我國氮氧化物排放量2009年至2011年一直呈上升趨勢,尤其2011年氮氧化物排放量已接近2000萬噸,為此我國2011年新頒布的標準《GB13223-201火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定2012年后新建火電機組將執(zhí)行100mg/m3的氮氧化物排放限值,而現(xiàn)有機組也要在2014年7月1日前達到該排放標準,以控制氮氧化物的排放量?因此,我部積極地進行了脫硝改造,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行,脫硝效果良好,將氮氧化物控制在100mg/m3以內(nèi)?同時經(jīng)過技術攻關,對氮氧化物排放量的控制實現(xiàn)了自動控制,控制效果良好?

1SNCR脫硝反應原理

SNCR脫硝實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進行反應生成N2和H2O,該方法在爐膛內(nèi)部反應(無需SCR反應加裝催化劑)?其主要反應如下:

尿素還原的主要反應為

2NO+CO(NH2)2+1/2O2→2N2+CO2+2H2O

氨還原的主要反應為

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O

當溫度過高超過反應溫度區(qū)域(1100℃以上)時,氨就又被氧化成NOx,該反應為

4NH3+5O2→4NO+6H2O

2SNCR脫硝工藝流程

SNCR的整個工藝流程分為尿素溶解存儲部分?高流量部分?稀釋計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罐,存儲罐內(nèi)部由低壓蒸汽伴熱管線,將尿素溶液儲罐內(nèi)的尿素溶液維持在60℃左右,存儲的尿素溶液經(jīng)過高流量循環(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(保證尿素溶液供應量以及稀釋入口壓頭);由高流量模塊輸送來的50%濃度的尿素溶液在稀釋計量模塊中由除鹽水稀釋至<10%的尿素溶液,同時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,對壓縮空氣和尿素溶液進行精確計量分配,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,進行脫硝反應?其具體工藝流程和噴槍位置如圖1所示?


3控制系統(tǒng)簡介

我廠二電站DCS為OVATION3.0.4控制系統(tǒng),有14個操作站(分為OPR210~OPR220?OPR221~OPR223),控制器共26個,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有遠程I/O站(通過光纖通訊),數(shù)據(jù)庫站為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對獨立控制器DPU11/DPU61?DPU12/DPU62?DPU13/DPU63,分別對應著8#?9#?10#鍋爐SNCR脫硝DCS控制?

4脫硝控制方案

在整個SNCR脫硝工藝流程中,主要有4個主要的自動控制回路,分別為儲罐溫度控制?高流量模塊尿素溶液母管壓力控制?稀釋計量模塊稀釋尿素溶液壓力控制以及尾部煙道NOx含量控制?其中儲罐溫度控制?母管壓力控制和尿素溶液壓力控制均為簡單的PID回路控制,這里就不再進行說明了;而尾部煙道NOx含量控制是比較復雜的控制,采用了變設定的PID控制,其PID設定值SP為根據(jù)負荷變化而給定的折線輸出值(根據(jù)實際情況擬合的曲線),其負荷-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個區(qū)域(該折線為調(diào)試過程中數(shù)據(jù)采集后擬合得出),將對應折線的尿素溶液量送至PID模塊的SP端,對尿素溶液調(diào)節(jié)閥進行控制,以調(diào)節(jié)控制實際尿素溶液的流量,即改變尿素溶液噴入量,以達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題:①由于該控制回路的控制對象為尾部煙道的NOx含量,而該控制只與鍋爐負荷有關,沒有直接控制NOx含量,相當于開環(huán)控制,無法避免除鍋爐負荷影響因素外的其他干擾

因素的擾動,因此無法實現(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法由單個負荷-尿素流量折線對應出控制NOx含量的規(guī)律;③反應區(qū)的溫度場調(diào)整變化,對SNCR的反應效率也有很大的影響;④鍋爐的配風和氧量變化,對SNCR的反應也有一定的影響;⑤CFB鍋爐爐內(nèi)投入的石灰石量,對NOx的生成也有一定的影響;⑥依據(jù)圖2折線中80%的負荷為跳變點,因此鍋爐在370t/h~375t/h范圍內(nèi)變化時(正常情況時,鍋爐的負荷也在5t/h的范圍內(nèi)擺動),導致鍋爐噴按量跳變,無法實現(xiàn)NOx含量的平穩(wěn)過渡,影響脫硝效果?

5改進控制方案

針對上述問題,結合該熱電廠的實際情況,對NOx含量自動控制方案進行了修改,在主蒸汽調(diào)整方式下,增加了NOx含量的反饋控制,將該回路設為主回路,尿素溶液量控制設為輔回路,并將主蒸汽負荷折線輸出設置為尿素溶液流量的前饋,同時,為了避免NOx含量的反饋控制頻繁震蕩調(diào)節(jié)的問題,進行了閾值限定,這樣既可對鍋爐負荷的干擾進行及時調(diào)整,又可以對影響NOx含量的其它干擾進行調(diào)整,保證了控制回路對NOx含量的控制效果,其改進NOx含量控制邏輯圖如圖4所示?而對于80%臨界負荷調(diào)整門跳變的問題,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)整閥門在臨界過渡區(qū)域平穩(wěn)過渡?


在調(diào)試過程中,對控制邏輯的PID參數(shù)和修正值進行了整定,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?氮氧化物的排放實現(xiàn)了自動控制,如圖6?7所示,分別為8#?9#鍋爐氮氧化物控制曲線,實線為NOx含量的過程值PV,虛線為NOx含量的設定值SP,由圖可知NOx含量均得到了控制?圖6中8:38:14鍋爐負荷增加了13t/h的擾動,NOx含量最高達到90.4mg/m3后,又回到設定值附近,控制效果良好,圖7為9#鍋爐80%負荷穩(wěn)定狀態(tài)下NOx含量曲線?


7結語

針對尾部煙道NOx含量的控制,我部采用了SNCR的脫硝控制方式,修改了原變設定值SNCR的控制策略,采用改進串級加前饋的方法,算法簡單,參數(shù)整定方式清晰,便于應用在DCS控制系統(tǒng)中,該控制方法利用負荷變化折線函數(shù),有效地克服了負荷變化對NOx含量的擾動,同時使溫度場?配風?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題;投運至今,NOx含量控制達到了預期控制指標,滿足了SNCR脫硝自動控制的要求,為裝置穩(wěn)定?經(jīng)濟運行提供了保證,對同類型CFB鍋爐SNCR脫硝自動控制具有一定的參考價值?當然,SNCR脫硝的控制方法也不是唯一的,可以通過細化前饋量?預估模型?自適應控制?模糊控制等相結合的復雜控制方法來達到或進一步提高SNCR脫硝的控制效果?