基于氨逃逸動態目標值的脫硝控制研究

李智彪，劉果

（1.浙江環龍環境保護有限公司，杭州 310000；2.浙江藍天求是環保股份有限公司，杭州 310000）

1 機組概述

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

根據鍋爐廠提供的設計參數，脫硝系統采用“SNCR+SCR”耦合工藝，還原劑采用20%濃度氨水，在鍋爐旋風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，不設置備用催化劑層。

2 面臨問題

機組投運后，發現實際運行參數與原設計參數偏離嚴重，主要表現為：NOx實際生成濃度是設計值的兩倍；旋風分離器入口煙溫低于設計值70℃，且低負荷時低于SNCR脫硝溫度窗口；煙氣量比設計值大20%左右。鍋爐廠家根據經驗調整優化了一、二次風比例等部分參數，但效果不明顯，低氧燃燒時還造成鍋爐飛灰中含炭量嚴重偏高。鍋爐設計參數與實際運行參數對比見表1。另外，由于本鍋爐的主要功能是給工業園區提供蒸氣，因此負荷波動具有幅度大、快速而頻繁的特點，同時鍋爐控制的智能化程度不高，負荷變動時，鍋爐運行參數主要由運行人員手動調整，各項參數調整不同步，導致煙氣參數波動劇烈，采用傳統的PID控制不能保證NOx和氨逃逸穩定達標排放。

表1 鍋爐設計參數與實際運行參數對比表

3 NOx生成濃度和在線監測對脫硝系統控制影響的試驗研究

上述問題在電廠鍋爐中廣泛存在，因此如何在保持現有硬件配置不變的基礎上，通過調整控制方法實現NOx和氨逃逸穩定達標排放，具有重要的意義。

調整控制方法的前提首先是通過試驗摸清影響脫硝的各因子在該鍋爐的具體影響。

3.1 鍋爐負荷（燃燒溫度）對NOx生成濃度的影響試驗

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荷呈正相關性，因此第一個試驗即保持其它條件不變，通過改變鍋爐負荷（燃燒溫度）觀察NOx生成濃度的變化（見表2）。

表2 鍋爐負荷-NOx生成濃度試驗記錄

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

圖1 鍋爐負荷-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

根據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生成濃度試驗記錄

圖2 煙氣含氧量-NOx生成濃度趨勢線

3.3 監測斷面的影響

脫硝系統設置了一套氨逃逸在線監測和一套NOx、O2在線監測。氨逃逸在線監測安裝在空氣預熱器處，NOx、O2在線監測安裝在布袋除塵器后。根據DCS曲線分析，當改變氨水噴射量時，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 基于氨逃逸動態目標值的脫硝系統控制試驗與實踐

4.1 根據監測斷面選擇主次控制因子

基于NOx濃度在線監測與氨逃逸在線監測滯后時間的差異，分別采用兩種監測因子作為主要條件對氨水流量進行PID控制試驗。試驗發現，當采用NOx在線測量值對氨水流量進行PID控制時，因在線監測滯后時間較長，無法根據NOx濃度對氨水流量進行有效調節，多次調整PID參數均不能實現NOx和氨逃逸同時達標排放。當采用氨逃逸濃度來對氨水流量進行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，同時NOx半數時間可實現達標排放。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，進行更進一步試驗。

4.2 根據鍋爐負荷統計達標需要的氨逃逸濃度規律

從影響NOx濃度的各因子中，可看出鍋爐負荷是最主要的影響因子，因此本組試驗即在煙氣含氧量基本相同的情況下，根據鍋爐負荷調整氨水用量，使煙氣NOx排放值保持在30mg/Nm3左右，統計對應負荷下氨逃逸的濃度，得到鍋爐負荷-氨逃逸濃度對應關系（見表4、圖3）。

表4 不同負荷下的氨逃逸濃度

圖3 鍋爐負荷-氨逃逸濃度曲線

4.3 根據煙氣含氧量統計達標需要的氨逃逸濃度規律

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煤量與風量的比例關系。更重要的是這個比例的變化往往很突然，例如當鍋爐負荷調整時，一兩次風量的調整與進煤量不同步或不匹配以及斷煤情況的發生，都會造成煙氣含氧量的突然變化，如果根據氨逃逸在線監測或NOx在線監測數據檢測到變化時再進行調整，必定會造成NOx排放濃度和氨逃逸劇烈波動，使排放數據不合格，而且會使PID調節穩定狀態被打破，如果不進行人工干預，就需要很長時間才能恢復穩定，甚至不能恢復穩定失去自動調節功能。

除了引風機后的O2在線監測外，鍋爐在省煤器位置也配置了O2在線監測，相比于前者，省煤器位置能更早檢測到O2的變化，作為前饋條件調節氨水噴射量，提前削弱NOx和NH3逃逸的波動。

該組試驗保持鍋爐負荷90t/h不變，根據省煤器處煙氣含氧量調節氨水噴射量，使NOx排放值保持在30mg/Nm3左右，統計對應含氧量下氨逃逸的濃度，得到含氧量-氨逃逸濃度對應關系（見表5）。

表5 煙氣含氧量對氨逃逸的影響

通過觀察，正常穩定燃燒時，省煤器處含氧量出現頻率最高的數值在4%左右，因此將4%作為基準氧，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值（見表6）。

表6 煙氣含氧量對氨逃逸濃度的貢獻

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荷對氨逃逸濃度的影響更大，這是因為鍋爐負荷升高時，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NOx排放濃度的影響統計NOx對氨逃逸目標值的影響

鍋爐負荷和煙氣含氧量都是作為調節的前饋條件參與控制，但最終的達標排放仍要以脫硝系統出口的NOx濃度為準。因此再引入NOx濃度作反饋條件參與控制，當NOx濃度高于理想控制值時，增加氨逃逸量，當NOx濃度低于理想控制值時，減少氨逃逸量。

4.5 氨逃逸動態目標值的公式擬定與實踐

在進行了上述試驗后，可以設想在某一工況，可能存在一個平衡點，其氨逃逸濃度是達標的，NOx排放濃度也在理想值附近。而如果能通過某經驗公式，計算出該工況時最合適的氨逃逸濃度，然后通過調節氨水流量使實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目標值，將其作為PID控制目標因子，再將氨逃逸實測值作為PID控制反饋因子，通過調節氨水流量，使氨逃逸實測值趨近氨逃逸目標值，從而實現氨逃逸與NOx的同時達標。

鍋爐負荷-氨逃逸濃度試驗數據擬合成經驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態目標值，mg/Nm3；

a：鍋爐負荷，t/h。

試驗測定值與經驗公式計算值對比曲線見圖5。

圖5 試驗測定值與經驗公式計算值對比曲線

將省煤器處煙氣含氧量-氨逃逸濃度貢獻值試驗數據擬合成經驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態目標值，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-0.108用參數c代替，并允許值長根據需要微調，得到公式：

將公式應用于DCS控制中，通過調整PID參數，將NOx控制在標準要求范圍內，但曲線的起伏仍顯偏大，再根據NOx排放濃度手工微調參數c的試驗，得到一組NOx排放濃度-氨逃逸動態目標值調節量數據。

NOx排放濃度對氨逃逸動態目標值調節量貢獻見表7。

表7 NOx排放濃度對氨逃逸動態目標值調節量貢獻

將NOx排放濃度-氨逃逸動態目標值調節量試驗數據擬合成經驗公式，可得到：

y：氨逃逸動態目標值調節量，mg/Nm3；

d：NOx排放濃度，mg/Nm3。

將公式④、⑤合并，得到：

為了適應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的權重系數0.505和0.015全部參數化，允許值長根據運行經驗進行微調。得到最終的公式：

y：氨逃逸動態目標值，mg/Nm3；

a：鍋爐負荷，t/h；

b：省煤器處煙氣含氧量，%；

c：常數，mg/Nm3（默認取-0.558，允許值長微調）；

d：NOx排放濃度，mg/Nm3；

e：含氧量權重系數（默認取0.4，允許值長微調）；

f：NOx排放濃度權重系數（默認取0.015，允許值長微調）。

將改進的經驗公式重新應用于DCS控制后，取得了非常理想的效果。脫硝系統在完全自動控制的條件下，NOx全天處于20～40mg/Nm3的理想區間，氨逃逸則基本低于2.0mg/Nm3；通過調整常數c，還可將理想區間上調或下移，以達到節約氨水的目的。

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

5 結語

燃煤電廠鍋爐普遍存在煙氣NOx生成濃度高、脫硝區域溫度低、煙氣參數波動劇烈、污染物排放不能持續穩定達標的問題。通過試驗研究，摸清了鍋爐負荷、煙氣含氧量、在線監測等因素對煙氣中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目標值的脫硝控制理念，根據試驗數據擬合出滿足各種工況條件的氨逃逸濃度經驗公式并應用于DCS自動控制系統，在保持脫硝系統現有硬件配置不變的基礎上實現了持續、穩定、經濟的達標排放，解決了此類鍋爐的脫硝難題，具有重大的環境意義和經濟價值。