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。