智能脫硝控制系統的優化研究

趙 毅

(山西興新安全生產技術服務有限公司,山西 太原 030000)

引 言

選擇性催化還原技術是利用氨為催化原材料對煙氣中的氮化物進行置換，降低廢氣中的污染物數量、減少環境污染的一種常用方法。由于排煙系統內的煙氣含量會隨著機組負荷的變化而變動，因此常規控制系統中，通常采用按最大煙氣排放量為基準進行噴氨，氨噴出時的擴散面積不足，導致系統脫硝效率低、成本高、氨逃逸率高，無法滿足新形勢下脫硝經濟性和脫硝率的要求。

針對現有脫硝控制系統的不足，在對煙氣排放變化規律進行分析的基礎上，提出了一種新的智能脫硝控制系統，通過利用分區、分段、多次噴氨的方式提升催化劑和氮化物的接觸效果，通過多點均衡控制模式控制系統總的噴氨量，在提升催化效率的情況下降低噴氨的總量。根據實際應用表明新的控制系統能夠將脫硝過程中的噴氨量降低7.8%，將出口處氮化物的濃度降低了13.1%，對提升排煙系統的凈化效果和脫硝經濟性具有十分重要的意義。

1 智能脫硝控制原理

以電廠300 MW鍋爐發電機組為例，其排煙系統中氮化物的最大質量濃度約為440 mg/m3，煙氣在煙道內流動時存在一定紊流，流場穩定性較差，煙氣中氮化物的分布不均勻，最大濃度場偏差約為37%，系統脫硝率約為67%，氨逃逸率約為4.1 mg/m3。通過對整個脫硝過程的分析，發現脫硝控制系統采用的是定量噴氨模式，一次噴出的液氨量大、分散度低，導致無法和煙氣中的氮元素充分接觸，因此無法發揮最大的催化效率，同時還造成了氨的逃逸率過高。

因此本文提出的智能脫硝控制系統，采用了閉環調節控制的邏輯，在排煙系統內增加氮化物含量高精度監測系統，將監測結果反饋給噴氨控制器，控制器根據反饋的氮化物的含量和分布自動計算最佳噴氨量和噴霧壓力。

系統采用了多層分布、逐級噴灑脫硝的控制模式[1]，根據排煙總量，在煙道內設置3～5處液氨噴灑點，通過逐級分解、逐層噴灑的方式來確保脫硝率。為了保證定量液氨噴灑量的準確性，系統通過第一級監測到的廢氣內的氮化物含量來確定該體積含量的廢氣脫硝所使用的的液氨量，為了確保脫硝的徹底性，實際脫硝量的設置應乘以1.1的損耗系數，避免液氨不足導致的脫硝率低下。確定總的液氨消耗量后，智能脫硝控制系統對每次噴灑量進行設定，保證總消耗量的一致性。

2 智能噴氨控制系統

該系統的控制核心，在于智能噴氨控制系統，在工作過程中能否準確的根據監測結果合理的設置噴氨總量并合理分布每次噴氨的量。因此智能噴氨控制系統中，設置了大數據分析模塊和外置的智能控制裝置，以大數據分析為支撐，為智能噴氨控制裝置的執行提供精確的數據支撐。智能噴氨控制系統邏輯，如第131頁圖1所示。圖中DCS表示分散控制系統[2]。

圖1 智能噴氨控制邏輯示意圖

該智能控制系統中，其精確控制的核心在于在線神經網絡預測邏輯，根據煙道入口處的煙氣分布，對后續的煙氣擴散狀態、氮化物分布狀態等進行智能預測，為精確噴氨通過可靠的前端數據支撐，解決現有控制系統無法準確預測氮化物分布，無法進行精確噴氨控制的難題。

為了保證在線神經網絡預測的準確性，在監測單元內，設置了內置燃燒氮化物質量濃度監測模塊[3]，通過燃燒機理來對入口處的氮化物濃度狀態進行精確監測，提升神經網絡預測的準確性，也解決了傳統濃度監測傳感器監測結果偏差大、滯后性大的不足。該神經網絡預測結果對比，如圖2所示。其預測結果和實際數值相比，準確率高達99.1%，完全滿足對廢氣內氮化物濃度精確預測的需求。

圖2 神經網絡預測與實際值對比結果

3 逐級噴氨控制

由于廢氣在煙道內流動時存在著較大的不穩定性，導致在同一個截面上氮化物的分布存在極大的不均勻性，降低了催化劑和氮化物的接觸面積，影響催化反應的效率。因此提出了在煙道內液氨噴灑面上增加噴氨格柵分區控制技術[4]。對噴氨系統內的噴氨管道進行分段，在各個分段內增加調控閥門和監測裝置，煙氣在通過格柵后，其氣流相對穩定，在同一截面上的氮化物的分布也相對均衡，此時監測裝置將該截面上的監測結果反饋給分散控制系統中年的噴氨控制模塊，自動選定噴氨量和噴氨壓力，使催化劑和氮化物充分結合，提高催化反應效率，也降低了反應式氨的逃逸率。

在該噴氨控制系統中，噴氨總量控制單元和噴氨分區控制單元進行一體化控制，以噴氨總量控制為核心，根據分段內氨氣的的監測情況，靈活的調整噴氨量，系統優化了噴氨調節量，同時設置了連鎖控制裝置，使二者聯動控制，滿足控制精確性的需求。

4 應用效果分析

為了對優化前后的效果進行對比，在煙道出口處設置氮化物濃度監測裝置，對優化前后的狀態進行對比，結果如圖3所示。

圖3 優化前后氮化物濃度對比

由圖3可知，改造前出口處氮化物的平均質量濃度為47.6%，其排放不均勻度約為36.7%，改造后出口處氮化物的平均質量濃度為41.4%，比優化前降低了13.1%。其排放不均勻度約為8.3%，比優化前降低了77.4%，顯著的提升了脫硝的效率效率和一致性，同時在整個過程中的噴氨量降低了約7.8%，進一步提升了脫硝的經濟性。

5 結論

針對傳統脫硝控制系統無法精確控制脫硝過程中噴氨量，導致脫硝效率低、成本高、氨逃逸率高的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統，通過對噴氨量的精確控制，實現了脫硝效率和經濟性的提升，根據實際應用表明：

1)智能脫硝控制系統，采用了多層分布、逐級噴灑脫硝的控制模式，確定總的液氨消耗量后，系統對每次噴灑量進行設定，保證總消耗量的一致性。

2)智能噴氨控制系統中，設置了大數據分析模塊和外置的智能控制裝置，以大數據分析為支撐，為智能噴氨控制裝置的執行提供精確的數據支撐，確保噴灑的精確性。

3)新的控制系統能夠將脫硝過程中的噴氨量降低7.8%，將出口處氮化物的濃度降低了13.1%，對提升排煙系統的凈化效果和脫硝經濟性具有十分重要的意義。