220 t燃煤鍋爐SCR脫硝自動噴氨分析與實踐

黃志偉，陳 健，曹 東

（馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 概況

1.1 鍋爐參數

馬鋼南區#3 鍋爐是上海鍋爐廠生產的220 t/h單汽包自然循環煤粉爐，鋼制構架，呈倒U 形布置。其NOx 排放濃度為350～850 mg/m3，平均排放濃度為600 mg/m3，經低氮燃燒改造后為450 mg/m3（6%O2），通過SCR 脫硝，可將NOx 濃度降至50 mg/m3（6%O2）以下。這是此次課題調試研究的主要對象。主要煙氣參數見表1。

1.2 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原法脫硝技術，簡稱SCR 脫硝技術，廣泛應用于工業鍋爐和電站鍋爐煙氣脫硝的工藝，是能夠達到嚴格氮氧化物排放標準的高效可行的實用脫硝技術，也是目前國際上應用最廣、成效最大的脫硝技術之一。SCR 脫硝技術的基本原理，是在一定溫度條件下，以氨或者尿素作為還原劑，與煙氣中的氮氧化物發生還原反應生成無害的氮氣和水蒸氣，而不與煙氣中的氧氣發生反應，從而達到去除煙氣中氮氧化物的目的。

表1 主要煙氣參數（NOX濃度為低氮燃燒器后平均值）

尿素制備站持續供應50%尿素溶液，輸送至#3鍋爐SCR 脫硝計量分配裝置時，溶液溫度約60 ℃，溶液壓力約0.65 MPa。計量分配裝置，采用流量調節閥控制噴槍尿素溶液流量，經氮氣加壓后噴灑至熱解爐內，生成大量氨氣，由噴氨格柵進入煙道，與省煤器后高溫煙氣混合發生還原反應。

在熱解爐正常運行時，如果尿素溶液流量過低，會導致煙氣氮氧化物超標，無法滿足環保要求，如果尿素溶液流量過高，會導致氨逃逸上升，未能充分參與還原反應的氨氣，在煙氣中生成NH4HSO4，混合粉塵雜質后，容易堵塞空預器，影響鍋爐燃燒效率。

尿素溶液分配計量裝置，有尿素溶液流量調節閥，能夠高精度控制尿素溶液流量，滿足熱解爐噴氨量的精準控制。脫硝區域設備與測點，均已接入脫硝DCS 控制系統，在DCS 系統組態自動控制邏輯，實現熱解爐噴氨高品質自動調節，這是此次課題研究的主要目標。

2 控制系統與品質要求

2.1 控制系統

被控對象是鍋爐煙道的高溫煙氣，被控變量是SCR 反應區出口煙氣的NOX濃度，以下簡稱“出口NOX”，環保控制要求鍋爐出口NOX不得超過50 mg/m3。調試期，暫定出口NOX的設定值為30 mg/m3。

操縱變量是進入熱解爐噴槍的尿素溶液流量。執行器為尿素溶液流量調節閥，以下簡稱“尿素調節閥”（下同）。管道通徑DN15，最大流量300 L/h。

2.2 控制品質要求

2.2.1 被控變量

自動噴氨投運期間，需滿足以下要求：

（1）為符合鍋爐煙氣環保達標排放，SCR反應區出口NOX濃度不得高于50 mg/m3。

（2）避免氨逃逸超標，SCR 反應區出口NOX濃度不得低于10 mg/m3。氨逃逸含量以現場微量氨表計測量為準，設計要求NH3濃度不高于3 mg/m3。

2.2.2 操縱變量

自動噴氨投運期間，需滿足以下要求：

（1）尿素溶液流量不大于126 L/h。尿素熱解爐設計出力38.8 kg/h（以NH3計）；折合干尿素耗量70 kg/h，65 ℃時50%尿素溶液密度為1 113 kg/m3，折合尿素溶液約126 L/h。

（2）噴氨自動應保證噴槍最小尿素溶液流量。

（3）在滿足控制要求的前提下，盡可能地減少流量調節閥的動作次數。

2.3 控制擾動分析

SCR脫硝噴氨自動控制主要擾動是鍋爐燃燒工況變化。鍋爐煙氣中NOX成分主要由NO 和NO2組成，二者發生實時雙向轉化反應，有部分NO 轉化成NO2，也有部分NO2轉化NO，煙氣中的氧含量決定了二者在煙氣的成分比例。當鍋爐燃燒調整時，無論是送風量發生改變，還是燃料量發生改變，煙氣的氧含量都會出現較大幅度的波動，進而影響煙氣中NOX的質量濃度。與此同時，為了準確測量煙氣中NOX濃度，測量煙氣含氧量作為NOX濃度標況折算的重要因子，當煙氣含氧量發生改變時，NOX濃度標況折算也會出現較大幅度變化。二次熱風的溫度、壓力與鍋爐燃燒負荷相關性較大，其對噴氨自動的擾動影響，直接納入鍋爐燃燒噴氨自動的擾動。

電加熱器、稀釋風機是SCR 脫硝區域的主要動力設備，鍋爐正常運行時，電加熱器功率調節的頻次與幅度都不大，稀釋風機啟動調整達到要求風壓后，幾乎不作調節。噴氨自動調節暫時不考慮電加熱器、稀釋風機的擾動影響。但是考慮實際最大噴氨量，需提前調整后電加熱器功率輸出、稀釋風機入口風門開度。

鍋爐燃燒是噴氨控制的最主要的擾動因素，綜合鍋爐燃燒的幾方面參數考慮，如給煤量、送風量、主蒸汽流量等，認為主蒸汽流量是最穩定可靠的測量參數，所以選擇主蒸汽流量為噴氨自動控制的前饋信號。

3 邏輯組態與調試

SCR 脫硝噴氨自動控制是單回路控制，被控變量是SCR 反應區出口NOX濃度，執行器是尿素溶液流量調節閥，PID 調節器選擇正作用，使得控制系統達到負反饋的效果。該控制系統存在滯后時間長、擾動因素多等技術難點，課題選用“PID 整定+前饋修正”的方式，達到系統自動噴氨的目的。

3.1 PID參數整定

脫硝DCS 控制系統，采用南京科遠NT6000 系統。經跟蹤調試后，PID 調節器參數整定如下：XP=0.13；TI=335；TD=1.45。組態邏輯見圖1。

3.2 前饋修正

主蒸汽流量傳輸量程為0～300 t/h，鍋爐額定負荷220 t/h.在同等運行條件下，鍋爐負荷升高的過程中，煙氣含氧量容易降低，測量NOX濃度下降，鍋爐負荷下降的過程中，煙氣含氧量容易上升，測量NOX濃度上升。

圖1 PID調節器組態邏輯

根據燃燒對噴氨自動的影響特性，可以認為鍋爐主蒸汽流量與噴氨自動的偏差運算有著極性相反的作用，所以選擇“(300-a)/2.6”作為噴氨自動前饋的修正值。其中“300”為傳輸量程最大值，“1/2.6”為調試修正系數。

3.3 解除噴氨自動

熱解爐電加熱器有變頻器調節功率，控制熱解爐尾部氨氣溫度不低于340 ℃。為避免自動噴氨時出現尿素溶液熱解不充分，設置熱解爐尾部氨氣溫度低聯鎖，當溫度低于330 ℃時，系統解除噴氨自動程序，發出狀態報警，由運行人員進行調整。待熱解爐溫度調整正常后，可恢復噴氨自動投運。

3.4 輸出限制

PID 調節器的輸出值，主要是有偏差運算、前饋修正后計算得出。考慮極端情況出現，信號的測量變送出現錯誤，PID 調節器的測量值“出口NOX 濃度”、前饋信號“鍋爐主蒸汽流量”的虛假數值，都會導致PID調節器有錯誤輸出。組態邏輯見圖2。

圖2 PID調節器輸出限制組態邏輯

為保證系統安全，限定PID 調節器的輸出值在常用工作區間，哪怕信號丟失或異常，不會造成尿素斷供或過量噴氨。同時設計測量流量超限140 L/h，為危險值，強制輸出值高限設置為70%。根據手動調節歷史數據，低限值定40%，高限值由溶液壓力決定。尿素溶液壓力越高，區間高限值越低，見表2，這是由理論尿素總量不超過126 L/h決定的。

表2 調節器輸出高限對照表

3.5 調試成果

通過一段時間地跟蹤調試后，#3 爐噴氨自動基本投運正常，截取2019 年7 月16 日10 時 至14 時4個小時的歷史曲線，見圖3，可以看出：

（1）設定值30 mg/m3，被控變量最大值42 mg/m3，能滿足超低排放要求，最小值20 mg/m3，能滿足生產指標要求。

圖3 噴氨自動曲線圖

（2）鍋爐負荷主蒸汽流量最大值232 t/h，最小值193 t/h。其負荷波動幅度接近20%額定負荷，能代表絕大多數運行工況。

（3）區間4 h 時間，執行器動作57 次，平均每4.2 min動作一次，符合自動控制的品質要求。

4 總結

引用前饋修正的方法，降低了鍋爐燃燒波動對噴氨自動的擾動影響，PID 調節器微分整定解決了噴氨控制的超長滯后時間的問題。提高了熱解爐噴氨自動控制的精準程度，既滿足了超低排放效果，又降低了空預器堵塞風險，減少了尿素溶液的消耗浪費。