肖 軍 孫衍謙

1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司 江蘇 南京 210036

2.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 北京 100120

1 前言

燃煤火電排放的氮氧化物(NOx)是造成大氣環(huán)境污染的重要組分,為此國(guó)家明確要求在2020年前350MW以上的燃煤火電廠應(yīng)全部完成超低排放改造工作,即:凈煙道NOx排放濃度不高于50mg·m-3(僅對(duì)于煙氣脫硝而言)。鑒于燃煤火電廠的煙氣溫度較高(約350～420℃),滿足主流脫硝催化劑的反應(yīng)溫度窗口,選擇性催化還原煙氣脫硝(Selective Catalytic Reduction,SCR)技術(shù)被廣泛得到應(yīng)用。截至目前,燃煤火電廠SCR系統(tǒng)的超低排放改造工作已全部完成,其采用的超低排放改造方案為新增一層脫硝催化劑,通過(guò)噴射更多的還原劑促使化學(xué)反應(yīng)平衡右移;然而脫硝催化劑本身具有很強(qiáng)的氧化性,容易將燃煤煙氣中的二氧化硫氧化為三氧化硫,繼而會(huì)誘發(fā)生成粘性硫酸氫銨,對(duì)燃煤火電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的威脅[1]。

本文在深入調(diào)研燃煤火電廠SCR系統(tǒng)超低排放改造技術(shù)方案及優(yōu)化運(yùn)行方式的基礎(chǔ)上,從煙氣流場(chǎng)優(yōu)化、噴氨優(yōu)化(總量和分區(qū)控制)兩大方面剖析了目前燃煤火電煙氣脫硝智能控制技術(shù)現(xiàn)狀,并對(duì)其發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了客觀的討論,能夠?yàn)槌暮笕济夯痣奡CR系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行提供技術(shù)參考。

2 SCR系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

2.1 流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù) 燃煤火電SCR系統(tǒng)內(nèi)的流場(chǎng)優(yōu)化主要通過(guò)導(dǎo)流板的優(yōu)化布置實(shí)現(xiàn),目前“數(shù)值模擬+冷態(tài)模化試驗(yàn)”的SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)路線已經(jīng)較為成熟,基本上都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)煙道內(nèi)煙氣流場(chǎng)的相對(duì)均勻(分布偏差小于15%)。近年來(lái)也有一些研究者提出了更進(jìn)一步的流場(chǎng)優(yōu)化方案,如包文運(yùn)等人[2]提出了一種新型的關(guān)節(jié)擺動(dòng)式導(dǎo)流板,該方法打破了傳統(tǒng)的固定式導(dǎo)流板模式,擬通過(guò)導(dǎo)流板布置方案的在線熱態(tài)調(diào)整實(shí)現(xiàn)變負(fù)荷工況下煙氣流場(chǎng)的均勻化。由此看來(lái),在線可調(diào)式導(dǎo)流板設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用可能是未來(lái)燃煤火電SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2 智能?chē)姲眱?yōu)化控制技術(shù) 燃煤火電SCR系統(tǒng)內(nèi)的噴氨控制主要涉及噴氨總量控制與噴氨分區(qū)控制兩個(gè)方面。

2.2.1 噴氨總量智能控制 SCR系統(tǒng)的大遲滯、非線性特征是造成噴氨總量控制品質(zhì)不佳的主要原因。傳統(tǒng)的噴氨總量控制方法簡(jiǎn)單采用了PID控制單元,以出口NOx濃度或者氨氮摩爾比或者脫硝效率為被調(diào)量,通過(guò)火電廠實(shí)際測(cè)量得到的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性噴氨總量調(diào)整,存在很大的技術(shù)弊端。近年來(lái),Zhang等人[3]針對(duì)燃煤火電SCR系統(tǒng)建立了噴氨總量控制MPC模型,促使系統(tǒng)出口NOx濃度的波動(dòng)偏差降低了2/3左右;Liu等人[4]明確提出入口NOx濃度變化快且具有測(cè)量大遲滯特性是造成噴氨總量控制效果差的重要原因,并建立了無(wú)遲滯的入口NOx濃度預(yù)測(cè)模型,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)出口NOx濃度的高精度定值控制,并已經(jīng)完成了較好的工程應(yīng)用。由此看來(lái),單純PID控制已不能滿足超低排放改造后燃煤火電SCR系統(tǒng)噴氨總量控制的高精度要求,基于先進(jìn)預(yù)測(cè)控制的噴氨總量控制方法可能是本領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

2.2.2 噴氨分區(qū)智能控制 SCR系統(tǒng)大煙道截面內(nèi)煙氣流場(chǎng)、NOx濃度場(chǎng)分布的不均勻性及其變化規(guī)律的不確定性是造成噴氨分區(qū)控制品質(zhì)不佳的主要原因。目前燃煤火電SCR系統(tǒng)多采用分區(qū)控制式噴氨格柵實(shí)現(xiàn)噴氨總量在煙道截面內(nèi)的再分配,超低排放改造前火電廠多采取噴氨格柵支管手動(dòng)定期調(diào)整的優(yōu)化方式,諸如劉國(guó)富等人提出了一種基于權(quán)重閥的噴氨優(yōu)化方法,可以實(shí)現(xiàn)定負(fù)荷工況下系統(tǒng)內(nèi)氨氮當(dāng)量比的匹配優(yōu)化。對(duì)此,羅志等人提出了一種分區(qū)混合動(dòng)態(tài)噴氨技術(shù),該技術(shù)主張將SCR系統(tǒng)煙道假想分區(qū),每個(gè)區(qū)的噴氨量以出口NOx濃度測(cè)量結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,但是其技術(shù)方案中所涉及的入口分區(qū)與出口NOx測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)性、催化劑活性、催化劑層積灰等存在較大的不確定性,具有一定的局限性。由此看來(lái),基于SCR系統(tǒng)噴氨格柵前NOx濃度、煙氣流速分布式在線監(jiān)測(cè)的噴氨支管前端分區(qū)動(dòng)態(tài)噴氨技術(shù)可能是噴氨分區(qū)智能控制領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

3 總結(jié)與結(jié)論

(1)“數(shù)值模擬+冷態(tài)?；囼?yàn)”的SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化技術(shù)路線已經(jīng)較為成熟,在線可調(diào)式導(dǎo)流板設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用可能是未來(lái)燃煤火電SCR系統(tǒng)流場(chǎng)優(yōu)化的發(fā)展趨勢(shì);

(2)單純PID控制已不能滿足超低排放改造后燃煤火電SCR系統(tǒng)噴氨總量控制的高精度要求,基于先進(jìn)預(yù)測(cè)控制的噴氨總量控制方法可能是本領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì);

(3)基于SCR系統(tǒng)噴氨格柵前NOx濃度、煙氣流速分布式在線監(jiān)測(cè)的噴氨支管前端分區(qū)動(dòng)態(tài)噴氨技術(shù)可能是噴氨分區(qū)智能控制領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。