我國(guó)氮氧化物排放量2009年至2011年一直呈上升趨勢(shì),尤其2011年氮氧化物排放量已接近2000萬(wàn)噸,為此我國(guó)2011年新頒布的標(biāo)準(zhǔn)《GB13223-201火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定2012年后新建火電機(jī)組將執(zhí)行100mg/m3的氮氧化物排放限值,而現(xiàn)有機(jī)組也要在2014年7月1日前達(dá)到該排放標(biāo)準(zhǔn),以控制氮氧化物的排放量?因此,我部積極地進(jìn)行了脫硝改造,采用SNCR+臭氧的脫硝方式,并于2015年6月20日將脫硝裝置投入運(yùn)行,脫硝效果良好,將氮氧化物控制在100mg/m3以?xún)?nèi)?同時(shí)經(jīng)過(guò)技術(shù)攻關(guān),對(duì)氮氧化物排放量的控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制,控制效果良好?

1SNCR脫硝反應(yīng)原理

SNCR脫硝實(shí)際上就是在鍋爐爐膛溫度為850℃

~1100℃的區(qū)域內(nèi),把還原劑尿素或氨氣的稀釋溶

液噴入爐膛,還原器迅速熱解出NH3氣體,與煙氣中的NOx進(jìn)行反應(yīng)生成N2和H2O,該方法在爐膛內(nèi)部反應(yīng)(無(wú)需SCR反應(yīng)加裝催化劑)?其主要反應(yīng)如下:

尿素還原的主要反應(yīng)為

2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

氨還原的主要反應(yīng)為

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

當(dāng)溫度過(guò)高超過(guò)反應(yīng)溫度區(qū)域(1100℃以上)時(shí),氨就又被氧化成NOx,該反應(yīng)為

4NH3+5O2→4NO+6H2O

2SNCR脫硝工藝流程

SNCR的整個(gè)工藝流程分為尿素溶解存儲(chǔ)部分?高流量部分?稀釋計(jì)量部分和爐前分配部分?其流程為袋裝尿素顆粒,經(jīng)溶解罐與加熱后的除鹽水稀釋(除鹽水溫度60℃左右),將尿素顆粒溶解稀釋為50%的尿素溶液;溶解配制完畢后,將配置好的50%尿素溶液由尿素輸送泵送至尿素溶液儲(chǔ)罐,存儲(chǔ)罐內(nèi)部由低壓蒸汽伴熱管線,將尿素溶液儲(chǔ)罐內(nèi)的尿素溶液維持在60℃左右,存儲(chǔ)的尿素溶液經(jīng)過(guò)高流量循環(huán)模塊將尿素溶液打循環(huán),并保證前段循環(huán)母管壓力不低于0.85MPa(保證尿素溶液供應(yīng)量以及稀釋入口壓頭);由高流量模塊輸送來(lái)的50%濃度的尿素溶液在稀釋計(jì)量模塊中由除鹽水稀釋至<10%的尿素溶液,同時(shí)將稀釋模塊的出口壓力維持在0.7MPa(保證噴頭處的壓頭需要)?稀釋計(jì)量模塊將稀釋后的尿素溶液分別輸送至分配模塊DM1?DM2?DM3,在分配模塊中,對(duì)壓縮空氣和尿素溶液進(jìn)行精確計(jì)量分配,再輸送給各支噴槍?由噴槍將霧化后的尿素溶液噴至爐膛的合適位置,進(jìn)行脫硝反應(yīng)?其具體工藝流程和噴槍位置如圖1所示?


3控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

我廠二電站DCS為OVATION3.0.4控制系統(tǒng),有14個(gè)操作站(分為OPR210~OPR220?OPR221~OPR223),控制器共26個(gè),分為DPU1~DPU13以及DPU51~DPU63,其中DPU1與DPU51到DPU13與DPU63均為互為冗余的控制器,而DPU10/DPU60有遠(yuǎn)程I/O站(通過(guò)光纖通訊),數(shù)據(jù)庫(kù)站為EWS200?工程師站為AMS170?歷史站為OPH160?外部通訊站為OPC180?OPC181?脫硝部分采用3對(duì)獨(dú)立控制器DPU11/DPU61?DPU12/DPU62?DPU13/DPU63,分別對(duì)應(yīng)著8#?9#?10#鍋爐SNCR脫硝DCS控制?

4脫硝控制方案

在整個(gè)SNCR脫硝工藝流程中,主要有4個(gè)主要的自動(dòng)控制回路,分別為儲(chǔ)罐溫度控制?高流量模塊尿素溶液母管壓力控制?稀釋計(jì)量模塊稀釋尿素溶液壓力控制以及尾部煙道NOx含量控制?其中儲(chǔ)罐溫度控制?母管壓力控制和尿素溶液壓力控制均為簡(jiǎn)單的PID回路控制,這里就不再進(jìn)行說(shuō)明了;而尾部煙道NOx含量控制是比較復(fù)雜的控制,采用了變?cè)O(shè)定的PID控制,其PID設(shè)定值SP為根據(jù)負(fù)荷變化而給定的折線輸出值(根據(jù)實(shí)際情況擬合的曲線),其負(fù)荷-尿素流量折線如圖2所示,并將折線分為“折線1”?“折線2”?“折線3”3個(gè)區(qū)域(該折線為調(diào)試過(guò)程中數(shù)據(jù)采集后擬合得出),將對(duì)應(yīng)折線的尿素溶液量送至PID模塊的SP端,對(duì)尿素溶液調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制,以調(diào)節(jié)控制實(shí)際尿素溶液的流量,即改變尿素溶液噴入量,以達(dá)到氮氧化物的控制效果,其控制邏輯如圖3所示,可以看出該邏輯既可以在線指定鍋爐負(fù)荷(即主蒸汽流量調(diào)節(jié)方式),也可以在線指定尿素溶液流量?


但該方案存在以下問(wèn)題:①由于該控制回路的控制對(duì)象為尾部煙道的NOx含量,而該控制只與鍋爐負(fù)荷有關(guān),沒(méi)有直接控制NOx含量,相當(dāng)于開(kāi)環(huán)控制,無(wú)法避免除鍋爐負(fù)荷影響因素外的其他干擾

因素的擾動(dòng),因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)NOx含量控制;②由于我廠為焦煤摻燒的CFB鍋爐,由于燃料的配比不同無(wú)法由單個(gè)負(fù)荷-尿素流量折線對(duì)應(yīng)出控制NOx含量的規(guī)律;③反應(yīng)區(qū)的溫度場(chǎng)調(diào)整變化,對(duì)SNCR的反應(yīng)效率也有很大的影響;④鍋爐的配風(fēng)和氧量變化,對(duì)SNCR的反應(yīng)也有一定的影響;⑤CFB鍋爐爐內(nèi)投入的石灰石量,對(duì)NOx的生成也有一定的影響;⑥依據(jù)圖2折線中80%的負(fù)荷為跳變點(diǎn),因此鍋爐在370t/h~375t/h范圍內(nèi)變化時(shí)(正常情況時(shí),鍋爐的負(fù)荷也在5t/h的范圍內(nèi)擺動(dòng)),導(dǎo)致鍋爐噴按量跳變,無(wú)法實(shí)現(xiàn)NOx含量的平穩(wěn)過(guò)渡,影響脫硝效果?

5改進(jìn)控制方案

針對(duì)上述問(wèn)題,結(jié)合該熱電廠的實(shí)際情況,對(duì)NOx含量自動(dòng)控制方案進(jìn)行了修改,在主蒸汽調(diào)整方式下,增加了NOx含量的反饋控制,將該回路設(shè)為主回路,尿素溶液量控制設(shè)為輔回路,并將主蒸汽負(fù)荷折線輸出設(shè)置為尿素溶液流量的前饋,同時(shí),為了避免NOx含量的反饋控制頻繁震蕩調(diào)節(jié)的問(wèn)題,進(jìn)行了閾值限定,這樣既可對(duì)鍋爐負(fù)荷的干擾進(jìn)行及時(shí)調(diào)整,又可以對(duì)影響NOx含量的其它干擾進(jìn)行調(diào)整,保證了控制回路對(duì)NOx含量的控制效果,其改進(jìn)NOx含量控制邏輯圖如圖4所示?而對(duì)于80%臨界負(fù)荷調(diào)整門(mén)跳變的問(wèn)題,修改了前饋折線,即將圖2折線修改為圖5折線,修改后調(diào)整閥門(mén)在臨界過(guò)渡區(qū)域平穩(wěn)過(guò)渡?


在調(diào)試過(guò)程中,對(duì)控制邏輯的PID參數(shù)和修正值進(jìn)行了整定,整定后NOx含量控制PID的參數(shù)為Kp=45,Ki=240,Kd=0.05,PID_OUTPUT=(-15%,15%);尿素流量控制PID參數(shù)為Kp=35,Ki=780,Kd=0;求和限制30%?

6脫硝控制效果

調(diào)試整定后,發(fā)現(xiàn)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的死區(qū)較大(死區(qū)為4%左右),整定參數(shù)后,控制效果良好?氮氧化物的排放實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制,如圖6?7所示,分別為8#?9#鍋爐氮氧化物控制曲線,實(shí)線為NOx含量的過(guò)程值PV,虛線為NOx含量的設(shè)定值SP,由圖可知NOx含量均得到了控制?圖6中8:38:14鍋爐負(fù)荷增加了13t/h的擾動(dòng),NOx含量最高達(dá)到90.4mg/m3后,又回到設(shè)定值附近,控制效果良好,圖7為9#鍋爐80%負(fù)荷穩(wěn)定狀態(tài)下NOx含量曲線?


7結(jié)語(yǔ)

針對(duì)尾部煙道NOx含量的控制,我部采用了SNCR的脫硝控制方式,修改了原變?cè)O(shè)定值SNCR的控制策略,采用改進(jìn)串級(jí)加前饋的方法,算法簡(jiǎn)單,參數(shù)整定方式清晰,便于應(yīng)用在DCS控制系統(tǒng)中,該控制方法利用負(fù)荷變化折線函數(shù),有效地克服了負(fù)荷變化對(duì)NOx含量的擾動(dòng),同時(shí)使溫度場(chǎng)?配風(fēng)?氧量?石灰石投入量?燃料摻燒變化等干擾得到有效的控制,解決了SNCR脫硝方式下NOx含量排放的難于控制的問(wèn)題;投運(yùn)至今,NOx含量控制達(dá)到了預(yù)期控制指標(biāo),滿(mǎn)足了SNCR脫硝自動(dòng)控制的要求,為裝置穩(wěn)定?經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了保證,對(duì)同類(lèi)型CFB鍋爐SNCR脫硝自動(dòng)控制具有一定的參考價(jià)值?當(dāng)然,SNCR脫硝的控制方法也不是唯一的,可以通過(guò)細(xì)化前饋量?預(yù)估模型?自適應(yīng)控制?模糊控制等相結(jié)合的復(fù)雜控制方法來(lái)達(dá)到或進(jìn)一步提高SNCR脫硝的控制效果?