摘 要：鍋爐在啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)荷波動(dòng)較大，導(dǎo)致煙氣的溫度、流量等參數(shù)的穩(wěn)定性差，會(huì)增加硝排放量。因此，對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過(guò)鍋爐煙氣成分及溫度的監(jiān)測(cè)結(jié)果，對(duì)鍋爐啟動(dòng)階段工況進(jìn)行評(píng)估，以此精確計(jì)算達(dá)到預(yù)定脫硝效率所需的氨氣噴射量，并對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的各項(xiàng)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝控制。試驗(yàn)結(jié)果顯示，鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)的最大硝排放量為71mg·m-3，遠(yuǎn)低于原始鍋爐的硝排放量，充分證明了該技術(shù)在降低鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中硝排放量的顯著效果和卓越性能。

關(guān)鍵詞：鍋爐啟動(dòng)；全負(fù)荷；脫硝；入口煙溫；NOx含量

中圖分類號(hào)：TK 229 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

燃煤鍋爐作為能源轉(zhuǎn)換與供應(yīng)的基石，在電力行業(yè)中占據(jù)不可替代的關(guān)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(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅[1]。因此，深入探索并實(shí)現(xiàn)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程的全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)，對(duì)提高鍋爐的環(huán)保性能、降低NOx排放、實(shí)現(xiàn)燃煤電廠的綠色發(fā)展具有重要意義。

相關(guān)學(xué)者提出采用低溫催化劑替代常規(guī)催化劑，降低SCR脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行溫度要求[2]，以此控制鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝，該方法能夠減少因硫銨形成而導(dǎo)致的催化劑中毒和堵塞問(wèn)題，但在低溫條件下，煙氣中的水蒸氣可能凝結(jié)在設(shè)備表面，導(dǎo)致設(shè)備腐蝕和催化劑失活。也有學(xué)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(fēng)量，提高鍋爐各級(jí)受熱面煙溫，實(shí)現(xiàn)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制[3]。但逐漸增加燃料量無(wú)疑會(huì)增加燃料成本，會(huì)對(duì)電廠的經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生一定影響?；谏鲜龇治觯疚奶岢隽艘环N新的綜合鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)。

1 鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法設(shè)計(jì)

本文方法利用鍋爐排放煙氣中的成分分析與溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)鍋爐在啟動(dòng)階段的實(shí)際運(yùn)行狀況進(jìn)行綜合評(píng)估?；谠u(píng)估結(jié)果精確地計(jì)算為了達(dá)到預(yù)設(shè)的脫硝效率水平所需注入的氨氣量。隨后，對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的各種操作參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整與優(yōu)化策略，旨在確保在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)高效且穩(wěn)定的脫硝控制。該方法提高了鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中SCR入口煙溫，確保脫硝裝置在全負(fù)荷范圍內(nèi)都能高效運(yùn)行，有效降低了NOx的排放量，同時(shí)減少了對(duì)鍋爐受熱面管壁的磨損和腐蝕，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低維護(hù)成本。

1.1 監(jiān)測(cè)鍋爐煙氣成分

NOx的生成主要源自燃燒過(guò)程中的高溫條件，特別是在鍋爐啟動(dòng)階段，由于燃燒條件的不穩(wěn)定，NOx的成分往往不夠穩(wěn)定[4-5]。因此，為了對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程進(jìn)行全負(fù)荷脫硝控制，需要對(duì)鍋爐煙氣成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)。完成采樣槍的加熱、除濕處理，并檢查鍋爐內(nèi)部的氣密性后，采用等速采樣技術(shù)采集鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的氣態(tài)污染物。利用高靈敏度、高選擇性和實(shí)時(shí)響應(yīng)的紫外差分吸收光譜技術(shù)對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的氣態(tài)污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)鍋爐煙氣中的硝主要包括一氧化氮和二氧化氮，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

1.2 評(píng)估鍋爐啟動(dòng)階段溫度閾值

在鍋爐燃燒器的位置上設(shè)置煙氣溫度傳感器，利用該傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙氣溫度以及在鍋爐反應(yīng)中產(chǎn)生的質(zhì)量、動(dòng)量，并以此計(jì)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(zhì)量；r為鍋爐燃燒的時(shí)長(zhǎng)；e為鍋爐煙氣分子的摩擦力；w為鍋爐的體積；d為鍋爐產(chǎn)生的熱量。

鍋爐產(chǎn)生的熱量主要來(lái)源于燃料的燃燒，如公式（2）所示。

（2）

式中：q為煙氣產(chǎn)量；k為煙氣的熱焓值；h為煙氣溫度。

在鍋爐啟動(dòng)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(huì)發(fā)生變化[6]。對(duì)各項(xiàng)能量的變化進(jìn)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(guān)系。觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍋爐煙氣過(guò)低時(shí)，鍋爐損失的能量較大、能效較低，此時(shí)鍋爐釋放的硝也更多，得到鍋爐燃煤產(chǎn)生的硝含量與煙溫的關(guān)系曲線如圖1所示。

1.3 確定鍋爐啟動(dòng)過(guò)程噴氨量

為了實(shí)現(xiàn)氨氣的精準(zhǔn)投放，確保氨氣與煙氣中的氮氧化物充分反應(yīng)，減少未反應(yīng)的氨氣逃逸到大氣中[7]，需要根據(jù)鍋爐啟動(dòng)階段溫度閾值評(píng)估結(jié)果，結(jié)合脫硝系統(tǒng)的性能參數(shù)和氨氣與NOx的反應(yīng)機(jī)理，精確計(jì)算達(dá)到預(yù)定脫硝效率所需的氨氣噴射量。

根據(jù)監(jiān)測(cè)的鍋爐煙氣成分，混合一氧化氮（NO）和二氧化氮（NO2）來(lái)精確模擬燃煤鍋爐煙氣的化學(xué)組成，并輸送到噴氨量實(shí)驗(yàn)裝置內(nèi)。在該裝置中，使用加熱裝置將溫度精確控制在鍋爐啟動(dòng)階段的溫度閾值，確保試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確反映實(shí)際工況的關(guān)鍵參數(shù)。同時(shí)，為了模擬煙氣在鍋爐內(nèi)的流動(dòng)速度，設(shè)置空速（即氣體體積流量與反應(yīng)器體積的比值）為5000h-1。這一空速值是根據(jù)鍋爐運(yùn)行時(shí)的實(shí)際氣體流動(dòng)特性設(shè)定的，確保試驗(yàn)條件與實(shí)際工況匹配，從而能夠準(zhǔn)確評(píng)估氨氣噴射量對(duì)脫硝效率的影響。通過(guò)這種方式，在受控的試驗(yàn)環(huán)境中優(yōu)化氨氣噴射策略，以實(shí)現(xiàn)更高效的脫硝效果。同時(shí)，計(jì)算噴氨量需求區(qū)間，如公式（3）所示。

（3）

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

啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，采用高精度的氨氣噴射系統(tǒng)，確保能夠精確控制氨氣的注入量。根據(jù)前期計(jì)算得出的氨氣需求量，設(shè)定噴射速率和噴射時(shí)間，記錄不同速率和時(shí)間的NOx的體積分?jǐn)?shù)。同時(shí)，注意觀察并記錄反應(yīng)溫度波動(dòng)、氣體流量變化等可能影響試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)，觀察在噴氨需求區(qū)間的最優(yōu)結(jié)果，以此得出最終的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程噴氨量。

1.4 優(yōu)化鍋爐啟動(dòng)操作

確定鍋爐啟動(dòng)過(guò)程的噴氨量后，為了更好地控制鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝，還需要對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的各項(xiàng)操作參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，具體各部分優(yōu)化方法見(jiàn)表2。

同時(shí)，在鍋爐的啟動(dòng)過(guò)程中，為了確保啟動(dòng)的平穩(wěn)性和效率，保護(hù)鍋爐設(shè)備免受熱應(yīng)力的損害，還需要在鍋爐停機(jī)后的一段時(shí)間內(nèi)，保留一定的熱量和溫度[8]，并提前通過(guò)底部加熱系統(tǒng)對(duì)汽包進(jìn)行預(yù)熱。當(dāng)汽包壁溫達(dá)到預(yù)定值后，可以開(kāi)始投入精細(xì)調(diào)整燃料量、風(fēng)量和燃燒器位置等燃燒參數(shù)的燃料，以提高燃燒初期的穩(wěn)定性和控制溫升率，優(yōu)化鍋爐啟動(dòng)操作。

1.5 實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝控制

由于鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)涉及多個(gè)變量的控制和調(diào)節(jié)，且系統(tǒng)特性可能隨時(shí)間和溫度的變化而變化[9]。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，以此適應(yīng)這種具有復(fù)雜性和變化性的控制器。該控制器運(yùn)用了Delta算法來(lái)精細(xì)地約束和調(diào)整其指令輸出，具體的控制器啟動(dòng)閾值計(jì)算過(guò)程如公式（4）所示。

（4）

式中：f為控制器啟動(dòng)閾值；g為控制系數(shù)因子；j為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)率；i為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)神經(jīng)元連接權(quán)重；λ為鍋爐全負(fù)荷脫銷控制優(yōu)化操作啟動(dòng)閾值。

在該系統(tǒng)中，控制系數(shù)因子是一個(gè)關(guān)鍵考量因素，如果g值設(shè)置得過(guò)大，就能夠顯著提升控制器的靈敏度與響應(yīng)速度，使其在面對(duì)變化時(shí)展現(xiàn)出快速的反應(yīng)能力，但是可能導(dǎo)致系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，還可能引發(fā)系統(tǒng)震蕩。因此在控制器投入使用前需要對(duì)其進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，直到其達(dá)到最佳值。利用溫度傳感器，將采集的溫度發(fā)送到控制器的處理系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)詳細(xì)計(jì)算，控制器會(huì)適時(shí)地發(fā)出鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制啟動(dòng)信號(hào)，控制系統(tǒng)會(huì)按照確定好的噴氨量以及優(yōu)化鍋爐啟動(dòng)操作方法對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的NOx進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝控制。

2 實(shí)例測(cè)試

2.1 測(cè)試準(zhǔn)備

以HG540/13.4YM20型超高壓燃煤鍋爐為測(cè)試對(duì)象，對(duì)比了測(cè)試鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制技術(shù)。該鍋爐采用負(fù)壓爐膛設(shè)計(jì)、平衡通風(fēng)系統(tǒng)及固態(tài)排渣技術(shù)，確保了高效穩(wěn)定的燃燒過(guò)程。每臺(tái)鍋爐在最大連續(xù)蒸發(fā)量工況下，額定蒸發(fā)量可達(dá)540t/h，總風(fēng)量?jī)?yōu)化設(shè)定為570t/h，充分滿足了發(fā)電需求，詳細(xì)煤粉燃燒器的布置結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用本文設(shè)計(jì)的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法、基于增加鍋爐燃料投入量的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法和基于低溫催化劑應(yīng)用的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法，對(duì)HG540/13.4YM20型的超高壓燃煤鍋爐進(jìn)行脫硝控制驗(yàn)證，啟動(dòng)鍋爐并逐步加載至滿負(fù)荷。煤鍋爐進(jìn)行處理，具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表3。清除管路內(nèi)的焊渣和雜物，并對(duì)鍋爐的管路系統(tǒng)進(jìn)行密封性檢測(cè)，確保鍋爐能夠正常運(yùn)行。啟動(dòng)鍋爐，逐步增加負(fù)荷至全負(fù)荷狀態(tài)。監(jiān)測(cè)不同負(fù)荷下各方法的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程硝排放量。

2.2 測(cè)試結(jié)果

對(duì)3種方法的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程硝排放量結(jié)果進(jìn)行整理，如圖3所示。

由圖3可知，本文設(shè)計(jì)的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法、基于增加鍋爐燃料投入量的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法和基于低溫催化劑應(yīng)用的鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝控制方法都在一定程度上抑制了鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的硝排放濃度。然而其他2種方法比本文方法波動(dòng)更強(qiáng)烈，且濃度依然不小，本文最大的NOx排放量為71mg·m-3，遠(yuǎn)低于其他2種方法?？梢宰C明，本文提出的方法通過(guò)綜合考慮了鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中的各種因素，穩(wěn)定地控制了鍋爐啟動(dòng)過(guò)程全負(fù)荷脫硝，使硝排放濃度更低，提高了鍋爐的運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，確保鍋爐在不同負(fù)荷下都能保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，減少了不必要的能量損失和污染物排放，避免了因負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的燃燒不穩(wěn)定、熱應(yīng)力增加等問(wèn)題，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)考慮鍋爐的燃燒特性、熱傳遞機(jī)制、環(huán)保要求以及經(jīng)濟(jì)效益等多個(gè)方面，設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種綜合脫硝控制方法，成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)鍋爐啟動(dòng)過(guò)程中煙氣溫度的有效控制，保證了SCR脫硝裝置的穩(wěn)定、高效運(yùn)行，提高了鍋爐在低負(fù)荷至滿負(fù)荷全過(guò)程中的脫硝效率，確保了煙氣中的NOx排放滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求。未來(lái)，還需要密切關(guān)注國(guó)內(nèi)外環(huán)保政策的動(dòng)態(tài)變化，及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化鍋爐脫硝控制策略，確保鍋爐排放符合最新的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)和要求。

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