鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術研究

摘 要：鍋爐在啟動過程中負荷波動較大，導致煙氣的溫度、流量等參數的穩定性差，會增加硝排放量。因此，對鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術進行研究。通過鍋爐煙氣成分及溫度的監測結果，對鍋爐啟動階段工況進行評估，以此精確計算達到預定脫硝效率所需的氨氣噴射量，并對鍋爐啟動過程中的各項操作參數進行調整和優化，實現全負荷脫硝控制。試驗結果顯示，鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術的最大硝排放量為71mg·m-3，遠低于原始鍋爐的硝排放量，充分證明了該技術在降低鍋爐啟動過程中硝排放量的顯著效果和卓越性能。

關鍵詞：鍋爐啟動；全負荷；脫硝；入口煙溫；NOx含量

中圖分類號：TK 229 " " 文獻標志碼：A

燃煤鍋爐作為能源轉換與供應的基石，在電力行業中占據不可替代的關鍵地位。然而，其排放的NOx在全球NOx排放總量中占較大比例，對生態環境構成了嚴重威脅[1]。因此，深入探索并實現鍋爐啟動過程的全負荷脫硝控制技術，對提高鍋爐的環保性能、降低NOx排放、實現燃煤電廠的綠色發展具有重要意義。

相關學者提出采用低溫催化劑替代常規催化劑，降低SCR脫硝系統的運行溫度要求[2]，以此控制鍋爐啟動過程全負荷脫硝，該方法能夠減少因硫銨形成而導致的催化劑中毒和堵塞問題，但在低溫條件下，煙氣中的水蒸氣可能凝結在設備表面，導致設備腐蝕和催化劑失活。也有學者提出在保證鍋爐升溫、升壓速率的前提下，逐漸增大燃料量的投入，增加總風量，提高鍋爐各級受熱面煙溫，實現鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制[3]。但逐漸增加燃料量無疑會增加燃料成本，會對電廠的經濟性產生一定影響。基于上述分析，本文提出了一種新的綜合鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術。

1 鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法設計

本文方法利用鍋爐排放煙氣中的成分分析與溫度監測數據，對鍋爐在啟動階段的實際運行狀況進行綜合評估。基于評估結果精確地計算為了達到預設的脫硝效率水平所需注入的氨氣量。隨后，對鍋爐啟動過程中的各種操作參數進行精細調整與優化策略，旨在確保在整個負荷范圍內都能實現高效且穩定的脫硝控制。該方法提高了鍋爐啟動過程中SCR入口煙溫，確保脫硝裝置在全負荷范圍內都能高效運行，有效降低了NOx的排放量，同時減少了對鍋爐受熱面管壁的磨損和腐蝕，延長設備的使用壽命，降低維護成本。

1.1 監測鍋爐煙氣成分

NOx的生成主要源自燃燒過程中的高溫條件，特別是在鍋爐啟動階段，由于燃燒條件的不穩定，NOx的成分往往不夠穩定[4-5]。因此，為了對鍋爐啟動過程進行全負荷脫硝控制，需要對鍋爐煙氣成分進行監測。完成采樣槍的加熱、除濕處理，并檢查鍋爐內部的氣密性后，采用等速采樣技術采集鍋爐啟動過程中的氣態污染物。利用高靈敏度、高選擇性和實時響應的紫外差分吸收光譜技術對鍋爐啟動過程中的氣態污染物進行監測，可以發現鍋爐煙氣中的硝主要包括一氧化氮和二氧化氮，具體數據見表1。

1.2 評估鍋爐啟動階段溫度閾值

在鍋爐燃燒器的位置上設置煙氣溫度傳感器，利用該傳感器實時監測煙氣溫度以及在鍋爐反應中產生的質量、動量，并以此計算鍋爐的能量守恒，如公式（1）所示。

（1）

式中：a為鍋爐煙氣的密度；b為鍋爐煙氣的質量；r為鍋爐燃燒的時長；e為鍋爐煙氣分子的摩擦力；w為鍋爐的體積；d為鍋爐產生的熱量。

鍋爐產生的熱量主要來源于燃料的燃燒，如公式（2）所示。

（2）

式中：q為煙氣產量；k為煙氣的熱焓值；h為煙氣溫度。

在鍋爐啟動階段，由于鍋爐各部件的溫度和壓力逐漸升高，因此能量守恒的情況可能會發生變化[6]。對各項能量的變化進行觀察，并將其代入能量守恒公式中，以此分析它們之間工況的平衡關系。觀察發現，當鍋爐煙氣過低時，鍋爐損失的能量較大、能效較低，此時鍋爐釋放的硝也更多，得到鍋爐燃煤產生的硝含量與煙溫的關系曲線如圖1所示。

1.3 確定鍋爐啟動過程噴氨量

為了實現氨氣的精準投放，確保氨氣與煙氣中的氮氧化物充分反應，減少未反應的氨氣逃逸到大氣中[7]，需要根據鍋爐啟動階段溫度閾值評估結果，結合脫硝系統的性能參數和氨氣與NOx的反應機理，精確計算達到預定脫硝效率所需的氨氣噴射量。

根據監測的鍋爐煙氣成分，混合一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）來精確模擬燃煤鍋爐煙氣的化學組成，并輸送到噴氨量實驗裝置內。在該裝置中，使用加熱裝置將溫度精確控制在鍋爐啟動階段的溫度閾值，確保試驗結果準確反映實際工況的關鍵參數。同時，為了模擬煙氣在鍋爐內的流動速度，設置空速（即氣體體積流量與反應器體積的比值）為5000h-1。這一空速值是根據鍋爐運行時的實際氣體流動特性設定的，確保試驗條件與實際工況匹配，從而能夠準確評估氨氣噴射量對脫硝效率的影響。通過這種方式，在受控的試驗環境中優化氨氣噴射策略，以實現更高效的脫硝效果。同時，計算噴氨量需求區間，如公式（3）所示。

（3）

式中：T為噴氨量需求區間；l為一氧化氮和二氧化氮的占比區間；m為NOx的摩爾；?為煙氣流量；ρ為計劃脫硝效率。

啟動實驗裝置，采用高精度的氨氣噴射系統，確保能夠精確控制氨氣的注入量。根據前期計算得出的氨氣需求量，設定噴射速率和噴射時間，記錄不同速率和時間的NOx的體積分數。同時，注意觀察并記錄反應溫度波動、氣體流量變化等可能影響試驗結果的參數，觀察在噴氨需求區間的最優結果，以此得出最終的鍋爐啟動過程噴氨量。

1.4 優化鍋爐啟動操作

確定鍋爐啟動過程的噴氨量后，為了更好地控制鍋爐啟動過程全負荷脫硝，還需要對鍋爐啟動過程中的各項操作參數進行調整和優化，具體各部分優化方法見表2。

同時，在鍋爐的啟動過程中，為了確保啟動的平穩性和效率，保護鍋爐設備免受熱應力的損害，還需要在鍋爐停機后的一段時間內，保留一定的熱量和溫度[8]，并提前通過底部加熱系統對汽包進行預熱。當汽包壁溫達到預定值后，可以開始投入精細調整燃料量、風量和燃燒器位置等燃燒參數的燃料，以提高燃燒初期的穩定性和控制溫升率，優化鍋爐啟動操作。

1.5 實現全負荷脫硝控制

由于鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術涉及多個變量的控制和調節，且系統特性可能隨時間和溫度的變化而變化[9]。因此，本文設計了一個人工神經網絡PID控制器，以此適應這種具有復雜性和變化性的控制器。該控制器運用了Delta算法來精細地約束和調整其指令輸出，具體的控制器啟動閾值計算過程如公式（4）所示。

（4）

式中：f為控制器啟動閾值；g為控制系數因子；j為人工神經網絡的學習率；i為人工神經網絡神經元連接權重；λ為鍋爐全負荷脫銷控制優化操作啟動閾值。

在該系統中，控制系數因子是一個關鍵考量因素，如果g值設置得過大，就能夠顯著提升控制器的靈敏度與響應速度，使其在面對變化時展現出快速的反應能力，但是可能導致系統資源的浪費，還可能引發系統震蕩。因此在控制器投入使用前需要對其進行反復測試，直到其達到最佳值。利用溫度傳感器，將采集的溫度發送到控制器的處理系統中，經過詳細計算，控制器會適時地發出鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制啟動信號，控制系統會按照確定好的噴氨量以及優化鍋爐啟動操作方法對鍋爐啟動過程中產生的NOx進行處理，實現全負荷脫硝控制。

2 實例測試

2.1 測試準備

以HG540/13.4YM20型超高壓燃煤鍋爐為測試對象，對比了測試鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制技術。該鍋爐采用負壓爐膛設計、平衡通風系統及固態排渣技術，確保了高效穩定的燃燒過程。每臺鍋爐在最大連續蒸發量工況下，額定蒸發量可達540t/h，總風量優化設定為570t/h，充分滿足了發電需求，詳細煤粉燃燒器的布置結構如圖2所示。

利用本文設計的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法、基于增加鍋爐燃料投入量的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法和基于低溫催化劑應用的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法，對HG540/13.4YM20型的超高壓燃煤鍋爐進行脫硝控制驗證，啟動鍋爐并逐步加載至滿負荷。煤鍋爐進行處理，具體運行參數見表3。清除管路內的焊渣和雜物，并對鍋爐的管路系統進行密封性檢測，確保鍋爐能夠正常運行。啟動鍋爐，逐步增加負荷至全負荷狀態。監測不同負荷下各方法的鍋爐啟動過程硝排放量。

2.2 測試結果

對3種方法的鍋爐啟動過程硝排放量結果進行整理，如圖3所示。

由圖3可知，本文設計的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法、基于增加鍋爐燃料投入量的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法和基于低溫催化劑應用的鍋爐啟動過程全負荷脫硝控制方法都在一定程度上抑制了鍋爐啟動過程中的硝排放濃度。然而其他2種方法比本文方法波動更強烈，且濃度依然不小，本文最大的NOx排放量為71mg·m-3，遠低于其他2種方法。可以證明，本文提出的方法通過綜合考慮了鍋爐啟動過程中的各種因素，穩定地控制了鍋爐啟動過程全負荷脫硝，使硝排放濃度更低，提高了鍋爐的運行效率和經濟效益，確保鍋爐在不同負荷下都能保持穩定的運行狀態，減少了不必要的能量損失和污染物排放，避免了因負荷波動導致的燃燒不穩定、熱應力增加等問題，保護了生態環境。

3 結語

綜上所述，本文通過考慮鍋爐的燃燒特性、熱傳遞機制、環保要求以及經濟效益等多個方面，設計并測試了一種綜合脫硝控制方法，成功地實現了對鍋爐啟動過程中煙氣溫度的有效控制，保證了SCR脫硝裝置的穩定、高效運行，提高了鍋爐在低負荷至滿負荷全過程中的脫硝效率，確保了煙氣中的NOx排放滿足日益嚴格的環保要求。未來，還需要密切關注國內外環保政策的動態變化，及時調整和優化鍋爐脫硝控制策略，確保鍋爐排放符合最新的環保標準和要求。

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