燃煤電廠鍋爐煙氣脫汞技術參數優化與應用

葉振起，魏 來，林茂盛

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

燃煤電廠鍋爐煙氣中含有大量的有毒有害物質，其中汞為首要的金屬有害物質，根據統計得知，燃煤電廠鍋爐煙氣中的汞對環境造成了大量的污染，占燃煤電廠鍋爐煙氣中有毒有害物質的32.9%，因此需要研究優化的燃煤電廠鍋爐煙氣脫汞(以下簡稱為煙氣脫汞)技術，提高對燃煤電廠鍋爐煙氣污染的有效治理和控制能力。通過對煙氣脫汞的參數優化，構建煙氣脫汞的工序優化控制模型，達到燃煤電廠鍋爐煙氣中汞的低排放效果。研究煙氣脫汞技術參數優化方法，在降低燃煤電廠鍋爐煙氣污染及提高環保治理水平方面具有重要意義[1]。

脫汞是燃煤電廠鍋爐煙氣治理的一個重要工序，在當前方法中，對煙氣脫汞的參數優化方法主要采用煙氣濃度特征分析方法、主成分分析方法以及排放量的量化分析方法等，建立煙氣脫汞技術參數優化模型，結合煙氣含汞濃度檢測，進行煙氣脫汞技術參數優化[2-3]，但傳統方法進行煙氣脫汞技術參數分析的污染特征分析能力不好。對此，本文提出煙氣脫汞技術參數優化方法。首先采用熵權值技術分析不同的脫汞參數對燃煤電廠鍋爐煙氣濃度的影響；然后構建煙氣排放物濃度的量化分析模型，根據量化特征參數分析和數據融合技術，實現對煙氣脫汞技術參數優化；最后進行試驗測試，結合相關檢測分析結果，分析燃煤電廠鍋爐煙氣的可靠性治理措施。

1 煙氣脫汞技術研究

1.1 相關設備儀器

為了實現對煙氣脫汞技術參數優化與應用研究，結合試驗測試方法，構建煙氣脫汞熵權特征分析模型，結合綜合指標參數，進行煙氣脫汞量化參數分析[4]。煙氣脫汞參數優化需要的儀器如表1所示。

表1 煙氣脫汞需要的儀器

1.2 脫汞技術參數的影響

對反應溫度、鍋爐煙氣濃度、汞濃度、NOx與CO濃度等進行檢測，采用等價約束參數分析方法，進行煙氣脫汞的參數分析[5]，得到燃煤電廠鍋爐的燃料特性如表2所示。

表2 燃煤電廠鍋爐的燃料特性 單位：%

采用 PP 中空纖煤組合分析方法，分析燃煤電廠鍋爐排放物的汞活性，結合燃煤電廠鍋爐排放物的有害物質計量分析方法，得到在不同配料方案下燃煤電廠鍋爐排放物的煙氣成分濃度[6]，如表3所示。對燃煤電廠鍋爐排放物中的粉塵進行測量，隨后進入脫汞流程[7]。

由表3可知，優化燃煤電廠鍋爐排放物的參數分布情況，結合參數優化技術，可大幅降低燃煤電廠鍋爐中的汞排放濃度。

表3 燃煤電廠鍋爐排放物的污染濃度檢測

2 煙氣脫汞技術參數評價及優化分析

2.1 煙氣脫汞技術參數評價

采用等價約束參數分析方法，建立煙氣脫汞的技術指標約束規劃模型[8]，得到煙氣脫汞量化尋優的動態分布。

(1)

式中：ahi為煙氣脫汞的量化值；M(h)為煙氣脫汞的技術指標約束函數。在脫汞過程中，聚合和縮聚反應同時發生，此時通過計算技術參數Mi的m次方根，可以得到：

(2)

(3)

采用熵權分析方法，計算煙氣脫汞的技術辨識矩陣A[9]，得到脫汞技術參數識別的最大特征值λmax。

(4)

式中:(A×p)i為煙氣脫汞輸出產物的判斷矩陣A與權重矩陣p的乘積向量的第i個分量。結合歸一化指標參數分析，計算煙氣脫汞技術參數的一致性指標KL。

(5)

式中:H(i)為煙氣脫汞技術參數歸一化向量；m(t)為燃煤電廠鍋爐排放物的煙氣成分濃度系數。建立模糊決策融合參數模型，根據隨機一致性指標分析[10]，構建燃煤電廠鍋爐排放物中汞快速熱解的參數評價函數。

CR=arctan(KL)-|(CI)2+(RI)3|

(6)

式中:RI為合成氣與煤共熱的判斷矩陣；CI為燃煤電廠鍋爐排放物中汞的熱解時間。分析高溫過程中不同種類汞顆粒的分離特性，在此基礎上對煙氣脫汞技術參數進行評價，進而實現參數優化[11-13]。

2.2 煙氣脫汞的技術參數優化

采用熵權值分析技術，分析不同的脫汞參數對燃煤電廠鍋爐煙氣濃度的影響。當煤燃料單顆粒破裂為多個顆粒時，得到燃煤電廠鍋爐排放物中脫汞的較低溫度或加熱速率。

(7)

結合加熱方式和反應器種類，通過綜合指標評價，得到煙氣脫汞技術參數的歸一化處理公式。

(8)

在模糊約束指標下，得到煙氣脫汞技術參數優化的熵權融合的計算公式。

(9)

式中：r1,r2為煙氣脫汞技術參數優化熵權融合系數。計算第i項指標的熵值，得到煙氣脫汞的第i項指標的熵值ei。

(10)

式中：T(w)為煙氣脫汞的模糊約束指標。當zij為0時，煙氣脫汞技術參數的收斂誤差zij×lnzij=0。

基于典型的熱解工藝參數分析，得到煙氣脫汞的第i項指標的熵權wi。

(11)

采用綜合權重分析的方法，依據加熱方式的不同[14]，得到煙氣脫汞的技術參數優化計算公式。

(12)

表4 煙氣脫汞的可靠性約束特征量

3 試驗測試分析

試驗測試中，根據量化特征參數分析和數據融合技術，構建煙氣脫汞技術參數優化解析和控制模型，采用不含氧的燃燒氣作為熱源，結合美國流化床工藝，進行脫汞試驗。首先用空氣壓縮機進行燃煤電廠鍋爐煙氣壓縮處理，在凈化器中進行燃煤電廠鍋爐煙氣的鎮定處理；然后對鍋爐煙氣進行汞含量初始測量，在U形管壓差計測量儀中進行流量檢測，經過分離裝置實現汞分離；最后再次采用汞測量儀進行濃度檢測。煙氣脫汞試驗裝置如圖1所示。

圖1 煙氣脫汞試驗裝置

采用動態測量方法分析燃煤電廠鍋爐煙氣中的污染成分，根據技術參數優化，分析不同的粒徑分布對煙氣脫汞的影響，結果如圖2所示。

(a)汞有效分離系數

由圖2得知，煙氣脫汞技術參數優化，提高了汞有效分離能力和燃煤電廠鍋爐的燃燒效率。燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞分布質量分數如圖3所示。

圖3 燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞分布質量分數

由圖3得知，與傳統方法相比，隨著溫度增加，本文方法的汞質量分數逐漸減小，分離特性較好。進一步測試煙氣脫汞過程中的高溫熱解性能，得到測試結果如圖4所示。

圖4 煙氣脫汞過程中的高溫熱解性能

由圖4可知，本文方法下的煙氣脫汞過程中的高溫熱解性能更好。根據上述試驗測試，實現了對煙氣脫汞的技術參數優化。

4 結論

本文研究煙氣脫汞技術參數優化模型，采用等價約束參數分析方法，建立煙氣脫汞的技術指標約束規劃模型，根據試驗檢測結果，得到如下結論。

a.隨著溫度增加與時間延長，燃煤電廠鍋爐排放煙氣中的汞質量分數逐漸減小，在經過恒穩保持后，提高了汞的分離特性。

b.根據SO2濃度分布，在PP中空纖維膜組件中進行汞分離，采用分級除汞的方法能夠提高汞的分離能力。

c.在脫汞的過程中，綜合權重分布與各粒徑微粒含量的分布特性，降低其他污染物的影響。

綜上分析，通過對煙氣脫汞技術參數優化設計，降低了燃煤電廠鍋爐煙氣的有毒物質含量，提高了環境治理水平。