節能減排背景下火電廠SCR 煙氣脫硝系統建模與分析

寧夏大學新華學院 張詞秀 張詞赟

引言

選擇性催化還原法（SCR），是一種以NH3為還原劑對脫銷系統運行煙道中出現的NOx 進行分解，從而獲得無害N2和H2O的干法脫硝方法。隨著全球自然環境惡化加劇以及我國針對脫銷系統排放要求的日益嚴格，利用SCR 進行煙氣脫銷已經逐漸成為我國化工系統、火力發電系統等應用燃煤機組場景中的主要脫銷方法與體系[1]。然而，現有的燃煤機組SCR 脫銷系統在經過長期超低排放工作以后，普遍存在NH3/NHx氣體分布均勻性控制能力差等問題，嚴重影響了燃煤機組安全、環保、運行，同時也在一定程度上加劇了系統設備腐蝕，影響了燃煤機組長期工作的安全性。本文通過對SCR 脫銷系統工作原理、工作流程等進行分析，對脫銷過程中對系統運行噴氨量最優控制系統進行建模分析，利用粒子群算法得到了一種SCR 煙氣脫銷系統噴氨量最優控制方法，為解決影響燃煤機組脫銷系統超低排放長期運行后的安全、高效運行等次生問題提供技術參考[2]。

1 SCR 脫銷系統

1.1 SCR 脫銷技術

SCR 脫銷技術選擇性催化還原技術中的“選擇性”，是指在催化劑作用和在氧氣存在條件下，NH3優先選擇和燃煤機組煙氣中的NOx發生還原脫除反應，進而獲得無害N2和H2O，而不和燃煤機組煙氣中的O2進行氧化反應的行為，SCR 脫銷體系中主要存在反應式為：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

在非催化反應場景下，上述反應通常在980℃條件下存在，該條件較為嚴苛一般在燃煤機組自然條件下不容易發生。然而，在SCR 脫銷中，催化劑的出現可以大幅降低這反應式發生的溫度，保證該反應在300～400℃條件下即可進行。這一溫度與燃煤機組中鍋爐省煤器與空預器之間的煙氣溫度近似。由于NOx濃度較低，在催化劑條件下該反應為放熱反應，并不會因為催化劑溫度升高而對反應溫度產生影響[3]。

1.2 SCR 脫銷系統工藝流程

SCR 脫銷系統工藝流程見圖1。SCR 脫銷系統主要由SCR催化反應器/ 催化劑系統、煙氣/ 氨氣注入混合系統、煙氣旁路系統、氨的儲存和制備系統、SCR 的控制系統等組成。

圖1 SCR 脫銷系統工藝流程

其中NH3作為氨氣還原劑，主要以液體形態儲存于氨罐中，通過灌裝卡車進行運輸，在進行脫銷工藝時，通過液氨儲槽流入液氨蒸發槽，經由液氨緩沖槽，在稀釋風機的作用下，氣化的氨與稀釋空氣經過混合器等設備噴入SCR 反應器上游的煙氣中進入脫銷化學反應，去除NOx；SCR 催化反應器/ 催化劑系統一般采用高塵布置，利用該布置方法能夠幫助脫銷反應在省煤器與空預器之間的高溫煙道內獲取最佳溫度；煙氣在鍋爐省煤器中被平均分為兩路，各自進入一個單獨的SCR 催化反應器/ 催化劑系統中的催化劑層；反應以后的煙氣進入空預器、電除塵器等裝置進行脫硫等工藝，最終排出煙囪[4]。

2 SCR 脫銷系統建模與分析

2.1 噴氨控制環節工藝分析

SCR 脫銷系統中的噴氨環節，主要保證氨氣進行催化還原工作時的濃度。在較高的脫銷效率工作下運行時，SCR 脫銷系統一旦被鍋爐工況影響，則系統入口的NOx含量將會瞬間發生變化，一旦NOx排放質量濃度超過50㎎/m3，不利于后續反應進行；同時，在我國當前節能減排背景下，NOx的排放被定位于超低臨界值，噴氨控制環節往往容易面臨過度噴氨風險。因此，部分燃煤機組噴氨控制環節能力不足等問題已成為節能減排超低NOx排放形勢下的主要優化方向之一。

2.2 SCR 脫銷系統噴氨量最優控制系統建模

2.2.1 SCR 系統模型

本文以我國西部某700～800 兆瓦電廠運行歷史數據為研究基礎，對該電廠SCR 煙氣脫銷系統按照間隔時間60 秒頻率進行采樣；利用穩態指標對所得數據中的異常值進行剔除，最終得到3σ 標準下的穩態工況數據樣本（共計357 組）用來訓練。本次建模將主要脫銷效率影響因素（如SCR 脫銷系統入口NOx濃度、噴氨量等）作為系統模型的輸入量；將SCR 脫銷系統出口NOx濃度作為唯一輸出量[5]。

MKPLS 法（即多尺度核偏最小二乘法），能夠針對強非線性以及多重共線性等問題，對于本次建模多輸入量可以利用遺傳算法來優化核函數，使得每個核函數與輸入量相對應。根據標準誤差和平均絕對誤差得出模型精度評價指標，其表達式如下：

公式（1）、（2） 中，ei表示測量值表示預測值；s 表示樣本數。

2.2.2 噴氨量最優控制

噴氨量最優控制選用的是模型預測控制，該方法是一種智能控制算法，其輸入量是根據輸出量在進行調整的，輸出量函數取最小值時，再求實際輸出函數的自變量的值。將模型預算控制算法轉化為求解非線性優化問題，如公式（3）：

式（3）中，er表示設定值；h 表示輸入量的變化值；S 表示預測長度；N 表示控制長度；r 表示輸入權重系數；c 表示輸出權重系數。

本文采用POS（粒子群優化）法解決非線性優化問題，最優解是在不斷探索的基礎上最終決定的。在函數計算中，每個粒子都有自身相適應的度，通過粒子相適應的度尋求函數的最優。

2.2.3 案例分析

本文選用陜西某火電廠為研究對象，數據樣本不變，按照取電功率為1000 時超臨界鍋爐SCR 煙氣脫硝進行試驗。非線性優化問題采用粒子群算法，慣性因子設定為0.743，學習因子為1.5243，種群大小為15，迭代次數n=50，噴氨量改變量的范圍設為0 到1.0×105g/h，再根據相關條例設定氮氧化物濃度設定為50mg/m3。

SCR 脫銷系統具有反應機理復雜、大慣性、非線性等特征，傳統的SCR 脫銷系統采用PID 方法進行控制，能夠在非超低脫銷水平下保證煤電機組正常工作。然而，采用傳統PID 方法的最低脫銷率僅不足58%，平均脫銷率也不足60%；利用MKPLS 法進行優化后，在該火電機組出口NOx 濃度最大值60.5mg/m3、平均濃度51.2mg/m3條件下，脫銷率達到了71.95%，達到了優化效果。

由于MKPLS 法優化后的預測控制目標函數中對煤電機組SCR 煙氣脫銷系統中的噴氨量變化量進行了融合，因此在調節噴氨量過程中避免了SCR 煙氣脫銷由于煙氣中NOx濃度變化而帶來的反復變化情況[6]。與一般PID 法相比，利用MKPLS 法優化后的SCR 煙氣脫銷系統有效解決了NOx濃度工況波動大、非線性以及大慣性問題。同時，由于PID 法存在固有缺陷，導致氨氮摩爾比通常需要設置在0.8 左右，極容易導致系統噴氨量不足影響脫銷效率。優化后的工作流程噴氨量得到了高效、精確控制，在不出現噴氨不足或過量噴氨條件下，得到了脫銷效率最高值。

3 結語

隨著我國針對脫銷系統排放要求的日益嚴格，SCR 煙氣脫硝體系已經成為我國化工系統、火力發電系統等應用的主要脫銷方法與體系。傳統的SCR 煙氣脫硝體系普遍存在NH3/NHx 氣體分布均勻性控制能力差等問題，對燃煤機組的安全性具有一定的影響。根據變量間的非線性關系將預測模型與MKPLS 模型相結合，建立了節能減排背景下火電廠SCR 煙氣脫硝系統，該系統在效率上提高脫硝率，同時在環保上實現了噴氨量的精確控制。