CN110479061A - 基于炉膛温度场信息的sncr控制系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统和方法，SNCR控制系统包括：温度场测量装置，NO_x浓度预估器，还原剂流量主控制器，喷枪流量选择器和喷枪流量控制器。本发明通过在SNCR控制系统中增加了能够提供垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征温度二维分布和喷枪各个布置平面上的二维温度场分布测量装置，通过二维温度场分布、预估的氮氧化物浓度分布选择并控制相应的喷枪，缩短了系统响应时间，提高了喷枪的工作效率，从而提高脱硝效果。

Description

基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统和方法

技术领域

本发明涉及了基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，同时还涉及了基于炉膛温度场信息的SNCR控制方法。

背景技术

在火力发电、钢铁冶金、化工生产、垃圾焚烧等过程中，会产生大量的氮氧化物。按照氮氧化物的生成机理，可分为热力型、燃料型和快速型。炉内燃烧温度是热力型NO_x的产生的最直接的影响因素，而燃料型NO_x的生成量与生成速率也与炉内温度有较大的相关性。此外，对于燃料型NO_x来说，受过量空气系数的影响较大，而过量空气系数也会对燃烧温度产生影响。在实际燃烧过程中炉内温度不均匀，温度异常高或异常低的区域都有可能产生较多的氮氧化物。现有技术中，SNCR是一种造价低廉易于实施的脱硝技术，得到了广泛的应用。但制约SNCR的脱硝效率因素较多，其中影响较大的包括还原剂与烟气混合程度、烟气中氮氧化物的浓度分布、氨氮摩尔比、反应温度、反应停留时间等。通常认为采用氨作为还原剂的SNCR反应温度窗口在850-1050℃之间，在950℃左右脱硝效率最高；采用尿素作为还原剂的SNCR反应温度窗口在900-1050℃之间，在1000℃左右脱硝效率最高。因此在喷枪布置设计时往往将其布置在对应的反应温度区域处。但在实际运行过程中，烟气温度随炉内燃烧工况的变化存在较大的波动，因此为了提高SNCR的脱硝效率，往往会布置两层甚至多层喷枪，每层数只喷枪以尽可能实现还原剂均匀分布，再根据测电偶测得的某处烟气温度变化选择其中的一层或两层进行投运。由于单点测温不能全面反映炉内温度的分布，因此难以实现反应温度窗口的准确控制。

专利CN102553421B提出了一种精确实现温度窗追踪的SNCR炉内脱硝方法，在喷射点周边安装温度测点，根据温度计算喷射量，按量喷射。该方法总体上属于开环控制，不利于满足氮氧化物排放环保指标和氨逃逸指标，此外该方法仍然是基于点温度的测量，需要安装大量的温度测量元件，且不能得到平面温度场的分布，不便于根据温度趋势变化做出相应的调整。专利CN 208130818 U提出了一种SNCR声波测温分区喷射系统，通过声波测温的方式测量出整个炉膛截面的温度，根据测量所得的每个分区的平均温度来控制喷枪的插入、退出，保证氨水(或尿素)在温度最适宜的位置喷入锅炉内。但该系统仅仅根据温度场信息和温度反应窗口上下限来选择是否投入喷枪，并未对喷枪的流量进行调整。专利CN108786428A提出了一种SNCR脱硝最优控制系统和控制方法，根据红外温度对上下两层氨水流量进行分配，然后采用PID控制器分别控制上层氨水流量和下层氨水流量。该方法并未表述红外温度与两层流量分配的关系，此外红外测温方式对烟气温度测量的误差较大，且只能测量局部温度，不利于实现SNCR反应温度窗口精确控制。

综上，炉内燃烧产生的氮氧化物浓度与温度密切相关，SNCR脱硝效果与温度密切相关。现有技术的应用表明，SNCR是一个典型的大时滞系统，从调整SNCR喷射量到烟气中监测到氮氧化物的变化往往需要数分钟的时间。传统控制技术中将炉膛温度作为不可测的扰动因素，因此如何在SNCR的控制系统中检测到炉膛温度并将其作为前馈控制的依据，以达到提高脱硝效果、同时还能够极大的缩短系统的响应时间，成为本领域极需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为解决上面所述的技术问题，提供一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，同时还提供了一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制方法。

为解决上面所述的技术问题，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，包括：

温度场测量装置，用于测量炉内烟气二维温度场分布；

NO_x浓度预估器，用于根据二维温度场分布预估氮氧化物浓度分布；

还原剂流量主控制器，用于确定和控制还原剂的总流量；

喷枪流量选择器，用于根据炉内二维温度场分布、预估的氮氧化物浓度分布选择投运喷枪，为每只所选择的喷枪分配流量设定比例值；并根据还原剂总流量为每只喷枪设定流量；

喷枪流量控制器，用于控制每一只喷枪的流量。

优选地，所述温度场测量装置能够提供垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征温度二维分布和喷枪各个布置平面上的二维温度场分布。示例，采用声波测温装置测量某一平面上二维温度场分布。

所述NO_x浓度预估器用于依据氮氧化物在生成过程中与温度的相关性，基于所测量得到的燃烧特征温度二维分布来对垂直于烟气流动方向截面上的氮氧化物浓度分布进行预估。所述喷枪流量控制器用于控制每只喷枪的流量，示例性地，根据喷枪流量设定比例值和还原剂总流量的乘积，确定该喷枪的设定流量，并与该喷枪的反馈流量进行对比，根据其差值对喷枪流量进行调整。

优选地，还包括喷枪插入深度控制器，用于根据炉内温度场的分布为每只所选择的喷枪设定插入炉内的深度。

本发明还提供一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制方法，包括：

1)由还原剂流量主控制器确定和控制还原剂的总流量；

2)通过温度场测量装置测量得到炉内垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征二维温度场分布、喷枪各个布置平面上的二维温度场分布；

3)根据燃烧特征温度，由NOx浓度预估器预测估计烟气中的氮氧化物分布；

4)根据喷枪所在平面温度场的分布、所预估的氮氧化物分布和喷枪自身的喷射及影响范围，选择处于合适的反应温度窗口的喷枪，并为每只所选择的喷枪分配流量设定比例值；

5)根据喷枪流量设定比例值和还原剂总流量的乘积，确定该喷枪的设定流量，并与该喷枪的反馈流量进行对比，由喷枪流量控制器根据其差值对喷枪流量进行调整。

示例性地，NO_x浓度预估器的预估方法，可以是：通过调试试验的方法建立燃烧特征温度分布与NO_x浓度分布的关系模型，该模型以燃烧特征温度作为输入参数，以NO_x浓度分布作为输出参数。

示例性地，NO_x浓度预估器的预估方法，还可以是：计算各处温度分布与平均温度或基准温度的偏差比例，作为NO_x浓度偏差比例。

示例性地，喷枪流量选择器选择投运喷枪和分配流量设定比例值的方法包括：若喷枪的喷射区域温度越接近脱硝效率最高反应温度，则给予该喷枪更大的流量设定比例值，越远离脱硝效率最高反应温度，则给予该喷枪更低的流量设定比例值，作为特例若喷枪的喷射区域温度超出最佳反应窗口温度的上下限，则该喷枪的流量为0；确保喷枪在垂直烟气流动方向上的全覆盖；对于有多层喷枪情况的，给予上游喷枪更大的流量设定比例值，降低下游喷枪的流量设定比例值，作为特例下游喷枪的流量设定比例值为0。

优选地，根据喷枪布置平面上的温度场的分布，对喷枪的插入深度进行调节，使还原剂处于最佳的反应温度窗口区间；

本发明的有益效果：本发明通过在SNCR控制系统中增加了能够提供垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征温度二维分布和喷枪各个布置平面上的二维温度场分布温度场测量装置，通过二维温度场分布、预估的氮氧化物浓度分布选择并控制相应的喷枪，缩短了系统响应时间，提高了喷枪的工作效率，从而提高脱硝效果。

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构框图。

图2为本发明控制方法的示意性流程图。

图3为本发明一实施例的锅炉温度分布和喷枪布置示意图。

具体实施方式

为了帮助理解本发明，将在下列的描述中提出具体的实施方案，以便阐释本发明如何改进现有技术中存在的问题。为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

垃圾焚烧炉由于入炉垃圾的热值变化、分布不均匀，氮氧化物的生成波动较大，同时由于温度变化大，合适的SNCR反应窗口温度的区域会随之变化，这些都为SNCR脱硝的效率带来了负面影响。而同时若采用传统意义上的串级PID控制方式，由烟道内氮氧化物浓度反馈来调整还原剂喷射量的响应周期较长，通常需要3～5分钟甚至更久，很难适应这种氮氧化物浓度变化快波动大的情况。因此，本发明的较佳实施例以垃圾焚烧炉SNCR控制系统为例进行说明。除了实施例的详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。本发明并不仅限于在垃圾焚烧炉的SNCR工艺中应用。

如图1所示，所述基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，包括：温度场测量装置，用于测量炉内烟气二维温度场分布；NO_x浓度预估器，用于根据温度场分布预估氮氧化物浓度分布；还原剂流量主控制器，用于根据氮氧化物测量值与设定值、氨逃逸设定值与测量值确定和控制还原剂的总流量；喷枪流量选择器，用于选择投运喷枪，为每只所选择的喷枪分配设定流量；喷枪流量控制器，用于精确控制每一只喷枪的流量。

如图2所示，基于炉膛温度场信息的SNCR的控制方法的控制流程为：

首先在系统运行前执行步骤201根据喷枪的布置将炉膛垂直于烟气流通平面划分为若干个区域，然后执行步骤202，通过调试试验获取燃烧特征温度场与NOx浓度的关系模型，在正式运行中执行步骤203根据氮氧化物测量值与设定值、氨逃逸设定值与测量值确定还原剂总流量，然后执行步骤204获取炉膛温度场信息，在此基础上分别执行步骤205根据喷枪区域温度判断喷枪是否处于运行投运的反应窗口温度范围内，若不在反应窗口温度范围内则该喷枪不投运；执行步骤206根据燃烧区域温度与NOx生成量的关系模型，预估NOx的浓度分布。根据步骤203选择的喷枪和步骤204预估的NOx浓度，执行步骤205为每只所选择的喷枪分配流量系数，最后执行步骤206根据总流量确定各只喷枪的流量并进行调控，实现喷枪的精确控制。

示例性地，有以下对象和特性如图3所示，焚烧炉分为燃烧区和SNCR还原反应区，焚烧炉布置有两层喷枪，每层4只，在燃烧区上部平面、每一喷枪布置平面装有声波测温装置，能够提供该平面的温度分布。将每一层分为4个分区，如图3所示的Z1～Z4。在燃烧特征温度层所获取的温度分布如图3所示，Z2区温度较高，Z4区温度较低。

示例性地，在第一喷枪层，喷枪R12对应喷射区域温度过高，超出了反应窗口温度上限，因此R12不投运；喷枪R14对应喷射区域温度过低，超出了反应窗口温度下限，因此R14不投运。因此，根据反应窗口温度范围，选择R11、R13、R21、R22、R23、R24共6只喷枪投运。

示例性地，根据所建立的模型由NOx浓度预估器判断，与Z2区对应的NOx浓度较高，与Z4区对应的NOx浓度较低。Z2区对应的喷枪只有R22一只，对其分配较大的流量系数，示例性地30％；Z4区域对应喷枪只有R24一只，对其分配较小的流量系数，示例性的10％。剩余4只喷枪均匀分配流量系数，示例性地各占15％。从而实现了各个区域内合理的氨氮比分配。

示例性地，在第二喷枪层Z1区域，靠近炉膛中心处的温度对应更高的脱硝效率，因此将喷枪R21的插入炉内的深度更深。

Claims (5)

1.一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，其特征在于，包括：

温度场测量装置，用于测量炉内烟气二维温度场分布；

NO_x浓度预估器，用于根据二维温度场分布预估氮氧化物浓度分布；

还原剂流量主控制器，用于确定和控制还原剂的总流量；

喷枪流量选择器，用于根据炉内二维温度场分布、预估的氮氧化物浓度分布选择投运喷枪，为每只所选择的喷枪分配流量设定比例值；并根据还原剂总流量为每只喷枪设定流量；

喷枪流量控制器，用于控制每一只喷枪的流量。

2.根据权利要求1所述的基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，其特征在于，所述温度场测量装置能够提供垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征温度二维分布和喷枪各个布置平面上的二维温度场分布。

3.根据权利要求1或2所述的基于炉膛温度场信息的SNCR控制系统，其特征在于，还包括喷枪插入深度控制器，用于根据炉内温度场的分布为每只所选择的喷枪设定插入炉内的深度。

4.一种基于炉膛温度场信息的SNCR控制方法，包括以下步骤：

1)由还原剂流量主控制器确定和控制还原剂总流量；

2)通过温度场测量装置测量得到炉内垂直于烟气流动方向截面上的燃烧特征二维温度场分布、喷枪各个布置平面上的二维温度场分布；

3)根据燃烧特征温度，由NOx浓度预估器预测估计烟气中的氮氧化物分布；

4)根据喷枪所在平面温度场的分布、所预估的氮氧化物分布和喷枪自身的喷射及影响范围，选择处于合适的反应温度窗口的喷枪，并为每只所选择的喷枪分配流量设定比例值；

5)根据喷枪流量设定比例值和还原剂总流量的乘积，确定该喷枪的设定流量，并与该喷枪的反馈流量进行对比，由喷枪流量控制器根据其差值对喷枪流量进行调整。

5.根据权利要求4所述的基于炉膛温度场信息的SNCR控制方法，其特征在于，还可以根据喷枪布置平面上的温度场的分布，对喷枪的插入深度进行调节，使还原剂处于最佳的反应温度窗口区间。