燃煤火电烟气脱硝智能控制技术现状及发展趋势预测

肖 军 孙衍谦

1.中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司 江苏 南京 210036

2.中国能源建设集团规划设计有限公司 北京 100120

1 前言

燃煤火电排放的氮氧化物(NOx)是造成大气环境污染的重要组分,为此国家明确要求在2020年前350MW以上的燃煤火电厂应全部完成超低排放改造工作,即:净烟道NOx排放浓度不高于50mg·m-3(仅对于烟气脱硝而言)。鉴于燃煤火电厂的烟气温度较高(约350～420℃),满足主流脱硝催化剂的反应温度窗口,选择性催化还原烟气脱硝(Selective Catalytic Reduction,SCR)技术被广泛得到应用。截至目前,燃煤火电厂SCR系统的超低排放改造工作已全部完成,其采用的超低排放改造方案为新增一层脱硝催化剂,通过喷射更多的还原剂促使化学反应平衡右移;然而脱硝催化剂本身具有很强的氧化性,容易将燃煤烟气中的二氧化硫氧化为三氧化硫,继而会诱发生成粘性硫酸氢铵,对燃煤火电厂的安全稳定运行造成了较大的威胁[1]。

本文在深入调研燃煤火电厂SCR系统超低排放改造技术方案及优化运行方式的基础上,从烟气流场优化、喷氨优化(总量和分区控制)两大方面剖析了目前燃煤火电烟气脱硝智能控制技术现状,并对其发展趋势进行了客观的讨论,能够为超改后燃煤火电SCR系统的优化运行提供技术参考。

2 SCR系统相关技术现状及发展趋势

2.1 流场优化技术 燃煤火电SCR系统内的流场优化主要通过导流板的优化布置实现,目前“数值模拟+冷态模化试验”的SCR系统流场优化技术路线已经较为成熟,基本上都可以实现系统烟道内烟气流场的相对均匀(分布偏差小于15%)。近年来也有一些研究者提出了更进一步的流场优化方案,如包文运等人[2]提出了一种新型的关节摆动式导流板,该方法打破了传统的固定式导流板模式,拟通过导流板布置方案的在线热态调整实现变负荷工况下烟气流场的均匀化。由此看来,在线可调式导流板设计与工程应用可能是未来燃煤火电SCR系统流场优化的发展趋势。

2.2 智能喷氨优化控制技术 燃煤火电SCR系统内的喷氨控制主要涉及喷氨总量控制与喷氨分区控制两个方面。

2.2.1 喷氨总量智能控制 SCR系统的大迟滞、非线性特征是造成喷氨总量控制品质不佳的主要原因。传统的喷氨总量控制方法简单采用了PID控制单元,以出口NOx浓度或者氨氮摩尔比或者脱硝效率为被调量,通过火电厂实际测量得到的运行参数进行针对性喷氨总量调整,存在很大的技术弊端。近年来,Zhang等人[3]针对燃煤火电SCR系统建立了喷氨总量控制MPC模型,促使系统出口NOx浓度的波动偏差降低了2/3左右;Liu等人[4]明确提出入口NOx浓度变化快且具有测量大迟滞特性是造成喷氨总量控制效果差的重要原因,并建立了无迟滞的入口NOx浓度预测模型,进而实现了对出口NOx浓度的高精度定值控制,并已经完成了较好的工程应用。由此看来,单纯PID控制已不能满足超低排放改造后燃煤火电SCR系统喷氨总量控制的高精度要求,基于先进预测控制的喷氨总量控制方法可能是本领域未来的发展趋势。

2.2.2 喷氨分区智能控制 SCR系统大烟道截面内烟气流场、NOx浓度场分布的不均匀性及其变化规律的不确定性是造成喷氨分区控制品质不佳的主要原因。目前燃煤火电SCR系统多采用分区控制式喷氨格栅实现喷氨总量在烟道截面内的再分配,超低排放改造前火电厂多采取喷氨格栅支管手动定期调整的优化方式,诸如刘国富等人提出了一种基于权重阀的喷氨优化方法,可以实现定负荷工况下系统内氨氮当量比的匹配优化。对此,罗志等人提出了一种分区混合动态喷氨技术,该技术主张将SCR系统烟道假想分区,每个区的喷氨量以出口NOx浓度测量结果为依据进行动态调整,但是其技术方案中所涉及的入口分区与出口NOx测点对应性、催化剂活性、催化剂层积灰等存在较大的不确定性,具有一定的局限性。由此看来,基于SCR系统喷氨格栅前NOx浓度、烟气流速分布式在线监测的喷氨支管前端分区动态喷氨技术可能是喷氨分区智能控制领域的未来发展趋势。

3 总结与结论

(1)“数值模拟+冷态模化试验”的SCR系统流场优化技术路线已经较为成熟,在线可调式导流板设计与工程应用可能是未来燃煤火电SCR系统流场优化的发展趋势;

(2)单纯PID控制已不能满足超低排放改造后燃煤火电SCR系统喷氨总量控制的高精度要求,基于先进预测控制的喷氨总量控制方法可能是本领域未来的发展趋势;

(3)基于SCR系统喷氨格栅前NOx浓度、烟气流速分布式在线监测的喷氨支管前端分区动态喷氨技术可能是喷氨分区智能控制领域的未来发展趋势。