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    • 大型燃煤电厂启停过程中降低NOx排放控制策略

        摘    要:

        随着社会经济发展以及各项建设活动的进行,在提高人们生活水平的同时,我国生态环境形势日益严峻。其中对环境造成较大污染的主要是物质即是氮氧化物(NOx),因此,我国相关部门对大型燃煤电厂排放NOx制定了严格的标准,并要求燃煤电厂必须配置烟气脱硝装置,以降低氮氧化物的排放。本文主要分析NOx的生成机理,并研究大型燃煤电厂启停过程中的NOx数据,从而提出相关控制策略,以期为大型燃煤电厂的可持续发展以及环境保护提供借鉴和参考。

        我国沿海地区某大型燃煤电厂采用1000MW的前后墙对冲燃烧、平衡通风式超临直流锅炉机组,其使用高含尘布置方式加设脱硝装置,并且在锅炉的空预器入口位置设置了选择性催化还原法脱硝装置,同时,选用蜂窝式催化剂。在锅炉空预器之前设置SCR反应器,保障催化剂的运行温度能够与省煤器出口位置的烟气温度相近。该燃煤电厂的催化剂运行温度为300~400℃,因此,SCR脱硝装置在实际的运行中无法全工况投入,在机组启停过程中就会导致NOx的排放浓度无法准确控制,需要采取一定的控制策略和手段,以实现机组启停过程中NOx的降低排放。

        生成机理

        NOx的生成一般是在燃煤燃烧的过程中产生的NO以及NO2,还有少量的N2O等,根据相关研究和分析,大型燃煤电厂锅炉烟气中的NOx生成机理主要有三种类型。

        其一,是燃料型,即是在燃煤内部存在的氮化合物在较为剧烈的燃烧中会因受热而出现分解现象,从而在经过氧化过后就会生成NOx。这种类型NOx的生成量一般是在总生成量的70%~80%。与其他生成途径相比,燃料型NOx的生成相对比较复杂,其与燃煤的特性组成燃料比具有较大的关联。而且同一种燃煤NOx的生成量与锅炉炉膛的过量空气系数以及煤粉在燃烧着火区所停留的时间,通常是成一种正比的关系。其二,是热力型NOx的生成,在锅炉炉膛内部的氮气如果发生高温氧化反应,就会生成NOx。在大型燃煤电厂的燃烧区域中,温度在1350℃以下时,就会生成燃料型的NOx,而一旦温度上升到1350℃以上,就会形成热力型NOx,而且温度上升越快,其生成量就越多。当炉膛内的温度高于1600℃时,热力型NOx的生成量占总生成量的25%~30%。而且NOx不会受到燃煤所含化学成分的作用和干扰。其主要与燃煤燃烧时的温度、氧气浓度、在高温区停留时间等成正比关系。其三,是快速型NOx,燃煤材料在炉膛内剧烈燃烧时会产生一些碳氢离子团,在与空气中含有的氮气相接触时就会发生一定的反应,从而生成NOx,不过快速型NOx的生成量一般都较小,不会超过5%,通常被忽略不计。快速型NOx生成量与炉膛内的压力具有关联性,其与炉内压力的0.5次方成正相关关系,与燃煤燃烧区域的温度存在的联系相对较小。

        2 启停机过程NOx数据分析

        在该大型燃煤电厂中,采用选择性催化还原的方法进行脱硝,将液态的NH3经过液氨蒸发装置加热后形成气态的NH3,然后,通过一次风将其安全浓度稀释到5%以下,在经过注氨格栅上的喷嘴直接喷入锅炉烟气中,在与烟气充分的、均匀的接触后,共同进入脱硝反应器中,此时,反应器为垂直放置状态。在其催化作用下促使烟气中含有的NOx以及氨嫩够在催化剂的表面发生还原反应,这一过程中可以生成一定量的N2以及H2O,从而实现NOx的有效脱除。然而,由于催化剂的特性会受到烟气温度的影响,在锅炉点火以及并网的初期负荷阶段,无法运行脱硝装置。近几年,该大型燃煤电厂出现了电力装机过剩的现象,就导致了电厂临时发电小时下降的情况,同时,汽轮发电机组启停调峰工作越来越频繁。在该沿海大型燃煤电厂中,机组启停时锅炉烟气存在不稳定的现象,

        在启机工况中Q1和Q2分别是点火0.5h以及1h的数据情况,发现在点火的初始阶段,当燃煤数量一定时,NOx的生成量呈现上升趋势,主要的原因是由于在着火区域温度有所上升,形成了大量的热力型NOx。同时燃煤量增加,烟囱出口的NOx生成量有小幅度的减少,这说明,锅炉烟气温度的升高和燃煤数量的增加会使热力型NOx和燃料型NOx生成量随之增加。在总风量数据变化较小时,燃料增加消耗部分氧气量之后,烟囱出口的含氧量会有所下降,并且出口折算后NOx的生成量也有明显的下降。而Q6~Q7是并网之后两台磨煤机运行时的工况,并且Q7的脱硝入口和烟囱出口的NOx浓度相比,Q6要低,这种现象主要是因为缺氧环境导致热力型NOx生成量下降而产生的。最后的Q8工况是脱硝投入状况下的数据,说明了烟囱出口氧量较高时,同样可以有效的控制NOx的排放浓度。所以,综合来说,在启机过程中,由于送风量较大,单台磨煤机运行时其可以通过提高燃煤用量来营造缺氧环境,不能够有效地降低NOx的排放量,而采用两台磨煤机时则可以在一定程度上减少NOx的排放。

        在停机过程中T1工况明显是刚退出脱硝工况,在反应器中还残留有一定的反应物质,所以,dshg烟囱出口的NOx含量并不高,即使氧量达到了14.4%,但折算后的NOx排放值仍然不超出排放标准,这说明在脱硝投入的工况中,氧量较高时也可以控制NOx的排放,不过会增加脱硝喷氨量。从T2以及T3工况中,可以发现在总煤量减少的情况下,折算后的NOx与脱硝入口和烟囱出口的生成量有较为明显的差异,所以热力型NOx的生成与折算后的NOx数值之间的联系不大。在T4工况中则可以发现在煤量处于40t/h时,与前几种工况相比,其脱硝入口和烟囱出口的NOx排放量浓度有所下降,主要的原因是炉膛内的温度降低导致的。

        3 控制策略

        针对上述分析,对该大型燃煤电厂启停过程中降低NOx排放的控制策略如下:

        (1)在点火前,要确认两台浆液循环泵的工作状况正常,并及时校验CEMS,确保测点无异常。

        (2)在启机过程中,如果燃烧稳定则可以在最小风量的基础上,降低总风量。并且要严格控制锅炉升温升压的速度,适当的添加燃煤用量,从而减少烟囱出口的氧量,以进一步降低折算后的NOx排放量。

        (3)在启机并网之后,则要尽快投入使用高加系统,从而可以保障省煤器合理的降低烟气温度,最大限度地保障脱销装置能够在最短时间内投入运行和使用中。

        (4)在启机时,要在脱硝投入之前使用两台或者三台磨煤机,同时在启停的过程中,要尽量控制炉膛内的负压,还要尽可能地减少炉膛以及烟道漏风的现象,以降低对氧量的影响和干扰,从而可以降低烟囱出口污染物折算值。并且在并网前要保障各项参数符合标准和要求,其中最为重要的即是保障烟囱出口氧气含氧量在16%以下。

        (5)在停机过程中,尽可能保持高负荷段运行的时间,锅炉转湿态后到发电机的解列时间可以控制在1.5h之内。并在条件允许的情况下,可以适当地降低燃煤量,降低炉膛内的温度,从而可以通过缩短停炉的时间降低NOx的排放。

        (6)在停机时,基于燃烧稳定的现状,可以降低总风量,减少对折算值的影响。

        4 结语

        综上所述,大型燃煤电厂在启停过程中对NOx的控制排放,要针对启停过程的数据分析,基于机组运行和调整的角度,采取降低氧气量、提高烟气温度以及增加高负荷段运行时间、尽快投入脱硝装置等,将机组运行中产生的NOx排放量控制到最低,保障燃煤锅炉的烟气排放符合相关标准。

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