我國“十二五”規(guī)劃明確將氮氧化物(NOx)總量控制納入環(huán)境治理的重點(diǎn)?2015年“兩會”期間要求打好節(jié)能減排和環(huán)境治理的攻堅(jiān)戰(zhàn),SO2?NOx排放應(yīng)分別減少3%和5%,要深入實(shí)施大氣污染防治行動計(jì)劃,實(shí)行區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控,推動燃煤電廠超低排放改造,促進(jìn)重點(diǎn)區(qū)域煤炭消費(fèi)零增長?

循環(huán)流化床(circulatingfluidizedbed,CFB)鍋爐燃燒技術(shù)由于其高效?低污染?燃料適應(yīng)性強(qiáng)和污染物排放低的優(yōu)點(diǎn),近幾年得到了迅速發(fā)展?一般情況下,CFB鍋爐生成的NOx質(zhì)量濃度(以下簡稱“濃度”)在200~300mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài),下同),因此對煙氣中的NOx脫硝效率要求在50%~80%即可實(shí)現(xiàn)低排放要求?選擇性非催化還原(ivenon-catalyticreduction,SNCR)脫硝技術(shù)與CFB鍋爐煙氣脫硝具有較高的契合度:CFB鍋爐爐膛出口溫度適合SNCR煙氣脫硝,NOx初始濃度低,脫硝效率要求不高,因此在循環(huán)流化床鍋爐上應(yīng)用SNCR技術(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)即可實(shí)現(xiàn)超低排放?

1、SNCR脫硝技術(shù)

SNCR脫硝技術(shù),就是在不添加催化劑的條件下,在爐膛煙氣適宜溫度下加入還原劑與煙氣中的NOx反應(yīng)生成N2和H2O?

1.1 SNCR工藝原理及其系統(tǒng)

一般SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的還原劑主要是氨和尿素?

以氨(NH3)為還原劑時的化學(xué)反應(yīng)式為


以尿素(CO(NH2)2)為還原劑時的化學(xué)反應(yīng)式為:


以氨為還原劑時,沒有副產(chǎn)物產(chǎn)生且裝置簡單適合煙氣脫硝處理;以尿素為還原劑時,在反應(yīng)過程中可能產(chǎn)生CO的排放問題?

SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)主要包括還原劑儲存系統(tǒng)?還原劑配送系統(tǒng)?還原劑吹脫混合系統(tǒng)?還原劑計(jì)量系統(tǒng)?還原劑噴射系統(tǒng)以及其他工藝輔助系統(tǒng)(電氣?控制以及其他公用設(shè)施)?某電廠SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)是以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%~25%的液氨為還原劑,脫硝工藝流程如圖1所示?


1.2 SNCR的技術(shù)特點(diǎn)

SNCR技術(shù)應(yīng)用在CFB鍋爐上具有以下優(yōu)點(diǎn):

a)煙氣脫硝裝置的安裝不需要改變現(xiàn)有鍋爐設(shè)備,只需添加還原劑的儲存裝置和噴射裝置,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單?

b)系統(tǒng)投資小,與選擇性催化還原(ivecatalyticreduction,SCR)技術(shù)相比,在系統(tǒng)運(yùn)行中不需要昂貴的催化劑,特別適合鍋爐的改造?

c)阻力小,煙氣脫硝系統(tǒng)投入整個系統(tǒng)中對鍋爐的正常運(yùn)行影響較小?

d)脫硝的還原劑一般為含有氨基的物質(zhì),還原劑來源廣泛?

e)SNCR脫硝運(yùn)行過程中無固體和液體的污染物或副產(chǎn)物產(chǎn)生,沒有二次污染?

2、SNCR脫硝控制系統(tǒng)

2.1、SNCR脫硝系統(tǒng)控制基礎(chǔ)

SNCR脫硝控制系統(tǒng)是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷變化?燃煤煤質(zhì)變化?煙氣流量變化以及煙氣中NOx濃度變化等情況,通過調(diào)節(jié)加入的氨量來控制煙氣出口排放的NOx濃度?

煙氣脫硝控制在實(shí)施過程中主要對以下情況進(jìn)行調(diào)整:NOx測量信號存在較長滯后,不能快速反應(yīng);整個煙氣脫硝系統(tǒng)具有大遲延和大慣性?

2.2 煙氣脫硝的控制方式———固定物質(zhì)的量比控制和出口NOx定值控制

固定物質(zhì)的量比控制方案是基于脫硝效率的控制方式,根據(jù)脫硝效率調(diào)節(jié)氨氣流量的調(diào)節(jié)閥;出口NOx定值控制是使出口NOx濃度保持在一定值,比固定的物質(zhì)的量比更容易監(jiān)視,還原劑的消耗量比較小?

煙氣脫硝是一個典型的大遲延?大滯后的反應(yīng)過程,負(fù)荷確定的條件下燃煤煤質(zhì)變化或者風(fēng)量的變化都會引起出口NOx濃度出現(xiàn)較大的波動,常用的煙氣脫硝控制技術(shù)還必須對波動現(xiàn)象進(jìn)行補(bǔ)償?

2.3煙氣脫硝控制系統(tǒng)———出口NOx濃度和氨流量串級控制

煙氣脫硝控制一般是帶有前饋的串級控制系統(tǒng)?系統(tǒng)自動運(yùn)行時,出口NOx濃度的比例積分微分(proportionplusintegrationplusdifferentia-tion,PID)控制器作為主回路,氨水的PID控制器為副回路?當(dāng)出口NOx濃度與設(shè)定值比較出現(xiàn)偏差時,NOx濃度調(diào)節(jié)器(主調(diào))根據(jù)偏差調(diào)節(jié)噴氨流量信號,通過調(diào)節(jié)氨氣流量調(diào)節(jié)閥改變噴氨量,使出口NOx濃度等于給定值?常規(guī)的煙氣脫硝系統(tǒng)如圖2所示,圖3為煙氣脫硝串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?


3、煙氣脫硝控制系統(tǒng)改進(jìn)及仿真分析

3.1 脫硝控制系統(tǒng)試驗(yàn)

對控制對象進(jìn)行試驗(yàn),調(diào)節(jié)閥階躍擾動下可以得到氨氣流量響應(yīng)曲線和出口NOx濃度對氨氣流量的響應(yīng)曲線?

氨氣流量響應(yīng)函數(shù)


式中s表示一個復(fù)數(shù)變量?出口NOx濃度響應(yīng)函數(shù)


利用MATLAB工具箱對控制對象和串級控制系統(tǒng)做階躍響應(yīng)可得到如圖4所示的3條曲線?

從圖4可以看出,氨流量能夠快速響應(yīng)但存在一定的超調(diào)量,出口NOx濃度曲線具有較長調(diào)節(jié)過程,煙氣脫硝系統(tǒng)的串級響應(yīng)曲線超調(diào)量較大,調(diào)節(jié)時間較長?


3.2 煙氣脫硝系統(tǒng)改進(jìn)及相應(yīng)曲線分析

在煙氣脫硝控制系統(tǒng)中,由于出口NOx濃度響應(yīng)遲延的存在,使得控制量不能及時受到控制,整個脫硝過程必然會產(chǎn)生較明顯的超調(diào)量和較長的調(diào)節(jié)時間?對煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),目的是減小系統(tǒng)超調(diào),縮短調(diào)節(jié)時間?圖5為改進(jìn)后的控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)?


圖5所示的改進(jìn)控制系統(tǒng)主要是在主回路中加入一個補(bǔ)償器來消除系統(tǒng)純滯后的影響,同時通過調(diào)整控制器參數(shù)降低系統(tǒng)超調(diào)量,縮短系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間?通過整定控制器,利用改進(jìn)的控制系統(tǒng)可以得到系統(tǒng)的響應(yīng)曲線,圖6為串級控制響應(yīng)曲線和改進(jìn)控制后的響應(yīng)曲線?


由圖6可以看出,在原串級控制基礎(chǔ)上對控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)后,系統(tǒng)響應(yīng)速度明顯加強(qiáng),超調(diào)量減小,調(diào)節(jié)時間縮短,控制品質(zhì)得到明顯提升?

針對氨逃逸和氧含量的影響,還需要優(yōu)化爐膛出口煙氣流動,加強(qiáng)還原劑與NOx的反應(yīng),并調(diào)整鍋爐燃燒方式,將脫硫與脫硝耦合,控制燃燒過程中的空氣系數(shù)?

4、結(jié)論

a)大氣污染物的控制逐漸加強(qiáng),進(jìn)一步降低NOx的排放是必須解決的問題?對于一些燃用低熱值煤的CFB鍋爐,投資費(fèi)用小,經(jīng)濟(jì)效益高的SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)是可行的?

b)對SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn),可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化,降低超調(diào)量,同時縮短調(diào)節(jié)時間?通過改進(jìn)后的控制仿真曲線可以看出,改進(jìn)后的控制效果要比原來的系統(tǒng)效果好?進(jìn)一步對控制系統(tǒng)優(yōu)化可以將模糊控制?神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?自適應(yīng)控制?專家控制等先進(jìn)控制技術(shù)應(yīng)用在系統(tǒng)中?

c)為了實(shí)現(xiàn)機(jī)組的超低排放,應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化鍋爐燃燒方式,同時充分發(fā)揮燃煤電廠脫硫?脫硝?脫汞一體化的優(yōu)勢?