水泥窯SNCR系統控制邏輯現狀

唐新宇 崔小璇 許 炎

1天津中材工程研究中心有限公司（300400）2湖州白峴南方水泥有限公司（313100）

氮氧化物是一種對環境有害的污染物，容易引起酸雨等危害。為了加強環境保護，我國制定了GB 4915—2013《水泥工業大氣污染物排放標準》，控制氮氧化物排放。目前水泥工業較多采用選擇性非催化還原技術（Selective non-catalytic reaction，即SNCR）降低氮氧化物排放。SNCR因其具有技術改造簡單、投資小等優勢而得到了較為廣泛的應用。但是水泥SNCR的控制目前較不成熟，具有排放易超標、氨水用量大、使用成本高等缺點，其主要原因就是SNCR的控制邏輯并不理想。

1 水泥窯SNCR控制邏輯現狀

最傳統的水泥工業SNCR控制邏輯是定排放濃度調節。當煙囪氮氧化物排放濃度在目標范圍內（如280～320 mg/m3）時，控制系統不進行反饋調節；當氮氧化物排放濃度低于目標范圍（如小于280 mg/m3）時，控制系統降低氨水泵的調節頻率（或固定氨水泵的調節頻率而減小閥門開度），從而降低氨水的流量；當氮氧化物排放濃度高于目標范圍（如大于320 mg/m3）時，控制系統增加氨水泵的調節頻率（或固定氨水泵的調節頻率而增大閥門開度），從而增加氨水的流量。但是由于煙囪與噴氨點的距離遙遠，煙氣分析儀的滯后時間往往在5～10 min，很容易出現氮氧化物排放濃度超標等現象。部分SNCR系統采用不同的PID控制，但是由于水泥工業的氮氧化物排放濃度波動極大，變化頻率快，因此控制系統調節頻繁，很容易因系統振蕩而無法收斂。

在定排放濃度的基礎上，部分水泥SNCR系統采用定流量調節，即氨水泵的噴射流量固定，只要保證氨水有足夠的流量，就可以保證氮氧化物排放濃度達標。但是采用此種控制方式常常出現氮氧化物排放濃度過低、氨水流量過大的問題，容易造成浪費，且需要人工定期干預。

因此，傳統SNCR系統具有調整嚴重滯后于氮氧化物排放濃度變化的特點，存在氮氧化物濃度超標、氨水用量大、使用成本高、需要人工干預等缺點。

2 水泥窯SNCR控制邏輯研發進展

2.1 根據煙囪參數反向控制

由于傳統SNCR具有嚴重的滯后性，很多研究者開始利用煙囪的氮氧化物排放濃度并附加其他指標來減少滯后的不利影響。專利CN105938375A[1]利用煙囪內的煙氣流量Q和煙囪中的氮氧化物濃度，根據流量計算值和實測值設定判定公式，反向計算初始氮氧化物濃度，對還原劑流量計算值進行調整，使得實測氮氧化物濃度不斷逼近目標氮氧化物濃度、還原劑流量不斷趨近計算流量。該方案的好處是，初始參數設定后，系統自動調整運行，對初始氮氧化物濃度實現自動跟蹤、自動計算，并自動改變氨水流量，從而減少操作人員的工作量。但是專利CN105938375A存在一些問題:該解決方案在系統自動反向計算初始氮氧化物濃度時，假定此時間范圍內初始氮氧化物濃度不變，從而進行跟蹤；但是初始氮氧化物濃度往往波動非常頻繁，特別是在目前超低排放背景下，初始氮氧化物的排放濃度很不穩定，該方案的自動調整過程較難實現連續穩定運行。董慶武[2]考慮到水泥窯SNCR系統的大延遲、時變特性、影響因素較多等特點，認為無法建立精確的數學模型，其通過分段式多級控制模式實現不同的響應，具體是根據煙囪的氮氧化物排放量和氨逃逸情況來控制還原劑的噴入量，其缺點與專利CN105938375A類似，均無法徹底避免滯后問題。

2.2 在噴氨區前后設置氣體成分分析儀等設備

為了消除滯后性，專利CN104793651A[3]提出:在分解爐的噴氨區進口設置溫度傳感器、煙氣流量監測傳感器和第一氮氧化物濃度檢測傳感器；在分解爐出口設置第二氮氧化物濃度檢測傳感器和氨氣濃度檢測傳感器。由于可以實時測量噴氨區進口的煙氣流量、氮氧化物濃度以及噴氨區出口的氮氧化物濃度和氨氣濃度，縮短了SNCR系統控制的延遲時間、大大降低了氨水流量改變的滯后性、提升了反應靈敏度；同時由于噴氨區出入口的氮氧化物濃度已知，在一定程度上消除了氮氧化物排放濃度影響因素眾多、變化非線性的缺點。此外，專利CN104793651A還提出了利用溫度修正系數、氨逃逸修正系數等參數調整控制邏輯的方法。但是，該方案存在一些現實問題:分解爐的噴氨區進口、分解爐出口的工作條件惡劣，煙氣溫度達到850℃～950℃，粉塵濃度高達500～1 500 g/Nm3，工業應用中的少量使用的氮氧化物濃度檢測傳感器的準確度、精密度均較低且故障率極高，數據利用價值低；現有的煙氣流量監測傳感器、氨氣濃度檢測傳感器尚無法適應此處的安裝條件，氨逃逸修正參數更是無法獲得。因此，專利CN104793651A的方法受制于現實因素，根本無法實現。

水泥熟料生產并非是穩定的生產過程，水泥各種原燃料的成分變化、投加量的變化，水泥工藝設備性能的變動，都會引起水泥工藝的變化，從而影響氮氧化物的生成，僅靠溫度修正系數、氨逃逸修正系數來微調，與實際情況的偏差較大。

2.3 引入窯系統參數參與控制

專利CN111665711A[4]考慮到窯系統運行多種工藝參數的影響，利用窯系統的參數變化預測氮氧化物以及氨水的消耗量，設計了多變量輸入輸出的控制器，將喂煤量、污泥加入量列入SNCR調整，包括氮氧化物排放濃度在內的任何一個參數發生變化，都會對SNCR的氨水用量進行調整，多種參數變化時則會同時參與到控制中。相較于傳統SNCR系統，該方案的優點是綜合考慮了部分窯況參數的影響，因此SNCR調整更加準確、及時。但是該方案也存在明顯缺點:①將水泥窯對SNCR的影響抽象為喂煤量、污泥加入量兩個參數，忽略了其他水泥工藝參數對SNCR的影響，精確度不高；②將喂煤量、污泥加入量對SNCR的影響主觀定性為線性影響，與實際SNCR差距極大，因此控制效果并不理想。

2.4 數值模擬調整控制

數值模擬技術的發展，給研究者提供了一些新的思路。專利CN203043832U[5]用CFD建立模擬流場，確定分解爐內的速度場和溫度場，從而找到最佳的噴射位置，確保反應有合適的溫度窗口和足夠的反應時間，使脫硝效率得到提高。但是目前的水泥工業分解爐內模擬流場研究，多數是穩態模擬，尚沒有公認成熟的技術用于水泥生產；而專利CN203043832U是采用非穩態模擬調整SNCR控制，與實際工況更是相距甚遠，目前還沒有使用的可能性。劉曉東[6]針對水泥SNCR的大滯后特性，基于閥門開度-NOx濃度特性設計了DMC理論控制器，主要根據反應區溫度來調整氨水流量，但是對水泥脫硝過程中的強擾動問題只能設計專家規則表，在發生強擾動時切換到專家規則，根據氮氧化物排放濃度強制規定氨水流量，所以只能在氮氧化物波動較小、水泥生產參數較為穩定時使用。

2.5 噴射點溫度調整控制

CN203281218U[7]考慮到噴槍噴入氨水的反應溫度不理想，在每只噴槍上設置溫度探測器，根據不同的溫度調整氨水流量。CN112403250A[8]更是用一種聲波測溫裝置來協同控制水泥窯SNCR。這種方案的問題是單純以噴射點溫度作為SNCR反應的最大影響因素而忽略了其他因素，因此其在理論上并不合理，并不能對系統實現有效的調整。

3 水泥窯SNCR控制邏輯目前的問題及未來發展趨勢

由前述可知，水泥行業SNCR系統控制的問題主要有以下幾點:

1）傳統SNCR的煙囪煙氣分析儀與SNCR反應區距離遠，容易出現氮氧化物排放濃度超標等現象，且水泥工業的氮氧化物排放濃度波動極大、變化頻率快，以煙囪煙氣分析儀反饋數據作為SNCR的控制參數存在嚴重的滯后性。即使有研究者采用增加煙氣流量、氨逃逸參數等多種控制策略，但是仍然無法解決這一問題。

2）水泥窯各工藝參數變化、氮氧化物排放濃度等與SNCR控制的邏輯關系尚不明確，數值模擬結果在現階段也無法指導生產。現在的控制邏輯不能有效地通過工藝參數變化來預測氮氧化物排放濃度，從而控制SNCR系統。

3）目前的SNCR控制系統主要是控制氨水流量，并未實現對壓縮空氣流量的調節，一般僅僅起到計量、監控的作用。

因此，未來適合中國水泥工業的SNCR控制系統，應該具有如下特點:

1）能夠快速地反饋噴氨脫硝區域的氮氧化物排放濃度，同時建立起適應于水泥工業氮氧化物排放濃度波動極大、變化頻率快的控制邏輯。

2）能夠利用水泥窯主要工藝參數，建立起有效的氮氧化物排放濃度預測模型，從而指導控制邏輯。

3）控制氨水流量與壓縮空氣流量的匹配度，使噴槍達到較好的霧化效果。