燃煤火電煙氣脫硝智能控制技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢預(yù)測

肖 軍 孫衍謙

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

2.中國能源建設(shè)集團(tuán)規(guī)劃設(shè)計有限公司 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,繼而會誘發(fā)生成粘性硫酸氫銨,對燃煤火電廠的安全穩(wěn)定運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)化運行方式的基礎(chǔ)上,從煙氣流場優(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,并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了客觀的討論,能夠為超改后燃煤火電SCR系統(tǒng)的優(yōu)化運行提供技術(shù)參考。

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

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

2.2 智能噴氨優(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,通過火電廠實際測量得到的運行參數(shù)進(jìn)行針對性噴氨總量調(diào)整,存在很大的技術(shù)弊端。近年來,Zhang等人[3]針對燃煤火電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,并建立了無遲滯的入口NOx濃度預(yù)測模型,進(jìn)而實現(xiàn)了對出口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,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)測控制的噴氨總量控制方法可能是本領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢。

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、NOx濃度場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定期調(diào)整的優(yōu)化方式,諸如劉國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。對此,羅志等人提出了一種分區(qū)混合動態(tài)噴氨技術(shù),該技術(shù)主張將SCR系統(tǒng)煙道假想分區(qū),每個區(qū)的噴氨量以出口NOx濃度測量結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行動態(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測點對應(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,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)測的噴氨支管前端分區(qū)動態(tài)噴氨技術(shù)可能是噴氨分區(qū)智能控制領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。

3 總結(jié)與結(jié)論

(1)“數(shù)值模擬+冷態(tài)模化試驗”的SCR系統(tǒng)流場優(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)計與工程應(yīng)用可能是未來燃煤火電SCR系統(tǒng)流場優(yōu)化的發(fā)展趨勢;

(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)測控制的噴氨總量控制方法可能是本領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢;

(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)測的噴氨支管前端分區(qū)動態(tài)噴氨技術(shù)可能是噴氨分區(qū)智能控制領(lǐng)域的未來發(fā)展趨勢。