CN102436270B

CN102436270B - 一种烟气脱硝装置及其使用的控制方法

Info

Publication number: CN102436270B
Application number: CN 201110436848
Authority: CN
Inventors: 杨汉华; 凌福林; 纪正飚
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2031-12-22
Also published as: CN102436270A

Abstract

本发明公开了一种烟气脱硝装置及其使用的控制方法，使用传感器测量所述脱硝反应器入口处的处理前的烟气流量L₁和NO_X的浓度D_n1；以及使用传感器测量所述脱硝反应器的出口处的烟气流量L₄；以及测量所述脱硝反应器入口处的氨气流量L_A、和出口处氨气浓度A_n4；设置理想的出口处氨气浓度为A_n4lx，根据下述公式动态地计算所需要的脱硝反应器入口处的氨气浓度A_n2＝[D_n1L₁K₁K₂+(A_n4lx-A_n4)L₄]/L_A；其中K₁和K₂等于1或者小于1；然后根据计算结果控制液氨阀的开度来调整所述脱硝反应器入口处的氨气浓度为A_n2。本发明利用测量值来动态计算出入口处需要的氨气的浓度，并根据该计算值实时调整氨气浓度，从而有效的防止出口处氨气的逃逸。

Description

一种烟气脱硝装置及其使用的控制方法

技术领域本发明涉及防治大气污染的烟气脱硝技术，尤其涉及烟气脱硝装置及其使用的控制方法。

背景技术燃煤装置，例如火力发电厂，排放烟气会造成大气污染，其中主要污染物之一是NO_X，现有技术中主要的治理手段有：选择性非催化还原法(SNCR)，和选择性催化还原法(SCR)。

选择性催化还原法是现在最成熟的烟气脱硝技术，它是一种炉后脱硝方法，利用还原剂(氨气，尿素)在金属催化剂作用下，选择性地与NOx反应生成N₂和H₂O。目前世界上流行的SCR工艺主要分为氨法SCR和尿素法SCR两种。此两种SCR法都利用了氨对NOx的还原功能。

在SCR脱硝过程中，控制氨的注入量非常重要。氨的注入量既要保证有足够的氨与NOx反应，以降低排放的烟气中的NOx的含量，又要避免过量的氨逃逸后随脱硝后的烟气一起排放到大气中。过量的氨气逃逸不仅浪费，增加了成本，而且也有一定的危险性。因为氨气的浓度过大会增加腐蚀，缩短SCR催化剂的寿命，还会污染烟尘，增加空气预热器中氨盐的沉积，影响整个系统的性能。

为了降低氨逃逸的比例，通常采用降低脱硝效率及增加催化剂的用量的办法，这种办法大大影响了整个脱硝系统的性能。因此人们需要一种新的降低SCR烟气脱硝装置中氨气逃逸比例的方法。

发明内容本发明的主要目的在于降低SCR烟气脱硝装置中氨气逃逸比例，提供一种烟气脱硝装置及其使用的控制方法。

本发明公开的一种烟气脱硝装置使用的控制方法，包括借助于催化剂，在脱硝反应器中用氨来还原NOx的过程；包括如下步骤：

使用传感器测量所述脱硝反应器入口处的处理前的烟气流量L1和NOX的浓度Dn1；以及使用传感器测量所述脱硝反应器的出口处的烟气流量L4；以及测量所述脱硝反应器入口处的氨气流量LA、和出口处氨气浓度An4；

设置理想的出口处氨气浓度为An4lx，根据下述公式动态地计算所需要的脱硝反应器入口处的氨气浓度An2：

An2＝[Dn1 L1 K1 K2+(An4lx-An4)L4]/LA

其中K1和K2为脱硝过程中脱硝效率的衰减因子，等于1或者小于1；

然后根据计算结果调整所述脱硝反应器入口处的氨气浓度为An2。

本发明公开的所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，还使用传感器测量所述脱硝反应器内部O2浓度Yn3；并通过下述公式计算所述衰减因子K1的值：

当Yn3≥5％时；K1＝1；

当Yn3＜5％时，K1＝6.6Yn3+0.67。

本发明公开的所述的防止氨气逃逸的控制方法，还使用传感器测量所述脱硝反应器出口处的NOX物浓度Dn4，并通过下述公式计算所述衰减因子K2的值：

K2＝(Dn1 L1-L4 Dn4)/Dn1 L1 K1。

在本发明的一个实施例中，还通过PLC控制器按照预设的时间周期反复采集每一个传感器的值，并反复计算获得所需要的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度An2。

在本发明的所述的防止氨气逃逸的控制方法的实施例中，所述的根据计算结果调整所述脱硝反应器入口处的氨气浓度为An2的方法为：通过PLC控制器来控制液氨蒸发器的温度，或者控制液氨储罐的阀门开度。

本发明所述的防止氨气逃逸的控制方法，当计算获得的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度An2≥10％时，所述PLC控制器控制入口处的氨气浓度为预先设置的安全值，并控制报警器发出报警信息，等待人工干预。

本发明还公开了一种烟气脱硝装置，借助于催化剂，在脱硝反应器中用氨来还原NOx；还包括：位于所述脱硝反应器的烟气入口处的测量NOX的浓度及流量的传感器；位于所述脱硝反应器内部的测量O2浓度的传感器；以及位于所述脱硝反应器的烟气出口处的测量NOX的浓度的传感器，和测量氨气浓度的传感器；位于所述脱硝反应器氨气入口处的测量氨气流量和浓度的传感器；还包括PLC处理器，所述PLC处理器通过数据线连接上述每一个传感器，并采集所述每一个传感器的测量值根据下述公式动态计算入口处的氨气浓度，同时根据计算值控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度；

An2＝[Dn1 L1 K1 K2+(An4lx-An4)L4]/LA。

本发明的所述的烟气脱硝装置的实施例中，还包括报警装置，当所述PLC处理器计算获得的入口处的氨气浓度大于10％时，控制所述入口处的氨气浓度为预先设置的安全浓度，同时发出报警信号，等待人工干预。

本发明所述的烟气脱硝装置，在一个实施例中，还包括定时装置，所述PLC控制器按照预设的时间周期反复采集每一个传感器的值，并反复计算获得所需要的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度An2，并且实时控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度。

本发明的所述的烟气脱硝装置，还包括液氨储罐或者液氨蒸发器；所述PLC控制器通过控制所述液氨储罐的阀门的开度，或者通过控制所述液氨蒸发器的温度来实时控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度。

本发明公开的一种烟气脱硝装置及其使用的控制方法，通过动态分析计算出口处的氨气浓度来降低烟气脱硝装置中的氨逃逸比例。本发明通过测量脱硝反应器内部含氧量，计算出衰减因子K₁，有效解决了O₂浓度对氨气逃逸及脱硝效率影响。本发明通过测量脱硝装置反应腔入口处NO_X的浓度及流量，对比测量出口处NO_X物浓度，计算出催化剂活性指标K₂，有效解决了催化剂活性对脱硝效率的影响。再利用测量值来动态计算出入口处需要的氨气的浓度，并根据该计算值实时调整氨气浓度，从而有效的防止出口处氨气的逃逸，提高了脱硝系统的稳定，降低了系统运行成本。

附图说明

图1为本发明的一个脱硝反应器及其传感器测量点位置的实施例的示意图。

图2为本发明的实施例的控制流程图。

图3为本发明的实施例的控制电路框图。

具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

为了降低烟气脱硝装置中氨逃逸的比例，人们需要一种新的降低SCR烟气脱硝装置中氨气逃逸的方法。本发明通过动态分析计算氨气浓度的方法来降低氨逃逸。该方法能有效的降低脱硝装置出口处氨气的逃逸问题，避免对下游设备的二次污染。

本发明使用传感器测量SCR反应器中处理前的烟气入口处NO_X的浓度及流量，还测量SCR反应器内部O₂的浓度，以及测量SCR反应器的烟气出口处NO_X物浓度，和测量出口处氨气浓度。测量反应器内部O₂浓度，可以得出NO_X物与氨气反应速度，可得出NO_X物的脱除效率(当O₂浓度为0时，脱硝效率仅有O₂浓度为5％时的67％)；测量出口NO_X物浓度，可以估算脱硝的效率，从而计算出催化剂活性指标；测量出口氨气浓度，就可以计算出口氨气的逃逸度。再根据预期的SCR反应器出口处的氨气浓度(即氨气逃逸的浓度)，通过综合计算上述四方面的因素最终得出所需要的入口处氨气的浓度。

本发明的烟气脱硝装置，包括脱硝反应器和液氨罐，在反应器内部借助于催化剂，注入氨来还原NOx；包括：位于所述脱硝反应器的烟气入口处的测量NO_X的浓度及流量的传感器；位于所述脱硝反应器内部的测量O₂浓度的传感器；以及位于所述脱硝反应器的烟气出口处的测量NO_X的浓度的传感器，和测量氨气浓度的传感器；位于所述脱硝反应器氨气入口处的测量氨气流量和浓度的传感器；还包括PLC处理器和可自动控制所述液氨罐的氨释放量的液氨阀，所述PLC处理器通过数据线连接上述每一个传感器，并采集所述每一个传感器的测量值动态计算入口处的氨气浓度，同时根据计算值控制液氨阀的开度。

SCR脱硝反应的方程式如下：

4NO+4NH₃+O₂-催化剂-+4N₂+6H₂O (1)

NO+2NO₂+2NH₃-催化剂-+2N₂+2H₂O (2)

6NO₂+8NH₃-催化剂-7N₂+12H₂O (3)

在脱硝过程中，NO的浓度远远大于NO₂的浓度，因此反应方程主要为(1)(2)，因此NO_X与氨气最佳反应摩尔比为1∶1，通过NO_X浓度乘以入口处烟气的流量再除以氨气流量得到所需氨气的浓度，如计算出系统氨气所需的浓度＞10％或＜3％时，因为系统安全因素的考虑，则报警等待人工干预。

烟气中含氧量是影响脱硝效率的关键因素之一，其最佳O₂浓度为5％-8％，随着O₂浓度的降低脱硝效率而降低，当O₂浓度为0时，脱硝效率仅有O₂浓度为5％时的67％，因此本发明增加衰减因子K₁作为变量，通过测量反应器内部的O₂浓度来实现。当O₂浓度高于5％时，衰减因子为1；低于5％，其衰减因子K₁为：6.6乘以O₂浓度再加上0.67。即：

当Y_n3≥5％时；K₁＝1；

当Y_n3＜5％时，K₁＝6.6Y_n3+0.67。

催化剂的活性为脱硝的效率的关键因素之二，在外界条件满足的前提下，测出出口NO_X物浓度与期望的NO_X物浓度比，可以得出催化剂活性指标K₂。测量反应器入口处的烟气流量L₁和氮氧化物浓度D_n1，以及出口处的脱硝处理后的气体流量L₄和氮氧化物浓度D_n4，有：

K₂＝(D_n1 L₁-L₄ D_n4)/D_n1 L₁ K₁。

通过计算得到需要的入口氨气浓度A_n2为：

A_n2＝[D_n1L₁K₁K₂+(A_n4lx-A_n4)L₄]/L_A

上述公式中A_n4lx是理想的出口处氨气浓度，是人为设定的值；A_n4是实际测得的出口处氨气浓度，L₄是出口处的烟气流量，L_A是氨气入口处的氨气流量。

本发明的关键方法之一为增加O₂浓度对SCR脱硝的影响因子K₁，通过测量脱硝反应器内部的含氧量，计算出衰减因子K₁，有效的解决了脱硝过程中的不确定因素对效率的影响的计算，解决了O₂浓度对氨气及脱硝效率影响的难题，为脱硝系统的稳定提高了保障。

本发明关键方法之二为增加催化剂活性影响因子，通过计算出催化剂活性指标K₂，对催化剂活性进行量化，有效的解决了脱硝过程中的又一不确定因素的影响，解决催化剂活性对脱硝效率的影响。

图1为本发明的一个实施例的脱硝反应器及其传感器测量点位置的示意图。如图中所示，位于DCR脱硝反应器3的上部是氨气入口2，位于左侧的原始烟气入口1，和位于下方的处理后的烟气出口4。

一般情况下，我们采用电化学传感器测量氨气的浓度，浓度单位是ppm(百万分之一)；通过紫外分光光度法测量氮氧化物浓度，浓度单位也是ppm；采用氨气流量计测量氨气流量，流量采用的单位是m³/s，包括原始烟气的流量L₁和处理后烟气的流量L₄。氨气在进入反应器之前已经跟空气混合，我们的测量点在混合之后。根据测量数据计算出入口处2所需要的氨气浓度A_n2，这个需要的氨气浓度就用于调整跟空气混合的氨气量，来控制液氨阀开度(反应器内部氨气是通过液氨输入，跟空气混合，得到氨气和空气的混合物)。

分别测量出入口处1的NO_X浓度D_n1及流量L₁，测量氨气入口处2的流量L_A，测量反应器内部3的O₂浓度Y_n3，测量出口4的NO_X物浓度D_n4。把测量的数据送至中央处理单元，再根据预期的逃逸氨气浓度，分别计算出含氧量衰减因子K₁，催化剂活性指标K₂，最后用预期氨气含量乘以K₁乘以K₂再减去氨气逃逸浓度，即得出氨气入口2处所需浓度A_n2。可有效降低氨气逃逸。

如图2所示为本发明的实施例的控制流程图，包括如下步骤：

1、设置出口氨气浓度A_n4(人为设置)

2、测量反应器内部含氧量Y_n3，计算衰减因子K₁，即如果Y_n3小于5％，则：K₁＝6.6Y_n3+0.67。

3、测量反应器入口氮氧化物浓度D_n1、流量L₁

从上一时刻测量得到的出口氮氧化物浓度D_n4，出口气体流量L₄，计算出期望值，与实际值之比得到K₂(注：开始时刻K₂为1，并保持30秒)，即：

K₂＝D_n1L₁K₁/(D_n1L₁-L₄D_n4)。

4、测量入口氨气流量——计算出所需氨气浓度；

5、测量出口氨气浓度，氮氧化物浓度，气体流量。计算出所需氨气浓度，并根据所需氨气浓度反馈控制到液氨阀的开度。

6、如此循环往复，实时调整控制到液氨阀的开度。

如图3所示是本发明的一个实施例的控制电路框图。包括PLC传感器，以及NO_x浓度D_n1传感器，烟气流量L₄传感器；NO_x浓度D_n4传感器；氨气流量L_A传感器；氨气浓度A_n4传感器；和烟气流量L₁传感器；上述6个传感器根据需要把数据传送给PLC传感器，所述PLC传感器输出对应氨气浓度A_n2的液氨阀开度控制值，用于控制液氨阀。

使用传感器测量的数据，通过数据线传送给PLC(Programmable LogicController是可编程逻辑控制器)，处理计算，自动进行调整入口氨气浓度。PLC通过数据线连接传感器，并根据预设的时间周期采集传感器的数据，经过计算后输出计算值给液氨输出阀门控制器，用于控制阀门开度，从而控制进入反应器的氨气的量。

下面是本发明的实施例1：一种烟气脱硝装置，假设其出口处的氨气浓度要求为2ppm；传感器测量得知该脱硝装置的反应器内部的含氧量为4.0％，测量得知该脱硝装置的反应器入口处的烟气流量为2050m3/s，并且传感器测量得知此处的氮氧化物浓度为240ppm，以及，氨气流量为420m3/s。同时该脱硝装置的出口处的氮氧化物浓度经传感器测量得知为41ppm，并且出口处的气体流量为2410m3/s，氨气浓度为1.5ppm。通过公式计算K1为：0.934，通过公式计算测量出K2为0.856。通过公式计算得知入口处的氨气浓度应该为：938.8ppm。计算出所需用的入口处氨气浓度后，通过PLC(PID)输出相应的控制值，通过控制液氨蒸发器的温度，或者通过控制液氨储罐的阀门开度，实现对输入反应器的氨气浓度的控制。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种烟气脱硝装置使用的控制方法，包括借助于催化剂，在脱硝反应器中用氨来还原NOx的过程；其特征在于，包括如下步骤：

使用传感器测量所述脱硝反应器入口处的处理前的烟气流量L₁和NO_X的浓度D_n1；以及使用传感器测量所述脱硝反应器的出口处的烟气流量L₄；以及测量所述脱硝反应器入口处的氨气流量L_A、和出口处氨气浓度A_n4；

设置理想的出口处氨气浓度为A_n4lx，根据下述公式动态地计算所需要的脱硝反应器入口处的氨气浓度A_n2：

A_n2＝[D_n1L₁K₁K₂+(A_n4lx-A_n4)L₄]/L_A

其中K₁和K₂为脱硝过程中脱硝效率的衰减因子，等于1或者小于1；

然后根据计算结果调整所述脱硝反应器入口处的氨气浓度为A_n2。

2.根据权利要求1所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，其特征在于，还使用传感器测量所述脱硝反应器内部O₂浓度Y_n3；并通过下述公式计算所述衰减因子K₁的值：

当Y_n3≥5％时；K₁＝1；

当Y_n3＜5％时，K₁＝6.6Y_n3+0.67。

3.根据权利要求1所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，其特征在于，还使用传感器测量所述脱硝反应器出口处的NO_X物浓度D_n4，并通过下述公式计算所述衰减因子K₂的值：

K₂＝(D_n1L₁-L₄D_n4)/D_n1L₁K₁。

4.根据权利要求1、2或者3所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，其特征在于，通过PLC控制器按照预设的时间周期反复采集每一个传感器的值，并反复计算获得所需要的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度A_n2。

5.根据权利要求4所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，其特征在于，所述的根据计算结果调整所述脱硝反应器入口处的氨气浓度为A_n2的方法为：通过PLC控制器来控制液氨蒸发器的温度，或者控制液氨储罐的阀门开度。

6.根据权利要求5所述的烟气脱硝装置使用的控制方法，其特征在于，当计算获得的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度A_n2≥10％时，所述PLC控制器控制入口处的氨气浓度为预先设置的安全值，并控制报警器发出报警信息，等待人工干预。

7.一种烟气脱硝装置，借助于催化剂，在脱硝反应器中用氨来还原NOx；其特征在于还包括：位于所述脱硝反应器的烟气入口处的测量NO_X的浓度及流量的传感器；位于所述脱硝反应器内部的测量O₂浓度的传感器；以及位于所述脱硝反应器的烟气出口处的测量NO_X的浓度的传感器，和测量氨气浓度的传感器；位于所述脱硝反应器氨气入口处的测量氨气流量和浓度的传感器；还包括PLC处理器，所述PLC处理器通过数据线连接上述每一个传感器，并采集所述每一个传感器的测量值根据下述公式动态计算入口处的氨气浓度A_n2，同时根据计算值控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度；

设：所述脱硝反应器入口处的处理前的烟气流量为L₁和NO_X的浓度为D_n1；所述脱硝反应器的出口处的烟气流量为L₄；以及所述脱硝反应器入口处的氨气流量为L_A、和出口处氨气浓度为A_n4；设置理想的出口处氨气浓度为A_n4lx；有

A_n2＝[D_n1L₁K₁K₂+(A_n4lx-A_n4)L₄]/L_A；

以及，还包括报警装置，当所述PLC处理器计算获得的入口处的氨气浓度大于10％时，控制所述入口处的氨气浓度为预先设置的安全浓度，同时发出报警信号，等待人工干预。

8.根据权利要求7所述的烟气脱硝装置，其特征在于，还包括定时装置，所述PLC控制器按照预设的时间周期反复采集每一个传感器的值，并反复计算获得所需要的所述脱硝反应器入口处的氨气浓度A_n2，并且实时控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度。

9.根据权利要求8所述的烟气脱硝装置，其特征在于，还包括液氨储罐或者液氨蒸发器；所述PLC控制器通过控制所述液氨储罐的阀门的开度，或者通过控制所述液氨蒸发器的温度来实时控制释放到所述脱硝反应器中的氨气浓度。