CN111389219A - 一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，包括：步骤1、搭建脱硝SCR中试平台；步骤2、研究脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度；步骤3、研究低温段最佳喷氨氨氮摩尔比；步骤4、得出燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制策略。本发明的有益效果是：本发明寻找脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度，拓宽燃煤机组脱硝***正常运行烟温范围，得到脱硝催化剂在极限连续喷氨温度以下，不同烟温区间的最优喷氨氨氮摩尔比；本发明提出了一套燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制策略，提高机组启停阶段的环保适应性，降低环保电价克扣。

Description

一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法
技术领域
本发明涉及燃煤机组脱硝领域，尤其包括一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法。
背景技术
我国的能源消费结构以煤炭为主，火电是主要的用煤行业之一，燃煤产生的多种大气污染物会严重危害环境质量和民众健康。一方面，为推进煤炭清洁化利用，2015年12月，国家环保部、***、能源局印发了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，督促国内发电企业全面开展燃煤机组超低排放改造；另一方面，为促进可再生能源发展，2018年8月，浙江省***发布《关于深入开展统调燃煤机组深度调峰和节能提效改造工作的通知》，提出要进一步提高我省电力***调节能力，挖掘燃煤机组节能降耗潜力，有效增加机组顶峰和调峰能力。“深度调峰”策略将使燃煤机组面临更加多变的负荷工况，且低负荷工况比例较以往增加；燃煤机组“超低排放”理念要求NOx排放浓度≤50mg/m3，这些都对燃煤机组脱硝***的安全、稳定、高效运行提出了更高的要求。
目前，大多数商业钒钨钛系脱硝催化剂的最佳运行温度范围为340-400℃、最低喷氨温度(MOT)范围为290-310℃。理论上，在机组启停机及正常运行过程中，当脱硝反应器入口烟气温度低于MOT时，脱硝***退出运行，这将导致总排口NOx排放浓度阶段性超标。按浙江省环保厅规定，燃煤机组环保电价补贴脱硝部分为0.008元每千瓦时。当总排口烟气中NOx浓度时均值出现超标的情况，超标时段(按小时计)将扣除脱硝部分电价补贴。
综上所述，提出一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，就显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法。
这种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，包括：
步骤1、搭建脱硝SCR中试平台：从燃煤机组单侧脱硝反应器入口烟道引出一路旁路烟气作为气源，气源进入脱硝SCR中试平台后分为两路；一路气源的烟道接入除尘***，另一路气源的烟道与除尘***的出口烟道汇合后均连入换热***；换热***的出口烟道接入脱硝***；换热***与脱硝***中间的烟道上设置配气***；脱硝***的出口烟道连入燃煤机组单侧除尘器的入口烟道；所述脱硝***包含两个并列的脱硝反应器A和脱硝反应器B；
步骤2、研究脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度：
步骤2.1、取六条新鲜脱硝催化剂样条，测量初始比表面积和孔容，取初始比表面积的均值记为S0，取初始孔容的均值记为K0；
步骤2.2、将六条新鲜脱硝催化剂样条放入脱硝SCR中试平台中的脱硝反应器A和脱硝反应器B中，引入一定量的基础烟气量；设定喷氨***控制脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度为标况下50mg/m3，逐步降低脱硝SCR中试平台脱硝***进口母管内的烟气温度；每个试验工况连续运行4h，每隔20min对脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率进行多次测试求平均；当脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续大于5ppm时，停止试验，记前一试验工况烟气温度为T1；
步骤2.3、将脱硝催化剂在T1温度下连续运行，每隔2h对脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率进行多次测试求平均；若48h以内出现脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续大于5ppm，则终止试验；并在(T1+5)℃下重复该试验，直至在某一烟温下脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续48h低于5ppm，记该温度为T2；
步骤2.4、取出脱硝反应器A内的三条脱硝催化剂样条，测量比表面积和孔容，取比表面积均值记为S1、取孔容均值K1；通过换热***将脱硝SCR中试平台中脱硝反应器B的入口烟温提升至360℃以上，连续运行48h后，取出脱硝反应器B内的三条脱硝催化剂样条，测量比表面积和孔容，取比表面积的均值记为S2，取孔容的均值记为K2；
步骤2.5、比较S0、S1、S2、K0、K1和K2，判断T2是否为试验所用脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度：若S2相对S0下降比例在2％以内，K2相对K0下降比例在2％以内，则T2为试验所用脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度；
步骤3、研究低温段最佳喷氨氨氮摩尔比：控制脱硝SCR中试平台内脱硝***进口母管的烟气温度从T2开始以一定幅度递减，喷氨***喷氨氨氮摩尔比从0.05开始以一定幅度增加；每个试验状态保持30min，实时监测脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率，直至氨逃逸率均值大于5ppm，停止该烟温下的试验，找到低温段不同烟温区间的最佳氨氮摩尔比；
步骤4、得出燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制策略：当燃煤机组脱硝反应器入口烟温≥脱硝催化剂极限连续喷氨温度时，燃煤机组脱硝***可正常喷氨；当燃煤机组脱硝反应器入口烟温＜脱硝催化剂极限连续喷氨温度时，燃煤机组脱硝***阶梯喷氨，脱硝***喷氨氨氮摩尔比视燃煤机组脱硝反应器入口烟温而定。
作为优选，步骤2.2所述基础烟气不经除尘和配气处理。
作为优选，步骤2.1所述六条新鲜脱硝催化剂样条的模块尺寸为150mm×150mm×(600～1200)mm。
本发明的有益效果是：本发明寻找脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度，拓宽燃煤机组脱硝***正常运行烟温范围，得到脱硝催化剂在极限连续喷氨温度以下，不同烟温区间的最优喷氨氨氮摩尔比；本发明提出了一套燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制策略，提高机组启停阶段的环保适应性，降低环保电价克扣。
附图说明
图1为实际烟气脱硝催化剂SCR中试平台位置示意图；
图2为连续4h运行测试数据趋势图；
图3为275℃下48h运行测试数据趋势图；
图4为不同烟气温度下氨氮摩尔比与氨逃逸率关系图；
图5为锅炉启停期间低温段不同烟温区间对应的喷氨氨氮摩尔比。
附图标记说明：除尘***1、换热***2、配气***3、脱硝***4。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只适用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
依托浙江浙能长兴发电有限公司3号机组，自3号机组A侧脱硝反应器入口烟道引出一路旁路烟气作为气源，通过脱硝SCR中试平台后的尾部烟气回流至3号机组A侧除尘器入口烟道。脱硝SCR中试平台位置见图1。
所述脱硝SCR中试平台从3号机组A侧脱硝反应器入口烟道引出一路旁路烟气作为气源，气源进入SCR中试平台后分为两路；一路气源的烟道接入除尘***1，另一路气源的烟道与除尘***1的出口烟道汇合后均连入换热***2；换热***2的出口烟道接入脱硝***4；换热***2与脱硝***4中间的烟道上设置配气***3；脱硝***4的出口烟道连入除尘器的入口烟道；所述脱硝***4包含两个并列的脱硝反应器A和脱硝反应器B；
一、脱硝催化剂
使用某催化剂公司生产的钒钨钛系蜂窝式脱硝催化剂。新鲜催化剂初始几何特性参数见下表1：
表1新鲜催化剂初始几何特性参数
项目/单位 参数
孔数/个 18×18
单元体断面横向长度/mm 125.4
单元体长度/mm 755
内壁厚度/mm 1.15
外壁厚度/mm 0.70
孔径/mm 6.24
节距/mm 6.95
开孔率/％ 75.6
几何比表面积/m<sup>2</sup>/m<sup>3</sup> 493.5
微观比表面积/m<sup>2</sup>/g 43.49
新鲜催化剂样品化学成分检测结果如下表2，所述新鲜催化剂为钒钨钛系蜂窝式脱硝催化剂。
表2新鲜催化剂样品化学成分检测结果。
化学成分/单位 数值
TiO<sub>2</sub>/％ 86.71
WO<sub>3</sub>/％ 3.95
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/％ 1.01
SO<sub>3</sub>/％ 0.86
SiO<sub>2</sub>/％ 2.99
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ 0.87
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ 0.09
MgO/％ 0.28
CaO/％ 1.50
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/％ 0.10
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub>/％ NA
K<sub>2</sub>O/％ 0.04
Na<sub>2</sub>O/％ NA
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub>/％ NA
ZrO<sub>2</sub>/％ NA
在脱硝SCR中试平台上模拟燃煤机组长时间低负荷运行，探究脱硝催化剂处于低烟温(320℃以下)环境下的脱硝性能和理化特性变化情况，寻找催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度。
二、研究极限连续喷氨温度
图2是引入基础烟气量400m3/h、脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管内NOx浓度随3号机组负荷变动，设定喷氨***控制脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度为50mg/m3条件下，脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管内烟气温度分别为295℃、290℃、285℃、280℃、275℃、270℃；连续4h运行时，得到脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率的趋势图。
分析可得：当脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管烟温≥275℃时，脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度均保持在50mg/m3上下波动，氨逃逸率均在5ppm以下；当脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管烟温继续降低至270℃时，脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度在50-60mg/m3范围内波动，氨逃逸率迅速上升。当烟温为270℃工况下运行2h后，脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸达到34.5ppm，严重超标，可能原因是低温条件下，还原剂NH3与烟气中的SO3和H2O反应生成硫酸氢铵(ABS)，ABS具有很强的黏性，容易堵塞催化剂通道及微孔，导致催化剂活性下降，脱硝***为维持反应器出口NOx浓度要求，需提高喷氨氨氮摩尔比，从而导致脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸快速上升。若脱硝SCR中试平台继续在此工况下运行，将对脱硝催化剂及后端引风机等设备造成影响，故立即停止试验。根据试验结果，初步认为该脱硝催化剂可在275℃实际工况下连续4h运行。
图3是在脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管烟气温度为275℃时，引入基础烟气量400m3/h(工况)，脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管内NOx浓度随燃煤机组负荷变动，设定喷氨***控制脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度为50mg/m3条件下，连续48h运行试验脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率的趋势图。可得：该脱硝催化剂在275℃下连续48h运行时，脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度维持在50mg/m3左右，氨逃逸率随着运行时间的增长而缓慢上升，但一直维持在4ppm以内。根据试验结果，进一步判断该脱硝催化剂可在275℃实际工况下连续48h达标运行。
由于低烟温条件下，造成脱硝催化剂活性下降的主要原因是硫酸氢铵的生成堵塞了催化剂通道和微孔，故取出脱硝SCR中试平台A侧脱硝反应器内的催化剂进行比表面积测试，取测试均值；并将脱硝SCR中试平台B侧脱硝反应器入口烟温提升至340℃以上，连续运行48h后，同样取出B侧反应器内的三条脱硝催化剂样条进行比表面积测试，取测试均值。催化剂比表面积测试结果见下表3：
表3试验前后脱硝催化剂比表面积测试结果
类型 比表面积/m<sup>2</sup>/g 孔容/cm<sup>3</sup>/g
新鲜催化剂 48.06 0.304
A侧催化剂(低温) 47.74 0.297
B侧催化剂(复温) 48.03 0.301
由表3中脱硝催化剂试验前后比表面积和孔容测试结果发现，新鲜催化剂与“复温”48h后的B侧反应器内脱硝催化剂的比表面积和孔容几乎没有变化；而仅经历过极限连续喷氨温度试验的A侧反应器内催化剂的以上两项测试指标均有不同程度的下降，与前文分析结果吻合。因此，认为该脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度为275℃。
三、研究低温段最佳喷氨氨氮摩尔比
引入基础烟气量300m3/h，控制原烟气NOx浓度在500±30mg/m3，研究不同烟气温度条件下，不同喷氨氨氮摩尔比对脱硝反应器出口氨逃逸率之间的关系，找到低温段不同烟温区间的最优氨氮摩尔比。
控制脱硝SCR中试平台脱硝***入口母管烟气温度从270℃开始以10℃的幅度递减，脱硝SCR中试平台喷氨***喷氨氨氮摩尔比从0.05开始以0.05的幅度增加。每个试验状态保持30min，实时监测脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率，直至氨逃逸率均值大于5ppm，停止该烟温下的试验。不同烟气温度下氨氮摩尔比与氨逃逸率之间的关系见图4。由图4可得，在确保脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率低于5ppm，保证下游设备安全运行的前提下，低温段不同烟气温度下脱硝***对应的最优氨氮摩尔比见下表4：
表4低温段不同烟气温度下脱硝***对应最优氨氮摩尔
Figure BDA0002429162390000061
四、研究锅炉启停阶段喷氨控制策略
根据对试验所用脱硝催化剂开展的极限连续喷氨温度和低温段不同烟气温度下最佳喷氨氨氮摩尔比的研究，提出了一套燃煤锅炉启停期间低温段脱硝***运行策略。
燃煤锅炉启机阶段，当燃煤机组脱硝反应器入口烟气温度到达200℃时，投入脱硝***，设定喷氨氨氮摩尔比为0.05；随着启机期间烟气温度不断上升，控制脱硝***喷氨氨氮摩尔比阶跃式增大，如图2，当入口烟气温度达到275℃时，脱硝***可正常运行。
燃煤锅炉停机阶段，当燃煤机组脱硝反应器入口烟气温度高于275℃时，脱硝***可正常运行；当入口烟气温度从275℃逐渐下降至200℃过程中，控制脱硝***喷氨氨氮摩尔比随之阶跃式降低；当入口烟气温度低于200℃时，脱硝***退出运行。
五、本发明的经济效益和社会效益
(1)避免NOx排放超标引起环保电价克扣：利用该燃煤机组锅炉启停阶段的喷氨控制方法，拓宽了燃煤机组脱硝***正常运行烟温范围，提高了锅炉启停机阶段的环保适应性，以百万燃煤机组为例，每年约减少NOx排放超标10小时，避免环保电价补贴克扣5.6万元。
(2)降低因空预器故障引起的清洗维护费用：利用该燃煤机组锅炉启停阶段的喷氨控制方法，空预器年均堵塞次数预计由0.5次/年降至0.33次/年，以百万燃煤机组为例，节省清洗维护费用86.5万元/年。
(3)有效提升了燃煤锅炉启停机阶段的清洁排放水平。

Claims (3)

1.一种用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，其特征在于，包括：
步骤1、搭建脱硝SCR中试平台：从燃煤机组单侧脱硝反应器入口烟道引出一路旁路烟气作为气源，气源进入脱硝SCR中试平台后分为两路；一路气源的烟道接入除尘***(1)，另一路气源的烟道与除尘***(1)的出口烟道汇合后均连入换热***(2)；换热***(2)的出口烟道接入脱硝***(4)；换热***(2)与脱硝***(4)中间的烟道上设置配气***(3)；脱硝***(4)的出口烟道连入燃煤机组单侧除尘器的入口烟道；所述脱硝***(4)包含两个并列的脱硝反应器A和脱硝反应器B；
步骤2、研究脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度：
步骤2.1、取六条新鲜脱硝催化剂样条，测量初始比表面积和孔容，取初始比表面积的均值记为S0，取初始孔容的均值记为K0；
步骤2.2、将六条新鲜脱硝催化剂样条放入脱硝SCR中试平台中的脱硝反应器A和脱硝反应器B中，引入一定量的基础烟气量；设定喷氨***控制脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度为标况下50mg/m3，逐步降低脱硝SCR中试平台脱硝***进口母管内的烟气温度；每个试验工况连续运行4h，每隔20min对脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率进行多次测试求平均；当脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续大于5ppm时，停止试验，记前一试验工况烟气温度为T1；
步骤2.3、将脱硝催化剂在T1温度下连续运行，每隔2h对脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内NOx浓度和氨逃逸率进行多次测试求平均；若48h以内出现脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续大于5ppm，则终止试验；并在(T1+5)℃下重复该试验，直至在某一烟温下脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率持续48h低于5ppm，记该温度为T2；
步骤2.4、取出脱硝反应器A内的三条脱硝催化剂样条，测量比表面积和孔容，取比表面积均值记为S1，取孔容均值K1；通过换热***(2)将脱硝SCR中试平台中脱硝反应器B的入口烟温提升至360℃以上，连续运行48h后，取出脱硝反应器B内的三条脱硝催化剂样条，测量比表面积和孔容，取比表面积的均值记为S2，取孔容的均值记为K2；
步骤2.5、比较S0、S1、S2、K0、K1和K2，判断T2是否为试验所用脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度：若S2相对S0下降比例在2％以内，K2相对K0下降比例在2％以内，则T2为试验所用脱硝催化剂在实际运行工况下的极限连续喷氨温度；
步骤3、研究低温段最佳喷氨氨氮摩尔比：控制脱硝SCR中试平台内脱硝***进口母管的烟气温度从T2开始以一定幅度递减，喷氨***喷氨氨氮摩尔比从0.05开始以一定幅度增加；每个试验状态保持30min，实时监测脱硝SCR中试平台脱硝***出口母管内氨逃逸率，直至氨逃逸率均值大于5ppm，停止该烟温下的试验，找到低温段不同烟温区间的最佳氨氮摩尔比；
步骤4、得出燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制策略：当燃煤机组脱硝反应器入口烟温≥脱硝催化剂极限连续喷氨温度时，燃煤机组脱硝***正常喷氨；当燃煤机组脱硝反应器入口烟温＜脱硝催化剂极限连续喷氨温度时，燃煤机组脱硝***阶梯喷氨，脱硝***喷氨氨氮摩尔比视燃煤机组脱硝反应器入口烟温而定。
2.根据权利要求1所述用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，其特征在于：步骤2.2所述基础烟气不经除尘和配气处理。
3.根据权利要求1所述用于燃煤锅炉启停阶段的喷氨控制方法，其特征在于：步骤2.1所述六条新鲜脱硝催化剂样条的模块尺寸为150mm×150mm×(600～1200)mm。
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