燃煤工業鍋爐SNCR脫硝控制系統設計

范振濤

(豪氏威馬(中國)有限公司，漳州 361000)

0 引 言

工業鍋爐是我國重要的熱能動力設備，其中以燃煤工業鍋爐為主，在未來相當長的一段時間內，燃煤工業鍋爐仍將占主導地位[1]。燃煤工業鍋爐會排放大量的氮氧化物(NOx)，產生嚴重的環境污染。隨著國家對節能環保的日益重視，新版《鍋爐大氣污染物排放標準》的實施對工業鍋爐煙氣污染物排放的要求進一步提高。因此，對燃煤工業鍋爐進行環保升級改造進而有效治理氮氧化物排放的問題成為當前社會熱點。

目前，燃煤工業鍋爐氮氧化物脫除技術主要分為燃燒中脫除和燃燒后脫除兩種方式[2]，燃燒中脫除采用低氮燃燒技術，燃燒后脫除即煙氣脫硝技術，其中煙氣脫硝技術應用較為廣泛[3]。煙氣脫硝技術比較主流的工藝方法有選擇性催化還原技術(SCR)和選擇性非催化還原技術(SNCR)兩種。SCR具有脫硝效率高、反應溫度低、需要催化劑、設備投資及運行成本高、存在催化劑易中毒等特點；SNCR具有脫硝效率相對較低、無需催化劑、建設周期短、工程造價及運行成本低、適用性廣等特點[4]。綜合對比這兩種煙氣脫硝技術的特點，SNCR更適用于中小型企業對其使用的燃煤工業鍋爐進行升級改造，進而達到國家及地方環保部門對工業鍋爐大氣污染物排放的要求。

1 SNCR脫硝技術

選擇性非催化還原技術是指無催化劑作用下，在適合脫硝反應的溫度窗口內噴入還原劑將煙氣中的氮氧化物還原為無害的氮氣和水。常用的還原劑有氨水、尿素液等，溫度窗口為900～1 100 ℃[5-6]。還原劑選擇以尿素液為例，SNCR脫硝系統工藝流程如圖1所示，主要包括尿素液攪拌槽、尿素液輸送泵、尿素液輸送電磁閥、尿素液儲罐、尿素液泵、尿素液流量調節閥、尿素液流量計、尿素液壓力計、稀釋水儲罐、稀釋水泵、稀釋水流量調節閥、稀釋水流量計、稀釋水壓力計、混合器、噴槍等。

圖1 SNCR脫硝系統工藝流程

2 SNCR脫硝控制系統設計

2.1 SNCR脫硝控制系統硬件設計

本SNCR脫硝控制系統硬件設計采用模塊化設計思想，根據功能構建整個系統。其中的主控制器采用西門子S7-1200PLC，該可編程邏輯控制器(PLC)是專門為在工業環境下應用而設計的，具有功能模塊齊全、組態靈活、抗干擾性強、可靠性高等特點，十分適用于SNCR脫硝控制系統中。其余的硬件設備主要為液晶觸控屏、輸入及輸出設備(分布式I/O)，它們通過Profinet總線與PLC進行通信。輸入設備包括尿素液攪拌槽液位變送器及液位低接近開關、尿素液儲罐液位變送器及液位低接近開關、尿素液流量變送器、尿素液壓力變送器、稀釋水儲罐液位變送器及液位低接近開關、稀釋水流量變送器、稀釋水壓力變送器、煙氣氮氧化物含量檢測儀等；輸出設備包括尿素液攪拌機控制模塊、尿素液輸送泵控制模塊、尿素液輸送電磁閥控制模塊、尿素液泵控制模塊、尿素液流量調節閥控制模塊、稀釋水泵控制模塊、稀釋水流量調節閥控制模塊等。具體硬件設計原理圖如圖2所示。

圖2 SNCR脫硝控制系統硬件設計原理

2.2 SNCR脫硝控制系統軟件設計

本SNCR脫硝控制系統軟件設計主要分為PLC程序及SCADA程序兩大部分。PLC執行整個脫硝系統的控制邏輯，SCADA則為數據采集與監視控制系統。

2.2.1 PLC程序設計

PLC程序根據功能需求劃分成主組織塊(OB1)及定時中斷組織塊(OB35)。OB1中主要執行脫硝模式選擇、尿素液制備控制等實時性要求不高的代碼，OB35中主要執行脫硝自動控制的PID實現等優先級及實時性要求高的代碼。PLC程序邏輯流程圖如圖3所示。

圖3 PLC程序邏輯流程

尿素液制備控制只有手動模式，當尿素液儲罐液位低時，系統會提示操作者需要制備新的尿素液并輸送至尿素液儲罐。脫硝控制包括手動及自動兩種模式。當處于手動模式時，PID不參與控制，操作者可以通過相應的SCADA界面手動調整各個脫硝控制環節。當處于自動模式時，系統采用PID閉環控制，PLC根據從煙氣氮氧化物含量檢測儀反饋的數據，實時動態地控制尿素液流量調節閥及稀釋水流量調節閥以使氮氧化物含量維持在設定值附近。PID控制邏輯如圖4所示。

圖4 PID控制邏輯

(1)氮氧化物含量設定值可通過SCADA界面進行設定。

(2)設定一個尿素液流量調節閥與稀釋水流量調節閥的比例參數Kscale，以同步操作尿素液流量調節閥及稀釋水流量調節閥。

(3)氮氧化物含量檢測儀通常安裝于煙囪位置，氮氧化物含量檢測值存在一定的滯后性，因此氮氧化物含量檢測值需要先通過移動平均數模塊濾波后再參與到PID控制器輸入值的計算。

2.2.2 SCADA程序設計

SCADA程序根據功能分為主界面、參數設定、報警信息、歷史曲線等四個主要界面，以及用戶管理、脫硝手動控制、脫硝自動控制等三個彈窗界面。

主界面包含SNCR脫硝系統工藝流程相關的所有實時數據信息、尿素液制備控制、脫硝控制模式選擇、用戶管理、以及報警信息顯示等內容，如圖5所示。參數設定界面包含脫硝控制系統相關的所有參數，任何參數的修改都需要登錄管理者權限才能夠進行。報警信息界面包含系統當前實時的報警信息以及歷史報警信息，方便操作者進行故障排查。歷史曲線界面可以調取包括尿素液流量、尿素液壓力、稀釋水流量、稀釋水壓力、煙氣氮氧化物含量等相關變量的歷史數據曲線，以便對脫硝系統的階段性運行情況進行分析。

圖5 SCADA主界面

通過用戶管理彈窗界面可以對系統登錄用戶進行管理，按照權限從高到低依次分為管理者、操作者、觀察者三個等級。通過脫硝手動控制彈窗界面可以對脫硝系統中的各控制環節進行手動操作。通過脫硝自動控制彈窗界面可以對脫硝系統的自動控制進行啟停操作。

3 工程運用

將本設計應用于福建省某化纖紡織公司的10 t水煤漿工業鍋爐脫硝系統建設項目中。通過現場調試，發現以下兩組比較有代表性的運行試驗結果：

(1)氮氧化物含量設定值為150 mg/m3，尿素液流量調節閥與稀釋水流量調節閥比例參數Kscale設定為2.0，氮氧化物含量檢測值移動平均數模塊的時間參數設定為0，PID參數設定為Kp=2.25、Ti=10、Td=0。脫硝系統運行15 min，氮氧化物含量檢測值及尿素液流量的記錄曲線如圖6所示。圖中曲線顯示出氮氧化物含量檢測值及尿素液流量波動很大，期間尿素液的平均流量為79.2 L/h。

圖6 運行試驗1

(2)氮氧化物含量設定值為150 mg/m3，尿素液流量調節閥與稀釋水流量調節閥比例參數Kscale設定為2.0，氮氧化物含量檢測值移動平均數模塊的時間參數設定為10，PID參數設定為Kp=1.1、Ti=10、Td=0。脫硝系統運行15 min，氮氧化物含量檢測值及尿素液流量的記錄曲線如圖7所示。圖中曲線顯示出氮氧化物含量檢測值及尿素液流量波動很小，氮氧化物含量檢測值基本穩定在設定值附近，期間尿素液的平均流量為66.0 L/h。

圖7 運行試驗2

(3)通過對比以上兩組運行試驗的數據，可以看出運行試驗2中的脫硝控制更為穩定，同時其尿素液消耗量也較少、約為運行試驗1尿素液消耗量的83.3%，通過精細化調整，可以確保脫硝過程控制的穩定性。

4 結束語

本設計實現了燃煤工業鍋爐SNCR脫硝系統的閉環控制，提高了脫硝效率及脫硝過程控制的穩定性。在實際應用中需要根據現場環境合理整定PID參數，以使脫硝系統能高效運行，同時避免氨逃逸引發的二次污染。SCR脫硝工藝與SNCR脫硝工藝有相似之處，因此本設計對SCR脫硝控制系統的設計也具有很高的借鑒意義。