220 t燃煤锅炉SCR脱硝自动喷氨分析与实践

2020-10-22黄志伟

冶金动力 2020年9期

黄志伟，陈健，曹东

（马钢股份有限公司，安徽马鞍山 243000）

1 概况

1.1 锅炉参数

马钢南区#3 锅炉是上海锅炉厂生产的220 t/h单汽包自然循环煤粉炉，钢制构架，呈倒U 形布置。其NOx 排放浓度为350～850 mg/m3，平均排放浓度为600 mg/m3，经低氮燃烧改造后为450 mg/m3（6%O2），通过SCR 脱硝，可将NOx 浓度降至50 mg/m3（6%O2）以下。这是此次课题调试研究的主要对象。主要烟气参数见表1。

1.2 SCR脱硝工艺

选择性催化还原法脱硝技术，简称SCR 脱硝技术，广泛应用于工业锅炉和电站锅炉烟气脱硝的工艺，是能够达到严格氮氧化物排放标准的高效可行的实用脱硝技术，也是目前国际上应用最广、成效最大的脱硝技术之一。SCR 脱硝技术的基本原理，是在一定温度条件下，以氨或者尿素作为还原剂，与烟气中的氮氧化物发生还原反应生成无害的氮气和水蒸气，而不与烟气中的氧气发生反应，从而达到去除烟气中氮氧化物的目的。

表1 主要烟气参数（NOX浓度为低氮燃烧器后平均值）

尿素制备站持续供应50%尿素溶液，输送至#3锅炉SCR 脱硝计量分配装置时，溶液温度约60 ℃，溶液压力约0.65 MPa。计量分配装置，采用流量调节阀控制喷枪尿素溶液流量，经氮气加压后喷洒至热解炉内，生成大量氨气，由喷氨格栅进入烟道，与省煤器后高温烟气混合发生还原反应。

在热解炉正常运行时，如果尿素溶液流量过低，会导致烟气氮氧化物超标，无法满足环保要求，如果尿素溶液流量过高，会导致氨逃逸上升，未能充分参与还原反应的氨气，在烟气中生成NH4HSO4，混合粉尘杂质后，容易堵塞空预器，影响锅炉燃烧效率。

尿素溶液分配计量装置，有尿素溶液流量调节阀，能够高精度控制尿素溶液流量，满足热解炉喷氨量的精准控制。脱硝区域设备与测点，均已接入脱硝DCS 控制系统，在DCS 系统组态自动控制逻辑，实现热解炉喷氨高品质自动调节，这是此次课题研究的主要目标。

2 控制系统与品质要求

2.1 控制系统

被控对象是锅炉烟道的高温烟气，被控变量是SCR 反应区出口烟气的NOX浓度，以下简称“出口NOX”，环保控制要求锅炉出口NOX不得超过50 mg/m3。调试期，暂定出口NOX的设定值为30 mg/m3。

操纵变量是进入热解炉喷枪的尿素溶液流量。执行器为尿素溶液流量调节阀，以下简称“尿素调节阀”（下同）。管道通径DN15，最大流量300 L/h。

2.2 控制品质要求

2.2.1 被控变量

自动喷氨投运期间，需满足以下要求：

（1）为符合锅炉烟气环保达标排放，SCR反应区出口NOX浓度不得高于50 mg/m3。

（2）避免氨逃逸超标，SCR 反应区出口NOX浓度不得低于10 mg/m3。氨逃逸含量以现场微量氨表计测量为准，设计要求NH3浓度不高于3 mg/m3。

2.2.2 操纵变量

自动喷氨投运期间，需满足以下要求：

（1）尿素溶液流量不大于126 L/h。尿素热解炉设计出力38.8 kg/h（以NH3计）；折合干尿素耗量70 kg/h，65 ℃时50%尿素溶液密度为1 113 kg/m3，折合尿素溶液约126 L/h。

（2）喷氨自动应保证喷枪最小尿素溶液流量。

（3）在满足控制要求的前提下，尽可能地减少流量调节阀的动作次数。

2.3 控制扰动分析

SCR脱硝喷氨自动控制主要扰动是锅炉燃烧工况变化。锅炉烟气中NOX成分主要由NO 和NO2组成，二者发生实时双向转化反应，有部分NO 转化成NO2，也有部分NO2转化NO，烟气中的氧含量决定了二者在烟气的成分比例。当锅炉燃烧调整时，无论是送风量发生改变，还是燃料量发生改变，烟气的氧含量都会出现较大幅度的波动，进而影响烟气中NOX的质量浓度。与此同时，为了准确测量烟气中NOX浓度，测量烟气含氧量作为NOX浓度标况折算的重要因子，当烟气含氧量发生改变时，NOX浓度标况折算也会出现较大幅度变化。二次热风的温度、压力与锅炉燃烧负荷相关性较大，其对喷氨自动的扰动影响，直接纳入锅炉燃烧喷氨自动的扰动。

电加热器、稀释风机是SCR 脱硝区域的主要动力设备，锅炉正常运行时，电加热器功率调节的频次与幅度都不大，稀释风机启动调整达到要求风压后，几乎不作调节。喷氨自动调节暂时不考虑电加热器、稀释风机的扰动影响。但是考虑实际最大喷氨量，需提前调整后电加热器功率输出、稀释风机入口风门开度。

锅炉燃烧是喷氨控制的最主要的扰动因素，综合锅炉燃烧的几方面参数考虑，如给煤量、送风量、主蒸汽流量等，认为主蒸汽流量是最稳定可靠的测量参数，所以选择主蒸汽流量为喷氨自动控制的前馈信号。

3 逻辑组态与调试

SCR 脱硝喷氨自动控制是单回路控制，被控变量是SCR 反应区出口NOX浓度，执行器是尿素溶液流量调节阀，PID 调节器选择正作用，使得控制系统达到负反馈的效果。该控制系统存在滞后时间长、扰动因素多等技术难点，课题选用“PID 整定+前馈修正”的方式，达到系统自动喷氨的目的。

3.1 PID参数整定

脱硝DCS 控制系统，采用南京科远NT6000 系统。经跟踪调试后，PID 调节器参数整定如下：XP=0.13；TI=335；TD=1.45。组态逻辑见图1。

3.2 前馈修正

主蒸汽流量传输量程为0～300 t/h，锅炉额定负荷220 t/h.在同等运行条件下，锅炉负荷升高的过程中，烟气含氧量容易降低，测量NOX浓度下降，锅炉负荷下降的过程中，烟气含氧量容易上升，测量NOX浓度上升。

图1 PID调节器组态逻辑

根据燃烧对喷氨自动的影响特性，可以认为锅炉主蒸汽流量与喷氨自动的偏差运算有着极性相反的作用，所以选择“(300-a)/2.6”作为喷氨自动前馈的修正值。其中“300”为传输量程最大值，“1/2.6”为调试修正系数。

3.3 解除喷氨自动

热解炉电加热器有变频器调节功率，控制热解炉尾部氨气温度不低于340 ℃。为避免自动喷氨时出现尿素溶液热解不充分，设置热解炉尾部氨气温度低联锁，当温度低于330 ℃时，系统解除喷氨自动程序，发出状态报警，由运行人员进行调整。待热解炉温度调整正常后，可恢复喷氨自动投运。

3.4 输出限制

PID 调节器的输出值，主要是有偏差运算、前馈修正后计算得出。考虑极端情况出现，信号的测量变送出现错误，PID 调节器的测量值“出口NOX 浓度”、前馈信号“锅炉主蒸汽流量”的虚假数值，都会导致PID调节器有错误输出。组态逻辑见图2。

图2 PID调节器输出限制组态逻辑

为保证系统安全，限定PID 调节器的输出值在常用工作区间，哪怕信号丢失或异常，不会造成尿素断供或过量喷氨。同时设计测量流量超限140 L/h，为危险值，强制输出值高限设置为70%。根据手动调节历史数据，低限值定40%，高限值由溶液压力决定。尿素溶液压力越高，区间高限值越低，见表2，这是由理论尿素总量不超过126 L/h决定的。