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        基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝控制研究

        2018-05-31 00:09:24李智彪劉果
        中國環(huán)保產(chǎn)業(yè) 2018年5期
        關(guān)鍵詞:含氧量目標(biāo)值省煤器

        李智彪,劉果

        (1.浙江環(huán)龍環(huán)境保護(hù)有限公司,杭州 310000;2.浙江藍(lán)天求是環(huán)保股份有限公司,杭州 310000)

        1 機(jī)組概述

        臺州市椒江熱電有限公司新建成2臺100t/h高溫高壓循環(huán)流化床鍋爐,煙氣排放執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中的天然氣鍋爐排放標(biāo)準(zhǔn),即SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3、粉塵≤5mg/Nm3。

        根據(jù)鍋爐廠提供的設(shè)計參數(shù),脫硝系統(tǒng)采用“SNCR+SCR”耦合工藝,還原劑采用20%濃度氨水,在鍋爐旋風(fēng)除塵器入口布置一層雙流體SNCR噴槍,在省煤器出口布置一層中溫蜂窩式催化劑,不設(shè)置備用催化劑層。

        2 面臨問題

        機(jī)組投運(yùn)后,發(fā)現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與原設(shè)計參數(shù)偏離嚴(yán)重,主要表現(xiàn)為:NOx實(shí)際生成濃度是設(shè)計值的兩倍;旋風(fēng)分離器入口煙溫低于設(shè)計值70℃,且低負(fù)荷時低于SNCR脫硝溫度窗口;煙氣量比設(shè)計值大20%左右。鍋爐廠家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)調(diào)整優(yōu)化了一、二次風(fēng)比例等部分參數(shù),但效果不明顯,低氧燃燒時還造成鍋爐飛灰中含炭量嚴(yán)重偏高。鍋爐設(shè)計參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對比見表1。另外,由于本鍋爐的主要功能是給工業(yè)園區(qū)提供蒸氣,因此負(fù)荷波動具有幅度大、快速而頻繁的特點(diǎn),同時鍋爐控制的智能化程度不高,負(fù)荷變動時,鍋爐運(yùn)行參數(shù)主要由運(yùn)行人員手動調(diào)整,各項(xiàng)參數(shù)調(diào)整不同步,導(dǎo)致煙氣參數(shù)波動劇烈,采用傳統(tǒng)的PID控制不能保證NOx和氨逃逸穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放。

        表1 鍋爐設(shè)計參數(shù)與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)對比表

        3 NOx生成濃度和在線監(jiān)測對脫硝系統(tǒng)控制影響的試驗(yàn)研究

        上述問題在電廠鍋爐中廣泛存在,因此如何在保持現(xiàn)有硬件配置不變的基礎(chǔ)上,通過調(diào)整控制方法實(shí)現(xiàn)NOx和氨逃逸穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放,具有重要的意義。

        調(diào)整控制方法的前提首先是通過試驗(yàn)摸清影響脫硝的各因子在該鍋爐的具體影響。

        3.1 鍋爐負(fù)荷(燃燒溫度)對NOx生成濃度的影響試驗(yàn)

        影響NOx生成濃度的一個主要因素是爐膛燃燒溫度,而爐膛燃燒溫度與鍋爐負(fù)荷呈正相關(guān)性,因此第一個試驗(yàn)即保持其它條件不變,通過改變鍋爐負(fù)荷(燃燒溫度)觀察NOx生成濃度的變化(見表2)。

        表2 鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度試驗(yàn)記錄

        從鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度趨勢線可直觀反映出NOx生成濃度與鍋爐負(fù)荷呈現(xiàn)幾乎一致的變化趨勢(見圖1),當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于50t/h時,生成濃度可低于50mg/Nm3,當(dāng)負(fù)荷高于85t/h時,濃度基本都在200mg/Nm3以上,滿負(fù)荷時達(dá)到300mg/Nm3。

        圖1 鍋爐負(fù)荷-NOx生成濃度趨勢線

        3.2 鍋爐煙氣含氧量對NOx生成濃度的影響試驗(yàn)

        根據(jù)NOx的生成理論,燃燒時的氧化氛圍是影響NOx生成濃度的另一個主要因素,因此第二個試驗(yàn)即保持其它條件不變,通過改變煙氣含氧量觀察NOx生成濃度的變化(見表3)。NOx生成濃度與煙氣含氧量同樣呈現(xiàn)幾乎一致的變化趨勢(見圖2)。

        表3 煙氣含氧量-NOx生成濃度試驗(yàn)記錄

        圖2 煙氣含氧量-NOx生成濃度趨勢線

        3.3 監(jiān)測斷面的影響

        脫硝系統(tǒng)設(shè)置了一套氨逃逸在線監(jiān)測和一套NOx、O2在線監(jiān)測。氨逃逸在線監(jiān)測安裝在空氣預(yù)熱器處,NOx、O2在線監(jiān)測安裝在布袋除塵器后。根據(jù)DCS曲線分析,當(dāng)改變氨水噴射量時,氨水流量峰值與氨逃逸峰值相差時間約3~5分鐘,氨水流量峰值與NOx谷值相差時間為8~10分鐘。

        4 基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝系統(tǒng)控制試驗(yàn)與實(shí)踐

        4.1 根據(jù)監(jiān)測斷面選擇主次控制因子

        基于NOx濃度在線監(jiān)測與氨逃逸在線監(jiān)測滯后時間的差異,分別采用兩種監(jiān)測因子作為主要條件對氨水流量進(jìn)行PID控制試驗(yàn)。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)采用NOx在線測量值對氨水流量進(jìn)行PID控制時,因在線監(jiān)測滯后時間較長,無法根據(jù)NOx濃度對氨水流量進(jìn)行有效調(diào)節(jié),多次調(diào)整PID參數(shù)均不能實(shí)現(xiàn)NOx和氨逃逸同時達(dá)標(biāo)排放。當(dāng)采用氨逃逸濃度來對氨水流量進(jìn)行PID控制時,因滯后時間較短,氨逃逸曲線與氨水流量曲線具有更好的跟隨性,可將氨逃逸控制在一個較小的變化范圍內(nèi),同時NOx半數(shù)時間可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。因此選用氨逃逸濃度作為主要控制因子,NOx排放濃度作為輔助控制因子,進(jìn)行更進(jìn)一步試驗(yàn)。

        4.2 根據(jù)鍋爐負(fù)荷統(tǒng)計達(dá)標(biāo)需要的氨逃逸濃度規(guī)律

        從影響NOx濃度的各因子中,可看出鍋爐負(fù)荷是最主要的影響因子,因此本組試驗(yàn)即在煙氣含氧量基本相同的情況下,根據(jù)鍋爐負(fù)荷調(diào)整氨水用量,使煙氣NOx排放值保持在30mg/Nm3左右,統(tǒng)計對應(yīng)負(fù)荷下氨逃逸的濃度,得到鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度對應(yīng)關(guān)系(見表4、圖3)。

        表4 不同負(fù)荷下的氨逃逸濃度

        圖3 鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度曲線

        4.3 根據(jù)煙氣含氧量統(tǒng)計達(dá)標(biāo)需要的氨逃逸濃度規(guī)律

        煙氣含氧量對NOx的生成濃度影響很大,影響煙氣含氧量的主要原因是進(jìn)煤量與風(fēng)量的比例關(guān)系。更重要的是這個比例的變化往往很突然,例如當(dāng)鍋爐負(fù)荷調(diào)整時,一兩次風(fēng)量的調(diào)整與進(jìn)煤量不同步或不匹配以及斷煤情況的發(fā)生,都會造成煙氣含氧量的突然變化,如果根據(jù)氨逃逸在線監(jiān)測或NOx在線監(jiān)測數(shù)據(jù)檢測到變化時再進(jìn)行調(diào)整,必定會造成NOx排放濃度和氨逃逸劇烈波動,使排放數(shù)據(jù)不合格,而且會使PID調(diào)節(jié)穩(wěn)定狀態(tài)被打破,如果不進(jìn)行人工干預(yù),就需要很長時間才能恢復(fù)穩(wěn)定,甚至不能恢復(fù)穩(wěn)定失去自動調(diào)節(jié)功能。

        除了引風(fēng)機(jī)后的O2在線監(jiān)測外,鍋爐在省煤器位置也配置了O2在線監(jiān)測,相比于前者,省煤器位置能更早檢測到O2的變化,作為前饋條件調(diào)節(jié)氨水噴射量,提前削弱NOx和NH3逃逸的波動。

        該組試驗(yàn)保持鍋爐負(fù)荷90t/h不變,根據(jù)省煤器處煙氣含氧量調(diào)節(jié)氨水噴射量,使NOx排放值保持在30mg/Nm3左右,統(tǒng)計對應(yīng)含氧量下氨逃逸的濃度,得到含氧量-氨逃逸濃度對應(yīng)關(guān)系(見表5)。

        表5 煙氣含氧量對氨逃逸的影響

        通過觀察,正常穩(wěn)定燃燒時,省煤器處含氧量出現(xiàn)頻率最高的數(shù)值在4%左右,因此將4%作為基準(zhǔn)氧,將表格中的氨逃逸濃度全部減去1.45,得到含氧量對氨逃逸濃度的貢獻(xiàn)值(見表6)。

        表6 煙氣含氧量對氨逃逸濃度的貢獻(xiàn)

        圖4 煙氣含氧量對氨逃逸濃度影響曲線

        從圖4的曲線來看,似乎煙氣含氧量比鍋爐負(fù)荷對氨逃逸濃度的影響更大,這是因?yàn)殄仩t負(fù)荷升高時,不僅NOx的生成濃度提高了,SNCR的脫硝效率、氨的利用率也隨之提高了,綜合后的影響就減弱了。

        4.4 根據(jù)NOx排放濃度的影響統(tǒng)計NOx對氨逃逸目標(biāo)值的影響

        鍋爐負(fù)荷和煙氣含氧量都是作為調(diào)節(jié)的前饋條件參與控制,但最終的達(dá)標(biāo)排放仍要以脫硝系統(tǒng)出口的NOx濃度為準(zhǔn)。因此再引入NOx濃度作反饋條件參與控制,當(dāng)NOx濃度高于理想控制值時,增加氨逃逸量,當(dāng)NOx濃度低于理想控制值時,減少氨逃逸量。

        4.5 氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的公式擬定與實(shí)踐

        在進(jìn)行了上述試驗(yàn)后,可以設(shè)想在某一工況,可能存在一個平衡點(diǎn),其氨逃逸濃度是達(dá)標(biāo)的,NOx排放濃度也在理想值附近。而如果能通過某經(jīng)驗(yàn)公式,計算出該工況時最合適的氨逃逸濃度,然后通過調(diào)節(jié)氨水流量使實(shí)際氨逃逸趨近該濃度,就能間接使NOx濃度趨近于需要的理想值。該工況下最合適的氨逃逸濃度可稱作氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值,將其作為PID控制目標(biāo)因子,再將氨逃逸實(shí)測值作為PID控制反饋因子,通過調(diào)節(jié)氨水流量,使氨逃逸實(shí)測值趨近氨逃逸目標(biāo)值,從而實(shí)現(xiàn)氨逃逸與NOx的同時達(dá)標(biāo)。

        鍋爐負(fù)荷-氨逃逸濃度試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗(yàn)公式,可得到:

        y:氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值,mg/Nm3;

        a:鍋爐負(fù)荷,t/h。

        試驗(yàn)測定值與經(jīng)驗(yàn)公式計算值對比曲線見圖5。

        圖5 試驗(yàn)測定值與經(jīng)驗(yàn)公式計算值對比曲線

        將省煤器處煙氣含氧量-氨逃逸濃度貢獻(xiàn)值試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗(yàn)公式,可得到:

        y:氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值,mg/Nm3;

        b:省煤器處煙氣含氧量,%。

        將①②兩公式合并,得到:

        將其中的常數(shù)-0.108用參數(shù)c代替,并允許值長根據(jù)需要微調(diào),得到公式:

        將公式應(yīng)用于DCS控制中,通過調(diào)整PID參數(shù),將NOx控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),但曲線的起伏仍顯偏大,再根據(jù)NOx排放濃度手工微調(diào)參數(shù)c的試驗(yàn),得到一組NOx排放濃度-氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量數(shù)據(jù)。

        NOx排放濃度對氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量貢獻(xiàn)見表7。

        表7 NOx排放濃度對氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量貢獻(xiàn)

        將NOx排放濃度-氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合成經(jīng)驗(yàn)公式,可得到:

        y:氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值調(diào)節(jié)量,mg/Nm3;

        d:NOx排放濃度,mg/Nm3。

        將公式④、⑤合并,得到:

        為了適應(yīng)煤種或其它條件變化后可能引起的公式變化,將省煤器處煙氣含氧量b、NOx排放濃度d的權(quán)重系數(shù)0.505和0.015全部參數(shù)化,允許值長根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行微調(diào)。得到最終的公式:

        y:氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值,mg/Nm3;

        a:鍋爐負(fù)荷,t/h;

        b:省煤器處煙氣含氧量,%;

        c:常數(shù),mg/Nm3(默認(rèn)取-0.558,允許值長微調(diào));

        d:NOx排放濃度,mg/Nm3;

        e:含氧量權(quán)重系數(shù)(默認(rèn)取0.4,允許值長微調(diào));

        f:NOx排放濃度權(quán)重系數(shù)(默認(rèn)取0.015,允許值長微調(diào))。

        將改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)公式重新應(yīng)用于DCS控制后,取得了非常理想的效果。脫硝系統(tǒng)在完全自動控制的條件下,NOx全天處于20~40mg/Nm3的理想?yún)^(qū)間,氨逃逸則基本低于2.0mg/Nm3;通過調(diào)整常數(shù)c,還可將理想?yún)^(qū)間上調(diào)或下移,以達(dá)到節(jié)約氨水的目的。

        前文提到當(dāng)鍋爐負(fù)荷低于50t/h時,NOx生成濃度可低于50 mg/Nm3。夜間蒸氣用量小,鍋爐負(fù)荷低,可以選擇1臺鍋爐保持在低負(fù)荷,使其NOx生成濃度低于50mg/Nm3,停該臺鍋爐的脫硝系統(tǒng);另1臺鍋爐則開啟脫硝系統(tǒng),用以調(diào)節(jié)負(fù)荷。

        5 結(jié)語

        燃煤電廠鍋爐普遍存在煙氣NOx生成濃度高、脫硝區(qū)域溫度低、煙氣參數(shù)波動劇烈、污染物排放不能持續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的問題。通過試驗(yàn)研究,摸清了鍋爐負(fù)荷、煙氣含氧量、在線監(jiān)測等因素對煙氣中NOx生成濃度和脫硝控制的具體影響,提出了基于氨逃逸動態(tài)目標(biāo)值的脫硝控制理念,根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出滿足各種工況條件的氨逃逸濃度經(jīng)驗(yàn)公式并應(yīng)用于DCS自動控制系統(tǒng),在保持脫硝系統(tǒng)現(xiàn)有硬件配置不變的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了持續(xù)、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的達(dá)標(biāo)排放,解決了此類鍋爐的脫硝難題,具有重大的環(huán)境意義和經(jīng)濟(jì)價值。

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