水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原超低NOx排放控制技術(shù)

張佳鈺 范浩杰 余岳峰 朱小磊 張忠孝

上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院

0 引言

國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，推動能源領(lǐng)域向高參數(shù)、高容量方向發(fā)展；環(huán)保意識的不斷增強，推動能源應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展清潔能源和污染物治理技術(shù)。從我國的能源儲備和消費結(jié)構(gòu)來看，煤炭資源仍然處于主導(dǎo)地位。煤炭燃燒會產(chǎn)生煙塵、SO2、NOx等污染物，破壞周圍的大氣環(huán)境，危害人類身體健康。因此，為表明國家對環(huán)境保護(hù)的決心、明確煤炭利用的發(fā)展方向，國家制定了大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，對電力、鋼鐵、化工、水泥建材等煤炭利用主要行業(yè)提出更高的要求。根據(jù)國家現(xiàn)行火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)GB13223-2011，燃煤鍋爐的煙塵、SO2、NOx的排放量應(yīng)分別控制在30 mg/m3、現(xiàn)有鍋爐200 mg/m3（新建鍋爐100 mg/m3）、100 mg/m3以內(nèi)[1]。為進(jìn)一步控制煤電行業(yè)的污染物排放，環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)改委和國家能源局聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，文件嚴(yán)控大氣污染物排放，對東部發(fā)達(dá)地區(qū)提出煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3的要求[2]。

為控制煙氣中煙塵、SO2、NOx等污染物的排放量，燃煤電廠增設(shè)除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)和脫硝系統(tǒng)。現(xiàn)有的脫硝技術(shù)可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硝[3,4]。燃燒前脫硝是對燃料進(jìn)行脫氮處理，轉(zhuǎn)化為低氮燃料。燃燒中脫硝是在燃燒過程中對NOx的生成進(jìn)行控制，如控制燃燒溫度、降低反應(yīng)區(qū)氧濃度、減少高溫區(qū)的燃料停留時間等，或在爐內(nèi)對已生成的NOx進(jìn)行還原。燃燒后脫硝是處理煙氣中的NOx，如選擇性催化還原SCR技術(shù)和選擇性非催化還原SNCR技術(shù)。目前主要采用的是燃燒中脫硝和燃燒后脫硝，相關(guān)技術(shù)有低氮燃燒、空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)、SCR、SNCR[5,6,7,8]等。為實現(xiàn)NOx的超低排放，可將多種脫硝方式聯(lián)合應(yīng)用或進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化，如低氮燃燒LNB+選擇性催化還原SCR[9]、高效SCR煙氣脫硝、低氮燃燒+SNCR+高效SCR煙氣脫硝[10]、預(yù)熱燃燒技術(shù)[11,12,13]、預(yù)熱燃料燃燒器+深度空氣分級等[14]。本文針對燃煤鍋爐煙氣中NOx的脫除，提出水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原超低NOx排放技術(shù)，并對水煤漿氣化機理和催化還原機理進(jìn)行分析。在了解水煤漿氣化爐工藝流程，分析氧煤比、爐溫等重要參數(shù)的基礎(chǔ)上，提出一個有效氣流量和氣化爐溫度協(xié)同控制策略，并具體說明控制系統(tǒng)設(shè)計步驟。

1 水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原技術(shù)

為達(dá)到火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，本文提出水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原技術(shù)。該技術(shù)將水煤漿氣化技術(shù)和催化還原法相結(jié)合，以降低燃煤鍋爐煙氣中NOx含量，實現(xiàn)火電廠超低氮排放。

1.1 技術(shù)路線

水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原技術(shù)是將水煤漿熱解氣和氨水噴入爐膛，以還原煤炭燃燒過程產(chǎn)生的NOx。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括水煤漿熱解氣制備系統(tǒng)、氨水溶液輸運系統(tǒng)、還原劑分配系統(tǒng)及鍋爐系統(tǒng)。水煤漿熱解氣制備系統(tǒng)分為制漿系統(tǒng)和熱解系統(tǒng)，制漿系統(tǒng)將原煤、水和添加劑按照一定比例混合，經(jīng)過加工制成設(shè)計濃度的水煤漿燃料；熱解系統(tǒng)將制備好的水煤漿和空氣（氧氣）噴入氣化爐，經(jīng)過氣化反應(yīng)生成以CO和H2為主的熱解氣。氨水溶液輸運系統(tǒng)負(fù)責(zé)氨水溶液的儲備和輸送，根據(jù)需要進(jìn)行一定量氨水溶液的輸送。還原劑分配系統(tǒng)根據(jù)鍋爐的運行工況和實際需要，分配熱解氣和氨水溶液的噴入量，再由熱解氣和氨水溶液輸運系統(tǒng)將還原劑送入鍋爐。鍋爐系統(tǒng)是CO、H2、氨水等還原劑與NOx反應(yīng)的主要場所，將爐內(nèi)產(chǎn)生的NOx還原為氮氣。該技術(shù)通過多種還原劑進(jìn)行爐內(nèi)NOx還原，最大程度降低煙氣中NOx的含量，實現(xiàn)NOx的超低排放。

1.2 原理分析

水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)NOx的超低排放，其工作原理包括水煤漿氣化機理和催化還原機理。

1.2.1 水煤漿氣化機理

水煤漿氣化過程包括蒸發(fā)、熱解、燃燒和氣化四個階段。水煤漿和氧氣同時送入氣化爐，水煤漿在噴嘴的作用下霧化為小液滴。隨著溫度的升高，水煤漿液滴中的水分蒸發(fā)，變?yōu)槊悍垲w粒。當(dāng)溫度進(jìn)一步升高，煤粉顆粒發(fā)生熱解并釋放出結(jié)合水和揮發(fā)分。在氣化爐的高溫環(huán)境下，煤粉顆粒迅速燃燒，與氧氣反應(yīng)生成CO、CO2等氣體，并放出大量熱量。由于燃燒反應(yīng)不斷消耗氣化爐內(nèi)的氧氣，煤粉顆粒與水蒸氣、CO2等氣體反應(yīng)，生成CO、H2等還原性氣體[15,16]。燃燒和氣化階段氣化爐中發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)式如表1所示。

表1 氣化爐中主要化學(xué)反應(yīng)式

1.2.2 催化還原機理

水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原技術(shù)將熱解氣和氨水溶液噴入爐膛，熱解氣中有CO、H2等還原性氣體，氨水蒸發(fā)后得到還原性氣體NH3。三種還原劑在爐膛內(nèi)與NO、NO2等NOx反應(yīng)，生成N2、CO2和H2O[17,18,19]。鍋爐內(nèi)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)式如表2所示。

圖1 水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原系統(tǒng)

表2 鍋爐內(nèi)主要化學(xué)反應(yīng)式

2 水煤漿氣化爐控制策略

在水煤漿熱解氣和氨復(fù)合還原系統(tǒng)中，水煤漿熱解氣制備系統(tǒng)是一個多變量、非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。為保證NOx的超低排放，應(yīng)實現(xiàn)熱解氣的穩(wěn)定按需制備，為提高系統(tǒng)的自動化程度，應(yīng)實現(xiàn)水煤漿氣化爐的自動控制。在水煤漿氣化爐運行過程中，氧煤比、爐溫等參數(shù)對氣化過程有重要影響。為建立水煤漿氣化爐控制對象模型、制訂合理的控制策略，對幾個重要參數(shù)進(jìn)行具體分析。

2.1 重要參數(shù)

2.1.1 氧煤比

氧煤比是氣化爐運行過程中一個重要參數(shù)，直接關(guān)系到碳轉(zhuǎn)化率、比煤耗、比氧耗、熱解氣有效氣成分等。隨著氧煤比的增加，水煤漿燃料減少，氧氣增加，氣化爐內(nèi)的燃燒反應(yīng)更加完全，釋放更多的熱量使得爐溫升高，促進(jìn)氣化反應(yīng)的進(jìn)行。因此，氧煤比的增加使得碳轉(zhuǎn)化率升高、比氧耗和比煤耗降低。然而，氧氣增加使得爐內(nèi)燃燒反應(yīng)更加完全，促進(jìn)CO和H2與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生CO2和H2O，導(dǎo)致熱解氣中有效氣成分減少[16,20,21,22,23]。從這一角度出發(fā)，增加氧煤比會提高生產(chǎn)成本。綜合考慮對碳轉(zhuǎn)化率、比煤耗、比氧耗、熱解氣有效氣成分等因素的影響，氧煤比應(yīng)當(dāng)維持在一定范圍內(nèi)，兼顧生產(chǎn)成本和氣化效果。

氧煤比表示氧化劑和水煤漿燃料的比例關(guān)系，受到煤漿濃度、煤質(zhì)、爐型等因素的影響。就煤質(zhì)而言，煤中的固定碳和灰分是影響氧煤比的主要組分。煤中的固定碳含量越多，燃料燃燒所需的氧氣量越大，則氧煤比越大。煤中的灰分最終以液態(tài)灰渣的形式排出爐體，灰分的熔化消耗大量的熱量，需要提高氧煤比以維持氣化爐的溫度。因此，高灰分燃料要求高氧煤比運行。就煤漿濃度而言，煤漿濃度越高，單位體積燃料燃燒所需的氧氣量越大，水分蒸發(fā)所需的熱量越多，則氧煤比相對越大。就爐型而言，水冷壁型氣化爐會吸收爐膛的部分熱量產(chǎn)生蒸汽，而耐火磚型氣化爐具有蓄熱功能。因此，水冷壁型氣化爐的氧煤比要高于耐火磚型氣化爐[24]。

2.1.2 爐溫

氣化爐溫度能夠直接反映氣化爐的運行狀態(tài)，關(guān)系到氣化爐的長期穩(wěn)定運行。氣化爐溫度的升高，一方面能夠為氣化反應(yīng)提供更多的熱量，促進(jìn)爐內(nèi)的氣化反應(yīng)，進(jìn)而提高碳轉(zhuǎn)化率、降低比氧耗和比煤耗，另一方面使灰渣的黏度下降，流動速度加快，加劇對耐火磚的沖刷和腐蝕，進(jìn)而縮短耐火磚的使用壽命[20]。因此，氣化爐溫度應(yīng)當(dāng)維持在一定范圍內(nèi)，兼顧液態(tài)排渣的實現(xiàn)和耐火磚的使用壽命。

考慮到氣化爐溫度的重要性，應(yīng)當(dāng)實時監(jiān)測爐內(nèi)的溫度情況，主要監(jiān)測方式可通過直接測量及觀測熱解氣成分、渣樣狀況進(jìn)行[25,26]。根據(jù)氣化爐操作溫度選擇合適的測溫元件，并布置于氣化爐爐體以測量相應(yīng)位置的溫度。雖然直接測量能夠準(zhǔn)確地反映氣化爐的溫度情況，但是在高溫、高壓、強氣流沖刷環(huán)境下測溫元件難以長周期工作，因此需要通過其他方式對爐溫情況進(jìn)行監(jiān)測。熱解氣成分中CH4含量的高低能夠間接反映氣化爐溫度的變化。CH4體積分?jǐn)?shù)高，氣化爐溫度低；CH4體積分?jǐn)?shù)低，氣化爐溫度高。溫度出現(xiàn)微小的波動都會使CH4大幅度變化，因此可通過CH4含量來判斷爐溫變化。此外，還可以根據(jù)爐渣狀況來判斷爐溫的情況。若渣的粒度較小，大顆粒較少，則表明爐溫偏高；若渣的粒度較大，大顆粒較多，則表明爐溫偏低。

2.2 控制策略

在分析氧煤比和爐溫對氣化反應(yīng)影響的基礎(chǔ)上，結(jié)合水煤漿熱解氣制備系統(tǒng)的控制目標(biāo)，提出一個有效氣流量和氣化爐溫度協(xié)同控制策略，實現(xiàn)熱解氣的按需制備和氣化爐的穩(wěn)定運行。由于氧煤比的變化會同時引起氣化爐溫度和熱解氣成分的變化，無法建立氣化爐溫度和有效氣流量的單回路控制系統(tǒng)，考慮建立兩個回路的耦合模型。氧煤比與水煤漿濃度、煤漿流量、氧氣純度、空氣流量等因素有關(guān)，當(dāng)水煤漿濃度和氧氣純度保持不變時，氧煤比主要由煤漿流量和空氣流量決定。因此，根據(jù)氣化爐運行過程煤漿流量、空氣流量與有效氣流量和氣化爐溫度的相關(guān)性，建立以煤漿流量、空氣流量為輸入量，以有效氣流量、氣化爐溫度為輸出量的雙輸入雙輸出耦合回路對象模型。針對水煤漿氣化爐雙輸入雙輸出耦合模型設(shè)計多變量控制系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括控制器、解耦器、對象模型和反饋回路四個部分。該控制系統(tǒng)采用閉環(huán)控制回路，實時監(jiān)測有效氣流量和氣化爐溫度的實際值，并指導(dǎo)下一步控制行動；采用解耦補償器，實現(xiàn)耦合回路的完全解耦，便于進(jìn)行單回路控制系統(tǒng)設(shè)計。單回路控制系統(tǒng)設(shè)計在常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)具體的控制效果選擇合適的優(yōu)化方法，提高控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

水煤漿氣化爐控制系統(tǒng)設(shè)計具體步驟如下：

1）通過數(shù)值模擬或?qū)嶒炑芯拷⑺簼{氣化爐雙輸入雙輸出耦合回路對象模型，以煤漿流量和空氣流量為輸入量，以有效氣流量和氣化爐溫度為輸出量；

2）根據(jù)雙輸入雙輸出耦合回路對象模型，分析各輸入量與輸出量之間的耦合強度，選擇合適的解耦方法，實現(xiàn)有效氣流量回路和氣化爐溫度回路的完全解耦；

3）針對兩個單回路系統(tǒng)設(shè)計常規(guī)PID控制系統(tǒng)，并進(jìn)行仿真研究觀察其控制效果。分析存在的不足，選擇合適的方法對現(xiàn)有方案進(jìn)行優(yōu)化，提高控制系統(tǒng)的性能。

3 結(jié)論

1)為兼顧能源利用與環(huán)境保護(hù)，能源領(lǐng)域發(fā)展清潔能源和污染物控制技術(shù)至關(guān)重要。本文根據(jù)國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，明確火電廠污染物控制目標(biāo)，突出強調(diào)研發(fā)超低排放技術(shù)的重要性。

2)為實現(xiàn)燃煤鍋爐NOx超低排放，本文提出了水煤漿熱解氣與氨復(fù)合還原超低NOx排放這一技術(shù)路線，并對該技術(shù)的工藝流程、系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理進(jìn)行了分析研究。

圖2 水煤漿氣化爐控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3)為保證水煤漿熱解氣的穩(wěn)定制備和氣化爐的安全運行，在分析氧煤比和爐溫重要性的基礎(chǔ)上，本文提出了水煤漿熱解有效氣流量和氣化爐溫度協(xié)同控制策略，基于水煤漿氣化爐雙輸入雙輸出耦合回路設(shè)計解耦控制系統(tǒng)，通過煤漿流量和空氣流量控制有效氣流量和氣化爐溫度。