燃煤电厂锅炉烟气脱汞技术参数优化与应用

叶振起，魏 来，林茂盛

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

燃煤电厂锅炉烟气中含有大量的有毒有害物质，其中汞为首要的金属有害物质，根据统计得知，燃煤电厂锅炉烟气中的汞对环境造成了大量的污染，占燃煤电厂锅炉烟气中有毒有害物质的32.9%，因此需要研究优化的燃煤电厂锅炉烟气脱汞(以下简称为烟气脱汞)技术，提高对燃煤电厂锅炉烟气污染的有效治理和控制能力。通过对烟气脱汞的参数优化，构建烟气脱汞的工序优化控制模型，达到燃煤电厂锅炉烟气中汞的低排放效果。研究烟气脱汞技术参数优化方法，在降低燃煤电厂锅炉烟气污染及提高环保治理水平方面具有重要意义[1]。

脱汞是燃煤电厂锅炉烟气治理的一个重要工序，在当前方法中，对烟气脱汞的参数优化方法主要采用烟气浓度特征分析方法、主成分分析方法以及排放量的量化分析方法等，建立烟气脱汞技术参数优化模型，结合烟气含汞浓度检测，进行烟气脱汞技术参数优化[2-3]，但传统方法进行烟气脱汞技术参数分析的污染特征分析能力不好。对此，本文提出烟气脱汞技术参数优化方法。首先采用熵权值技术分析不同的脱汞参数对燃煤电厂锅炉烟气浓度的影响；然后构建烟气排放物浓度的量化分析模型，根据量化特征参数分析和数据融合技术，实现对烟气脱汞技术参数优化；最后进行试验测试，结合相关检测分析结果，分析燃煤电厂锅炉烟气的可靠性治理措施。

1 烟气脱汞技术研究

1.1 相关设备仪器

为了实现对烟气脱汞技术参数优化与应用研究，结合试验测试方法，构建烟气脱汞熵权特征分析模型，结合综合指标参数，进行烟气脱汞量化参数分析[4]。烟气脱汞参数优化需要的仪器如表1所示。

表1 烟气脱汞需要的仪器

1.2 脱汞技术参数的影响

对反应温度、锅炉烟气浓度、汞浓度、NOx与CO浓度等进行检测，采用等价约束参数分析方法，进行烟气脱汞的参数分析[5]，得到燃煤电厂锅炉的燃料特性如表2所示。

表2 燃煤电厂锅炉的燃料特性 单位：%

采用 PP 中空纤煤组合分析方法，分析燃煤电厂锅炉排放物的汞活性，结合燃煤电厂锅炉排放物的有害物质计量分析方法，得到在不同配料方案下燃煤电厂锅炉排放物的烟气成分浓度[6]，如表3所示。对燃煤电厂锅炉排放物中的粉尘进行测量，随后进入脱汞流程[7]。

由表3可知，优化燃煤电厂锅炉排放物的参数分布情况，结合参数优化技术，可大幅降低燃煤电厂锅炉中的汞排放浓度。

表3 燃煤电厂锅炉排放物的污染浓度检测

2 烟气脱汞技术参数评价及优化分析

2.1 烟气脱汞技术参数评价

采用等价约束参数分析方法，建立烟气脱汞的技术指标约束规划模型[8]，得到烟气脱汞量化寻优的动态分布。

(1)

式中：ahi为烟气脱汞的量化值；M(h)为烟气脱汞的技术指标约束函数。在脱汞过程中，聚合和缩聚反应同时发生，此时通过计算技术参数Mi的m次方根，可以得到：

(2)

(3)

采用熵权分析方法，计算烟气脱汞的技术辨识矩阵A[9]，得到脱汞技术参数识别的最大特征值λmax。

(4)

式中:(A×p)i为烟气脱汞输出产物的判断矩阵A与权重矩阵p的乘积向量的第i个分量。结合归一化指标参数分析，计算烟气脱汞技术参数的一致性指标KL。

(5)

式中:H(i)为烟气脱汞技术参数归一化向量；m(t)为燃煤电厂锅炉排放物的烟气成分浓度系数。建立模糊决策融合参数模型，根据随机一致性指标分析[10]，构建燃煤电厂锅炉排放物中汞快速热解的参数评价函数。

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

(6)

式中:RI为合成气与煤共热的判断矩阵；CI为燃煤电厂锅炉排放物中汞的热解时间。分析高温过程中不同种类汞颗粒的分离特性，在此基础上对烟气脱汞技术参数进行评价，进而实现参数优化[11-13]。

2.2 烟气脱汞的技术参数优化

采用熵权值分析技术，分析不同的脱汞参数对燃煤电厂锅炉烟气浓度的影响。当煤燃料单颗粒破裂为多个颗粒时，得到燃煤电厂锅炉排放物中脱汞的较低温度或加热速率。

(7)

结合加热方式和反应器种类，通过综合指标评价，得到烟气脱汞技术参数的归一化处理公式。

(8)

在模糊约束指标下，得到烟气脱汞技术参数优化的熵权融合的计算公式。

(9)

式中：r1,r2为烟气脱汞技术参数优化熵权融合系数。计算第i项指标的熵值，得到烟气脱汞的第i项指标的熵值ei。

(10)

式中：T(w)为烟气脱汞的模糊约束指标。当zij为0时，烟气脱汞技术参数的收敛误差zij×lnzij=0。

基于典型的热解工艺参数分析，得到烟气脱汞的第i项指标的熵权wi。

(11)

采用综合权重分析的方法，依据加热方式的不同[14]，得到烟气脱汞的技术参数优化计算公式。

(12)

表4 烟气脱汞的可靠性约束特征量

3 试验测试分析

试验测试中，根据量化特征参数分析和数据融合技术，构建烟气脱汞技术参数优化解析和控制模型，采用不含氧的燃烧气作为热源，结合美国流化床工艺，进行脱汞试验。首先用空气压缩机进行燃煤电厂锅炉烟气压缩处理，在净化器中进行燃煤电厂锅炉烟气的镇定处理；然后对锅炉烟气进行汞含量初始测量，在U形管压差计测量仪中进行流量检测，经过分离装置实现汞分离；最后再次采用汞测量仪进行浓度检测。烟气脱汞试验装置如图1所示。

图1 烟气脱汞试验装置

采用动态测量方法分析燃煤电厂锅炉烟气中的污染成分，根据技术参数优化，分析不同的粒径分布对烟气脱汞的影响，结果如图2所示。

(a)汞有效分离系数

由图2得知，烟气脱汞技术参数优化，提高了汞有效分离能力和燃煤电厂锅炉的燃烧效率。燃煤电厂锅炉排放烟气中的汞分布质量分数如图3所示。

图3 燃煤电厂锅炉排放烟气中的汞分布质量分数

由图3得知，与传统方法相比，随着温度增加，本文方法的汞质量分数逐渐减小，分离特性较好。进一步测试烟气脱汞过程中的高温热解性能，得到测试结果如图4所示。

图4 烟气脱汞过程中的高温热解性能

由图4可知，本文方法下的烟气脱汞过程中的高温热解性能更好。根据上述试验测试，实现了对烟气脱汞的技术参数优化。

4 结论

本文研究烟气脱汞技术参数优化模型，采用等价约束参数分析方法，建立烟气脱汞的技术指标约束规划模型，根据试验检测结果，得到如下结论。

a.随着温度增加与时间延长，燃煤电厂锅炉排放烟气中的汞质量分数逐渐减小，在经过恒稳保持后，提高了汞的分离特性。

b.根据SO2浓度分布，在PP中空纤维膜组件中进行汞分离，采用分级除汞的方法能够提高汞的分离能力。

c.在脱汞的过程中，综合权重分布与各粒径微粒含量的分布特性，降低其他污染物的影响。

综上分析，通过对烟气脱汞技术参数优化设计，降低了燃煤电厂锅炉烟气的有毒物质含量，提高了环境治理水平。