自适应SNCRSNCRR技术在水泥厂实现氮氧化物超低排放

唐多久，汪涛

1 工程概述

我国NOx排放标准日趋严格，《“十三五”节能减排综合性工作方案》提出，2020年我国NOx排放总量控制在1 574万吨以内。水泥工业是我国的基础性工业，水泥行业的氮氧化物排放标准也日益严格。2013年我国颁布GB 4915-2013《水泥工业大气污染物排放标准》，要求水泥厂氮氧化物排放浓度≯400/320mg/m3（分重点地区和非重点地区执行，折算到10%氧气浓度，标准状态下，以NO2计）。而某些地方标准在国家标准基础上进一步提高，比如2015年河北省发布的排放标准要求水泥企业氮氧化物排放量≯260mg/m3。

我国水泥企业普遍采用SNCR技术、低氮燃烧技术降低氮氧化物排放。自2011年天津水泥工业设计研究院有限公司在中材湘潭水泥厂建立我国第一套SNCR系统以来[1]，我国水泥企业在2014年前基本完成了水泥行业SNCR改造。但很多水泥企业的SNCR技术并不成熟，常常存在氮氧化物排放超标、氨水用量过大等问题[2]。而低氮燃烧技术在我国实际应用情况并不理想，仅有极少数生产线通过低氮燃烧技术将氮氧化物排放浓度降低到比较理想的水平，且仍然需要SNCR技术才能保证排放达标[3-4]。

面对未来更加严格的排放标准，现有的水泥企业SNCR系统很难保证达到氮氧化物超净排放（100mg/m3）的要求。目前我国一些科研院所普遍考虑在水泥行业引进SCR技术，满足氮氧化物排放[5]要求。但SCR技术存在总投资及运行成本高等问题，因此大连斯迪欧公司深入研究SNCR技术，在现有常规SNCR技术基础上，开发出具有自主知识产权的自适应SNCR技术，并成功在山西省某2 500t/d生产线投入使用，取得良好的效果，氮氧化物排放浓度降低到100mg/m3以下，达到了超低排放要求。

2 自适应SNCR技术工艺

自适应SNCR系统主要由卸氨系统、氨水存储系统、氨水输送系统、自适应计量系统、控制系统等组成。自适应SNCR系统与常规的水泥窑SNCR系统相比，具有以下独有的特点。

2.1 氨水车间的安全防护

氨水是氨气的水溶液，而氨气是无色、透明、容易挥发的气体，因此必须特别注意氨水的存储。自适应SNCR系统充分考虑了氨水的危险性，全方位解决了氨水的安全问题。

（1）将氨水车间避开附近建筑物的出入口。氨水的存储量一般≮3～5d的氨水消耗量，同时氨水储罐≮2个且≯4个。

（2）水泥窑SNCR工程氨水普遍采用外购，氨水车运抵氨水车间后，通过防腐的离心泵、管道泵等设备将氨水输送到储罐中。自适应SNCR系统的氨水管道一般设置有0.3%～0.5%的坡度，有利于将氨水全部注入到储罐中而不残留。为了保持储罐内外的压力平衡，同时防止储罐内的氨气逃逸，自适应SNCR系统配置了水封装置。为了防止氨水储罐破损，自适应SNCR系统设置了围堰，围堰的有效容积大于最大单罐的有效容积。

（3）为了防止火灾，自适应SNCR系统设置了氨气浓度报警仪与自动喷水装置。同时为了防止自适应SNCR系统车间内积累较多的氨气，要求暖通专业将氨气浓度报警仪与自动排风系统连锁设计，以有效降低车间内氨气浓度。

2.2 氨水喷入位置及喷枪布置

受反应温度、反应时间的影响，选择合适的位置加入氨水对SNCR的效果非常重要。自适应SNCR系统首先在现场对窑炉温度、气体成分进行测量，初步判断窑内的燃烧状态；然后搜集有关窑炉运行数据，给定喷射的初始控制参数；再借助CFD流场数值模拟技术，对水泥窑炉内的温度、氮氧化物浓度、氧气浓度、氨水喷射情况进行数值模拟，确定最佳的加入位置。

自适应SNCR系统的喷枪采用多层均匀布置。多层喷枪布置具有以下优势：其一，使氨水与烟气的混合更加均匀，有利于反应向脱硝而不是氧化的方向进行；其二，自动控制系统可以根据不同的窑况，控制喷枪的启停运行，以适应不同水泥窑系统的烟气温度、喂料量、窑电流等；其三，自适应SNCR系统可以根据在线烟气系统检测的氮氧化物排放浓度，启停不同的单只喷枪，寻找最合理的喷枪运行状态。

3 第二代自适应控制系统

自适应SNCR系统的核心是控制，目前该生产线采用的是人工设定控制。在调试过程中发现，普通水泥窑的SNCR系统在技术专家调试期间，运行效果往往比较理想，而当交付水泥厂运营后，脱硝效率、运行成本指标均有所下降。针对这一问题，通过与国内高校合作，我公司正在开发具备人工智能与大数据分析的第二代自适应SNCR系统。

针对水泥窑选择性非催化还原脱硝系统的被控对象（氮氧化物排放浓度）具有大迟延、大惯性的特点，以及多种干扰因素耦合（窑运行参数干扰多）导致的被控对象参数变化大、模型准确度无法保证等问题，大连斯迪欧公司基于自身经验，参考国内有关先进控制理念[6]，与高校合作研发基于专家模糊控制策略的SNCR脱硝系统自动控制策略，用以实现SNCR系统的人工智能控制，该系统主要的控制策略见图1。

在还原剂加入量设定值形成的过程中，自适应控制系统并没有使用常规的PID控制，而是借鉴了PID与专家控制相结合的动态叠加方式。当NOx排放浓度变动时，自适应控制系统会进行判定，不直接增减还原剂的加入量。当满足改变控制参数条件时，发送一个脉冲信号，将计算得到的设定值通过叠加后得到实际还原剂设定值。然后再经过一个判断周期，再次判断是否需要变更还原剂的设定值。

（1）数据预处理

由于在线测试设备得到的反馈数据往往带有随机扰动，可以利用死区特性进行滤波，滤除小扰动信号，提高系统的抗干扰能力。在数据预处理时，对氮氧化物浓度、氧气浓度、窑尾喂煤量、窑电流、生料喂料量、各测试点温度等参数的随机干扰的变化率限制在一定范围内，对上下限范围内的波动认为是随机干扰导致的波动，对上下限范围外的波动认为确实发生了变化。

（2）基于专家经验的设定值形成结构

基于专家经验的设定值形成结构包括，基于专家经验的区间控制、基于专家经验的稳态优化和基于重要因素的前馈控制。

基于专家经验的区间控制是指，当被控量NOx的测量值不在所设定的区域范围内时，还原剂设定值按照预先设定的专家算法进行调整。

图1 自适应SNCR系统控制逻辑

基于专家经验的稳态优化是指，当NOx的测量值在设定区域范围内，并且NOx没有上升趋势（根据NOx排放值变化率计算）时，通过专家算法计算可以减少的还原剂量。经过一定的反应时间后，再判断是否需要进一步优化。

基于重要因素的前馈控制是指，对NOx、SNCR反应影响较大的参数实行前馈控制，包括窑电流、分解炉各温度点、氧气浓度等参数。其调节规则由预先设定的专家算法确定。

经过对基于专家经验的设定值形成结构进行设定值叠加后，得到初步的还原剂设定值。

（3）基于专家模糊控制策略的还原剂低限自适应控制

在逐步降低还原剂用量的同时，需要设置一个最低流量限值。其目的是保持一定的还原剂余量，使其满足NOx的排放浓度的常见波动，保证排放瞬时值不超过排放标准。该数据需要根据累积的历史数据和专家预先设置规则，由自适应系统定期自动更新低限数据。

经过基于专家经验的设定值形成结构得到的还原剂初步设定值，与基于专家模糊控制策略的还原剂低限自适应控制相互耦合后，得到还原剂的自适应控制值。

（4）NOx快速保护

当水泥窑的燃烧工况发生突变（如分解炉掉大块结皮等）导致NOx急剧变化时，常规的控制调整因反应时间过长无法满足控制要求。因此当被控量NOx超过设定的上限值时，自适应系统将切换到快速保护模式，根据预设的算法直接控制还原剂喷射量。

（5）其他调整

在自适应系统得到实际还原剂设定值后，根据专家预先设置的规则调配各只喷枪的分配关系，并根据预先设置的规则对其定期更新，进一步优化氨水在各只喷枪的分配关系。

自适应系统的历史数据结合4G网络技术，可以将不同生产线的运行数据传递到大连斯迪欧公司的SNCR数据库，用来更新专家规则预先设置及解决常见的技术问题。

4 自适应SNCR系统实际运行效果

山西某水泥厂自适应SNCR系统在改造前，很难将氮氧化物排放浓度降低到300mg/m3以下，在进行自适应SNCR系统改造后，氨水消耗量在300～400L/h之间时，氮氧化物排放浓度即可降低到300mg/m3以下，满足现行环境保护标准；将氨水消耗量增加到600L/h时，氮氧化物排放浓度即可＜100m/m3，满足超低排放要求。不同氨水流量与氮氧化物排放浓度之间的关系如图2所示。

将反应掉的氮氧化物的摩尔量与加入的氨的摩尔量的比例，定义为氨的利用比例，作为衡量SNCR系统的重要指标。通过氨水流量、氨水浓度可以求得加入的氨量（氨气量），通过水泥窑系统的风量和氮氧化物排放浓度可以得出氮氧化物的减排量。该项目自适应SNCR系统经过计算，得到的氨的利用比例如表1所示。由表1可知，在氨水流量设定为200L/h时，加入的氨几乎100%与氮氧化物发生反应，但是随着氨水流量的增加，氨的利用比例不断下降。当氨水流量设定到700L/h时（＜100mg/m3），氨的利用比例将低于60%。我们认为，随着氨水流量的增大，氨与烟气的混合条件不断恶化，是造成氨的利用比例不断降低的原因之一。如果在设计中给予SNCR更大的反应空间，同时充分保证氨与氮氧化物的混合，那么氨的利用比例有可能增加，从而降低氨水的消耗量。

图2 氨水消耗量与氮氧化物排放浓度之间的关系

表1 氨的利用比例*

图3 连续24h运行数据

为了测试超低排放是否有稳定的运行效果，业主和大连斯迪欧公司又进行了连续运行考核试验。在氨水喷射量控制在650L/h时，相关数据结果如图3所示。

经过调试后，自适应SNCR系统在该生产线取得良好的效果，不仅满足了氮氧化物的排放标准，降低了氨水消耗量，同时满足了超低排放的要求，获得了业主的认可。

5 结语

大连斯迪欧自适应SNCR系统在2 500t/d生产线的实际应用表明，自适应SNCR系统可以满足国内水泥工业超低排放的要求，同时运行成本较低，可广泛推广。

外循环生料辊磨技术的开发与应用项目通过行业科技成果鉴定

6月20日，由天津水泥工业设计研究院有限公司承担的“外循环生料辊磨技术的开发与应用”项目行业科技成果鉴定会在北京召开。

中国建筑材料联合会副秘书长潘东晖、天津院有限公司总工程师隋明洁、中材国际研究总院院长助理聂文海、副总工程师柴星腾以及项目组相关人员参加了会议。隋明洁总工程师代表天津院有限公司对与会各位领导和专家表示热烈的欢迎和衷心的感谢，并介绍了天津院有限公司近年来的研发投入、创新成果以及应用情况。

会上，聂文海和杜鑫代表项目组对项目的研究背景、研究思路、研究内容以及工程应用情况进行了详细汇报。与会专家们进行了充分的质询和讨论，对该研究成果给予了充分的肯定，最终得出统一结论：该成果是传统生料辊磨技术升级的有效方式，社会效益和经济效益显著，市场应用前景广阔，成果整体技术达到国际先进水平。