我国“十二五”规划明确将氮氧化物(NOx)总量控制纳入环境治理的重点｡2015年“两会”期间要求打好节能减排和环境治理的攻坚战,SO2､NOx排放应分别减少3%和5%,要深入实施大气污染防治行动计划,实行区域联防联控,推动燃煤电厂超低排放改造,促进重点区域煤炭消费零增长｡

循环流化床(circulatingfluidizedbed,CFB)锅炉燃烧技术由于其高效､低污染､燃料适应性强和污染物排放低的优点,近几年得到了迅速发展｡一般情况下,CFB锅炉生成的NOx质量浓度(以下简称“浓度”)在200~300mg/m3(标准状态,下同),因此对烟气中的NOx脱硝效率要求在50%~80%即可实现低排放要求｡选择性非催化还原(ivenon-catalyticreduction,SNCR)脱硝技术与CFB锅炉烟气脱硝具有较高的契合度:CFB锅炉炉膛出口温度适合SNCR烟气脱硝,NOx初始浓度低,脱硝效率要求不高,因此在循环流化床锅炉上应用SNCR技术对系统进行改进即可实现超低排放｡

1、SNCR脱硝技术

SNCR脱硝技术,就是在不添加催化剂的条件下,在炉膛烟气适宜温度下加入还原剂与烟气中的NOx反应生成N2和H2O｡

1.1 SNCR工艺原理及其系统

一般SNCR烟气脱硝系统的还原剂主要是氨和尿素｡

以氨(NH3)为还原剂时的化学反应式为

以尿素(CO(NH2)2)为还原剂时的化学反应式为:

以氨为还原剂时,没有副产物产生且装置简单适合烟气脱硝处理;以尿素为还原剂时,在反应过程中可能产生CO的排放问题｡

SNCR烟气脱硝系统主要包括还原剂储存系统､还原剂配送系统､还原剂吹脱混合系统､还原剂计量系统､还原剂喷射系统以及其他工艺辅助系统(电气､控制以及其他公用设施)｡某电厂SNCR烟气脱硝系统是以质量分数为20%~25%的液氨为还原剂,脱硝工艺流程如图1所示｡

1.2 SNCR的技术特点

SNCR技术应用在CFB锅炉上具有以下优点:

a)烟气脱硝装置的安装不需要改变现有锅炉设备,只需添加还原剂的储存装置和喷射装置,系统结构简单｡

b)系统投资小,与选择性催化还原(ivecatalyticreduction,SCR)技术相比,在系统运行中不需要昂贵的催化剂,特别适合锅炉的改造｡

c)阻力小,烟气脱硝系统投入整个系统中对锅炉的正常运行影响较小｡

d)脱硝的还原剂一般为含有氨基的物质,还原剂来源广泛｡

e)SNCR脱硝运行过程中无固体和液体的污染物或副产物产生,没有二次污染｡

2、SNCR脱硝控制系统

2.1、SNCR脱硝系统控制基础

SNCR脱硝控制系统是根据机组负荷变化､燃煤煤质变化､烟气流量变化以及烟气中NOx浓度变化等情况,通过调节加入的氨量来控制烟气出口排放的NOx浓度｡

烟气脱硝控制在实施过程中主要对以下情况进行调整:NOx测量信号存在较长滞后,不能快速反应;整个烟气脱硝系统具有大迟延和大惯性｡

2.2 烟气脱硝的控制方式———固定物质的量比控制和出口NOx定值控制

固定物质的量比控制方案是基于脱硝效率的控制方式,根据脱硝效率调节氨气流量的调节阀;出口NOx定值控制是使出口NOx浓度保持在一定值,比固定的物质的量比更容易监视,还原剂的消耗量比较小｡

烟气脱硝是一个典型的大迟延､大滞后的反应过程,负荷确定的条件下燃煤煤质变化或者风量的变化都会引起出口NOx浓度出现较大的波动,常用的烟气脱硝控制技术还必须对波动现象进行补偿｡

2.3烟气脱硝控制系统———出口NOx浓度和氨流量串级控制

烟气脱硝控制一般是带有前馈的串级控制系统｡系统自动运行时,出口NOx浓度的比例积分微分(proportionplusintegrationplusdifferentia-tion,PID)控制器作为主回路,氨水的PID控制器为副回路｡当出口NOx浓度与设定值比较出现偏差时,NOx浓度调节器(主调)根据偏差调节喷氨流量信号,通过调节氨气流量调节阀改变喷氨量,使出口NOx浓度等于给定值｡常规的烟气脱硝系统如图2所示,图3为烟气脱硝串级控制系统的结构｡

3、烟气脱硝控制系统改进及仿真分析

3.1 脱硝控制系统试验

对控制对象进行试验,调节阀阶跃扰动下可以得到氨气流量响应曲线和出口NOx浓度对氨气流量的响应曲线｡

氨气流量响应函数

式中s表示一个复数变量｡出口NOx浓度响应函数

利用MATLAB工具箱对控制对象和串级控制系统做阶跃响应可得到如图4所示的3条曲线｡

从图4可以看出,氨流量能够快速响应但存在一定的超调量,出口NOx浓度曲线具有较长调节过程,烟气脱硝系统的串级响应曲线超调量较大,调节时间较长｡

3.2 烟气脱硝系统改进及相应曲线分析

在烟气脱硝控制系统中,由于出口NOx浓度响应迟延的存在,使得控制量不能及时受到控制,整个脱硝过程必然会产生较明显的超调量和较长的调节时间｡对烟气脱硝系统进行改进,目的是减小系统超调,缩短调节时间｡图5为改进后的控制系统的结构｡

图5所示的改进控制系统主要是在主回路中加入一个补偿器来消除系统纯滞后的影响,同时通过调整控制器参数降低系统超调量,缩短系统调节时间｡通过整定控制器,利用改进的控制系统可以得到系统的响应曲线,图6为串级控制响应曲线和改进控制后的响应曲线｡

由图6可以看出,在原串级控制基础上对控制系统进行改进后,系统响应速度明显加强,超调量减小,调节时间缩短,控制品质得到明显提升｡

针对氨逃逸和氧含量的影响,还需要优化炉膛出口烟气流动,加强还原剂与NOx的反应,并调整锅炉燃烧方式,将脱硫与脱硝耦合,控制燃烧过程中的空气系数｡

4、结论

a)大气污染物的控制逐渐加强,进一步降低NOx的排放是必须解决的问题｡对于一些燃用低热值煤的CFB锅炉,投资费用小,经济效益高的SNCR烟气脱硝系统是可行的｡

b)对SNCR烟气脱硝系统的控制系统进行改进,可以实现系统优化,降低超调量,同时缩短调节时间｡通过改进后的控制仿真曲线可以看出,改进后的控制效果要比原来的系统效果好｡进一步对控制系统优化可以将模糊控制､神经网络､自适应控制､专家控制等先进控制技术应用在系统中｡

c)为了实现机组的超低排放,应进一步优化锅炉燃烧方式,同时充分发挥燃煤电厂脱硫､脱硝､脱汞一体化的优势｡