葉振起，魏 來，林茂盛

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006)

燃煤電廠鍋爐煙氣中含有大量的有毒有害物質(zhì)，其中汞為首要的金屬有害物質(zhì)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)得知，燃煤電廠鍋爐煙氣中的汞對(duì)環(huán)境造成了大量的污染，占燃煤電廠鍋爐煙氣中有毒有害物質(zhì)的32.9%，因此需要研究?jī)?yōu)化的燃煤電廠鍋爐煙氣脫汞(以下簡(jiǎn)稱為煙氣脫汞)技術(shù)，提高對(duì)燃煤電廠鍋爐煙氣污染的有效治理和控制能力。通過對(duì)煙氣脫汞的參數(shù)優(yōu)化，構(gòu)建煙氣脫汞的工序優(yōu)化控制模型，達(dá)到燃煤電廠鍋爐煙氣中汞的低排放效果。研究煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化方法，在降低燃煤電廠鍋爐煙氣污染及提高環(huán)保治理水平方面具有重要意義[1]。

脫汞是燃煤電廠鍋爐煙氣治理的一個(gè)重要工序，在當(dāng)前方法中，對(duì)煙氣脫汞的參數(shù)優(yōu)化方法主要采用煙氣濃度特征分析方法、主成分分析方法以及排放量的量化分析方法等，建立煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型，結(jié)合煙氣含汞濃度檢測(cè)，進(jìn)行煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化[2-3]，但傳統(tǒng)方法進(jìn)行煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)分析的污染特征分析能力不好。對(duì)此，本文提出煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化方法。首先采用熵權(quán)值技術(shù)分析不同的脫汞參數(shù)對(duì)燃煤電廠鍋爐煙氣濃度的影響；然后構(gòu)建煙氣排放物濃度的量化分析模型，根據(jù)量化特征參數(shù)分析和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化；最后進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)合相關(guān)檢測(cè)分析結(jié)果，分析燃煤電廠鍋爐煙氣的可靠性治理措施。

1 煙氣脫汞技術(shù)研究

1.1 相關(guān)設(shè)備儀器

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化與應(yīng)用研究，結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試方法，構(gòu)建煙氣脫汞熵權(quán)特征分析模型，結(jié)合綜合指標(biāo)參數(shù)，進(jìn)行煙氣脫汞量化參數(shù)分析[4]。煙氣脫汞參數(shù)優(yōu)化需要的儀器如表1所示。

表1 煙氣脫汞需要的儀器

1.2 脫汞技術(shù)參數(shù)的影響

對(duì)反應(yīng)溫度、鍋爐煙氣濃度、汞濃度、NOx與CO濃度等進(jìn)行檢測(cè)，采用等價(jià)約束參數(shù)分析方法，進(jìn)行煙氣脫汞的參數(shù)分析[5]，得到燃煤電廠鍋爐的燃料特性如表2所示。

表2 燃煤電廠鍋爐的燃料特性 單位：%

采用 PP 中空纖煤組合分析方法，分析燃煤電廠鍋爐排放物的汞活性，結(jié)合燃煤電廠鍋爐排放物的有害物質(zhì)計(jì)量分析方法，得到在不同配料方案下燃煤電廠鍋爐排放物的煙氣成分濃度[6]，如表3所示。對(duì)燃煤電廠鍋爐排放物中的粉塵進(jìn)行測(cè)量，隨后進(jìn)入脫汞流程[7]。

由表3可知，優(yōu)化燃煤電廠鍋爐排放物的參數(shù)分布情況，結(jié)合參數(shù)優(yōu)化技術(shù)，可大幅降低燃煤電廠鍋爐中的汞排放濃度。

表3 燃煤電廠鍋爐排放物的污染濃度檢測(cè)

2 煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)評(píng)價(jià)及優(yōu)化分析

2.1 煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)評(píng)價(jià)

采用等價(jià)約束參數(shù)分析方法，建立煙氣脫汞的技術(shù)指標(biāo)約束規(guī)劃模型[8]，得到煙氣脫汞量化尋優(yōu)的動(dòng)態(tài)分布。

(1)

式中：ahi為煙氣脫汞的量化值；M(h)為煙氣脫汞的技術(shù)指標(biāo)約束函數(shù)。在脫汞過程中，聚合和縮聚反應(yīng)同時(shí)發(fā)生，此時(shí)通過計(jì)算技術(shù)參數(shù)Mi的m次方根，可以得到：

(2)

(3)

采用熵權(quán)分析方法，計(jì)算煙氣脫汞的技術(shù)辨識(shí)矩陣A[9]，得到脫汞技術(shù)參數(shù)識(shí)別的最大特征值λmax。

(4)

式中:(A×p)i為煙氣脫汞輸出產(chǎn)物的判斷矩陣A與權(quán)重矩陣p的乘積向量的第i個(gè)分量。結(jié)合歸一化指標(biāo)參數(shù)分析，計(jì)算煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)的一致性指標(biāo)KL。

(5)

式中:H(i)為煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)歸一化向量；m(t)為燃煤電廠鍋爐排放物的煙氣成分濃度系數(shù)。建立模糊決策融合參數(shù)模型，根據(jù)隨機(jī)一致性指標(biāo)分析[10]，構(gòu)建燃煤電廠鍋爐排放物中汞快速熱解的參數(shù)評(píng)價(jià)函數(shù)。

CR=arctan(KL)-|(CI)2+(RI)3|

(6)

式中:RI為合成氣與煤共熱的判斷矩陣；CI為燃煤電廠鍋爐排放物中汞的熱解時(shí)間。分析高溫過程中不同種類汞顆粒的分離特性，在此基礎(chǔ)上對(duì)煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)參數(shù)優(yōu)化[11-13]。

2.2 煙氣脫汞的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化

采用熵權(quán)值分析技術(shù)，分析不同的脫汞參數(shù)對(duì)燃煤電廠鍋爐煙氣濃度的影響。當(dāng)煤燃料單顆粒破裂為多個(gè)顆粒時(shí)，得到燃煤電廠鍋爐排放物中脫汞的較低溫度或加熱速率。

(7)

結(jié)合加熱方式和反應(yīng)器種類，通過綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)，得到煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)的歸一化處理公式。

(8)

在模糊約束指標(biāo)下，得到煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化的熵權(quán)融合的計(jì)算公式。

(9)

式中：r1,r2為煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化熵權(quán)融合系數(shù)。計(jì)算第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值，得到煙氣脫汞的第i項(xiàng)指標(biāo)的熵值ei。

(10)

式中：T(w)為煙氣脫汞的模糊約束指標(biāo)。當(dāng)zij為0時(shí)，煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)的收斂誤差zij×lnzij=0。

基于典型的熱解工藝參數(shù)分析，得到煙氣脫汞的第i項(xiàng)指標(biāo)的熵權(quán)wi。

(11)

采用綜合權(quán)重分析的方法，依據(jù)加熱方式的不同[14]，得到煙氣脫汞的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化計(jì)算公式。

(12)

表4 煙氣脫汞的可靠性約束特征量

3 試驗(yàn)測(cè)試分析

試驗(yàn)測(cè)試中，根據(jù)量化特征參數(shù)分析和數(shù)據(jù)融合技術(shù)，構(gòu)建煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化解析和控制模型，采用不含氧的燃燒氣作為熱源，結(jié)合美國(guó)流化床工藝，進(jìn)行脫汞試驗(yàn)。首先用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行燃煤電廠鍋爐煙氣壓縮處理，在凈化器中進(jìn)行燃煤電廠鍋爐煙氣的鎮(zhèn)定處理；然后對(duì)鍋爐煙氣進(jìn)行汞含量初始測(cè)量，在U形管壓差計(jì)測(cè)量?jī)x中進(jìn)行流量檢測(cè)，經(jīng)過分離裝置實(shí)現(xiàn)汞分離；最后再次采用汞測(cè)量?jī)x進(jìn)行濃度檢測(cè)。煙氣脫汞試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 煙氣脫汞試驗(yàn)裝置

采用動(dòng)態(tài)測(cè)量方法分析燃煤電廠鍋爐煙氣中的污染成分，根據(jù)技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，分析不同的粒徑分布對(duì)煙氣脫汞的影響，結(jié)果如圖2所示。

(a)汞有效分離系數(shù)

由圖2得知，煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化，提高了汞有效分離能力和燃煤電廠鍋爐的燃燒效率。燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞分布質(zhì)量分?jǐn)?shù)如圖3所示。

圖3 燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞分布質(zhì)量分?jǐn)?shù)

由圖3得知，與傳統(tǒng)方法相比，隨著溫度增加，本文方法的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，分離特性較好。進(jìn)一步測(cè)試煙氣脫汞過程中的高溫?zé)峤庑阅埽玫綔y(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 煙氣脫汞過程中的高溫?zé)峤庑阅?/p>

由圖4可知，本文方法下的煙氣脫汞過程中的高溫?zé)峤庑阅芨?。根?jù)上述試驗(yàn)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了對(duì)煙氣脫汞的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化。

4 結(jié)論

本文研究煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化模型，采用等價(jià)約束參數(shù)分析方法，建立煙氣脫汞的技術(shù)指標(biāo)約束規(guī)劃模型，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，得到如下結(jié)論。

a.隨著溫度增加與時(shí)間延長(zhǎng)，燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，在經(jīng)過恒穩(wěn)保持后，提高了汞的分離特性。

b.根據(jù)SO2濃度分布，在PP中空纖維膜組件中進(jìn)行汞分離，采用分級(jí)除汞的方法能夠提高汞的分離能力。

c.在脫汞的過程中，綜合權(quán)重分布與各粒徑微粒含量的分布特性，降低其他污染物的影響。

綜上分析，通過對(duì)煙氣脫汞技術(shù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低了燃煤電廠鍋爐煙氣的有毒物質(zhì)含量，提高了環(huán)境治理水平。