循環(huán)流化床機組煙氣脫硝控制系統(tǒng)改進

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?2015年“兩會”期間要求打好節(jié)能減排和環(huán)境治理的攻堅戰(zhàn),SO2?NOx排放應分別減少3%和5%,要深入實施大氣污染防治行動計劃,實行區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控,推動燃煤電廠超低排放改造,促進重點區(qū)域煤炭消費零增長?

循環(huán)流化床(circulatingfluidizedbed,CFB)鍋爐燃燒技術由于其高效?低污染?燃料適應性強和污染物排放低的優(yōu)點,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(標準狀態(tài),下同),因此對煙氣中的NOx脫硝效率要求在50%~80%即可實現(xiàn)低排放要求?選擇性非催化還原(ivenon-catalyticreduction,SNCR)脫硝技術與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)流化床鍋爐上應用SNCR技術對系統(tǒng)進行改進即可實現(xiàn)超低排放?

1SNCR脫硝技術

SNCR脫硝技術,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反應生成N2和H2O?

1.1SNCR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)為還原劑時的化學反應式為

以尿素(CO(NH2)2)為還原劑時的化學反應式為:

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施)?某電廠SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)是以質(zhì)量分數(shù)為20%~25%的液氨為還原劑,脫硝工藝流程如圖1所示?

1.2SNCR的技術特點

SNCR技術應用在CFB鍋爐上具有以下優(yōu)點:

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

b)系統(tǒng)投資小,與選擇性催化還原(ivecatalyticreduction,SCR)技術相比,在系統(tǒng)運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?

2SNCR脫硝控制系統(tǒng)

2.1SNCR脫硝系統(tǒng)控制基礎

SNCR脫硝控制系統(tǒng)是根據(jù)機組負荷變化?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?

煙氣脫硝控制在實施過程中主要對以下情況進行調(diào)整:NOx測量信號存在較長滯后,不能快速反應;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?大滯后的反應過程,負荷確定的條件下燃煤煤質(zhì)變化或者風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還必須對波動現(xiàn)象進行補償?

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?當出口NOx濃度與設定值比較出現(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?

3煙氣脫硝控制系統(tǒng)改進及仿真分析

3.1脫硝控制系統(tǒng)試驗

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

式中s表示一個復數(shù)變量?出口NOx濃度響應函數(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)改進及相應曲線分析

在煙氣脫硝控制系統(tǒng)中,由于出口NOx濃度響應遲延的存在,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)進行改進,目的是減小系統(tǒng)超調(diào),縮短調(diào)節(jié)時間?圖5為改進后的控制系統(tǒng)的結(jié)構?

圖5所示的改進控制系統(tǒng)主要是在主回路中加入一個補償器來消除系統(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,利用改進的控制系統(tǒng)可以得到系統(tǒng)的響應曲線,圖6為串級控制響應曲線和改進控制后的響應曲線?

由圖6可以看出,在原串級控制基礎上對控制系統(tǒng)進行改進后,系統(tǒng)響應速度明顯加強,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,加強還原劑與NOx的反應,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,進一步降低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,投資費用小,經(jīng)濟效益高的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)進行改進,可以實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化,降低超調(diào)量,同時縮短調(diào)節(jié)時間?通過改進后的控制仿真曲線可以看出,改進后的控制效果要比原來的系統(tǒng)效果好?進一步對控制系統(tǒng)優(yōu)化可以將模糊控制?神經(jīng)網(wǎng)絡?自適應控制?專家控制等先進控制技術應用在系統(tǒng)中?

c)為了實現(xiàn)機組的超低排放,應進一步優(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?