唐多久，汪濤

1 工程概述

我國NOx排放標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格，《“十三五”節(jié)能減排綜合性工作方案》提出，2020年我國NOx排放總量控制在1 574萬噸以內(nèi)。水泥工業(yè)是我國的基礎(chǔ)性工業(yè)，水泥行業(yè)的氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)也日益嚴(yán)格。2013年我國頒布GB 4915-2013《水泥工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求水泥廠氮氧化物排放濃度≯400/320mg/m3（分重點(diǎn)地區(qū)和非重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行，折算到10%氧氣濃度，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，以NO2計(jì)）。而某些地方標(biāo)準(zhǔn)在國家標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高，比如2015年河北省發(fā)布的排放標(biāo)準(zhǔn)要求水泥企業(yè)氮氧化物排放量≯260mg/m3。

我國水泥企業(yè)普遍采用SNCR技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)降低氮氧化物排放。自2011年天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司在中材湘潭水泥廠建立我國第一套SNCR系統(tǒng)以來[1]，我國水泥企業(yè)在2014年前基本完成了水泥行業(yè)SNCR改造。但很多水泥企業(yè)的SNCR技術(shù)并不成熟，常常存在氮氧化物排放超標(biāo)、氨水用量過大等問題[2]。而低氮燃燒技術(shù)在我國實(shí)際應(yīng)用情況并不理想，僅有極少數(shù)生產(chǎn)線通過低氮燃燒技術(shù)將氮氧化物排放濃度降低到比較理想的水平，且仍然需要SNCR技術(shù)才能保證排放達(dá)標(biāo)[3-4]。

面對未來更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)有的水泥企業(yè)SNCR系統(tǒng)很難保證達(dá)到氮氧化物超凈排放（100mg/m3）的要求。目前我國一些科研院所普遍考慮在水泥行業(yè)引進(jìn)SCR技術(shù)，滿足氮氧化物排放[5]要求。但SCR技術(shù)存在總投資及運(yùn)行成本高等問題，因此大連斯迪歐公司深入研究SNCR技術(shù)，在現(xiàn)有常規(guī)SNCR技術(shù)基礎(chǔ)上，開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的自適應(yīng)SNCR技術(shù)，并成功在山西省某2 500t/d生產(chǎn)線投入使用，取得良好的效果，氮氧化物排放濃度降低到100mg/m3以下，達(dá)到了超低排放要求。

2 自適應(yīng)SNCR技術(shù)工藝

自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)主要由卸氨系統(tǒng)、氨水存儲系統(tǒng)、氨水輸送系統(tǒng)、自適應(yīng)計(jì)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)與常規(guī)的水泥窯SNCR系統(tǒng)相比，具有以下獨(dú)有的特點(diǎn)。

2.1 氨水車間的安全防護(hù)

氨水是氨氣的水溶液，而氨氣是無色、透明、容易揮發(fā)的氣體，因此必須特別注意氨水的存儲。自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)充分考慮了氨水的危險(xiǎn)性，全方位解決了氨水的安全問題。

（1）將氨水車間避開附近建筑物的出入口。氨水的存儲量一般≮3～5d的氨水消耗量，同時(shí)氨水儲罐≮2個且≯4個。

（2）水泥窯SNCR工程氨水普遍采用外購，氨水車運(yùn)抵氨水車間后，通過防腐的離心泵、管道泵等設(shè)備將氨水輸送到儲罐中。自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)的氨水管道一般設(shè)置有0.3%～0.5%的坡度，有利于將氨水全部注入到儲罐中而不殘留。為了保持儲罐內(nèi)外的壓力平衡，同時(shí)防止儲罐內(nèi)的氨氣逃逸，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)配置了水封裝置。為了防止氨水儲罐破損，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)設(shè)置了圍堰，圍堰的有效容積大于最大單罐的有效容積。

（3）為了防止火災(zāi)，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)設(shè)置了氨氣濃度報(bào)警儀與自動噴水裝置。同時(shí)為了防止自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)車間內(nèi)積累較多的氨氣，要求暖通專業(yè)將氨氣濃度報(bào)警儀與自動排風(fēng)系統(tǒng)連鎖設(shè)計(jì)，以有效降低車間內(nèi)氨氣濃度。

2.2 氨水噴入位置及噴槍布置

受反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間的影響，選擇合適的位置加入氨水對SNCR的效果非常重要。自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)首先在現(xiàn)場對窯爐溫度、氣體成分進(jìn)行測量，初步判斷窯內(nèi)的燃燒狀態(tài)；然后搜集有關(guān)窯爐運(yùn)行數(shù)據(jù)，給定噴射的初始控制參數(shù)；再借助CFD流場數(shù)值模擬技術(shù)，對水泥窯爐內(nèi)的溫度、氮氧化物濃度、氧氣濃度、氨水噴射情況進(jìn)行數(shù)值模擬，確定最佳的加入位置。

自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)的噴槍采用多層均勻布置。多層噴槍布置具有以下優(yōu)勢：其一，使氨水與煙氣的混合更加均勻，有利于反應(yīng)向脫硝而不是氧化的方向進(jìn)行；其二，自動控制系統(tǒng)可以根據(jù)不同的窯況，控制噴槍的啟停運(yùn)行，以適應(yīng)不同水泥窯系統(tǒng)的煙氣溫度、喂料量、窯電流等；其三，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)可以根據(jù)在線煙氣系統(tǒng)檢測的氮氧化物排放濃度，啟停不同的單只噴槍，尋找最合理的噴槍運(yùn)行狀態(tài)。

3 第二代自適應(yīng)控制系統(tǒng)

自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)的核心是控制，目前該生產(chǎn)線采用的是人工設(shè)定控制。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，普通水泥窯的SNCR系統(tǒng)在技術(shù)專家調(diào)試期間，運(yùn)行效果往往比較理想，而當(dāng)交付水泥廠運(yùn)營后，脫硝效率、運(yùn)行成本指標(biāo)均有所下降。針對這一問題，通過與國內(nèi)高校合作，我公司正在開發(fā)具備人工智能與大數(shù)據(jù)分析的第二代自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)。

針對水泥窯選擇性非催化還原脫硝系統(tǒng)的被控對象（氮氧化物排放濃度）具有大遲延、大慣性的特點(diǎn)，以及多種干擾因素耦合（窯運(yùn)行參數(shù)干擾多）導(dǎo)致的被控對象參數(shù)變化大、模型準(zhǔn)確度無法保證等問題，大連斯迪歐公司基于自身經(jīng)驗(yàn)，參考國內(nèi)有關(guān)先進(jìn)控制理念[6]，與高校合作研發(fā)基于專家模糊控制策略的SNCR脫硝系統(tǒng)自動控制策略，用以實(shí)現(xiàn)SNCR系統(tǒng)的人工智能控制，該系統(tǒng)主要的控制策略見圖1。

在還原劑加入量設(shè)定值形成的過程中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)并沒有使用常規(guī)的PID控制，而是借鑒了PID與專家控制相結(jié)合的動態(tài)疊加方式。當(dāng)NOx排放濃度變動時(shí)，自適應(yīng)控制系統(tǒng)會進(jìn)行判定，不直接增減還原劑的加入量。當(dāng)滿足改變控制參數(shù)條件時(shí)，發(fā)送一個脈沖信號，將計(jì)算得到的設(shè)定值通過疊加后得到實(shí)際還原劑設(shè)定值。然后再經(jīng)過一個判斷周期，再次判斷是否需要變更還原劑的設(shè)定值。

（1）數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于在線測試設(shè)備得到的反饋數(shù)據(jù)往往帶有隨機(jī)擾動，可以利用死區(qū)特性進(jìn)行濾波，濾除小擾動信號，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)，對氮氧化物濃度、氧氣濃度、窯尾喂煤量、窯電流、生料喂料量、各測試點(diǎn)溫度等參數(shù)的隨機(jī)干擾的變化率限制在一定范圍內(nèi)，對上下限范圍內(nèi)的波動認(rèn)為是隨機(jī)干擾導(dǎo)致的波動，對上下限范圍外的波動認(rèn)為確實(shí)發(fā)生了變化。

（2）基于專家經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定值形成結(jié)構(gòu)

基于專家經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定值形成結(jié)構(gòu)包括，基于專家經(jīng)驗(yàn)的區(qū)間控制、基于專家經(jīng)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化和基于重要因素的前饋控制。

基于專家經(jīng)驗(yàn)的區(qū)間控制是指，當(dāng)被控量NOx的測量值不在所設(shè)定的區(qū)域范圍內(nèi)時(shí)，還原劑設(shè)定值按照預(yù)先設(shè)定的專家算法進(jìn)行調(diào)整。

圖1 自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)控制邏輯

基于專家經(jīng)驗(yàn)的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化是指，當(dāng)NOx的測量值在設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)，并且NOx沒有上升趨勢（根據(jù)NOx排放值變化率計(jì)算）時(shí)，通過專家算法計(jì)算可以減少的還原劑量。經(jīng)過一定的反應(yīng)時(shí)間后，再判斷是否需要進(jìn)一步優(yōu)化。

基于重要因素的前饋控制是指，對NOx、SNCR反應(yīng)影響較大的參數(shù)實(shí)行前饋控制，包括窯電流、分解爐各溫度點(diǎn)、氧氣濃度等參數(shù)。其調(diào)節(jié)規(guī)則由預(yù)先設(shè)定的專家算法確定。

經(jīng)過對基于專家經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定值形成結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)定值疊加后，得到初步的還原劑設(shè)定值。

（3）基于專家模糊控制策略的還原劑低限自適應(yīng)控制

在逐步降低還原劑用量的同時(shí)，需要設(shè)置一個最低流量限值。其目的是保持一定的還原劑余量，使其滿足NOx的排放濃度的常見波動，保證排放瞬時(shí)值不超過排放標(biāo)準(zhǔn)。該數(shù)據(jù)需要根據(jù)累積的歷史數(shù)據(jù)和專家預(yù)先設(shè)置規(guī)則，由自適應(yīng)系統(tǒng)定期自動更新低限數(shù)據(jù)。

經(jīng)過基于專家經(jīng)驗(yàn)的設(shè)定值形成結(jié)構(gòu)得到的還原劑初步設(shè)定值，與基于專家模糊控制策略的還原劑低限自適應(yīng)控制相互耦合后，得到還原劑的自適應(yīng)控制值。

（4）NOx快速保護(hù)

當(dāng)水泥窯的燃燒工況發(fā)生突變（如分解爐掉大塊結(jié)皮等）導(dǎo)致NOx急劇變化時(shí)，常規(guī)的控制調(diào)整因反應(yīng)時(shí)間過長無法滿足控制要求。因此當(dāng)被控量NOx超過設(shè)定的上限值時(shí)，自適應(yīng)系統(tǒng)將切換到快速保護(hù)模式，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法直接控制還原劑噴射量。

（5）其他調(diào)整

在自適應(yīng)系統(tǒng)得到實(shí)際還原劑設(shè)定值后，根據(jù)專家預(yù)先設(shè)置的規(guī)則調(diào)配各只噴槍的分配關(guān)系，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的規(guī)則對其定期更新，進(jìn)一步優(yōu)化氨水在各只噴槍的分配關(guān)系。

自適應(yīng)系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以將不同生產(chǎn)線的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳遞到大連斯迪歐公司的SNCR數(shù)據(jù)庫，用來更新專家規(guī)則預(yù)先設(shè)置及解決常見的技術(shù)問題。

4 自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果

山西某水泥廠自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)在改造前，很難將氮氧化物排放濃度降低到300mg/m3以下，在進(jìn)行自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)改造后，氨水消耗量在300～400L/h之間時(shí)，氮氧化物排放濃度即可降低到300mg/m3以下，滿足現(xiàn)行環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)；將氨水消耗量增加到600L/h時(shí)，氮氧化物排放濃度即可＜100m/m3，滿足超低排放要求。不同氨水流量與氮氧化物排放濃度之間的關(guān)系如圖2所示。

將反應(yīng)掉的氮氧化物的摩爾量與加入的氨的摩爾量的比例，定義為氨的利用比例，作為衡量SNCR系統(tǒng)的重要指標(biāo)。通過氨水流量、氨水濃度可以求得加入的氨量（氨氣量），通過水泥窯系統(tǒng)的風(fēng)量和氮氧化物排放濃度可以得出氮氧化物的減排量。該項(xiàng)目自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)經(jīng)過計(jì)算，得到的氨的利用比例如表1所示。由表1可知，在氨水流量設(shè)定為200L/h時(shí)，加入的氨幾乎100%與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，但是隨著氨水流量的增加，氨的利用比例不斷下降。當(dāng)氨水流量設(shè)定到700L/h時(shí)（＜100mg/m3），氨的利用比例將低于60%。我們認(rèn)為，隨著氨水流量的增大，氨與煙氣的混合條件不斷惡化，是造成氨的利用比例不斷降低的原因之一。如果在設(shè)計(jì)中給予SNCR更大的反應(yīng)空間，同時(shí)充分保證氨與氮氧化物的混合，那么氨的利用比例有可能增加，從而降低氨水的消耗量。

圖2 氨水消耗量與氮氧化物排放濃度之間的關(guān)系

表1 氨的利用比例*

圖3 連續(xù)24h運(yùn)行數(shù)據(jù)

為了測試超低排放是否有穩(wěn)定的運(yùn)行效果，業(yè)主和大連斯迪歐公司又進(jìn)行了連續(xù)運(yùn)行考核試驗(yàn)。在氨水噴射量控制在650L/h時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)果如圖3所示。

經(jīng)過調(diào)試后，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)在該生產(chǎn)線取得良好的效果，不僅滿足了氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)，降低了氨水消耗量，同時(shí)滿足了超低排放的要求，獲得了業(yè)主的認(rèn)可。

5 結(jié)語

大連斯迪歐自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)在2 500t/d生產(chǎn)線的實(shí)際應(yīng)用表明，自適應(yīng)SNCR系統(tǒng)可以滿足國內(nèi)水泥工業(yè)超低排放的要求，同時(shí)運(yùn)行成本較低，可廣泛推廣。

外循環(huán)生料輥磨技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用項(xiàng)目通過行業(yè)科技成果鑒定

6月20日，由天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)的“外循環(huán)生料輥磨技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用”項(xiàng)目行業(yè)科技成果鑒定會在北京召開。

中國建筑材料聯(lián)合會副秘書長潘東暉、天津院有限公司總工程師隋明潔、中材國際研究總院院長助理聶文海、副總工程師柴星騰以及項(xiàng)目組相關(guān)人員參加了會議。隋明潔總工程師代表天津院有限公司對與會各位領(lǐng)導(dǎo)和專家表示熱烈的歡迎和衷心的感謝，并介紹了天津院有限公司近年來的研發(fā)投入、創(chuàng)新成果以及應(yīng)用情況。

會上，聶文海和杜鑫代表項(xiàng)目組對項(xiàng)目的研究背景、研究思路、研究內(nèi)容以及工程應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)匯報(bào)。與會專家們進(jìn)行了充分的質(zhì)詢和討論，對該研究成果給予了充分的肯定，最終得出統(tǒng)一結(jié)論：該成果是傳統(tǒng)生料輥磨技術(shù)升級的有效方式，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，市場應(yīng)用前景廣闊，成果整體技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。