燃煤机组启动过程中氮氧化物的控制分析

2023-01-04朱玉斌巩汉强

上海电气技术 2022年3期

蔡飞朱玉斌巩汉强

胜利石油管理局有限公司胜利发电厂山东东营 257000

1 分析背景

目前,火电机组脱硝通常采用选择性催化还原法,这一技术通过催化反应促使烟气中的氮氧化物和氨气进行反应,生成氮气和水。大多数燃煤机组将氨气作为还原剂,氨气与空气混合,由稀释风机送入炉膛,与氮氧化物进行反应。反应过程中需要充分混合,保证反应物和烟气温度场分布平均。混合后进入催化剂活性区域,氨气进入催化剂的小孔,在310～400 ℃温度时发生反应。

当前,环保形势依然严峻,保证燃煤机组并网前氮氧化物实现零超标,是环保攻坚战的薄弱环节和行业难题。在集散控制系统中设置烟气温度保护值310 ℃后,投入选择性催化还原法,阻止生成的黏性附着物粘在催化剂表面。参照空气预热器入口烟气温度,班组人员在运行中要加强监视,保证烟气温度不低于最低运行温度。为防止催化剂永久性失效,班组人员在运行中要防止烟气温度超过420 ℃。如果选择性催化还原法中烟气的温度降至310 ℃,那么应当立即采取相应措施,提高烟气温度或停止喷氨。当显示脱硝效率降低时,应进行选择性催化还原法吹灰,并将选择性催化还原法吹灰纳入运行定期工作。燃煤机组启动初期,烟气温度过低,造成脱硝装置无法投入运行,这是制约燃煤机组启动初期氮氧化物零排放的主要因素。火电行业对氮氧化物的控制要求不断提高,如何保证燃煤机组启动过程中氮氧化物不超标,是一项紧迫任务。由此,笔者对燃煤机组启动过程中氮氧化物的控制进行分析。

2 原理

火力发电的主要燃料是含碳氮化合物,这些化合物在燃烧过程中会释放含氮基团,含氮基团与炉膛中的氧气在高温下发生反应,生成氮氧化物。在炉膛内生成氮氧化物的多少与燃烧风粉配比是否合理,以及主燃区温度、燃烧过程中过氧量因数等燃烧条件有较大关系。

在炉内燃烧过程中,热力型氮氧化物由炉膛中氮气在高温下和氧气发生反应而生成,燃料型氮氧化物由燃料中含有的氮化合物受热分解后和氧气发生反应而生成,快速型氮氧化物由燃料中含有的炭氢离子团和空气中的氮气发生反应而生成。在这三种氮氧化物中,燃料型氮氧化物占比最高,生成量占总生成量的80%以上。快速型氮氧化物的生成量很小,对于燃煤机组而言可以忽略不计。热力型氮氧化物生成的主要影响因素是燃烧温度,当燃烧温度达到一定条件时,燃煤机组启动过程中热力型氮氧化物生成量占比会不断提高,占到总生成量的18%。

被催化剂吸附的氨气和燃烧生成的氮氧化物发生反应,影响反应的主要因素为烟气的温度和炉膛内部反应物的浓度,主要反应为:

4NO+4NH3+O2→6H2O+4N2

NO+NO2+2NH3→3H2O+2N2

3 影响因素

在锅炉中,含氮基团在炉内和氧气生成氮氧化物,氮氧化物同时也会发生还原反应,生成氮气。在这一过程中,所有参与氧化还原反应的因素都会影响氮氧化物的浓度。

3.1 燃料特性

燃煤所包含挥发分中含有多种元素,主要包括碳、氮、氧等,不同的元素占比会对氮氧化物生成的难易有较为明显的影响。碳占氢的比例降低,一氧化氮难以被还原,氮氧化物的排放量会增大。氮占氧的比例降低,氮氧化物的排放量也会相应增大。

3.2 过量空气因数

减小氧量是减小氮氧化物排放量的有效手段。目前主流火电厂都通过限制炉内的氧量来限制热力型氮氧化物和燃料型氮氧化物的生成,这一方法的效果较为明显。

3.3 燃烧温度

炉内燃烧温度对氮氧化物的生成量有重要的影响。随着炉内燃烧温度的提高,氮氧化物的生成量增大。由此,可以通过降低炉内燃烧温度来控制氮氧化物的生成量。但是需要注意的是,点火初期降低炉内燃烧温度会带来不利后果,从延长点火到投入脱硝系统这段时间会造成氮氧化物超标。

4 案例

基于氮氧化物的生成方式和燃煤机组启动初期的运行特点,分析得出制约燃煤机组带脱硝并网困难的关键在于燃煤机组启动阶段锅炉燃烧强度弱,烟气流量小,温度低,无法满足催化剂投运条件,造成燃煤机组启动阶段脱硝装置无法投运,容易引起氮氧化物超标排放。在此背景下,对燃煤机组热力系统进行改造,采用宽温催化剂,提高选择性催化还原法反应器入口烟温,提高催化剂低温活性是解决问题的主流路线,但是改造成本昂贵,需要耗费大量财力。于是立足提高脱硝入口烟温,结合燃煤机组特性,对燃煤机组启动的各个过程进行深入分析,总结氮氧化物超标排放的原因。

在燃煤机组历次启动中,始终将氮氧化物的控制作为重点指标进行监控,但是由于启动初期升温升压过程中炉内温度的影响,氮氧化物指标控制不太理想。某燃煤机组某日启动过程中氮氧化物浓度统计见表1,曲线如图1所示。氮氧化物浓度标准值为50 mg/m3,由表1和图1可见,该燃煤机组启动过程中,氮氧化物有长时间的超标。

图1 燃煤机组启动过程氮氧化物浓度曲线

进行该燃煤机组脱硝装置流场计算流体动力学仿真,如图2所示。根据电厂脱硝技术协议和技术手册,设计氮氧化物和氨气的分布在5%算术平均值内,实测氮氧化物和氨气的分布达到9%算术平均值。仿真条件为100%锅炉最大连续蒸发量负荷,省煤器入口烟气速度为5.69 m/s,省煤器出口温度为718.5 K。计算流体动力学仿真显示,氮氧化物浓度平均值为103.85 mg/m3,最大值为126.96 mg/m3,最小值为61.88 mg/m3,标准偏差为13.34 mg/m3,确认采用选择性催化还原法,内部流场均匀性良好,能够达到设计要求。