒng)具有調(diào)整嚴(yán)重滯后于氮氧化物排放濃度變化的特點(diǎn)，存在氮氧化物濃度超標(biāo)、氨水用量大、使用成本高、需要人工干預(yù)等缺點(diǎn)。

2 水泥窯SNCR控制邏輯研發(fā)進(jìn)展

2.1 根據(jù)煙囪參數(shù)反向控制

由于傳統(tǒng)SNCR具有嚴(yán)重的滯后性，很多研究者開始利用煙囪的氮氧化物排放濃度并附加其他指標(biāo)來減少滯后的不利影響。專利CN105938375A[1]利用煙囪內(nèi)的煙氣流量Q和煙囪中的氮氧化物濃度，根據(jù)流量計(jì)算值和實(shí)測值設(shè)定判定公式，反向計(jì)算初始氮氧化物濃度，對還原劑流量計(jì)算值進(jìn)行調(diào)整，使得實(shí)測氮氧化物濃度不斷逼近目標(biāo)氮氧化物濃度、還原劑流量不斷趨近計(jì)算流量。該方案的好處是，初始參數(shù)設(shè)定后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)行，對初始氮氧化物濃度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤、自動(dòng)計(jì)算，并自動(dòng)改變氨水流量，從而減少操作人員的工作量。但是專利CN105938375A存在一些問題:該解決方案在系統(tǒng)自動(dòng)反向計(jì)算初始氮氧化物濃度時(shí)，假定此時(shí)間范圍內(nèi)初始氮氧化物濃度不變，從而進(jìn)行跟蹤；但是初始氮氧化物濃度往往波動(dòng)非常頻繁，特別是在目前超低排放背景下，初始氮氧化物的排放濃度很不穩(wěn)定，該方案的自動(dòng)調(diào)整過程較難實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。董慶武[2]考慮到水泥窯SNCR系統(tǒng)的大延遲、時(shí)變特性、影響因素較多等特點(diǎn)，認(rèn)為無法建立精確的數(shù)學(xué)模型，其通過分段式多級控制模式實(shí)現(xiàn)不同的響應(yīng)，具體是根據(jù)煙囪的氮氧化物排放量和氨逃逸情況來控制還原劑的噴入量，其缺點(diǎn)與專利CN105938375A類似，均無法徹底避免滯后問題。

2.2 在噴氨區(qū)前后設(shè)置氣體成分分析儀等設(shè)備

為了消除滯后性，專利CN104793651A[3]提出:在分解爐的噴氨區(qū)進(jìn)口設(shè)置溫度傳感器、煙氣流量監(jiān)測傳感器和第一氮氧化物濃度檢測傳感器；在分解爐出口設(shè)置第二氮氧化物濃度檢測傳感器和氨氣濃度檢測傳感器。由于可以實(shí)時(shí)測量噴氨區(qū)進(jìn)口的煙氣流量、氮氧化物濃度以及噴氨區(qū)出口的氮氧化物濃度和氨氣濃度，縮短了SNCR系統(tǒng)控制的延遲時(shí)間、大大降低了氨水流量改變的滯后性、提升了反應(yīng)靈敏度；同時(shí)由于噴氨區(qū)出入口的氮氧化物濃度已知，在一定程度上消除了氮氧化物排放濃度影響因素眾多、變化非線性的缺點(diǎn)。此外，專利CN104793651A還提出了利用溫度修正系數(shù)、氨逃逸修正系數(shù)等參數(shù)調(diào)整控制邏輯的方法。但是，該方案存在一些現(xiàn)實(shí)問題:分解爐的噴氨區(qū)進(jìn)口、分解爐出口的工作條件惡劣，煙氣溫度達(dá)到850℃～950℃，粉塵濃度高達(dá)500～1 500 g/Nm3，工業(yè)應(yīng)用中的少量使用的氮氧化物濃度檢測傳感器的準(zhǔn)確度、精密度均較低且故障率極高，數(shù)據(jù)利用價(jià)值低；現(xiàn)有的煙氣流量監(jiān)測傳感器、氨氣濃度檢測傳感器尚無法適應(yīng)此處的安裝條件，氨逃逸修正參數(shù)更是無法獲得。因此，專利CN104793651A的方法受制于現(xiàn)實(shí)因素，根本無法實(shí)現(xiàn)。

水泥熟料生產(chǎn)并非是穩(wěn)定的生產(chǎn)過程，水泥各種原燃料的成分變化、投加量的變化，水泥工藝設(shè)備性能的變動(dòng)，都會(huì)引起水泥工藝的變化，從而影響氮氧化物的生成，僅靠溫度修正系數(shù)、氨逃逸修正系數(shù)來微調(diào)，與實(shí)際情況的偏差較大。

2.3 引入窯系統(tǒng)參數(shù)參與控制

專利CN111665711A[4]考慮到窯系統(tǒng)運(yùn)行多種工藝參數(shù)的影響，利用窯系統(tǒng)的參數(shù)變化預(yù)測氮氧化物以及氨水的消耗量，設(shè)計(jì)了多變量輸入輸出的控制器，將喂煤量、污泥加入量列入SNCR調(diào)整，包括氮氧化物排放濃度在內(nèi)的任何一個(gè)參數(shù)發(fā)生變化，都會(huì)對SNCR的氨水用量進(jìn)行調(diào)整，多種參數(shù)變化時(shí)則會(huì)同時(shí)參與到控制中。相較于傳統(tǒng)SNCR系統(tǒng)，該方案的優(yōu)點(diǎn)是綜合考慮了部分窯況參數(shù)的影響，因此SNCR調(diào)整更加準(zhǔn)確、及時(shí)。但是該方案也存在明顯缺點(diǎn):①將水泥窯對SNCR的影響抽象為喂煤量、污泥加入量兩個(gè)參數(shù)，忽略了其他水泥工藝參數(shù)對SNCR的影響，精確度不高；②將喂煤量、污泥加入量對SNCR的影響主觀定性為線性影響，與實(shí)際SNCR差距極大，因此控制效果并不理想。

2.4 數(shù)值模擬調(diào)整控制

數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，給研究者提供了一些新的思路。專利CN203043832U[5]用CFD建立模擬流場，確定分解爐內(nèi)的速度場和溫度場，從而找到最佳的噴射位置，確保反應(yīng)有合適的溫度窗口和足夠的反應(yīng)時(shí)間，使脫硝效率得到提高。但是目前的水泥工業(yè)分解爐內(nèi)模擬流場研究，多數(shù)是穩(wěn)態(tài)模擬，尚沒有公認(rèn)成熟的技術(shù)用于水泥生產(chǎn)；而專利CN203043832U是采用非穩(wěn)態(tài)模擬調(diào)整SNCR控制，與實(shí)際工況更是相距甚遠(yuǎn)，目前還沒有使用的可能性。劉曉東[6]針對水泥SNCR的大滯后特性，基于閥門開度-NOx濃度特性設(shè)計(jì)了DMC理論控制器，主要根據(jù)反應(yīng)區(qū)溫度來調(diào)整氨水流量，但是對水泥脫硝過程中的強(qiáng)擾動(dòng)問題只能設(shè)計(jì)專家規(guī)則表，在發(fā)生強(qiáng)擾動(dòng)時(shí)切換到專家規(guī)則，根據(jù)氮氧化物排放濃度強(qiáng)制規(guī)定氨水流量，所以只能在氮氧化物波動(dòng)較小、水泥生產(chǎn)參數(shù)較為穩(wěn)定時(shí)使用。

2.5 噴射點(diǎn)溫度調(diào)整控制

CN203281218U[7]考慮到噴槍噴入氨水的反應(yīng)溫度不理想，在每只噴槍上設(shè)置溫度探測器，根據(jù)不同的溫度調(diào)整氨水流量。CN112403250A[8]更是用一種聲波測溫裝置來協(xié)同控制水泥窯SNCR。這種方案的問題是單純以噴射點(diǎn)溫度作為SNCR反應(yīng)的最大影響因素而忽略了其他因素，因此其在理論上并不合理，并不能對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有效的調(diào)整。

3 水泥窯SNCR控制邏輯目前的問題及未來發(fā)展趨勢

由前述可知，水泥行業(yè)SNCR系統(tǒng)控制的問題主要有以下幾點(diǎn):

1）傳統(tǒng)SNCR的煙囪煙氣分析儀與SNCR反應(yīng)區(qū)距離遠(yuǎn)，容易出現(xiàn)氮氧化物排放濃度超標(biāo)等現(xiàn)象，且水泥工業(yè)的氮氧化物排放濃度波動(dòng)極大、變化頻率快，以煙囪煙氣分析儀反饋數(shù)據(jù)作為SNCR的控制參數(shù)存在嚴(yán)重的滯后性。即使有研究者采用增加煙氣流量、氨逃逸參數(shù)等多種控制策略，但是仍然無法解決這一問題。

2）水泥窯各工藝參數(shù)變化、氮氧化物排放濃度等與SNCR控制的邏輯關(guān)系尚不明確，數(shù)值模擬結(jié)果在現(xiàn)階段也無法指導(dǎo)生產(chǎn)。現(xiàn)在的控制邏輯不能有效地通過工藝參數(shù)變化來預(yù)測氮氧化物排放濃度，從而控制SNCR系統(tǒng)。

3）目前的SNCR控制系統(tǒng)主要是控制氨水流量，并未實(shí)現(xiàn)對壓縮空氣流量的調(diào)節(jié)，一般僅僅起到計(jì)量、監(jiān)控的作用。

因此，未來適合中國水泥工業(yè)的SNCR控制系統(tǒng)，應(yīng)該具有如下特點(diǎn):

1）能夠快速地反饋噴氨脫硝區(qū)域的氮氧化物排放濃度，同時(shí)建立起適應(yīng)于水泥工業(yè)氮氧化物排放濃度波動(dòng)極大、變化頻率快的控制邏輯。

2）能夠利用水泥窯主要工藝參數(shù)，建立起有效的氮氧化物排放濃度預(yù)測模型，從而指導(dǎo)控制邏輯。

3）控制氨水流量與壓縮空氣流量的匹配度，使噴槍達(dá)到較好的霧化效果。