循环流化床锅炉SNCR脱硝工艺及其控制系统
引言
目前，由于循环流化床锅炉的燃烧温度较低（通常在850~950°C范围内），通过适当优化运行工况，可以实现NOx排放浓度控制在300mg/m3以内，但要满足现有环保标准，特别是超低排放标准，仍需要根据机组实际情况，对锅炉进行改造或者增加脱硝装置。在众多烟气脱硝技术中，选择性催化还原
表1SNCR和SCR工艺对比
注：氨氮比NSR（NormalizedStoichiometricRatio）：喷入的还原剂（以NH3计）与待脱出的NOx（以NO计）的摩尔比。
1SNCR脱硝的基本原理和影响因素
SNCR是一种不借助催化剂，直接还原NOx的锅炉尾部脱硝工艺。其主要方式为将还原剂（氨水、尿素溶液等）喷入炉膛中特定的温度区域（850～1150℃），利用氨还原剂的强选择性，使其与烟气中的NOx发生反应，将NOx还原为N2、H2O和CO2，实现NOx脱除。
1.1反应温度对SNCR脱硝的影响
1.3还原剂种类对SNCR脱硝的影响
当温度区间为730～950℃时，以氨作为反应剂的脱硝效率要高于以尿素作为反应剂的脱硝效率；当反应温度在950℃以上时，以尿素作为反应剂的脱硝效率高于以氨作为反应剂的脱硝效率。相同条件下，氨水将在相对稍低的最佳脱硝温度下达到比尿素溶液更高的最佳脱硝效率，尿素溶液的脱硝温度范围整体上要比氨水的脱硝温度范围稍偏向高温方向。
1.4氨氮比对SNCR脱硝的影响
1.5关于还原剂喷嘴布置方式和喷枪
还原剂喷嘴布置方式影响还原剂与烟气的混合情况，从而对SNCR脱硝效果产生作用，对SNCR还原剂喷嘴进行优化，可以有效的提高脱硝效果。为了优化还原剂喷嘴的布置方式，学者进行了广泛而深入的研究。目前主流的方法是将CFD方法和现场测试进行结合。
2.SNCR脱硝控制系统的实现
基于上述SNCR脱硝原理，SNCR控制系统按照模块化进行设计，主要有还原剂储罐模块、还原剂输送模块、还原剂溶液稀释模块、计量混合模块、喷射模块、控制单元模块等多部分组成。整个系统在各种工况下可自动运行，系统的启动、正常运行监控和事故处理实现完全自动化，工艺流程如下图1所示。
图1以尿素为还原剂的工艺流程图
2.1控制单元模块
脱硝DCS机柜安装于主厂房热控电子设备间，机柜电源取自现有DCS电源柜。在公用还原剂储存和制备区设置一个就地电子设备间，布置1台工程师站兼操作员站和历史站。公用还原剂储存和制备区远程I/O控制站挂在机组脱硝控制通讯网络上，脱硝SNCR区操作员站均可对其设备进行操作，脱硝SNCR区DCS与主机DCS融为一个整体，由单元机组操作员站进行监控操作。
在机组正常运行工况下，对脱硝装置的运行参数和设备的运行状况进行有效的监视和控制，并能根据锅炉运行工况自动维持NOx等污染物的排放总量及排放浓度在正常范围内，以满足环保要求。脱硝系统发生故障时，能自动切除有关设备和系统，并报警，以保证机组的正常运行。
必要的工艺数据在操作终端上显示并传送到电厂DCS上进行正常运行/监视。运行模式可为当地或远程控制模式。远程运行模式操作命令通过DCS进行。
正常情况下，SNCR系统是全自动模式下进行的，即不需要人工介入控制。但是该系统也可在手动模式下运行，即系统可以通过控制面板进行控制。
控制系统准确计算还原剂喷射量，并准确控制稀释和喷射模块。整个SNCR系统通过控制系统自动运行，所有SNCR系统的信号均可在厂区DCS上进行显示。根据从温度测量和NOx分析仪的信息，控制系统可以实时调整稀释浓度及喷射位置。
不正确的设置或设置值和实际值出现高偏差时将发送报警。下列信号是由主机DCS提供并显示的SNCR正常运行信号：(1)出口处NOx浓度；(2)出口处氨浓度；(3)三个不同炉膛位置的温度；(4)锅炉负荷；(5)出口处氧量。
2.2尿素制备模块
尿素制备车间的控制系统采用DCS控制系统，实现制备系统的远程操作。尿素制备模块的主要控制逻辑是尿素溶解罐的温度控制和尿素存储罐的温度控制，并实现对工艺水系统阀门、溶解用蒸汽系统阀门、斗提机、搅拌器、尿素溶液输送设备等全过程的控制。控制室内DCS系统可以监视尿素溶液储存罐液位、循环泵出口流量、温度及压力等信号。
2.2.1尿素溶解罐的温度控制。
袋装尿素运输至尿素制备区，人工拆袋后经过斗式提升机投放到尿素溶解配制罐。使用溶解罐内的蒸汽盘管自动控制溶解水温度。在DCS系统中打开尿素溶解罐进气管道蒸汽电磁阀，正常进汽后，可在DCS系统中设定温控自动，使尿素配置罐温度保持在60-70℃左右，有利于尿素溶解。
2.2.2实现尿素储存罐温度控制
DCS系统打开尿素储存罐蒸汽疏水门，使蒸汽冷凝水到配制车间采暖回水管道，然后通过DCS系统打开尿素储存罐入口蒸汽电磁阀，并可在DCS系统投入自动设定值，使尿素储存罐温度保持合适温度（一般在35--40℃）。
2.3尿素溶液输送模块
一用一备冗余配置的尿素溶液输送泵维持在一定的压力条件下向SNCR系统提供还原剂溶液。两台泵均配有压力计，压力计将发送低压报警及高压报警，DCS系统将会自动通过压力控制阀对泵压进行调节，并实时监控压力数据，并实现对泵的就地及远程控制。同时，发送泵运行状态(运行或不运行)到控制系统，发送泵的入口及出口阀门状态信号到控制系统。
在DCS系统中可以设置尿素溶液输送泵启动条件、停止条件、保护条件等。如，启动条件（逻辑与）：设备处于远控位置；无尿素溶液输送泵变频器故障信号；设备无保护信号；尿素溶液储罐液位大于0.2m。
尿素溶液输送泵变频调节。尿素溶液输送泵通过尿素溶液输送泵出口母管压力来自动修正运行状态，保持1#尿素溶液输送泵出口母管为正常压力范围。
2.4尿素溶液稀释模块
考虑到氨氮比对脱销效率的影响，氮氧化物浓度变化时，除盐水将尿素溶液稀释到适当的浓度进行喷射。该模块与DCS系统通信并可进行当地及远程操作。对于水泵系统，压力传感器向控制系统发送压力信号，并有高泵压力，低泵压力报警。向控制系统发送泵状态信号(运行或不运行)；高液位报警停止加注，低液位启动水箱加注过程。发送泵进气阀及出口阀的位置(打开或关闭)信号。
2.5计量混合模块
NOx控制器所需的尿素溶液水量来自输送管道。溶液水量由流量仪检测，气动调节阀控制。控制系统所需除盐水(与尿素溶液混合前)由流速仪监测，气动调节阀控制。所有混合溶液量被平均分配到每个喷嘴，水流由流速仪控制以保证合理分配。混合还原剂压力由压力计控制。
还原剂和除盐水的高、低流量警报会传送到控制系统，DCS将监测还原剂和稀释水的实际流量。空气压缩系统中，高、低气压警报会传送到控制系统，DCS将监测还原剂和稀释水的实际压力。DCS系统可接受还原剂溶液的流量信号和稀释水的流量信号。
2.6还原剂喷射模块
在系统工艺要求上，具体的喷射点位置设计是基于完整的CFD分析进行得，以保证在适当的温度窗范围内使烟气和还原剂充分混合及反应。在CFD分析过程中，使用了完全燃烧模拟，包括飞灰的作用，辐射模型的使用，完全化学反应过程的模拟，准确评估了整个锅炉系统，对炉膛内温度分布进行详细描述。在某些工况下不需要喷射还原剂的喷枪始终喷入压缩空气，防止高温烟气对喷枪的损害达到冷却的目的。同时高速高压喷射可以对喷枪进行有效防堵。混合物通过喷射点分布在整个烟道截面。喷射点将分布在两个不同高度面上，以保证氮氧化合物和还原剂始终在最佳的反应温度区域进行反应。