水泥窑SNCR系统控制逻辑现状

唐新宇 崔小璇 许 炎

1天津中材工程研究中心有限公司（300400）2湖州白岘南方水泥有限公司（313100）

氮氧化物是一种对环境有害的污染物，容易引起酸雨等危害。为了加强环境保护，我国制定了GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》，控制氮氧化物排放。目前水泥工业较多采用选择性非催化还原技术（Selective non-catalytic reaction，即SNCR）降低氮氧化物排放。SNCR因其具有技术改造简单、投资小等优势而得到了较为广泛的应用。但是水泥SNCR的控制目前较不成熟，具有排放易超标、氨水用量大、使用成本高等缺点，其主要原因就是SNCR的控制逻辑并不理想。

1 水泥窑SNCR控制逻辑现状

最传统的水泥工业SNCR控制逻辑是定排放浓度调节。当烟囱氮氧化物排放浓度在目标范围内（如280～320 mg/m3）时，控制系统不进行反馈调节；当氮氧化物排放浓度低于目标范围（如小于280 mg/m3）时，控制系统降低氨水泵的调节频率（或固定氨水泵的调节频率而减小阀门开度），从而降低氨水的流量；当氮氧化物排放浓度高于目标范围（如大于320 mg/m3）时，控制系统增加氨水泵的调节频率（或固定氨水泵的调节频率而增大阀门开度），从而增加氨水的流量。但是由于烟囱与喷氨点的距离遥远，烟气分析仪的滞后时间往往在5～10 min，很容易出现氮氧化物排放浓度超标等现象。部分SNCR系统采用不同的PID控制，但是由于水泥工业的氮氧化物排放浓度波动极大，变化频率快，因此控制系统调节频繁，很容易因系统振荡而无法收敛。

在定排放浓度的基础上，部分水泥SNCR系统采用定流量调节，即氨水泵的喷射流量固定，只要保证氨水有足够的流量，就可以保证氮氧化物排放浓度达标。但是采用此种控制方式常常出现氮氧化物排放浓度过低、氨水流量过大的问题，容易造成浪费，且需要人工定期干预。

因此，传统SNCR系统具有调整严重滞后于氮氧化物排放浓度变化的特点，存在氮氧化物浓度超标、氨水用量大、使用成本高、需要人工干预等缺点。

2 水泥窑SNCR控制逻辑研发进展

2.1 根据烟囱参数反向控制

由于传统SNCR具有严重的滞后性，很多研究者开始利用烟囱的氮氧化物排放浓度并附加其他指标来减少滞后的不利影响。专利CN105938375A[1]利用烟囱内的烟气流量Q和烟囱中的氮氧化物浓度，根据流量计算值和实测值设定判定公式，反向计算初始氮氧化物浓度，对还原剂流量计算值进行调整，使得实测氮氧化物浓度不断逼近目标氮氧化物浓度、还原剂流量不断趋近计算流量。该方案的好处是，初始参数设定后，系统自动调整运行，对初始氮氧化物浓度实现自动跟踪、自动计算，并自动改变氨水流量，从而减少操作人员的工作量。但是专利CN105938375A存在一些问题:该解决方案在系统自动反向计算初始氮氧化物浓度时，假定此时间范围内初始氮氧化物浓度不变，从而进行跟踪；但是初始氮氧化物浓度往往波动非常频繁，特别是在目前超低排放背景下，初始氮氧化物的排放浓度很不稳定，该方案的自动调整过程较难实现连续稳定运行。董庆武[2]考虑到水泥窑SNCR系统的大延迟、时变特性、影响因素较多等特点，认为无法建立精确的数学模型，其通过分段式多级控制模式实现不同的响应，具体是根据烟囱的氮氧化物排放量和氨逃逸情况来控制还原剂的喷入量，其缺点与专利CN105938375A类似，均无法彻底避免滞后问题。

2.2 在喷氨区前后设置气体成分分析仪等设备

为了消除滞后性，专利CN104793651A[3]提出:在分解炉的喷氨区进口设置温度传感器、烟气流量监测传感器和第一氮氧化物浓度检测传感器；在分解炉出口设置第二氮氧化物浓度检测传感器和氨气浓度检测传感器。由于可以实时测量喷氨区进口的烟气流量、氮氧化物浓度以及喷氨区出口的氮氧化物浓度和氨气浓度，缩短了SNCR系统控制的延迟时间、大大降低了氨水流量改变的滞后性、提升了反应灵敏度；同时由于喷氨区出入口的氮氧化物浓度已知，在一定程度上消除了氮氧化物排放浓度影响因素众多、变化非线性的缺点。此外，专利CN104793651A还提出了利用温度修正系数、氨逃逸修正系数等参数调整控制逻辑的方法。但是，该方案存在一些现实问题:分解炉的喷氨区进口、分解炉出口的工作条件恶劣，烟气温度达到850℃～950℃，粉尘浓度高达500～1 500 g/Nm3，工业应用中的少量使用的氮氧化物浓度检测传感器的准确度、精密度均较低且故障率极高，数据利用价值低；现有的烟气流量监测传感器、氨气浓度检测传感器尚无法适应此处的安装条件，氨逃逸修正参数更是无法获得。因此，专利CN104793651A的方法受制于现实因素，根本无法实现。

水泥熟料生产并非是稳定的生产过程，水泥各种原燃料的成分变化、投加量的变化，水泥工艺设备性能的变动，都会引起水泥工艺的变化，从而影响氮氧化物的生成，仅靠温度修正系数、氨逃逸修正系数来微调，与实际情况的偏差较大。

2.3 引入窑系统参数参与控制

专利CN111665711A[4]考虑到窑系统运行多种工艺参数的影响，利用窑系统的参数变化预测氮氧化物以及氨水的消耗量，设计了多变量输入输出的控制器，将喂煤量、污泥加入量列入SNCR调整，包括氮氧化物排放浓度在内的任何一个参数发生变化，都会对SNCR的氨水用量进行调整，多种参数变化时则会同时参与到控制中。相较于传统SNCR系统，该方案的优点是综合考虑了部分窑况参数的影响，因此SNCR调整更加准确、及时。但是该方案也存在明显缺点:①将水泥窑对SNCR的影响抽象为喂煤量、污泥加入量两个参数，忽略了其他水泥工艺参数对SNCR的影响，精确度不高；②将喂煤量、污泥加入量对SNCR的影响主观定性为线性影响，与实际SNCR差距极大，因此控制效果并不理想。

2.4 数值模拟调整控制

数值模拟技术的发展，给研究者提供了一些新的思路。专利CN203043832U[5]用CFD建立模拟流场，确定分解炉内的速度场和温度场，从而找到最佳的喷射位置，确保反应有合适的温度窗口和足够的反应时间，使脱硝效率得到提高。但是目前的水泥工业分解炉内模拟流场研究，多数是稳态模拟，尚没有公认成熟的技术用于水泥生产；而专利CN203043832U是采用非稳态模拟调整SNCR控制，与实际工况更是相距甚远，目前还没有使用的可能性。刘晓东[6]针对水泥SNCR的大滞后特性，基于阀门开度-NOx浓度特性设计了DMC理论控制器，主要根据反应区温度来调整氨水流量，但是对水泥脱硝过程中的强扰动问题只能设计专家规则表，在发生强扰动时切换到专家规则，根据氮氧化物排放浓度强制规定氨水流量，所以只能在氮氧化物波动较小、水泥生产参数较为稳定时使用。

2.5 喷射点温度调整控制

CN203281218U[7]考虑到喷枪喷入氨水的反应温度不理想，在每只喷枪上设置温度探测器，根据不同的温度调整氨水流量。CN112403250A[8]更是用一种声波测温装置来协同控制水泥窑SNCR。这种方案的问题是单纯以喷射点温度作为SNCR反应的最大影响因素而忽略了其他因素，因此其在理论上并不合理，并不能对系统实现有效的调整。

3 水泥窑SNCR控制逻辑目前的问题及未来发展趋势

由前述可知，水泥行业SNCR系统控制的问题主要有以下几点:

1）传统SNCR的烟囱烟气分析仪与SNCR反应区距离远，容易出现氮氧化物排放浓度超标等现象，且水泥工业的氮氧化物排放浓度波动极大、变化频率快，以烟囱烟气分析仪反馈数据作为SNCR的控制参数存在严重的滞后性。即使有研究者采用增加烟气流量、氨逃逸参数等多种控制策略，但是仍然无法解决这一问题。

2）水泥窑各工艺参数变化、氮氧化物排放浓度等与SNCR控制的逻辑关系尚不明确，数值模拟结果在现阶段也无法指导生产。现在的控制逻辑不能有效地通过工艺参数变化来预测氮氧化物排放浓度，从而控制SNCR系统。

3）目前的SNCR控制系统主要是控制氨水流量，并未实现对压缩空气流量的调节，一般仅仅起到计量、监控的作用。

因此，未来适合中国水泥工业的SNCR控制系统，应该具有如下特点:

1）能够快速地反馈喷氨脱硝区域的氮氧化物排放浓度，同时建立起适应于水泥工业氮氧化物排放浓度波动极大、变化频率快的控制逻辑。

2）能够利用水泥窑主要工艺参数，建立起有效的氮氧化物排放浓度预测模型，从而指导控制逻辑。

3）控制氨水流量与压缩空气流量的匹配度，使喷枪达到较好的雾化效果。