智能烟气调质：静电除尘器注入量控制的新拐点

基于 IIRC™ 的SO₃/NH₃双重调质智能控制——Allied Environmental Technologies 与 Fuel Tech 的联合研究解读

关键词
Electrostatic Precipitator, ESP, PM Removal, Flue Gas Conditioning, Ammonium Conditioning, Dual FGC, Automatic Injection Rate Control, Intelligent FGC Control, 超低排放, 工业烟气治理

在燃煤电厂和大型工业锅炉中，静电除尘器（ESP）依然是主流的颗粒物控制技术。但随着煤质波动、机组深度调峰以及环保排放标准的持续收紧，传统依赖人工经验和简单“随负荷比例”调节的烟气调质（Flue Gas Conditioning，FGC）方式问题日益突出——要么过量喷射，导致显著的运行成本浪费与腐蚀风险，要么不足喷射，使除尘效率、烟囱不透光度和颗粒物排放难以稳定达标。

在这样的行业背景下，Allied Environmental Technologies, Inc. 与 Fuel Tech, Inc. 联合提出的 Intelligent Injection Rate Control（IIRC™）技术，给静电除尘 FGC 带来了一个明确的技术方向：用“智能控制”替代“经验给药”，通过在线反馈闭环，实现 SO₃ 和 NH₃ 调质剂注入量的动态最优化控制[5,18]。这项工作发表于 ICESP XVI（2022，布达佩斯），也是美国专利 US 11,406,933 的核心内容之一。

这项研究的基础，是传统 FGC 工艺在机理上的成熟却在控制上的“粗放”。SO₃ 调质通过改变飞灰电阻率，提升 ESP 可用电场强度；NH₃ 调质则利用与 SO₃ 反应生成硫酸铵、硫酸氢铵，既降低烟气中游离 SO₃，又改善粉尘黏附与空间电荷分布[7,8,15,22]。过去几十年大量研究已经证明调整飞灰电阻率窗口和灰层结构，是提升 ESP 性能的关键手段[1–3,7–13]，而 Dual FGC（SO₃ + NH₃ 同时调质）技术，则进一步通过生成(NH₄)HSO₄ 与 (NH₄)₂SO₄，在“导电性”和“黏结性”之间取得折中[14–17]。

然而，真正难的是“打多少、打到哪”。SO₃ 注入过少，飞灰电阻率偏高，灰层电压抬升到一定程度后会产生严重反电晕，电流被压制，ESP 功率利用率大幅下降；SO₃ 过量，则可能导致高温段酸露点过高、下游设备腐蚀甚至 SO₃ 排放超标[8,10,13]。NH₃ 方面，如果 NH₃/SO₃ 摩尔比偏低（NSR＜约0.5–1.0），硫酸氢铵占主导，黏性增强有利于飞灰黏附，但易在冷端造成黏堵[19–21]；如果摩尔比过高（NSR→2），则倾向生成细微的硫酸铵颗粒，改善极间电场的同时，增加亚微米粒子空间电荷，可能出现“电晕淬灭”（corona quenching），电流反而骤降[15,16,23]。

Krigmont 与 Ferrigan 的工作，正是针对这一“剂量–效果曲线不单调”问题，建立起以 ESP 电参数为核心的自动寻优算法，使 ESP 在不同煤种、不同负荷和不同烟气调质组合下，都能自动逼近“最佳注入点”，从而在保证除尘效率的同时，将 SO₃ 与 NH₃ 的消耗和排放控制在最低可行水平。

IIRC™ 在 SO₃ 注入控制上采用了一个很有代表性的“以功率为靶”的策略。作者把 ESP 总功率 P（电压×电流）视为“除尘效果”的综合指标：在电场设计和安全裕度不变的前提下，较高且稳定的 P，意味着更高的电流密度、更充分的带电与捕集过程[1,7]。他们通过大量现场观测发现，以 SO₃ 注入量 F（按体积分数 ppm 表示）为自变量时，P–F 关系往往呈现两种典型分支：

一是“先升后降型”（文中称 First Branch）：随着 SO₃ 增加，飞灰电阻率从过高区逐步降低，ESP 可用电流增大，P 上升；但当 SO₃ 过量或气速偏高时，反电晕和气场畸变加剧，P 反而回落。

二是“单调缓升型”（Second Branch）：在某些低气速或特定灰性条件下，SO₃ 增加并不会引起明显的反电晕失稳，而是持续改善导电性，呈现 P 随 F 单调缓增。

在实际机组中，随着负荷、煤质和流场变化，同一台 ESP 甚至会在不同时间在两种分支间“切换”，这就使得单纯以“追求最大 P”或“锁定某一固定功率”为目标的常规控制策略，很容易出现在分支间来回振荡甚至“追错方向”的风险。

IIRC™ 的创新在于：不再直接用 P 本身，而是用 dP/dF——即 P 对 SO₃ 注入量的局部导数作为控制量。通过在线求取 dP/dt 和 dF/dt，再按链式法则计算 dP/dF，并将其与一段现场标定的“目标范围”（例如 0–0.10 kW/ppm，具体由现场试验确定）进行比较。如果当前的 dP/dF 高于目标上限，表明系统运行点偏于“左侧”，增量 SO₃ 仍然能显著提升功率，应适当增加 F；若 dP/dF 低于下限甚至为负，则说明已进入过量或不利区，需要降低 SO₃ 注入量，将工况往“峰值左侧”拉回[18]。

这一基于导数的控制逻辑，绕开了“P 曲线有两个分支”的结构不确定性：无论当前是在 First Branch 还是 Second Branch，只要把目标设定在“拐点附近略偏左”的安全区，通过保持一个小而正的 dP/dF，就能既接近最优功率，又避免跨越分支引发的大幅振荡。同时，算法允许在 P 对 F 的响应滞后达数十分钟甚至数小时的现实条件下，通过时间延迟和滑动平均的方式，给 dP/dF 估算引入合适的“记忆窗口”，兼顾平稳性与响应性[5,18]。

在此基础上，Dual FGC 的第二个关键——NH₃ 注入控制——则更多围绕“空间电荷”和“电晕淬灭”来展开。研究指出，当 SO₃ 调质达到一个优化水平后，NH₃ 控制的首要任务，是在满足 SO₃ 捕捉和灰层黏结需求的前提下，避免过量生成细微铵盐颗粒造成空间电荷堆积和电流塌陷[15,16,19–21]。

IIRC™ 在 NH₃ 控制上的思路可以概括为：“SO₃ 为前馈，VI 曲线为反馈”。首先，系统以实时 SO₃ 质量流量为前馈信号，根据预设的 NSR（如 0.5–1.0 之间）给出一个初始 NH₃ 注入设定值，使 NH₃/SO₃ 摩尔比落在目标区间内，保证有足够的(NH₄)HSO₄ 用于增强灰层黏结，又不过早推向(NH₄)₂SO₄ 主导的高空间电荷区。随后，通过持续监测 ESP 前几电场的电压–电流（V–I）变化趋势，计算 dV/dt 和 dI/dt，用来判断当前工况在“正常放电区”还是“电晕抑制区”。

与 SO₃ 相比，NH₃ 反应和对空间电荷的影响几乎是即时的，因此这里采用的不是“慢导数 dP/dF”，而是“快导数 dI/dt 的符号判断”。在控制循环中，系统以一个预设的步长 INCR（如 1 ppm NH₃）对氨水（或氨气）流量作微调，并观察下一个时间片中的 dI/dt 方向：

当 dV/dt＞0 且 dI/dt＞0 时，电压上升带来电流同步上升，说明当前 NH₃ 变化方向有利于提升电场性能，下一步继续沿相同方向微调；

若 dV/dt＞0 而 dI/dt 变为负值，则表明在提高电压时电流反而下降，典型的电晕淬灭指征，说明 NH₃ 已经过量，下一周期必须反向调整；

当 dI/dt 接近零时，说明系统已处于一个局部最优区间，可以通过在该点附近做小幅度的正负扰动，使 NH₃ 注入量在窄范围内来回摆动，实现“在最佳点附近呼吸式运行”。

通过这种离散的“带符号步进”算法，IIRC™ 在不需要复杂在线粉尘性状测量的情况下，借助 ESP 自身的电参数反馈，就能把 NH₃ 流量锁定在一个既能充分转化 SO₃ 又不过度增加空间电荷的窄窗口里，从而在 Dual FGC 工况下同时实现 SO₃ 接近零排放和 NH₃ 溢出最小化[18]。

从系统层面看，IIRC™ 将“前馈 + 反馈 + 专家经验标定”整合到了一套可落地的 PLC 控制逻辑中。前馈信号一般选用锅炉负荷、煤量或烟气流量，用于给出 SO₃ 与 NH₃ 的基础设定值；反馈信号则包括 ESP 单元或汇总功率、电压、电流、不透光度、SO₂/SO₃ 浓度等，用于持续修正注入量。控制器将这些信号通过一系列微分、时间延迟、除法与 PID 运算模块处理，动态调整熔硫泵输出、SO₃ 蒸发/喷射量以及 NH₃ 计量泵输出，实现对 FGC 滑阀和调节阀的闭环调节[5,18]。

从行业应用角度看，这类智能 FGC 控制技术的价值点十分清晰：一是可以显著降低人工监控和手动干预的强度，解决夜间值班与频繁启停条件下调质剂“打早、打多、打死档”的普遍问题；二是避免过度调质带来的 SO₃ 腐蚀、空预器结垢与 ESP 过载，实现药耗与检修成本的整体优化；三是通过对 ESP 电场运行点的动态精调，在老旧机组和边界工况下延长既有静电除尘器的寿命和适用性，为难以大规模改造的传统燃煤机组提供一个成本可控的提效路径。

对于已经配套 SO₃ 或 Dual FGC 的电厂而言，更现实的价值在于：IIRC™ 可以作为“控侧升级包”，在不更换主设备和喷射系统的前提下，通过改造 PLC 和逻辑程序，把一套“固定给定值 + 简单联锁”的旧控制系统升级为“导数驱动 + 自适应寻优”的智能控制平台，为后续进一步接入炉膛燃烧优化、SCR 脱硝、脱硫塔等系统建立数据基础，实现更高层级的烟气治理协同优化。

作者在文末强调，IIRC™ 控制思想不仅适用于新建机组，同样适合大量存量 FGC 系统的智能化改造，特别是那些目前依赖人工巡检、调节手轮或旧式调节阀的装置。随着多个现场试验项目陆续推进，后续更多运行数据将有望量化智能 FGC 控制在不同煤种、不同 ESP 型式上的“药耗–排放–电耗”综合收益，对国内正在推进的“老旧燃煤机组清洁化改造”和“工业窑炉超低排放改造”也具有较强的参考意义。

参考文献
[1] White, H. J. Industrial Electrostatic Precipitators. Addison-Wesley, 1963.
[2] Darby, K., Hendrich, D. O. Conditioning of boiler flue gases for improving efficiency of electrofilters. Staub, 26(11), 12–17, 1966.
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[5] Krigmont, H. V., et al. Control System for Flue Gas Conditioning. US Patent 5,122,162, 1992.
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[13] Whitehead, C. Gas Conditioning. Proceedings of the Electrostatic Precipitator Symposium, Birmingham, AL, 177–222, 1971.
[14] Krigmont, H. V., Coe, E. L. Jr. Dual Flue Gas Conditioning. The 8th EPA/EPRI Symposium on Transfer and Utilization of Particulate Control Technology, San Diego, 1990.
[15] Dismukes, E. B. Conditioning of Fly Ash with Ammonia. J. Air Pollut. Control Assoc., 25(2), 1975.
[16] Dahlin, R. S., et al. A field study of combined NH3 and SO3 conditioning systems on a cold-side precipitator at a coal-fired power plant. 77th APCA Annual Meeting, 1984.
[18] Krigmont, H. V. Flue Gas Conditioning System Controller. US Patent 11,406,933, 2022.
[19] Wei, J., Muzio, L. J., Dunn-Rankin, D., Stalling, J. Formation Temperature of Ammonium Bisulfate at Simulated Air Preheater Conditions. Combustion Colloquium.
[20] Johnson, K., Burke, J. An Investigation of Ammonium Sulfate/Bisulfate Formation and Deposition in Air Preheaters. US EPA Report 600/7-82-25a, 1982.
[22] Dismukes, E. B. Conditioning of Fly Ash with Sulfur Trioxide and Ammonia. Southern Research Institute, 1975.

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