220 t燃煤鍋爐SCR脫硝自動(dòng)噴氨分析與實(shí)踐

黃志偉，陳 健，曹 東

（馬鋼股份有限公司，安徽馬鞍山 243000）

1 概況

1.1 鍋爐參數(shù)

馬鋼南區(qū)#3 鍋爐是上海鍋爐廠生產(chǎn)的220 t/h單汽包自然循環(huán)煤粉爐，鋼制構(gòu)架，呈倒U 形布置。其NOx 排放濃度為350～850 mg/m3，平均排放濃度為600 mg/m3，經(jīng)低氮燃燒改造后為450 mg/m3（6%O2），通過SCR 脫硝，可將NOx 濃度降至50 mg/m3（6%O2）以下。這是此次課題調(diào)試研究的主要對(duì)象。主要煙氣參數(shù)見表1。

1.2 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原法脫硝技術(shù)，簡(jiǎn)稱SCR 脫硝技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)鍋爐和電站鍋爐煙氣脫硝的工藝，是能夠達(dá)到嚴(yán)格氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)的高效可行的實(shí)用脫硝技術(shù)，也是目前國(guó)際上應(yīng)用最廣、成效最大的脫硝技術(shù)之一。SCR 脫硝技術(shù)的基本原理，是在一定溫度條件下，以氨或者尿素作為還原劑，與煙氣中的氮氧化物發(fā)生還原反應(yīng)生成無害的氮?dú)夂退魵猓慌c煙氣中的氧氣發(fā)生反應(yīng)，從而達(dá)到去除煙氣中氮氧化物的目的。

表1 主要煙氣參數(shù)（NOX濃度為低氮燃燒器后平均值）

尿素制備站持續(xù)供應(yīng)50%尿素溶液，輸送至#3鍋爐SCR 脫硝計(jì)量分配裝置時(shí)，溶液溫度約60 ℃，溶液壓力約0.65 MPa。計(jì)量分配裝置，采用流量調(diào)節(jié)閥控制噴槍尿素溶液流量，經(jīng)氮?dú)饧訅汉髧姙⒅翢峤鉅t內(nèi)，生成大量氨氣，由噴氨格柵進(jìn)入煙道，與省煤器后高溫?zé)煔饣旌习l(fā)生還原反應(yīng)。

在熱解爐正常運(yùn)行時(shí)，如果尿素溶液流量過低，會(huì)導(dǎo)致煙氣氮氧化物超標(biāo)，無法滿足環(huán)保要求，如果尿素溶液流量過高，會(huì)導(dǎo)致氨逃逸上升，未能充分參與還原反應(yīng)的氨氣，在煙氣中生成NH4HSO4，混合粉塵雜質(zhì)后，容易堵塞空預(yù)器，影響鍋爐燃燒效率。

尿素溶液分配計(jì)量裝置，有尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥，能夠高精度控制尿素溶液流量，滿足熱解爐噴氨量的精準(zhǔn)控制。脫硝區(qū)域設(shè)備與測(cè)點(diǎn)，均已接入脫硝DCS 控制系統(tǒng)，在DCS 系統(tǒng)組態(tài)自動(dòng)控制邏輯，實(shí)現(xiàn)熱解爐噴氨高品質(zhì)自動(dòng)調(diào)節(jié)，這是此次課題研究的主要目標(biāo)。

2 控制系統(tǒng)與品質(zhì)要求

2.1 控制系統(tǒng)

被控對(duì)象是鍋爐煙道的高溫?zé)煔?，被控變量是SCR 反應(yīng)區(qū)出口煙氣的NOX濃度，以下簡(jiǎn)稱“出口NOX”，環(huán)?？刂埔箦仩t出口NOX不得超過50 mg/m3。調(diào)試期，暫定出口NOX的設(shè)定值為30 mg/m3。

操縱變量是進(jìn)入熱解爐噴槍的尿素溶液流量。執(zhí)行器為尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥，以下簡(jiǎn)稱“尿素調(diào)節(jié)閥”（下同）。管道通徑DN15，最大流量300 L/h。

2.2 控制品質(zhì)要求

2.2.1 被控變量

自動(dòng)噴氨投運(yùn)期間，需滿足以下要求：

（1）為符合鍋爐煙氣環(huán)保達(dá)標(biāo)排放，SCR反應(yīng)區(qū)出口NOX濃度不得高于50 mg/m3。

（2）避免氨逃逸超標(biāo)，SCR 反應(yīng)區(qū)出口NOX濃度不得低于10 mg/m3。氨逃逸含量以現(xiàn)場(chǎng)微量氨表計(jì)測(cè)量為準(zhǔn)，設(shè)計(jì)要求NH3濃度不高于3 mg/m3。

2.2.2 操縱變量

自動(dòng)噴氨投運(yùn)期間，需滿足以下要求：

（1）尿素溶液流量不大于126 L/h。尿素?zé)峤鉅t設(shè)計(jì)出力38.8 kg/h（以NH3計(jì)）；折合干尿素耗量70 kg/h，65 ℃時(shí)50%尿素溶液密度為1 113 kg/m3，折合尿素溶液約126 L/h。

（2）噴氨自動(dòng)應(yīng)保證噴槍最小尿素溶液流量。

（3）在滿足控制要求的前提下，盡可能地減少流量調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作次數(shù)。

2.3 控制擾動(dòng)分析

SCR脫硝噴氨自動(dòng)控制主要擾動(dòng)是鍋爐燃燒工況變化。鍋爐煙氣中NOX成分主要由NO 和NO2組成，二者發(fā)生實(shí)時(shí)雙向轉(zhuǎn)化反應(yīng)，有部分NO 轉(zhuǎn)化成NO2，也有部分NO2轉(zhuǎn)化NO，煙氣中的氧含量決定了二者在煙氣的成分比例。當(dāng)鍋爐燃燒調(diào)整時(shí)，無論是送風(fēng)量發(fā)生改變，還是燃料量發(fā)生改變，煙氣的氧含量都會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)，進(jìn)而影響煙氣中NOX的質(zhì)量濃度。與此同時(shí)，為了準(zhǔn)確測(cè)量煙氣中NOX濃度，測(cè)量煙氣含氧量作為NOX濃度標(biāo)況折算的重要因子，當(dāng)煙氣含氧量發(fā)生改變時(shí)，NOX濃度標(biāo)況折算也會(huì)出現(xiàn)較大幅度變化。二次熱風(fēng)的溫度、壓力與鍋爐燃燒負(fù)荷相關(guān)性較大，其對(duì)噴氨自動(dòng)的擾動(dòng)影響，直接納入鍋爐燃燒噴氨自動(dòng)的擾動(dòng)。

電加熱器、稀釋風(fēng)機(jī)是SCR 脫硝區(qū)域的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，鍋爐正常運(yùn)行時(shí)，電加熱器功率調(diào)節(jié)的頻次與幅度都不大，稀釋風(fēng)機(jī)啟動(dòng)調(diào)整達(dá)到要求風(fēng)壓后，幾乎不作調(diào)節(jié)。噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)暫時(shí)不考慮電加熱器、稀釋風(fēng)機(jī)的擾動(dòng)影響。但是考慮實(shí)際最大噴氨量，需提前調(diào)整后電加熱器功率輸出、稀釋風(fēng)機(jī)入口風(fēng)門開度。

鍋爐燃燒是噴氨控制的最主要的擾動(dòng)因素，綜合鍋爐燃燒的幾方面參數(shù)考慮，如給煤量、送風(fēng)量、主蒸汽流量等，認(rèn)為主蒸汽流量是最穩(wěn)定可靠的測(cè)量參數(shù)，所以選擇主蒸汽流量為噴氨自動(dòng)控制的前饋信號(hào)。

3 邏輯組態(tài)與調(diào)試

SCR 脫硝噴氨自動(dòng)控制是單回路控制，被控變量是SCR 反應(yīng)區(qū)出口NOX濃度，執(zhí)行器是尿素溶液流量調(diào)節(jié)閥，PID 調(diào)節(jié)器選擇正作用，使得控制系統(tǒng)達(dá)到負(fù)反饋的效果。該控制系統(tǒng)存在滯后時(shí)間長(zhǎng)、擾動(dòng)因素多等技術(shù)難點(diǎn)，課題選用“PID 整定+前饋修正”的方式，達(dá)到系統(tǒng)自動(dòng)噴氨的目的。

3.1 PID參數(shù)整定

脫硝DCS 控制系統(tǒng)，采用南京科遠(yuǎn)NT6000 系統(tǒng)。經(jīng)跟蹤調(diào)試后，PID 調(diào)節(jié)器參數(shù)整定如下：XP=0.13；TI=335；TD=1.45。組態(tài)邏輯見圖1。

3.2 前饋修正

主蒸汽流量傳輸量程為0～300 t/h，鍋爐額定負(fù)荷220 t/h.在同等運(yùn)行條件下，鍋爐負(fù)荷升高的過程中，煙氣含氧量容易降低，測(cè)量NOX濃度下降，鍋爐負(fù)荷下降的過程中，煙氣含氧量容易上升，測(cè)量NOX濃度上升。

圖1 PID調(diào)節(jié)器組態(tài)邏輯

根據(jù)燃燒對(duì)噴氨自動(dòng)的影響特性，可以認(rèn)為鍋爐主蒸汽流量與噴氨自動(dòng)的偏差運(yùn)算有著極性相反的作用，所以選擇“(300-a)/2.6”作為噴氨自動(dòng)前饋的修正值。其中“300”為傳輸量程最大值，“1/2.6”為調(diào)試修正系數(shù)。

3.3 解除噴氨自動(dòng)

熱解爐電加熱器有變頻器調(diào)節(jié)功率，控制熱解爐尾部氨氣溫度不低于340 ℃。為避免自動(dòng)噴氨時(shí)出現(xiàn)尿素溶液熱解不充分，設(shè)置熱解爐尾部氨氣溫度低聯(lián)鎖，當(dāng)溫度低于330 ℃時(shí)，系統(tǒng)解除噴氨自動(dòng)程序，發(fā)出狀態(tài)報(bào)警，由運(yùn)行人員進(jìn)行調(diào)整。待熱解爐溫度調(diào)整正常后，可恢復(fù)噴氨自動(dòng)投運(yùn)。

3.4 輸出限制

PID 調(diào)節(jié)器的輸出值，主要是有偏差運(yùn)算、前饋修正后計(jì)算得出。考慮極端情況出現(xiàn)，信號(hào)的測(cè)量變送出現(xiàn)錯(cuò)誤，PID 調(diào)節(jié)器的測(cè)量值“出口NOX 濃度”、前饋信號(hào)“鍋爐主蒸汽流量”的虛假數(shù)值，都會(huì)導(dǎo)致PID調(diào)節(jié)器有錯(cuò)誤輸出。組態(tài)邏輯見圖2。

圖2 PID調(diào)節(jié)器輸出限制組態(tài)邏輯

為保證系統(tǒng)安全，限定PID 調(diào)節(jié)器的輸出值在常用工作區(qū)間，哪怕信號(hào)丟失或異常，不會(huì)造成尿素?cái)喙┗蜻^量噴氨。同時(shí)設(shè)計(jì)測(cè)量流量超限140 L/h，為危險(xiǎn)值，強(qiáng)制輸出值高限設(shè)置為70%。根據(jù)手動(dòng)調(diào)節(jié)歷史數(shù)據(jù)，低限值定40%，高限值由溶液壓力決定。尿素溶液壓力越高，區(qū)間高限值越低，見表2，這是由理論尿素總量不超過126 L/h決定的。

表2 調(diào)節(jié)器輸出高限對(duì)照表

3.5 調(diào)試成果

通過一段時(shí)間地跟蹤調(diào)試后，#3 爐噴氨自動(dòng)基本投運(yùn)正常，截取2019 年7 月16 日10 時(shí) 至14 時(shí)4個(gè)小時(shí)的歷史曲線，見圖3，可以看出：

（1）設(shè)定值30 mg/m3，被控變量最大值42 mg/m3，能滿足超低排放要求，最小值20 mg/m3，能滿足生產(chǎn)指標(biāo)要求。

圖3 噴氨自動(dòng)曲線圖

（2）鍋爐負(fù)荷主蒸汽流量最大值232 t/h，最小值193 t/h。其負(fù)荷波動(dòng)幅度接近20%額定負(fù)荷，能代表絕大多數(shù)運(yùn)行工況。

（3）區(qū)間4 h 時(shí)間，執(zhí)行器動(dòng)作57 次，平均每4.2 min動(dòng)作一次，符合自動(dòng)控制的品質(zhì)要求。

4 總結(jié)

引用前饋修正的方法，降低了鍋爐燃燒波動(dòng)對(duì)噴氨自動(dòng)的擾動(dòng)影響，PID 調(diào)節(jié)器微分整定解決了噴氨控制的超長(zhǎng)滯后時(shí)間的問題。提高了熱解爐噴氨自動(dòng)控制的精準(zhǔn)程度，既滿足了超低排放效果，又降低了空預(yù)器堵塞風(fēng)險(xiǎn)，減少了尿素溶液的消耗浪費(fèi)。