我國“十二五”規劃明確將氮氧化物(NOx)總量控制納入環境治理的重點?2015年“兩會”期間要求打好節能減排和環境治理的攻堅戰,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,實行區域聯防聯控,推動燃煤電廠超低排放改造,促進重點區域煤炭消費零增長?

循環流化床(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點,近幾年得到了迅速發展?一般情況下,CFB鍋爐生成的NOx質量濃度(以下簡稱“濃度”)在200~300mg/m3(標準狀態,下同),因此對煙氣中的NOx脫硝效率要求在50%~80%即可實現低排放要求?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,因此在循環流化床鍋爐上應用SNCR技術對系統進行改進即可實現超低排放?

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

一般SNCR煙氣脫硝系統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,沒有副產物產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生CO的排放問題?

SNCR煙氣脫硝系統主要包括還原劑儲存系統?還原劑配送系統?還原劑吹脫混合系統?還原劑計量系統?還原劑噴射系統以及其他工藝輔助系統(電氣?控制以及其他公用設施)?某電廠SNCR煙氣脫硝系統是以質量分數為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鍋爐上具有以下優點:

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

b)系統投資小,與選擇性催化還原(ivecatalyticreduction,SCR)技術相比,在系統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,煙氣脫硝系統投入整個系統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,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物產生,沒有二次污染?

2SNCR脫硝控制系統

2.1SNCR脫硝系統控制基礎

SNCR脫硝控制系統是根據機組負荷變化?燃煤煤質變化?煙氣流量變化以及煙氣中NOx濃度變化等情況,通過調節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;整個煙氣脫硝系統具有大遲延和大慣性?

2.2煙氣脫硝的控制方式———固定物質的量比控制和出口NOx定值控制

固定物質的量比控制方案是基于脫硝效率的控制方式,根據脫硝效率調節氨氣流量的調節閥;出口NOx定值控制是使出口NOx濃度保持在一定值,比固定的物質的量比更容易監視,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變化或者風量的變化都會引起出口NOx濃度出現較大的波動,常用的煙氣脫硝控制技術還必須對波動現象進行補償?

2.3煙氣脫硝控制系統———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?系統自動運行時,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偏差時,NOx濃度調節器(主調)根據偏差調節噴氨流量信號,通過調節氨氣流量調節閥改變噴氨量,使出口NOx濃度等于給定值?常規的煙氣脫硝系統如圖2所示,圖3為煙氣脫硝串級控制系統的結構?

3煙氣脫硝控制系統改進及仿真分析

3.1脫硝控制系統試驗

對控制對象進行試驗,調節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

式中s表示一個復數變量?出口NOx濃度響應函數

利用MATLAB工具箱對控制對象和串級控制系統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量,出口NOx濃度曲線具有較長調節過程,煙氣脫硝系統的串級響應曲線超調量較大,調節時間較長?

3.2煙氣脫硝系統改進及相應曲線分析

在煙氣脫硝控制系統中,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生較明顯的超調量和較長的調節時間?對煙氣脫硝系統進行改進,目的是減小系統超調,縮短調節時間?圖5為改進后的控制系統的結構?

圖5所示的改進控制系統主要是在主回路中加入一個補償器來消除系統純滯后的影響,同時通過調整控制器參數降低系統超調量,縮短系統調節時間?通過整定控制器,利用改進的控制系統可以得到系統的響應曲線,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進行改進后,系統響應速度明顯加強,超調量減小,調節時間縮短,控制品質得到明顯提升?

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

4結論

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,經濟效益高的SNCR煙氣脫硝系統是可行的?

b)對SNCR煙氣脫硝系統的控制系統進行改進,可以實現系統優化,降低超調量,同時縮短調節時間?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效果好?進一步對控制系統優化可以將模糊控制?神經網絡?自適應控制?專家控制等先進控制技術應用在系統中?

c)為了實現機組的超低排放,應進一步優化鍋爐燃燒方式,同時充分發揮燃煤電廠脫硫?脫硝?脫汞一體化的優勢?