(国电榆次热电有限公司 山西 030600)
摘要：随着环保要求的日益严格，国家要求大型燃煤锅炉必须安装烟气脱硝装置且达标排放。此外，随着电网悬备容量的增加，电厂启停机调峰已作为运行新常态，如何控制好燃煤锅炉启动过程中NOx排放已作为越来越棘手的问题。国电榆次热电有限公司2×330MW燃煤机组采用了使用广泛的选择性催化还原法烟气脱硝技术，文章以2#机组启动过程为例，分析了在机组启动过程中如何实现NOx达标排放的控制方法。
关键字：大型燃煤锅炉 NOx 启动 控制方法
1引言
国电榆次热电有限公司一期工程为2台330MW机组，锅炉为东方锅炉股份有限公司生产制造的DG1164/17.5－П12型，亚临界、一次中间再热、自然循环汽包炉。为响应国家节能环保政策，榆次电厂分别于2012年、2013年对两台锅炉燃烧器进行低氮改造，同时匹配尾部烟气脱硝改造，以实现锅炉NOX达标排放。该厂在锅炉的空预器入口设置了选择性催化还原法（SCR）脱硝装置，催化剂采用蜂窝式。脱硝装置使用高含尘布置方式，也就是将SCR反应器布置在省煤器后，空气预热器之前的烟道内。由于烟气还未经过电除尘器，烟气中灰浓度较高。脱硝催化剂层数按2+1设置，在燃用设计煤种BMCR工况下，可以保证脱硝出口NOx不超50mg/Nm3。氨喷射系统采用涡流混合系统，空气/氨气混合物经母管送入各分支管，在各分支管设手动调节阀，通过调整各调节阀开度，可使各分支流量均衡，该系统能确保氨与空气混合物喷入烟道后与烟气充分混合，达到烟气中的NH3/NO均匀分布的最佳混合效果，同时还能最大限度地适应锅炉负荷的变化。但采用陶瓷材质的蜂窝式催化剂中活性成分V₂O₅需要在特定温度范围内工作才有最佳的催化效率，运行中要求温度为320-420℃，厂家要求最低长周期运行温度为290℃。若烟气温度低于催化剂适用温度下限，较易出现氨气逃逸现象，催化剂会发生副反应，NH3与烟气中的SO3和H2O反应形成硫酸氢铵或亚硫酸氢铵，减少与NOx的反应，硫酸氢铵或亚硫酸氢铵为粘稠状化合物，会附着在催化剂的表面，并吸附烟气中烟尘，造成催化剂及空预器堵塞，降低催化剂活性，增加烟气阻力，同时局部阻塞还会增加催化剂的磨损。另外，如果烟气温度高于催化剂的适用温度时，催化剂存在发生烧结和脆裂的危险。因此，为保证机组启动过程中及早投入脱硝系统，NOx排放不超标，控制催化剂的最低工作温度是关键。近年来为追求环保对大气污染物的排放要求越来越严格，这就要求火电厂必须在任何运行负荷都得达标排放，并受电力过剩的影响，火电厂机组启停调峰次数明显增多，因此探讨如何控制燃煤机组启动过程中NOx排放浓度很有必要。本文从NOx生成机理以及启动中运行调节手段两方面着手，以机组启动过程为例，分析了在机组启动过程中如何控制烟气温度保证NOx的排放合格的控制策略。
2 NOx生成机理及影响因素
燃煤在燃烧过程中产生的NOx主要是NO和NO2，以及少量N2O。通常,燃烧生成的NOx 由超过90 %的NO 和小于10 %的NO2 组成。依据氮氧化物生成机理,可分为热力型、燃料型和快速型NOx 三类,其中快速型NOx 生成量很少,可以忽略不计。
热力型NOx是指炉膛内的氮气因高温氧化而成的NOx。在燃烧区域温度在1350℃以下时，生成的NOx几近全部是燃料型NOx。随着燃烧区域温度的上升，热力型NOx生成量增加迅速，当燃烧区域温度大于1600℃时，热力型NOx占所有NOx生成总量的25%~30%。热力型NOx的生成量不受燃煤化学成分的影响，主要与燃煤在燃烧过程时燃烧区域温度、氧浓度以及燃烧高温区停留时间成正相关性，即燃烧区域的温度越高、燃烧区域的氧浓度越高、在燃烧高温区停留的时间越长，生成的NOx 量就越多。
燃料型NOx 指的是燃料中的有机氮化物在燃烧过程中生成的NOx ,其生成量主要取决于空气燃料的混合比。燃料型NOx 约占NOx 总生成量的75 %～90 %燃料型NOx的生成机理复杂，与燃煤的组成特性燃料比Fc/V( 固定碳含量/挥发分)有关。同种燃煤NOx的生成量与炉膛过量空气系数以及煤粉在着火区停留时间成正比关系。
快速型NOx指燃烧时空气中的氮和燃料中的碳氢离子团(CH)等反应而生成NOx。在这3种途径中,快速型NOx 所占的比例不到5%;在温度低于1 300 ℃时,几乎没有热力型NOx。
综上所述，不同类型的NOx生成机理不同，氮的来源不同，生成的途径及条件也不同。NOx生成量主要决定于燃烧区域的局部温度水平，及煤种、风煤比等因素有关，因此，控制启动过程中NOx生成量，可以通过协调运行方式、改变锅炉运行负荷、合理调整燃烧配风等方面着手。
3 机组启动过程中NOx数据分析
国电榆次热电有限公司2×330MW燃煤机组采用了使用广泛的选择性催化还原法烟气脱硝技术，液态NH3经液氨蒸发系统加热成为气态NH3。由稀释风稀释到安全浓度（5%体积浓度）以下后通过固定于注氨格栅上的2×5个喷嘴喷入烟道两侧烟气中，与烟气混合均匀后一起进入填充有催化剂的两侧脱硝反应器中，反应器垂直放置，催化剂分上中下三层，在催化剂的作用下，烟气中的NOx和氨在催化剂表面发生充分的还原反应生成N2和H2O，达到脱除烟气中NOx的目的。脱硝系统由氨站、SCR反应器和喷氨系统如图1所示。
图1 氨站SCR反应器和喷氨系统
催化剂受烟气温度影响，在机组启动最初阶段，脱硝装置是无法投入运行的。但近年来电力装机过剩，燃煤电厂面临发电小时下降以及汽轮发电机组启停调峰的情况越来越多。下面就以国电榆次热电有限公司2#机组启动工况为例，对脱硝系统的各参数数据进行简要分析，并从启动曲线分析控制NOx排放的方法。以2017年3月21日锅炉点火至机组带大负荷阶段列出NOx相关数据见表1
表1 启动工况NOx排放数据
通过以上数据分析得出，在机组启动点火初期，NOx的生成量在逐渐增加。主要原因是着火区域的温度上升，热力型的NOx在增加，在机组并网后，负荷逐渐增加过程中，脱硝入口NOx的数值逐渐减小，主要是形成缺氧环境从而导致热力型NOx下降引起。
4 控制策略
以机组启动为列：机组于02:57点火，07:43投运SCR两侧喷氨系统，08:21并网。从表1数据看出，机组启动过程中，并网时脱硝入口烟气温度已达339℃，完全符合脱硝投运要求温度（290℃），机组在并网前就已投入脱硝系统，启动过程中未发生出口NOx超标现象。下面就结合机组启动曲线对控制方法进行分析。
图2 机组启动曲线
从启动过程中，为提高烟温，尽早投入脱硝系统，可以归纳出以下几点：
4.1充分发挥锅炉尾部双烟道烟气调节挡板功能。国电榆次热电有限公司锅炉尾部烟道为双烟道形式，前烟道布置低温再热器，后烟道布置低温过热器及省煤器。启动初期，由于汽轮机不进汽，回热系统停运造成给水温度低，势必导致省煤器系统大量吸热，降低了烟气温度。为此，我们采取调小过热器侧烟气挡板（甚至全部关闭）使大部分烟气不通过省煤器放热降温，一定程度上实现了“省煤器烟气旁路全负荷脱硝技术”达到的效果，提高了反应区烟气温度。本次启动过程中，机组点火后，过热器侧烟气挡板一直处于全关状态，保证再热气温温度的同时提高了SCR反应区入口烟温，投运脱硝喷氨系统前，反应区入口烟温已达335℃，完全满足投运条件。
4.2并网后充分利用旁路系统快速提高锅炉负荷。启动期间，由于汽机、锅炉负荷的不匹配，一部分蒸汽通过旁路系统回收。并网后，由于汽机暖机需要导致加负荷速率受限，此时锅炉为了匹配汽机的特性升负荷过程一般非常缓慢。锅炉负荷越低意味着脱硝反应区烟气温度越难达到要求。为此我们采取牺牲一点经济性的方法来换取脱硝系统烟气快速提高的效果：并网后较晚关闭汽轮机旁路，通过增加锅炉负荷的方法来满足汽轮机负荷需要，利用旁路系统直接将锅炉负荷提升到一个较高水平来满足烟气温度。本次启动过程中，汽轮机旁路系统一直处于较大开度，机组并网后，较晚关闭旁路，以保证锅炉有较大出力。
4.3汽机采用单阀控制提高再热器入口汽温等。汽机配汽方式采用顺阀可以提高高压缸做功效率，提高机组经济性。一般机组并网后接待一定负荷后即由单阀控制切至顺阀控制。但是顺阀提高了高压缸做功能力，高压缸排汽温度下降导致再热器入口汽温下降20℃。为此，我们采取延迟汽机单阀切顺阀时间，尽量将再热器入口汽温提高。本次启动中，汽机在10：50分机组负荷182MW工况时才开始切阀，就是为了保证锅炉处理。
4.4通过研究相关资料、咨询催化剂厂家确定脱硝系统投运的极限温度。催化剂厂家规定催化剂保持活性的最低温度为290-300℃。后来我们在机组启停机过程中反复进行试验，发现在270℃烟温时短期投运脱硝系统不会造成重大影响，若在270℃烟温以下投运脱硝系统，反应效果较差。因而我们一般采取烟温达到270℃以上即允许投运脱硝系统（强制条件），但尽量通过调整手段将烟气温度维持在290℃以上，且不宜长时间在低温区停留。
4.5合理控制并网时间。由于出口NOx排放考核是在机组并网所在小时开始计量，以小时均值计算，因此，应尽量在机组并网前将NOx控制在合理范围，确保小时均值不会超标后在并网。
4.6适当提高机组启动时相关参数。启动初期，由于汽温参数要求一般较低，烟气与蒸汽换热温差大，烟气温降大。而采取提高机组启动参数、增加锅炉热负荷的方法来使脱硝反应区入口烟气温度达到一个较为理想的水平。另外，机组燃烧工况稳定后，还应及时调整机组配风，加大SOFA风量减小燃烧区风量，以创造缺氧环境降低脱硝入口NOx。
此外，在锅炉燃烧较稳定时，可以通过及时调整二次风配风、调整燃烧提高火焰中心的方法来降低反应区入口NOx，使出口烟气NOx参数合格。
5结论
通过实例分析，在机组启动过程中，可以通过调整烟气挡板、加强燃烧、调整配风等方法来提高脱硝入口烟温，以达到尽早投入脱硝，保证出口NOx不超标的目的。
参考文献：
[1]井鹏,岳涛,李晓岩,高晓晶,张迎春. 火电厂氮氧化物控制标准、政策分析及研究[J]. 中国环保产业,2009,04，19-23。
作者简介：王鑫，1986年03月20日，男，国电榆次热电有限公司运行部值长，工程师，2009年毕业，学士学位，主要从事火电厂运行工作。
论文作者:王鑫
论文发表刊物:《电力设备》2018年第30期
论文发表时间:2019/4/11
标签：烟气论文; 机组论文; 温度论文; 催化剂论文; 锅炉论文; 负荷论文; 系统论文; 《电力设备》2018年第30期论文;