1000MW火电机组启动过程中降低氮氧化物排放控制策略

摘要：在启动过程中，1000MW火电机组因其规模和复杂性，对氮氧化物（NOx）排放控制提出了新的挑战。本研究对火电机组启动过程中的NOx生成与排放特性进行了详细分析，并提出了一套全面的控制策略。其中包括优化燃烧过程、实时监控与调整氧含量、应用选择性催化还原（SCR）技术，这些策略能有效降低机组启动过程中的NOx排放量，达到环境保护标准。这为大型火电机组在启动过程中有效地减少环境污染提供了可行路径。

关键词：氮氧化物排放，1000MW火电机组，启动过程，低NOx燃烧器，实时氧含量监控与调整，选择性催化还原

引言：

NO2是对人体健康伤害最大的有害气体之一，它能够损害人体内的呼吸系统，并且严重的情况下，会造成支气管以及肺气肿等病症;大气中的氮氧化物与酸雨和光化学烟雾的形成有着密不可分的关系。电厂是最大的煤炭用户，我国电厂能源结构仍然是以煤炭为主，而煤炭燃烧产生的氮氧化物尤为严重。随着环境保护需求的日益增加，对大型火电机组排放的氮氧化物（NOx）控制已成为当务之急。特别是在启动过程中，NOx排放通常会显著增加，这会直接影响到环境质量和公共健康。然而，针对1000MW大型火电机组在启动过程中的NOx控制研究却相对匮乏。本论文提出了一套全面的NOx减排控制策略，这将为火电行业在机组启动过程中满足环保标准提供重要参考。

一、NOx生成机理和机组启动过程中超标原因分析

NOx生成机理：

1.燃料型NOx

燃料型NOx指的是在燃烧过程中，燃料中的氮发生了复杂的氧化还原反应所生成的一氧化氮及二氧化氮。在进入高温燃烧区之前，含氮的氧化物便热解为HCN，之后转化为NH和NH2，接着再与氧气反应生成NO。燃料型NOx生成的主要影响条件是燃料与空气的混合条件以及过量空气系数。燃煤电站所产生的氮氧化物主要是燃料型NOx，其占比75%以上。

2.热力型NOx

热力型NOx的生成条件是空气中的氮气在1500℃以上的高温条件下转化成的。

因为氮分子相对比较稳定，氮气需要较大的活化能才能被氧化成NOx，氧化反应中反应速率主要取决于氮气跟氧原子反应的速率，随着反应的温度和氧气浓度的增大，热力型NOx的浓度将会增加。所以要想控制热力型NOx的浓度，就必须从降低氧气浓度、火焰温度以及减短其在高温区的停留时间等方面入手。

3.快速型（瞬时型）NOx

快速型NOx主要是由于CHi自由基和N2分子反应而生成HCN和CN，之后又进行一系列复杂的化学反而应生成的。其生成对温度依赖程度低，而且生成速率较快。快速型NOx产生在HC含量高，氧浓度低的富燃区。

对于电厂氮氧化物排放进行分析而言，燃料型NOx和热力型NOx排放量占到总量的95％左右，这两个部分是燃煤电厂NOx生成的重点控制对象。

机组启动过程中氮氧化物超标原因分析：

1.燃煤煤质的影响：燃煤本身的含氮量是影响氮氧化物生成的主要因素。因此可以在机组启动过程中合理上煤，燃用含氮量较少的煤种，降低氮氧化物的生成量；

2.锅炉炉膛含氧量的影响：在机组的启动过程中，为保证锅炉安全运行，总风量往往会偏大，这就导致了锅炉过量空气系数偏大，使得锅炉炉膛燃烧区域的氧化性气氛增加，从而导致NOx的生成量增加；

3.脱硝系统无法正常投运：在机组启动阶段，由于烟气温度低，无法满足SCR催化剂最低运行温度，导致脱硝系统无法正常投运，造成NOx浓度排放超标。

二、燃烧过程优化：探究低NOx燃烧器在启动过程中的应用

燃烧过程优化在1000MW火电机组启动过程中降低氮氧化物（NOx）的排放中起到至关重要的作用。启动过程中通常由于多种因素，如燃料和氧气的混合不均，以及燃烧温度的不稳定性，导致NOx排放量比稳态运行期间要高。HT-NR3型燃烧器是应用了巴布科克—日立公司研发的NOx焰内还原技术，是在不降低火焰的温度同时，使得NOx的生成量减少，以解决燃烧效率和降低NOx排放两者之间相互矛盾的问题。HT-NR3型燃烧器煤粉着火越快，挥发分的析出、燃烧就越快，燃烧的初期二次风混入煤粉气流中的比例小，在挥发分着火的区域容易形成还原性气氛，所以越容易在火焰的内部出现局部还原性气氛，从而能够显著减少NOx的生成和排放。

除了减少NOx排放外，低NOx燃烧器的使用还对1000MW火电机组整体效率有积极影响。更优化的燃烧条件不仅降低了NOx的生成，还减少了燃料消耗和其他有害物质的排放。然而，低NOx燃烧器的设计和选型是一个复杂的工程问题，需要综合考虑多种因素，例如燃料类型、燃烧器尺寸、以及与其他系统（如SCR）的配合等。不当的设计和选型可能适得其反，导致燃烧不充分甚至NOx排放增加。因此，实际应用中需要非常谨慎地进行设计和调试。

图1展示的为HT-NR3型燃烧器的结构。

三、实时氧含量监控与调整：启动过程中的关键控制参数

实时氧含量监控与调整，在1000MW火电机组启动过程中的氮氧化物（NOx）排放控制方面显得尤为重要。氧含量在燃烧过程中起到的作用不言而喻。而如果氧含量过高或过低，都将会导致燃烧不完全，进而影响NOx的生成。适当的氧含量可以确保燃料的完全燃烧，避免产生富氧条件而导致增加NOx的生成量。而火电机组的启动过程锅炉氧含量较高，这将导致NOx排放量的增加。由此可见，准确地掌握和调整氧含量对NOx排放量控制的重要性。

除了降低NOx排放之外，实时监控和调整氧含量还可以提高机组的运行效率。当氧含量维持在一个理想的范围内，燃烧过程会更加完整，而且锅炉热损失减少，从而减少了燃料的消耗。这一点不仅有助于减少燃料型NOx的生成，还有助于提高电厂的经济效益。

但是，要实现实时氧含量的监控与手动调整并不是一件容易的事情。氧量、风量测点需要能够在长时间内提供准确且稳定的数据。并且在运行调整过程中，需要确保各个系统能够协同工作，从而实现最佳的运行调整效果。在机组启动阶段，为了维持锅炉的安全稳定运行，风量往往较高，因此可以在保障机组安全启动的前提下，适当降低氧量运行，降低炉膛内部的氧化性气氛。除此之外，还可以通过开大燃尽风挡板的方法，降低主燃烧区域氧气含量，降低氮氧化物生成量，从而达到降低NOx排放的效果。

总之，对于1000MW火电机组而言，实时氧含量的监控与调整无疑是机组启动过程中控制NOx排放的一项关键方法。

四、选择性催化还原（SCR）技术：应用与效果评估在启动过程中的实践

选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction， SCR）技术，尽管在1000MW火电机组的持续运行阶段已经被广泛采纳和认可，但在启动过程中，由于烟气温度无法满足要求，它的应用带有诸多复杂性，这为SCR系统投运带来了巨大的挑战。

为减少NOx生成，可设法为提前投运脱硝系统创造有利条件：

1.机组启动过程中燃用高热值、高挥发分、含氮量低的煤种；

2.机组启动前提前投入邻炉热风系统运行，通过热风烘干炉膛，提高炉膛温度；

3.提前投入除氧器加热、邻机加热系统运行，提高给水温度，降低给水在省煤器内吸收的热量，提高锅炉排烟温度；

4.在第一台带微油点火暖风器的制粉系统启动后，及时关闭冷一次风插板门，减少冷一次风漏入量，提高制粉系统出口温度，利于燃烧，提高炉膛烟温；

5.合理控制风量、给水量，确保正常升温升压速率的同时，减少不必要的热量损失，提高炉膛烟温；

6.汽轮机冲转前，在主蒸汽压力＞2.0MPa后，可以利用高低压旁路对过、再热器进行冲洗，清除管道内的积水，提高机侧主、再热蒸汽温度，加快汽轮机暖机，为后期机组加快升负荷提供条件，加速炉膛烟温上升。

除了设法提前投运脱硝系统之外，提早投入尿素喷枪冲洗水，以提高SCR脱硝电加热器的出力。在炉膛烟温满足催化剂活性之后，直接用尿素溶液置换尿素喷枪冲洗水，这样即能够使尿素溶液快速提升到较高流量的同时，又能够解决大量投入尿素溶液而导致热解炉出口温度下降过快的问题。利用这种方法，能够使氮氧化物浓度在尿素溶液开始投运之后的15分钟之内降至50mg/Nm³，达到环保排放要求，极大地缩短了氮氧化物浓度超标排放的时间。

经济性始终是评估技术应用的一个重要方面。SCR技术，尽管能够显著降低NOx排放，但其建设和运行成本也相对较高。因此，当考虑在火电机组启动阶段应用SCR技术时，除了技术效果外，还必须对其经济效益进行全面评估。要确保在努力降低对环境影响的同时，不会给电厂带来过大的经济压力。

结语：

本研究详细探讨了1000MW火电机组启动过程中降低氮氧化物（NOx）排放的多种控制策略，包括燃烧过程优化、实时氧含量监控与调整，以及选择性催化还原（SCR）技术的应用与效果评估。这些控制策略在减少NOx排放方面表现出了明显的优势。在机组启动过程，这些控制策略能有效地降低NOx的排放，达到环境保护标准要求。总体而言，本研究为大型火电机组满足越来越严格的环境保护标准提供了有力的参考和技术支撑。

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