CN106474887A

CN106474887A - 一种w火焰锅炉高效脱硝系统

Info

Publication number: CN106474887A
Application number: CN201610993769.7A
Authority: CN
Inventors: 张缠保; 王英; 张媛媛; 赵清波; 冯锋; 杨文生; 马元元
Original assignee: Shanxi Rentong China Electric Power Technology Co Ltd
Current assignee: Shanxi Huarentong Electric Power Technology Co ltd
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2016-11-09
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: CN106474887B

Abstract

本发明属于W火焰锅炉脱硝技术领域，具体涉及一种W火焰锅炉高效脱硝系统。本发明一种W火焰锅炉高效脱硝系统，由还原剂储备及输送单元，SNCR调配计量及混合分配单元，多区域n层m组合喷射单元，SCR脱除单元，TFC状态检测单元，数据挖掘及全自动控制单元组成，所述数据挖掘及全自动控制单元根据SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度计算出SCR脱硝系统的脱硝效率，将该脱硝效率的数值与设定脱硝效率值进行对比，当该脱硝效率的数值低于设定脱硝效率值时，数据挖掘及全自动控制单元向SNCR调配计量及混合分配单元发送指令以增大SNCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量同时减少SCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量。

Description

一种W火焰锅炉高效脱硝系统

技术领域

本发明属于W火焰锅炉脱硝技术领域，具体涉及一种W火焰锅炉高效脱硝系统。

背景技术

W火焰锅炉以燃用无烟煤的燃烧稳定性，较好的解决了利用低挥发份煤发电困难的问题。但由于所燃煤种挥发份低，着火和燃尽困难，炉膛卫燃带多，燃烧温度高，NOx排放浓度高于一般煤粉炉，通常在1300mg/Nm³以上，有些甚至高达1800-2000mg/Nm³。目前大多数电站煤粉锅炉采用选择性催化还原(SCR)技术进行烟气脱硝，一般的SCR技术可以实现90％的脱硝效率，并且催化剂难以长期保持较高的脱硝活性，对W火焰锅炉来说仅依靠SCR难以实现超低排放。因此，对W火焰炉超低排放改造的关键在于尽可能低的降低炉膛出口，即SCR入口的NOx浓度。部分W火焰炉采用低氮燃烧技术+选择性非催化还原(SNCR)技术进行炉内改造，但从改造效果来看，炉膛出口处NOx浓度难以低于800mg/Nm³，实现超低排放非常困难。特别是低氮燃烧技术的深度改造与提高锅炉热效率相矛盾，因此提高SNCR的脱硝效率是解决W火焰锅炉超低排放的核心所在。

SNCR技术是指在炉膛850-1050℃温度范围内不使用催化剂利用还原剂进行脱硝，当使用尿素为还原剂时，主要的化学反应方程式为：

2NO+CO(NH₂)₂+1/2O₂→2N₂+CO₂+2H₂O

有关文献报道，个别煤粉锅炉使用SNCR脱硝的效率也只有20％-30％，并且由于氨氮比较高造成氨逃逸严重，特别是炉后安装有SCR脱硝的系统，氨逃逸引起硫酸氢氨大量生成导致空预器堵塞。影响SNCR脱硝效率及氨逃逸最重要的因素是反应条件和参数控制，特别是指对反应温度和混合程度的控制。

SNCR反应的温度窗口较窄。低温导致反应物活性不够，还原剂反应不完全，不但引起脱硝效率低，同时形成所谓“氨穿透”，增大氨逃逸；而高温导致还原剂氧化，也使脱硝效率下降，发生副反应的化学方程式为：

NH₃+O₂→NOx+H₂O

因此为满足温度要求，喷氨位置与最佳反应温度区域的匹配是SNCR技术的关键，同时也限制SNCR脱硝效率和运行的稳定性。

SNCR本质是一个气相反应过程，反应物的混合程度决定了脱硝效率的大小。当锅炉负荷发生变动时，烟气量变化会引起流场的变化，传统SNCR技术利用出口压力恒定的喷枪，不能够很好的与流场配合。负荷增加时，传统喷枪喷射压力不足引起炉膛中心还原剂浓度小；而负荷降低时，又会出现喷枪对冲，引起炉膛中心局部浓度过大。还原剂与烟气的混合程度不良，一方面降低脱硝效率另一方面带来氨逃逸增大的问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足，提供一种W火焰锅炉高效脱硝系统。

本发明为解决上述问题而采取的技术方案为：

一种W火焰锅炉高效脱硝系统，由还原剂储备及输送单元，SNCR调配计量及混合分配单元，多区域n层m组合喷射单元，SCR脱除单元，TFC状态检测单元，数据挖掘及全自动控制单元组成，

所述还原剂储备及输送单元包括还原剂储备罐和稀释水储备罐，在还原剂储备罐中装有还原剂溶液，在稀释水储备罐中装有稀释水，还原剂溶液通过循环泵输送至SNCR调配计量及混合分配单元，稀释水通过稀释水泵也输送至SNCR调配计量及混合分配单元；

所述的SNCR调配计量及混合分配单元，所述的SNCR调配计量及混合分配单元包括多个喷枪组控制系统和多个压缩空气控制系统，每个喷枪组控制系统与一个压缩空气控制系统匹配构成一组，所述每个喷枪组控制系统都是由还原剂溶液、软化水、多个电磁阀、多个调节阀、多个流量计和一个缓冲混合器组成，还原剂溶液通过还原剂管道与缓冲混合器的入口相连接，在还原剂管道上依次设有电磁阀、调节阀和流量计，软化水通过软化水管道也与缓冲混合器的入口相连接，在软化水管道上也依次设有电磁阀、调节阀和流量计，缓冲混合器的出口分别通过多个喷枪管道与多个喷枪相连接，每个喷枪管道对应一个喷枪，在每个喷枪管道上都依次设有流量计和电磁阀，多个喷枪分别安装在电站锅炉的前墙和后墙；所述的每个压缩空气控制系统都是由压缩空气、多个电磁阀、调节阀和压力计组成，压缩空气通过空气主管道连接多个空气副管道，每个空气副管道连接一个喷枪，在空气主管道上依次设有电磁阀、调节阀和压力计，在每个空气副管道上都设有一个电磁阀；

电磁阀和调节阀都接收数据挖掘及全自动控制单元的指令；

所述多区域多组合喷射单元由分层布置在锅炉炉膛前后墙上的喷枪组成，在W火焰炉炉膛的前墙和后墙上位于燃烧器的上方分别分成两个区域，在W火焰炉炉膛的前墙上的每个区域内分3～4层不等间距布置喷枪；在W火焰炉炉膛的后墙上的每个区域内分2-3层不等间距布置喷枪，所述多区域多组合喷射单元接收数据挖掘及全自动控制单元的指令；

所述SCR脱除单元接收数据挖掘及全自动控制单元的指令和还原剂储备及输送单元中的还原剂溶液完成脱硝反应；

所述TFC状态检测单元，在炉膛内部安装测温装置实现全炉膛零死角的温度场检测并得到炉膛内部的温度场，采集锅炉负荷、喷燃器投运情况、烟气量和喷入的还原剂浓度，根据CFD模拟计算获得流场和浓度场，然后温度场、流场和浓度场通过3D可视化软件，实时观测温度场、流场和浓度场的分布情况和具体参数并将该分布情况和具体参数发送至数据挖掘及全自动控制单元；

所述数据挖掘及全自动控制单元采集机组负荷、烟气量、还原剂溶液的喷入量、温度场、流场和浓度场、SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度、SCR脱硝系统出口的氨逃逸量、根据神经网络遗传优化算法计算得到还原剂利用率最高和对锅炉效率影响最小的还原剂喷入点的组合方式、喷入浓度及喷入量，并将还原剂喷入点的组合方式发送给多区域n层m组合喷射单元以完成此次需要喷射的喷枪的组合方式，将喷入浓度和喷入量发送给SNCR调配计量及混合分配单元完成调配和混合分配向多区域n层m组合喷射单元的完成此次需要喷射的喷枪发送喷射指令；

数据挖掘及全自动控制单元根据SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度计算出SCR脱硝系统的脱硝效率，将该脱硝效率的数值与设定脱硝效率值进行对比，当该脱硝效率的数值低于设定脱硝效率值时，数据挖掘及全自动控制单元向SNCR调配计量及混合分配单元发送指令以增大SNCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量同时减少SCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量。

本发明所述的还原剂储备罐和稀释水储备罐都是不锈钢储罐。

本发明所述的还原剂溶液为质量百分数为40％-50％的尿素溶液，且尿素溶液中的水是软化水，所述的稀释水为。

本发明是根据SNCR系统出口的NOx浓度偏差e_i及其偏差变化△e，经由模糊推理智能控制算法，得到还原剂喷入浓度及流量，并将还原剂喷入喷入浓度及流量发送给还原剂喷入量控制系统。本发明所述的模糊推理智能控制算法为：以e_i和△e作为输入变量，△k_p、△k_i为输出变量，模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，其中子集元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，其论域为[-3,3]，使用模糊合成推理设计PI参数的模糊矩阵表，得出参数代入k_p、k_i计算式：

式中，为PI参数初始值

根据式(1)得出K_p、K_i后，其模糊推理智能控制算法PI控制器输出为：

本发明所述的还原剂喷枪喷入锅炉的浓度及流量的计算方法为：设置若干个喷射还原剂浓度点,每个还原剂喷量m对应于一个向量X＝(T,f,V)＝(x1,x2,x3)，其中T表示群组平均温度，f表示锅炉流场状态，V表示烟气量，通过现场还原剂喷射试验，记录对应于最佳还原剂喷射浓度的流场条件，设喷射量为mi时对应的流场条件为(T_i，f_i，V_i)，实时在线监测获得的流场数据为X_i′＝(T_i′，f_i′，V_i′)＝(x′_i1，x′_i2，x′_i3)，对于x′_i1，x′_i2和x′_i3可以构造隶属函数为其中j＝1，2，3，根据测量的流场实时数据X_i′，计算每时刻群组内流场隶属度B_i(j)。根据对喷射量影响因素的大小，对各要素设定权重，设权重为A＝(a₁，a₂，a₃)，然后计算各种实时流场数据与理想指标(T_i，f_i，V_i)的贴近度，依照海明贴近度公式有

其中B_i(j)为喷射浓度为m_i时对应的隶属度，实时喷氨量设计为取最大值时的当SNCR出口NOx浓度实测值接近目标值时，该群组还原剂喷射量就是否则的话，根据SNCR出口NOx浓度实测值与目标值的偏差大小，采用灰色理论建立GM(1,1)模型对还原剂喷射量进一步微调，对应于群组k历史还原剂喷射量记为并要求级比落在特定的区间，对做一次累加，得到依据灰色系统控制理论建立GM(1,1)模型，可得预测值

其中，c，d为系统估计参数，利用可以得到新的时段的还原剂浓度值进而得到还原剂浓度的调整量Δm。

本发明的有益效果为：

1、精确测量，精准控制：利用数据挖掘系统，对详细大量的运行数据进行分析处理，并通过控制单元反馈到相应单元，实现脱硝的最优状态，从根本上解决了传统SNCR技术脱硝效率低的问题；

2、脱硝效率高，氨逃逸少：尿素溶液在SNCR反应的最佳温度场、流场和浓度场内喷射，在氨氮比不超过1.2时，脱硝效率达到50％以上；在多目标优化条件下，合理调整SNCR与SCR的脱硝比例，保证NOx排放浓度低于50mg/Nm³，满足超低排放；SNCR中过喷的尿素溶液在到达SCR催化剂时已充分混合，可高效脱除NOx，减少SCR还原剂的喷入，确保氨逃逸不超过2.5mg/Nm³；

3、脱硝稳定性好：通过检测和控制系统寻求最佳的SNCR/SCR脱除效率优化系数，实时调整控制尿素溶液的喷射浓度、流量，从而调整SNCR的脱除效率，以维持稳定的整体脱硝效率；喷枪采用任意组合单支可控的精确控制方式，实现了良好的雾化混合效果，稳定了脱硝效率；

4、自动化程度高：该高效脱硝系统内多项功能如泵送、混合分配等均集成模块化，其温度/浓度测量、喷射等功能单元都能实现全自动控制，其全自动自适应控制单元具有很强的自调节能力。投产后，整个系统能高度自动化平稳运行。

5、投运成本低：设备占地小，系统集成在小的控制柜中；无需改造锅炉，且对现有的SCR系统不需进行改造，施工简单；采用尿素为还原剂，原料安全易得。

具体实施方式

实施例1

一种W火焰锅炉高效脱硝系统，包括还原剂储备及输送单元，SNCR调配计量及混合分配单元，多区域n层m组合喷射单元，SCR脱除单元，TFC状态检测单元，数据挖掘及全自动控制单元。

其具体流程是，数据挖掘及全自动控制单元根据TFC状态检测单元中提供的温度场、流场和浓度场数据，NOx在线监测装置提供的SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度、NH₃在线监测系统提供的SCR脱硝系统出口NH₃浓度，以及锅炉工况在线监测系统提供的锅炉负荷、喷燃器投运情况、烟气量的数据，进行计算，将计算好的所需尿素溶液的喷入浓度和喷入量发送给SNCR调配计量及混合分配单元，在此对还原剂储备及输送单元送来的尿素溶液进行具体调节，稀释后分配至多区域n层m组合喷射单元在锅炉炉膛内对NOx进行脱除，根据需求可达到50％-70％的脱硝效率，SCR脱除单元也接受数据挖掘及全自动控制单元的指令对喷入的尿素溶液量进行适时调整，在SCR反应器中，NOx浓度在400mg/Nm3左右的烟气与SNCR中逃逸的氨气和SCR脱除单元中喷入的尿素溶液在催化剂上进一步进行还原反应，使NOx浓度进一步降低，联合脱硝效率可达到96％以上，满足NOx排放浓度低于50mg/Nm3，同时保证氨逃逸低于2.5mg/Nm³。

还原剂储备及输送单元包括还原剂配置罐、输送泵、输送管道、还原剂储备罐和稀释水储备罐，还原剂配置罐顶部与稀释水储备罐相连接，并设有搅拌器、加热装置、温度指示、液位指示，输送泵将还原剂配置罐内的尿素溶液通过输送管道送入还原剂储备罐中储存，还原剂储备罐在内部设有加热装置、温度计和液位计，在稀释水储备罐中装有稀释水，还原剂溶液通过循环泵输送至SNCR调配计量及混合分配单元，稀释水通过稀释水泵也输送至SNCR调配计量及混合分配单元；

还原剂储备及输送单元采用直接外购的袋装尿素颗粒，制备成40-50％的尿素溶液并储存。

SNCR调配计量及混合分配单元由多个控制柜组成，每个控制柜中包括一个尿素溶液浓度及流量控制系统和一个压缩空气控制系统，尿素溶液浓度及流量控制系统中的稀释还原剂管道上设有电磁阀、调节阀、流量计，还原剂输送管道与稀释水管道通过缓冲混合器合并成稀释还原剂管道，稀释水管道上也依次设有电磁阀、调节阀和流量计。压缩空气控制系统由压缩空气输送管道、电磁阀、调节阀和压力计组成，压缩空气通过空气主管道连接四个空气副管道，每个空气副管道与还原剂喷枪相连。SNCR调配计量及混合分配单元实现还原剂流量和浓度的精确控制，保证准确性，SNCR调配计量及混合分配单元中的装置集中安装在模块化控制柜中，控制柜布置在锅炉房内接近喷射单元的平台上，与数据挖掘及全自动控制单元相连并接收该单元的指令，精确计量和精准控制锅炉内每个喷射区域脱硝反应所需的还原剂流量和浓度，投运到多区域n层m组合喷射单元。

多区域n层m组合喷射单元中的喷枪布置在W火焰锅炉的上部辐射炉膛内。喷枪最初基于炉膛宽度、温度场检测和CFD流场及浓度场计算结果，将整个喷射区域分为四部分，分别对应锅炉的四台磨煤机上方的区域，最佳的安装位置通常在喷燃器上方1-3米处、喷枪间距1.5-2m，保证100％喷射覆盖率。炉膛前墙布置4层喷枪，以1、2层，2、3层，3、4层三种组合的方式投运，后墙布置3层喷枪，以1、2层，2、3层两种组合方式投运。喷枪接收数据挖掘及全自动控制单元的指令适时调整，确保在最佳工作条件下运行，根据需求可实现50％-70％的脱硝效率，保证出口NOx浓度低于400mg/Nm³。

SCR脱除单元4由SCR反应器本体、催化剂和还原剂喷枪组成。SCR反应器本体采用固定床形式承载催化剂，提供反应空间并保证气流分布均匀。SCR催化剂采用常用的蜂窝状钒基SCR催化剂，布置方式采用2+1方式，初装两层，预留一层加装层。还原剂喷枪接收数据挖掘及全自动控制单元的指令，将还原剂储备及输送单元中送来的尿素溶液进行喷射完成脱硝反应，保证提供90％以上脱硝效率，实现NOx排放浓度低于50mg/Nm³。

TFC状态检测单元由数据采集装置、信号输送电路和CFD计算及3D可视化软件组成。温度场利用炉膛内部安装的测温装置实现全炉膛零死角检测，数据采集装置将锅炉负荷、喷燃器投运情况、烟气量和喷入的还原剂浓度等信号发送至CFD模拟计算软件从而获得流场和浓度场的分布情况和具体参数，并通过3D可视化软件实时观测炉膛内部还原剂喷射区域的温度场、流场和浓度场。TFC状态检测单元将温度场、流场和浓度场数据发送至数据挖掘及全自动控制单元。

在SCR脱硝入口和出口安装NOx在线监测装置，NH₃在线监测装置安装于SCR脱硝系统出口，采集到的数据信号发送至数据挖掘及全自动控制单元。

数据挖掘及全自动控制单元将采集到的单元机组负荷、烟气量、还原剂溶液的喷入量、温度场、流场和浓度场、SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度、SCR脱硝系统出口的氨逃逸量等数据进行计算，根据神经网络遗传优化算法得到还原剂利用率最高和对锅炉效率影响最小的还原剂喷入点的组合方式、喷入浓度及喷入量，并将还原剂喷入点的组合方式发送给多区域n层m组合喷射单元以完成此次需要喷射的喷枪的组合方式，将喷入浓度和喷入量发送给SNCR调配计量及混合分配单元完成调配和混合分配向多区域n层m组合喷射单元的完成此次需要喷射的喷枪发送喷射指令。

数据挖掘及全自动控制单元根据SCR脱硝系统入口和出口的NOx浓度计算出SCR脱硝系统的脱硝效率，将该脱硝效率的数值与设定的保证脱硝效率值进行对比，当氨氮比大于1.8和脱硝效率的数值低于85％时，数据挖掘及全自动控制单元向SNCR调配计量及混合分配单元发送指令以增大SNCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量同时减少SCR脱硝系统中还原剂溶液的喷入量，从而调整NOx在SNCR系统与SCR脱硝系统中的脱除效率，使SNCR脱除效率增大。并且，通过调整还原剂溶液在SNCR脱硝系统和SCR脱硝系统中的喷入量，可以合理控制NH₃逃逸低于2.5mg/Nm³。

Claims

1.一种W火焰锅炉高效脱硝系统，其特征是由还原剂储备及输送单元，SNCR调配计量及混合分配单元，多区域n层m组合喷射单元，SCR脱除单元，TFC状态检测单元，数据挖掘及全自动控制单元组成，

电磁阀和调节阀都接收数据挖掘及全自动控制单元的指令；

2.根据权利要求1所述的一种W火焰锅炉高效脱硝系统，其特征是所述的还原剂储备罐和稀释水储备罐都是不锈钢储罐。

3.根据权利要求1所述的一种W火焰锅炉高效脱硝系统，其特征是所述的还原剂溶液为质量百分数为40％-50％的尿素溶液，且尿素溶液中的水是软化水，所述的稀释水为。