燃煤火電煙氣脫硝智能控制技術現狀及發展趨勢預測

肖 軍 孫衍謙

1.中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司 江蘇 南京 210036

2.中國能源建設集團規劃設計有限公司 北京 100120

1 前言

燃煤火電排放的氮氧化物(NOx)是造成大氣環境污染的重要組分,為此國家明確要求在2020年前350MW以上的燃煤火電廠應全部完成超低排放改造工作,即:凈煙道NOx排放濃度不高于50mg·m-3(僅對于煙氣脫硝而言)。鑒于燃煤火電廠的煙氣溫度較高(約350～420℃),滿足主流脫硝催化劑的反應溫度窗口,選擇性催化還原煙氣脫硝(Selective Catalytic Reduction,SCR)技術被廣泛得到應用。截至目前,燃煤火電廠SCR系統的超低排放改造工作已全部完成,其采用的超低排放改造方案為新增一層脫硝催化劑,通過噴射更多的還原劑促使化學反應平衡右移;然而脫硝催化劑本身具有很強的氧化性,容易將燃煤煙氣中的二氧化硫氧化為三氧化硫,繼而會誘發生成粘性硫酸氫銨,對燃煤火電廠的安全穩定運行造成了較大的威脅[1]。

本文在深入調研燃煤火電廠SCR系統超低排放改造技術方案及優化運行方式的基礎上,從煙氣流場優化、噴氨優化(總量和分區控制)兩大方面剖析了目前燃煤火電煙氣脫硝智能控制技術現狀,并對其發展趨勢進行了客觀的討論,能夠為超改后燃煤火電SCR系統的優化運行提供技術參考。

2 SCR系統相關技術現狀及發展趨勢

2.1 流場優化技術 燃煤火電SCR系統內的流場優化主要通過導流板的優化布置實現,目前“數值模擬+冷態模化試驗”的SCR系統流場優化技術路線已經較為成熟,基本上都可以實現系統煙道內煙氣流場的相對均勻(分布偏差小于15%)。近年來也有一些研究者提出了更進一步的流場優化方案,如包文運等人[2]提出了一種新型的關節擺動式導流板,該方法打破了傳統的固定式導流板模式,擬通過導流板布置方案的在線熱態調整實現變負荷工況下煙氣流場的均勻化。由此看來,在線可調式導流板設計與工程應用可能是未來燃煤火電SCR系統流場優化的發展趨勢。

2.2 智能噴氨優化控制技術 燃煤火電SCR系統內的噴氨控制主要涉及噴氨總量控制與噴氨分區控制兩個方面。

2.2.1 噴氨總量智能控制 SCR系統的大遲滯、非線性特征是造成噴氨總量控制品質不佳的主要原因。傳統的噴氨總量控制方法簡單采用了PID控制單元,以出口NOx濃度或者氨氮摩爾比或者脫硝效率為被調量,通過火電廠實際測量得到的運行參數進行針對性噴氨總量調整,存在很大的技術弊端。近年來,Zhang等人[3]針對燃煤火電SCR系統建立了噴氨總量控制MPC模型,促使系統出口NOx濃度的波動偏差降低了2/3左右;Liu等人[4]明確提出入口NOx濃度變化快且具有測量大遲滯特性是造成噴氨總量控制效果差的重要原因,并建立了無遲滯的入口NOx濃度預測模型,進而實現了對出口NOx濃度的高精度定值控制,并已經完成了較好的工程應用。由此看來,單純PID控制已不能滿足超低排放改造后燃煤火電SCR系統噴氨總量控制的高精度要求,基于先進預測控制的噴氨總量控制方法可能是本領域未來的發展趨勢。

2.2.2 噴氨分區智能控制 SCR系統大煙道截面內煙氣流場、NOx濃度場分布的不均勻性及其變化規律的不確定性是造成噴氨分區控制品質不佳的主要原因。目前燃煤火電SCR系統多采用分區控制式噴氨格柵實現噴氨總量在煙道截面內的再分配,超低排放改造前火電廠多采取噴氨格柵支管手動定期調整的優化方式,諸如劉國富等人提出了一種基于權重閥的噴氨優化方法,可以實現定負荷工況下系統內氨氮當量比的匹配優化。對此,羅志等人提出了一種分區混合動態噴氨技術,該技術主張將SCR系統煙道假想分區,每個區的噴氨量以出口NOx濃度測量結果為依據進行動態調整,但是其技術方案中所涉及的入口分區與出口NOx測點對應性、催化劑活性、催化劑層積灰等存在較大的不確定性,具有一定的局限性。由此看來,基于SCR系統噴氨格柵前NOx濃度、煙氣流速分布式在線監測的噴氨支管前端分區動態噴氨技術可能是噴氨分區智能控制領域的未來發展趨勢。

3 總結與結論

(1)“數值模擬+冷態模化試驗”的SCR系統流場優化技術路線已經較為成熟,在線可調式導流板設計與工程應用可能是未來燃煤火電SCR系統流場優化的發展趨勢;

(2)單純PID控制已不能滿足超低排放改造后燃煤火電SCR系統噴氨總量控制的高精度要求,基于先進預測控制的噴氨總量控制方法可能是本領域未來的發展趨勢;

(3)基于SCR系統噴氨格柵前NOx濃度、煙氣流速分布式在線監測的噴氨支管前端分區動態噴氨技術可能是噴氨分區智能控制領域的未來發展趨勢。