燃煤機組啟動過程中氮氧化物的控制分析

蔡 飛 朱玉斌 鞏漢強

勝利石油管理局有限公司勝利發(fā)電廠 山東東營 257000

1 分析背景

目前,火電機組脫硝通常采用選擇性催化還原法,這一技術(shù)通過催化反應(yīng)促使煙氣中的氮氧化物和氨氣進行反應(yīng),生成氮氣和水。大多數(shù)燃煤機組將氨氣作為還原劑,氨氣與空氣混合,由稀釋風(fēng)機送入爐膛,與氮氧化物進行反應(yīng)。反應(yīng)過程中需要充分混合,保證反應(yīng)物和煙氣溫度場分布平均?；旌虾筮M入催化劑活性區(qū)域,氨氣進入催化劑的小孔,在310～400 ℃溫度時發(fā)生反應(yīng)。

當前,環(huán)保形勢依然嚴峻,保證燃煤機組并網(wǎng)前氮氧化物實現(xiàn)零超標,是環(huán)保攻堅戰(zhàn)的薄弱環(huán)節(jié)和行業(yè)難題。在集散控制系統(tǒng)中設(shè)置煙氣溫度保護值310 ℃后,投入選擇性催化還原法,阻止生成的黏性附著物粘在催化劑表面。參照空氣預(yù)熱器入口煙氣溫度,班組人員在運行中要加強監(jiān)視,保證煙氣溫度不低于最低運行溫度。為防止催化劑永久性失效,班組人員在運行中要防止煙氣溫度超過420 ℃。如果選擇性催化還原法中煙氣的溫度降至310 ℃,那么應(yīng)當立即采取相應(yīng)措施,提高煙氣溫度或停止噴氨。當顯示脫硝效率降低時,應(yīng)進行選擇性催化還原法吹灰,并將選擇性催化還原法吹灰納入運行定期工作。燃煤機組啟動初期,煙氣溫度過低,造成脫硝裝置無法投入運行,這是制約燃煤機組啟動初期氮氧化物零排放的主要因素?；痣娦袠I(yè)對氮氧化物的控制要求不斷提高,如何保證燃煤機組啟動過程中氮氧化物不超標,是一項緊迫任務(wù)。由此,筆者對燃煤機組啟動過程中氮氧化物的控制進行分析。

2 原理

火力發(fā)電的主要燃料是含碳氮化合物,這些化合物在燃燒過程中會釋放含氮基團,含氮基團與爐膛中的氧氣在高溫下發(fā)生反應(yīng),生成氮氧化物。在爐膛內(nèi)生成氮氧化物的多少與燃燒風(fēng)粉配比是否合理,以及主燃區(qū)溫度、燃燒過程中過氧量因數(shù)等燃燒條件有較大關(guān)系。

在爐內(nèi)燃燒過程中,熱力型氮氧化物由爐膛中氮氣在高溫下和氧氣發(fā)生反應(yīng)而生成,燃料型氮氧化物由燃料中含有的氮化合物受熱分解后和氧氣發(fā)生反應(yīng)而生成,快速型氮氧化物由燃料中含有的炭氫離子團和空氣中的氮氣發(fā)生反應(yīng)而生成。在這三種氮氧化物中,燃料型氮氧化物占比最高,生成量占總生成量的80%以上。快速型氮氧化物的生成量很小,對于燃煤機組而言可以忽略不計。熱力型氮氧化物生成的主要影響因素是燃燒溫度,當燃燒溫度達到一定條件時,燃煤機組啟動過程中熱力型氮氧化物生成量占比會不斷提高,占到總生成量的18%。

被催化劑吸附的氨氣和燃燒生成的氮氧化物發(fā)生反應(yīng),影響反應(yīng)的主要因素為煙氣的溫度和爐膛內(nèi)部反應(yīng)物的濃度,主要反應(yīng)為:

4NO+4NH3+O2→6H2O+4N2

NO+NO2+2NH3→3H2O+2N2

3 影響因素

在鍋爐中,含氮基團在爐內(nèi)和氧氣生成氮氧化物,氮氧化物同時也會發(fā)生還原反應(yīng),生成氮氣。在這一過程中,所有參與氧化還原反應(yīng)的因素都會影響氮氧化物的濃度。

3.1 燃料特性

燃煤所包含揮發(fā)分中含有多種元素,主要包括碳、氮、氧等,不同的元素占比會對氮氧化物生成的難易有較為明顯的影響。碳占氫的比例降低,一氧化氮難以被還原,氮氧化物的排放量會增大。氮占氧的比例降低,氮氧化物的排放量也會相應(yīng)增大。

3.2 過量空氣因數(shù)

減小氧量是減小氮氧化物排放量的有效手段。目前主流火電廠都通過限制爐內(nèi)的氧量來限制熱力型氮氧化物和燃料型氮氧化物的生成,這一方法的效果較為明顯。

3.3 燃燒溫度

爐內(nèi)燃燒溫度對氮氧化物的生成量有重要的影響。隨著爐內(nèi)燃燒溫度的提高,氮氧化物的生成量增大。由此,可以通過降低爐內(nèi)燃燒溫度來控制氮氧化物的生成量。但是需要注意的是,點火初期降低爐內(nèi)燃燒溫度會帶來不利后果,從延長點火到投入脫硝系統(tǒng)這段時間會造成氮氧化物超標。

4 案例

基于氮氧化物的生成方式和燃煤機組啟動初期的運行特點,分析得出制約燃煤機組帶脫硝并網(wǎng)困難的關(guān)鍵在于燃煤機組啟動階段鍋爐燃燒強度弱,煙氣流量小,溫度低,無法滿足催化劑投運條件,造成燃煤機組啟動階段脫硝裝置無法投運,容易引起氮氧化物超標排放。在此背景下,對燃煤機組熱力系統(tǒng)進行改造,采用寬溫催化劑,提高選擇性催化還原法反應(yīng)器入口煙溫,提高催化劑低溫活性是解決問題的主流路線,但是改造成本昂貴,需要耗費大量財力。于是立足提高脫硝入口煙溫,結(jié)合燃煤機組特性,對燃煤機組啟動的各個過程進行深入分析,總結(jié)氮氧化物超標排放的原因。

在燃煤機組歷次啟動中,始終將氮氧化物的控制作為重點指標進行監(jiān)控,但是由于啟動初期升溫升壓過程中爐內(nèi)溫度的影響,氮氧化物指標控制不太理想。某燃煤機組某日啟動過程中氮氧化物濃度統(tǒng)計見表1,曲線如圖1所示。氮氧化物濃度標準值為50 mg/m3,由表1和圖1可見,該燃煤機組啟動過程中,氮氧化物有長時間的超標。

圖1 燃煤機組啟動過程氮氧化物濃度曲線

進行該燃煤機組脫硝裝置流場計算流體動力學(xué)仿真,如圖2所示。根據(jù)電廠脫硝技術(shù)協(xié)議和技術(shù)手冊,設(shè)計氮氧化物和氨氣的分布在5%算術(shù)平均值內(nèi),實測氮氧化物和氨氣的分布達到9%算術(shù)平均值。仿真條件為100%鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量負荷,省煤器入口煙氣速度為5.69 m/s,省煤器出口溫度為718.5 K。計算流體動力學(xué)仿真顯示,氮氧化物濃度平均值為103.85 mg/m3,最大值為126.96 mg/m3,最小值為61.88 mg/m3,標準偏差為13.34 mg/m3,確認采用選擇性催化還原法,內(nèi)部流場均勻性良好,能夠達到設(shè)計要求。

表1 燃煤機組啟動過程氮氧化物濃度統(tǒng)計

通過分析,燃煤機組升溫升壓過程中停留時間過長。在燃煤機組啟動初始階段,油槍投入后,熱力型氮氧化物的生成受到環(huán)境溫度的制約,生成量較小。隨著爐內(nèi)溫度的升高,滿足熱力型氮氧化物的生成條件,熱力型氮氧化物大量生成,氮氧化物開始超標。盡量縮短燃煤機組升溫升壓期間的停留時間,是避免氮氧化物超標的有效手段。

另一方面,在點火初期,二次風(fēng)量控制過大,燃料型氮氧化物大量生成,勢必會引起氮氧化物超標。

5 技術(shù)措施

根據(jù)案例分析,制訂技術(shù)措施,并提出相關(guān)注意事項。

5.1 流程控制

(1) 點火前一天試驗脫硝各速斷門、調(diào)整門,點火后可提前恢復(fù)脫硝各手動門,防止異常發(fā)現(xiàn)不及時導(dǎo)致的延誤投入脫硝系統(tǒng)。

(2) 維護與調(diào)整鍋爐穩(wěn)步煙氣調(diào)節(jié)擋板,優(yōu)化鍋爐尾部煙氣擋板最小開度限制值,定期檢查鍋爐尾部煙氣調(diào)節(jié)擋板,確保動葉同步、開關(guān)一致。

(3) 根據(jù)催化劑性能曲線,確定最低連續(xù)噴氨溫度。

(4) 定期對風(fēng)道加熱器進行維護,保證風(fēng)道加熱器的火檢裝置和霧化裝置能夠穩(wěn)定運行。

5.2 提高鍋爐水側(cè)溫度

(1) 鍋爐進水過程中,逐步提升除氧器出口水溫至最高允許溫度。

(2) 盡早投入底部加熱,當汽包壁溫接近100 ℃時,關(guān)閉空氣門繼續(xù)提高鍋爐各部位溫度。

(3) 通過邏輯優(yōu)化、運行調(diào)整,在汽輪機掛閘前投入冷再供氣的高壓加熱。

(4) 合理控制汽包水位,點火后不得以開啟定排的方式控制汽包水位,小機沖轉(zhuǎn)的時間可以適當延遲。

5.3 提高煙氣溫度

(1) 規(guī)范除塵器涂灰過程,盡量縮短涂灰時間,正常涂灰時間應(yīng)控制在2 h內(nèi)。

(2) 涂灰結(jié)束,盡量減小風(fēng)機出力,重新投入底部加熱。

(3) 為了控制熱力型氮氧化物的生成,采用盡快提升煙氣溫度的方法實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)的投入,冬季則可以在風(fēng)機啟動后投入暖風(fēng)器。

(4) 調(diào)整鍋爐尾部煙氣擋板,增大低壓再熱區(qū)域的通煙量。

(5) 通過油槍切換、風(fēng)量調(diào)整、燃燒器擺動,提高火焰中心。

(6) 為了減小燃料型氮氧化物的生成量,點火后1 h可以投入四只油槍,此時爐內(nèi)溫度較低,熱力型氮氧化物的生成量較小。

圖2 燃煤機組脫硝裝置流場計算流體動力學(xué)仿真

(7) 脫硝系統(tǒng)入口增設(shè)煙道加熱器,利用微油系統(tǒng)盡快提高脫硝系統(tǒng)入口煙溫,使催化劑盡快達到投入條件。

5.4 提高蒸汽溫度

(1) 在汽輪機定速階段,可以適當增大燃料量,開大高壓缸旁路,提高低壓再熱入口蒸汽溫度。

(2) 汽輪機沖轉(zhuǎn)、暖機過程中,可以逐漸提高蒸汽溫度。

(3) 盡量提高給水溫度,檢查過熱器一級減溫水再熱器、二級減溫水再熱器事故噴水和微量噴水調(diào)整門操作線性是否良好,并盡量減小高壓缸旁路減溫水的用量。

5.5 生成原理控制

(1) 為了減少燃料型氮氧化物和快速型氮氧化物啟動用煤,優(yōu)化選擇低硫、高揮發(fā)分的適燒煤種。

(2) 點火后第二小時將油槍控制在三支,隨時關(guān)注環(huán)保排放數(shù)值,根據(jù)情況通過油槍換角等手段精細控制氮氧化物的生成。通過燃燒控制氮氧化物,環(huán)保排放值必須控制在50 mg/m3左右,并需要將環(huán)保數(shù)值實時導(dǎo)出,以計算小時均值。點火后第三小時,煙溫已經(jīng)能夠保證催化劑反應(yīng),可以投運脫硝裝置。

(3) 點火時,在確保油槍燃燒正常的前提下盡可能減小風(fēng)量。

(4) 在爐膛煙溫達到700 ℃時,利用分層配風(fēng)減少熱力型氮氧化物的生成。

6 實施效果

(1) 盡早投入爐底部加熱,當汽包壁溫接近100 ℃時,關(guān)閉空氣門,減少熱量損失,同時控制好汽包水位,不得開啟定期排污以防止造成熱量流失。涂灰結(jié)束后,再次投入爐底部加熱,維持爐內(nèi)熱量。同時,大幅度縮短燃煤機組升溫升壓過程中的停留時間。

(2) 點火后,在確保油槍正常燃燒的前提下,盡可能減小風(fēng)量運行。

(3) 點火后,熱力型氮氧化物生成較少,可以使用四只油槍,并實時關(guān)注環(huán)保數(shù)值。當?shù)趸锱欧沤咏瑯藭r,通過減少油槍運行,切換油槍等手段控制氮氧化物的生成。

(4) 隨著爐內(nèi)溫度的提高,點火后第三小時煙溫已經(jīng)可以保證催化劑反應(yīng),此時應(yīng)盡早投運脫硝裝置,并實時監(jiān)視環(huán)保數(shù)值,以防止氮氧化物排放超標。

通過以上技術(shù)措施,在燃煤機組啟動過程中,氮氧化物的排放有效減少,小時均值穩(wěn)定在合格范圍內(nèi),為后續(xù)燃煤機組啟動積累了可靠經(jīng)驗。

7 推廣前景

通過燃煤機組啟動過程中氮氧化物的控制分析,提出技術(shù)措施,取得了良好效果。技術(shù)措施創(chuàng)新性強,在無重大改造的前提下通過運行調(diào)整,從根本上解決了燃煤機組開機過程中氮氧化物難以控制的問題。山東某發(fā)電廠四臺燃煤機組均應(yīng)用所提出的技術(shù)措施,未出現(xiàn)安全問題,并實現(xiàn)了氮氧化物排放小時均值零超標。

由實際應(yīng)用可見,所提出的技術(shù)措施具有先進性、穩(wěn)定性和安全性,對燃煤機組節(jié)能減排,電力行業(yè)打贏大氣污染防治攻堅戰(zhàn)具有積極作用,可以在燃煤發(fā)電行業(yè)推廣應(yīng)用。