CN112827336A - 一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效sncr自动控制方法 - Google Patents
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Abstract
本申请为一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，沿烟气方向在温度范围在900‑950℃、锅炉额定负荷在85％区间内进行选点，并标定为点H2，以H2为基础点沿相反的两端间隔取点，将烟气流动方向上处于不同位置的点位记为喷氨层；在各层喷氨层上沿锅炉腔体设置有喷枪；在喷枪沿烟气流动方向的一侧选定多个温度测点，通过温度测点所得的温度数据与设定的温度阈值进行比较，当温度测点的温度落入温度阈值区间时开启喷枪，能够充分结合垃圾焚烧炉的物理构造、燃烧特点，通过高精度网格化复现温度场，实现反应窗口的精确选择，借助脱硝效率、助燃总风量和过剩空气系数的多参数模糊控制，实现高效脱硝智能化控制。
Description
技术领域
本发明涉及城市生活垃圾焚烧技术领域，特别是涉及一种垃圾焚烧电厂焚烧炉高效SNCR的全自动智 能控制方法。
背景技术
NOx作为垃圾焚烧过程主要的排放污染物，被纳入垃圾焚烧行业国家重点监管指标。一般垃圾焚烧过 程主要采用炉内脱销和炉外脱销两种技术，其中炉内脱销技术主要以SNCR为主。
SNCR脱销技术是将25％左右浓度的氨水溶液作为还原剂喷入焚烧锅炉炉膛与NOx进行反应，反应过程 无需催化剂。但必须在合适的温度窗口加入还原剂，才能获得相对较高的效率,还原剂喷入的温度窗口为 870-1040℃时，能将NOx迅速热分解成NH3，与烟气中的NOx反应成N2和水。
传统垃圾焚烧炉SNCR技术，主要在焚烧炉第一烟道合适位置布置上、下两层喷枪，两层喷枪只根据 预设的温度窗口进行投退、切换；每层喷枪设置一套氨水、软水混合分配单元，氨水调门依据NOx和氨逃 逸两种实时排放指标进行自动调节。
但是垃圾焚烧炉SNCR工艺较其他行业而言，存在显著问题：由于NOx等指标的监测位置一般位于烟 气净化工艺的最末端(烟囱位置)，烟气中的NOx参与还原反应后，一般需要几分钟才能到达布置于烟囱 的监测位置，导致控制系统存在相当长的延迟时间；垃圾焚烧相比燃煤锅炉，存在燃料组分波动大的特点， 因此焚烧产物中的烟气组分变化大，造成控制系统控制精度低的现象，这也是垃圾焚烧炉单纯采用SNCR 工艺很难获得稳定排放指标的原因。
同时，国内垃圾进入焚烧炉燃烧前需要发酵处理，但是垃圾组分的不一致影响了垃圾热值，导致焚烧 炉热负荷的不稳定；例如专利CN108926986A仅考虑温度场对反应的影响，未考虑负荷变化造成影响，造 成SNCR喷枪所在的炉膛区域的烟气温度始终处于波动的状态，存在SNCR两层喷枪都不在合适的温度窗口 的情况。
对于经典炉排型焚烧炉而言，焚烧过程也存在左右侧热负荷不一致的问题而专利CN102553421A并没 有考虑同一平面温度场的差异，传统二次风对烟气扰动作用有限，烟气进入第一烟道相当长的一段时间内， 烟气很难充分混合，导致同一层SNCR喷枪所在平面左、右侧存在客观的温度偏差，因此采用同时控制一 层喷枪喷射的控制原则存在反应效率低的特点。
发明内容
为了解决现有问题，本发明提供一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，高效 SNCR自动控制系统硬件由喷枪、混合分配单元、测量仪表、自动控制系统组成，由温度场网格化技术、焚 烧炉膛分区控制、NOx或氨逃逸控制、脱硝效率控制、配风及氧量优化控制等部分构成。
为实现上述目的，本发明提供一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，用于在 锅炉的烟道内设置SNCR脱销反应区域，包括以下步骤：
选定喷氨层：沿烟气的流动方向，在温度范围在900-950℃、锅炉额定负荷在85％区间内进行选点， 并标定为点H2，以H2为基础点沿相反的两端间隔取点，将烟气流动方向上处于不同位置的点位记为喷氨 层；
喷枪设置：在各层喷氨层上沿锅炉腔体设置有喷枪，所述喷枪用于喷射混料进行SNCR脱销反应；
温度测点选定：在所述喷枪沿烟气流动方向的一侧选定多个温度测点，进行温度实时测量；
通过温度测点所得的温度数据与设定的温度阈值进行比较，当温度测点的温度落入温度阈值区间时开 启喷枪。
作为优选，在选定喷氨层时，两点之间的间隔≥2.5m。
作为优选，所述喷氨层至少为3层。
作为优选，每层所述喷氨层对应的温度测点数量大于喷枪的数量；且所述温度测点位于同一横截面上。
作为优选，在进行喷枪设置时，标定以锅炉横截面的宽度方向为前墙，与所述前墙相邻的两面侧墙分 别为左侧墙和右侧墙，所述左侧墙和右侧墙上的所述喷枪数量相同，所述前墙的喷枪数量大于所述左侧墙 的喷枪数量。
作为优选，在进行温度测点选定时，还设置有最佳温度区间，当各层的温度处于最佳温度区间时，开 启喷枪进行工作。
作为优选，在进行温度测点选定时，将前墙对应的测温区域标定为中心区域，左侧墙和右侧墙分别为 左区域和右区域；将中心区域、左区域和右区域分别计算出平均温度；利用所述左区域和所述右区域的平 均温度对所述中心区域平均温度进行修正，并在左区域、右区域和中心区域设定最佳温度区间，当各区域 的平均温度达到最佳温度区间的上限值时，开启所属喷氨层的喷枪进行工作。
作为优选，各层喷氨层的中心区域、左区域和右区域分别独立控制；当各区域的平均温度达到各自所 述最佳温度区间的上限值时单独开启喷枪。
作为优选，在获取了各层的平均温度时，将各层的平均温度与最佳温度区间的上限值比对得到偏差量， 且设定有偏差阈值，当偏差量小于偏差阈值时则认定为工作层，开启工作层的喷枪；若偏差量均大于偏差 阈值，则不开启喷枪。
作为优选，温度测点采用热电偶或者遮罩式热电偶进行测温，且热电偶或者遮罩式热电偶相对于锅炉 侧壁的插入锅炉内部的长度大于等于800mm。
具体的，包括SNCR硬件及软件控制，在垃圾焚烧炉的锅炉内设置多层喷枪，每层喷枪分为左、中、 右侧三个半区，每侧喷枪采用一套混合分配喷枪，焚烧炉各级助燃风设置风量监测装置，焚烧炉第一烟道 沿炉壁设置多个温度测量装置，在锅炉出口设置氧含量、NOx和氨逃逸测量装置。通过建立网格化温度场， 确定左、中、右半区喷枪的投入层，通过NOx和氨逃逸控制确定主要的控制方式，采用脱硝效率、助燃总 风量变化速率、过程空气系数多参数模糊控制修正，实现垃圾焚烧炉的炉内脱硝智能控制。基于智能分区 控制的高效SNCR通过采用DCS分散控制系统部署实现，并获得良好的控制效果。炉膛温度网格化采用遮 罩式抽气热电偶测量，有利于炉膛温度的准确获得；左、中、右侧混合分配单元可以采用单独的氨水、软 水供应系统；单支喷枪设置连续流量测量装置和调节阀门，以获得更高的控制精度。
本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法， 能够充分结合垃圾焚烧炉的物理构造、燃烧特点，通过高精度网格化复现温度场，实现反应窗口的精确选 择，充分考虑垃圾焚烧炉焚烧调整的特点，借助脱硝效率、助燃总风量和过剩空气系数的多参数模糊控制， 实现高效脱硝智能化控制。
附图说明
图1为本发明的喷枪与温度布置示例图；
图2为本发明的自动控制控制流程图。
图中，
P、喷枪；
Tn1-Tn8、温度测点；
A、左区域；
B、中心区域；
C、右区域。
具体实施方式
为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。
在下文描述中，给出了普选实例细节以便提供对本发明更为深入的理解。显然，所描述的实施例仅仅 是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。应当理解所述具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定 本发明。
应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在所述特征、整体、步 骤、操作、元件或组件，但不排除存在或附加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件或它 们的组合。
本发明提出的一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，包括以下步骤：
第一，理论喷氨层的设定
根据工艺要求，在垃圾焚烧锅炉的第一烟道布置有n(n≥3)层喷枪，以3层布置为例：沿着烟气流 向，最低层n1对应高度为H1，中间层n2对应高度为H2，最高层n3对应高度为H3。其中n2层的高度H2由锅炉热负荷计算和CFD模拟得出，锅炉85％额定负荷时，H2为理论烟气平均温度位于900～950℃的高度。 H1和H3与H2物理高度的偏差≥2.5m。
第二，确定喷枪和温度测点的位置
在n1～n3确定的三层断面中，设置三层喷枪，每层喷枪布置于锅炉第一烟道对应标高(H1～H3)的前 墙及左右两侧墙。各层喷枪P布置如图1所示。
考虑到氨水喷入后随烟气运动，真正的反应区域在喷枪入口上方，每一层温度测点位于喷枪上方△Htm， 按照图1布置。全部温度测点的插入深度L1≥800mm。
第三，任一层炉膛断面温度测点布置
以n1层为例如图1所示，在炉膛前墙延炉宽方向从左至右布置4个温度测点(Tn1～Tn4，n＝1,2,3表 示第几层)，两侧墙各布置2个温度测点(左侧：Tn5～Tn6，n＝1,2,3表示第几层；右侧：Tn7～Tn8，n＝1,2,3 表示第几层)，完成炉膛温度分布的确定。
第四，控制方式选择
本实施例采用一套完整的DCS控制系统实现脱硝智能化控制。包括网格化温度场的建立与控制系统的 运行。
第五，确定中心区域B的平均温度
参与计算的温度均需要做测点质量和变化速率判断，温度测点质量故障和变化速率超过设置值时，系 统将自动剔除该点计算。
图1为网格化温度场示意图，其中A、B、C分别为焚烧炉膛左区域A、前墙的中心区域B、右侧墙的 右区域C喷枪实际主要覆盖区域。中心区域B实际平均温度由B1、B2、B3组成：
TnB2中＝TnB2均+TnB2x； ②
TnB1中＝TnB1均+TnB1x； ④
TnB3中＝TnB3均+TnB3x； ⑥
由公式①得出每层前墙中间两支热电偶Tn2、Tn3的平均温度TnB2均(n＝1,2,3表示第几层)；由公式 ③得出每层左侧墙两支热电偶Tn5、Tn6的平均温度TnB1均(n＝1,2,3表示第几层)；由公式⑤得出每层右 侧墙两支热电偶Tn7、Tn8的平均温度TnB3均(n＝1,2,3表示第几层)。
TnB1x，TnB2x，TnB3x(n＝1,2,3表示第几层)分别为前墙对应炉膛中心B2区、左侧墙对应炉膛中心 B1区、右侧墙对应炉膛中心B3区的修正温度。参与性能比对的热电偶(或遮罩式热电偶)，插入至炉膛 对应中心区域(B1、B2、B3)进行比对实验，结合热电偶插入深度和锅炉负荷，拟合出温度修正公式，最 终确定修正温度TnB1x，TnB2x，TnB3x。
中心区域B真实的平均温度为TnB中，由各区域对应的中心区修正平均温度决定。(TnB1中、TnB2中、 TnB3中，n＝1,2,3表示第几层)
TnB中经t1M时间，经最小二乘法拟合滤波得到TnB，用于后续温度场判断。
第六，确定左右侧中心区域A和C的平均温度
左半区温度由左侧墙2个温度测点和前墙靠近左侧的温度(Tn5～Tn6、Tn1)3个测点共同确定出该层 左侧平均温度TnA均。
TnA中＝TnA均+TnAx； ⑨
由公式⑧得出每层左侧墙3支热电偶的平均温度TnA均(n＝1,2,3表示第几层)为左侧的平均温度。TnAx (n＝1,2,3)为实际左侧墙的修正温度。修正温度TnAx的确定，参照前墙中心区域TnBx的方式。
TnA中经t1M时间滤波后得到中心区域A的平均温度TnA，用于后续温度场判断。
右半区中心区域C的平均温度的计算参照TnC。
第七，最佳反应区间设置
最佳反应温区[T1,T2]，其中T1为最佳反应温区下限，T2为最佳反应温区上限。T1和T2均可由DCS 设置。本发明采用焚烧炉中心区域、左侧、右侧喷氨层独立控制的方式。
第八，中心区域B实际喷氨层的确定
设置3套混合分配单元，n1～n3层左侧区域、n1～n3层中间区域、n1～n3层右侧区域分别由其中1套混 合单元提供氨水混合溶液。本发明实施例运行所需的混合分配单元，以及氨水和软水在进入混合分配单元 前的公用制备系统，由于技术成熟，不在发明包含范围内。
DCS控制系统自动将炉膛分为左、中、右三个区域。中心区域B采用前墙中间布置的三只喷枪(Sn3～Sn5， n＝1,2,3表示第几层)。通过各层中心区域平均温度TnB(n＝1,2,3表示第几层)进行最佳温区的选择，并 在最佳反应温区的上限T2喷入。
DCS控制系统由T1B开始逐层与T2进行偏差比较，当偏差小于偏差设定值△T时，经过设定的延迟时 间T2M后，选择该层作为中心区域喷氨层，同时投入该层3支喷枪。
第八，确定左、右侧中心区域A和C的喷氨层
中心喷氨层确定后，其相邻两层作为两侧喷氨层。左侧喷氨层采用左侧墙喷枪(Sn1，n＝1,2,3表示第 几层)与前墙靠近左侧的喷枪(Sn2，n＝1,2,3表示第几层)共同调节；右侧喷氨层采用右侧喷枪(Sn7， n＝1,2,3表示第几层)和前墙靠近右侧的喷枪(Sn6，n＝1,2,3表示第几层)共同调节。
左、右侧中心区域A和C的喷氨层确定方法与中心区域一致，TnA、TnC(n＝1,2,3表示第几层)分别 与T2进行偏差比较，并经过延迟时间T2M后，进行切换投入该层2支喷枪。
本发明实例中，当n1作为中心喷氨层后，仅n1和n2层作为左、右侧待选喷氨层；只有n2作为中心 喷氨层时，左、右侧喷氨层的切换才不受限制。
当n1、n2、n3三层温度均超出偏差△T时，系统保持之前选择的各喷氨层继续运行。
第九，SNCR系统手动控制
在该模式下，可以手动控制任意混合分配单元和每一只喷枪的投运与退出。
第十，SNCR系统自动控制
在该模式下，混合分配单元内各调节阀根据预设的流量进行自动控制。
第十一，SNCR系统基于智能分区的全自动控制
本发明，基于智能分区的全自动控制运行的前提是系统无停运类故障报警，同时炉膛温度下层温度或 锅炉负荷不低于最小运行保证值。图2为基于智能分区的全自动控制流程图。
全自动控制共设n级配方，实施例采用8级配方(L1～L8，L1喷氨量最小，L8喷氨量最大)，以锅炉 蒸发量作为参考指标。当蒸发量大于对应等级蒸发量时，自动选择本级对应的氨水流量执行；当蒸发量低 于L1级别时，系统退出运行进入等待状态；当蒸发量高于L8级别时，按照L8参数运行。每一级别配方 的氨水流量，按照固定的分配比例进行，本实施例中心区域0.6、左右侧区域分别为0.2。
本发明采用二流体喷枪，考虑到不同符合喷枪喷射最佳雾距和最佳还原性颗粒的要求，在不同的负荷 区间喷枪连续运行采用对应固定的喷射流量。通过自动调节喷枪压缩空气压力，实现不同负荷雾距的变化。 本发明实施例，在锅炉负荷40T/L时，喷枪固定流量为20～25L/H。
第十二，确定主调节回路
本发明采用NOx及NH3(氨逃逸)的自动控制作为主调节回路。
PID1为NOx控制器，在对应的配方等级下，氨水流量根据实时锅炉负荷选择对应的配方区间，在该配 方区间内根据NOx实时排放参数进行PID调节。该PID调节有输出上、下限设置。
PID2为NH3控制器，当NH3投入自动后，根据NH3的实时排放值进行调节。当NH3超过预设值时，以PID2 为主调节回路，调节NH3的实时排放值；当NH3低于预设值时，以PID1为主调节回路。PID1与PID2的切 换均通过DCS系统采用无扰动切换策略。
第十三，确定修正函数
本发明为充分适应垃圾成分、燃烧调节对脱硝反应产生的影响，采用多组功能函数，包括F(x3)助 燃总风量变化率修正函数、F(x4)过程空气系数修正函数以及F(x5)自动脱硝效率修正函数。
F(x3)助燃总风量修正函数，采用助燃总风量变化率在一定时间内的实时平均值，拟合出的修正函 数。
F(x4)过程空气系数修正函数，采用过剩空气系数在一定时间内的实时平均值，拟合出的分段修正 函数。
F(x5)自动脱硝效率修正函数，采用一定时间内锅炉出口NOx实时平均值与设定值拟合出的修正函数。
F(x6)：由公式⑩得出实际喷氨总量
＝F(x6)输入×(1-效率) ⑩
第十四，确定各区域实际喷氨量，
中心区域喷氨总量由公式
得出
左侧/右侧区域喷氨总量由公式
得出
自动控制系统按照分配原则，自动调节各区域氨水调节阀，以实现自动脱销控制。
第十五，系统停运
当蒸发量低于L1级别时，系统退出所有喷枪，进入等待状态；当下层温度低于865℃(延时1min) 后，混合计量分配单元停止自动运行，系统退出所有喷枪，进入等待状态；各区域压缩空气压力值小于 0.3MPa，对应的混合计量分配单元停止自动运行，系统退出所有喷枪；公用系统发生故障时，对应该炉所 有混合计量分配单元停止运行，所有喷枪退出运行。
利用分散控制系统(DCS)实现一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，能够充 分结合垃圾焚烧炉的物理构造、焚烧炉的燃烧特点，通过网格化复现温度场，实现反应窗口的精确选择， 始终保证脱硝效率；充分考虑炉排型垃圾焚烧炉焚烧调整与燃烧配风的特点，借助脱硝效率、助燃总风量 和过剩空气系数等多参数模糊控制，实现平稳、高效脱硝智能化控制。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之 的变化都应落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，用于在锅炉的烟道内设置SNCR脱销反应区域，其特征在于，包括以下步骤：
选定喷氨层：沿烟气的流动方向，在温度范围在900-950℃、锅炉额定负荷在85％区间内进行选点，并标定为点H2，以H2为基础点沿相反的两端间隔取点，将烟气流动方向上处于不同位置的点位记为喷氨层；
喷枪设置：在各层喷氨层上沿锅炉腔体设置有喷枪，所述喷枪用于喷射混料进行SNCR脱销反应；温度测点选定：在所述喷枪沿烟气流动方向的一侧选定多个温度测点，进行温度实时测量；
通过温度测点所得的温度数据与设定的温度阈值进行比较，当温度测点的温度落入温度阈值区间时开启喷枪。
2.根据权利要求1所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，在选定喷氨层时，两点之间的间隔≥2.5m。
3.根据权利要求2所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，所述喷氨层至少为3层。
4.根据权利要求1所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，每层所述喷氨层对应的温度测点数量大于喷枪的数量；且所述温度测点位于同一横截面上。
5.根据权利要求1所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，在进行喷枪设置时，标定以锅炉横截面的宽度方向为前墙，与所述前墙相邻的两面侧墙分别为左侧墙和右侧墙，所述左侧墙和右侧墙上的所述喷枪数量相同，所述前墙的喷枪数量大于所述左侧墙的喷枪数量。
6.根据权利要求5所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，在进行温度测点选定时，还设置有最佳温度区间，当各层的温度处于最佳温度区间时，开启喷枪进行工作。
7.根据权利要求6所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，在进行温度测点选定时，将前墙对应的测温区域标定为中心区域，左侧墙和右侧墙分别为左区域和右区域；将中心区域、左区域和右区域分别计算出平均温度；利用所述左区域和所述右区域的平均温度对所述中心区域平均温度进行修正，并在左区域、右区域和中心区域设定最佳温度区间，当各区域的平均温度达到最佳温度区间的上限值时，开启所属喷氨层的喷枪进行工作。
8.根据权利要求7所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，各层喷氨层的中心区域、左区域和右区域分别独立控制；当各区域的平均温度达到各自所述最佳温度区间的上限值时单独开启喷枪。
9.根据权利要求7所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，在获取了各层的平均温度时，将各层的平均温度与最佳温度区间的上限值比对得到偏差量，且设定有偏差阈值，当偏差量小于偏差阈值时则认定为工作层，开启工作层的喷枪；若偏差量均大于偏差阈值，则不开启喷枪。
10.根据权利要求1-9任一项所述的基于智能分区控制的垃圾焚烧炉高效SNCR自动控制方法，其特征在于，温度测点采用热电偶或者遮罩式热电偶进行测温，且热电偶或者遮罩式热电偶相对于锅炉侧壁的插入锅炉内部的长度大于等于800mm。
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