CN103885337B - 一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，低氮燃烧（LNB）出口排放的NOx又是SCR入口的NOx，因此LNB出口的NOx不仅影响LNB的运行成本，又会影响SCR运行成本。目前，对于低氮燃烧的NOx排放控制通常只是粗略要求在不大幅度降低燃烧经济性的前提下，尽量降低NOx，没有进行低氮燃烧和脱硝氨消耗的成本比较，也未考虑煤和氨的市场价格的变动；本发明的方法是在试验数据和计算的基础上，得到在不同的LNB出口排放的NOx时，LNB及SCR运行成本的变化，从而得到成本最低时的低氮燃烧NOx控制值，使得在NOx排放达标的前提下，使LNB+SCR系统的运行成本最低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法。
背景技术
NOx是电站燃煤锅炉的主要污染物之一。NOx不仅对臭氧层造成破坏，产生温室效应，并且是PM2.5的主要源头之一。因此GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》对电站锅炉实施了更为严格的NOx排放标准，从2014年开始,现有燃煤锅炉NOx排放标准达到100mg/m3以下。目前传统电站锅炉NOx实际排放远远高于此标准，一般烟煤锅炉NOx排放浓度在500-800mg/m3，贫煤锅炉在650-1100mg/m3，无烟煤锅炉的NOx排放浓度更高。
降低电站燃煤锅炉NOx排放的主流途径有两种，即低氮燃烧（LNB）、选择性催化还原法（SCR）。低氮燃烧（LNB）是燃烧过程中的降低NOx技术，SCR是燃烧后降低NOx技术。煤燃烧过程中NOx主要产生于燃烧初期的挥发份析出和高温下空气中N的氧化。低氮燃烧（LNB）就是通过改造锅炉燃烧器的型式，在煤燃烧的初期刻意只提供燃烧所需70%-80%的空气，使燃烧处于缺氧和较低的温度状态，从而减少NOx的生成，然后在燃烧的后期投入剩余的20%-30%空气（这一部分空气称作overfireair，简称OFA），尽量使煤中焦炭能够燃尽。OFA风量在0-30%范围内变化，OFA量越大，NOx排放越低，但是也导致欠氧和低温程度越高，焦炭难以燃尽，燃烧经济性降低。
经过低氮燃烧器（LNB）改造后，烟煤锅炉NOx排放能够降低到200-400mg/m3，贫煤锅炉能降低到400-600mg/m3，为进一步将NOx降低到国家标准要求的100mg/m3以下，目前主流的途径是在锅炉尾部安装SCR烟气脱硝系统。SCR烟气脱硝的原理是在催化剂作用下，向烟气中喷入氨NH3，将烟气中的NOx催化还原成N2和H2O，主要反应式为4NO+4NH3+O2＝4N2+6H2O。所需还原剂氨NH3一般采用液氨或尿素的形式提供。要求的NOx排放越低，需要的还原剂氨NH3越多。
为了达到环保要求，目前大多数电站锅炉采取了低氮燃烧（LNB）+选择性催化还原法（SCR）技术。低氮燃烧（LNB）可以通过控制OFA风量的大小控制炉膛出口NOx的排放量。同时低氮燃烧（LNB）出口的NOx又是SCR入口的NOx，锅炉低氮燃烧不仅影响锅炉燃烧的经济性，也影响到SCR的运行氨消耗量。一方面低氮燃烧（LNB）NOx排放越低，要求的燃烧初期欠氧程度越高，燃烧效率越低，需要消耗更多的煤，导致成本上升；另一方面，低氮燃烧（LNB）排放的NOx越低，则SCR系统则所需消耗的还原剂氨NH3越少，成本下降。因此低氮燃烧存在在一个最经济的NOx控制值，在此值下，低氮燃烧（LNB）+选择性催化还原法（SCR）的成本最低。另外，入炉煤和氨的市场价格的变化，也会影响总成本的变化。
目前装备了LNB+SCR的电站燃煤锅炉在运行过程中，对于低氮燃烧的NOx排放控制通常只是粗略要求在不大幅度降低燃烧经济性的前提下，尽量降低NOx，没有进行低氮燃烧和脱硝氨消耗的成本比较，也未考虑煤和氨的市场价格的变动，未见有通过精确计算成本后，对低氮燃烧的NOx排放值进行精确控制。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，该控制方法通过比较锅炉效率变化成本和氨消耗量变化成本，在NOx排放达标的前提下，使LNB+SCR系统的运行成本最低。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，包括以下步骤：
（1）设定机组运行在某一固定电负荷，保持其他运行参数不变，将低氮燃烧LNB的OFA风量由0-30%逐步改变若干次，得到若干个不同运行工况，记录工况值，并测量每个工况下LNB出口的NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量；
（2）改变机组运行负荷，重复上述步骤，得到机组不同负荷下NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量；
（3）输入入炉煤和液氨的市场价格，分别记做m1、m2，单位：元/吨；
（4）计算出在某个固定负荷下，以某一工况为基准，计算每个工况相对此工况由于燃烧效率变化导致的成本增加量G1i，其中:i=1，2，…n，G1i，单位：元；
（5）以步骤（4）的基准工况为基准，计算每个工况相对此工况，由于NOx变化导致的NH3消耗量成本下降量G2i，i=1，2，…n；
（6）以机组不同负荷下NOx排放量为横坐标，G1i、G2i（i=1，2，…n）为纵坐标，得到G1i、G2i趋势线，其中当G2i-G1i达到最大值时，成本最低，对应的NOx值即为最佳控制值；
（7）重复布步骤（4）-（5），得到各个不同负荷下的NOx最佳控制值。以负荷为横坐标，将不同负荷下NOx最佳控制值为纵坐标，得到最佳NOx控制值随负荷变化的曲线，通过插值法得到任意负荷下最佳NOx控制值；
（8）当入炉煤和液氨的市场价格m1、m2发生变动时，重复步骤（2）-（7），得到新的最经济NOx控制值。
所述步骤（1）的具体方法包括以下步骤：
（a）设机组运行在某一固定电负荷N，单位：MW，保持其他运行参数不变，将低氮燃烧LNB的OFA风量由0-30%逐步改变若干次，得到n个不同运行工况，分别记做工况Ti，i=1，2，…，n，n为自然数；
（b）实际测量并计算每个工况下LNB出口NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量，分别记做Noxi、ηi、qi，i=1，2，…，n，单位分别为：mg/m3，%，kg/h；
（c）改变机组运行负荷N，重复上述步骤，得到机组不同负荷下的Noxi、ηi、qi；
所述步骤（4）中，具体方法如下：计算出在某个固定负荷下，以工况T1为基准，每个工况Ti相对T1工况，由于燃烧效率变化导致的成本增加量G1i，计算式如下所示，其中，:i=1，2，…n，G1i，单位：元
G1i=（η1-ηi）×3.2×m1×N/1000
式中的3.2为经验数据，含义是锅炉效率每下降1%，每发1kwh电需要增加的标准煤量，单位是g/kwh。
所述步骤（5）中，具体方法如下：以工况T1为基准，每个工况Ti相对T1工况，由于NOx变化导致的NH3消耗量成本下降G2i，计算式如下所示：
G2i=(q1-qi)/1000×m2。
本发明的有益效果为：通过试验和计算，分别得到低氮燃烧导致锅炉效率降低引起的成本上升曲线，以及低氮燃烧NOx降低导致SCR的NH3消耗量下降引起的成本下降曲线，对二者进行比较后，得到最经济的NOx控制值，对于配备了低氮燃烧（LNB）+选择性催化还原法（SCR）的电站锅炉，在达到NOx排放标准的前提下，实现了运行成本的最低化。
附图说明
图1为基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法实例图，
图2为基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法的程序示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，假设某电厂600MW机组燃煤锅炉，配备了低氮燃烧（LNB）+选择性催化还原法（SCR）。具体计算步骤如下：
（1）机组运行在额定负荷N=600MW，保持其他运行参数不变，将低氮燃烧（LNB）的OFA风量由0-30%逐步改变，得到9个不同运行工况，分别记做工况Ti（i=1，2，…9）；
（2）实际测量并计算每个工况下LNB出口NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量(液氨或尿素)，分别记做NOxi、ηi、qi（i=1，2，…9）,单位分别为：mg/m3，%，kg/h；
（3）改变机组运行负荷N，重复上述步骤，可以得到机组不同负荷下的NOxi、ηi、qi；
（4）入炉煤和液氨的市场价格，分别取为m1=700、m2=3000（单位：元/t），列入表1；
（5）计算出在某个固定负荷下，以工况T1为基准，工况Ti相对T1工况，由于燃烧效率变化导致的成本增加G1i（单位：元/h），可以下列公式计算:
G1i=（η1-ηi）×3.2×m1×N/1000
式中的经验数据3.2，为锅炉效率每变化1%，影响标准煤量，单位是g/kwh；
（6）计算出与步骤（5）相同的固定负荷下，以工况T1为基准，工况Ti相对T1工况，由于NOx变化导致的NH3消耗量成本下降G2i（单位：元/h），可以下列公式计算：
G2i=(q1-qi)×m2/1000；
（7）将NOxi、ηi、qi、G1i、G2i数据列入表1；以NOxi为横坐标，G1i、G2i为纵坐标，得到图1所示G1、G2趋势线。由脱硝反应式4NO+4NH3+O2＝4N2+6H2O，NH3消耗量与NOx是线性关系，G1曲线为直线。由工程实践经验证明，G2曲线为图1中类似曲线，它反映的是当NOx愈低，则燃烧欠氧程度愈高，锅炉效率急剧下降，导致燃煤成本急剧上升。由图1中实例可以得到当NOx=400mg/m3时，（G2-G1）达到最大值，此时运行成本最低，对应的NOx=400mg/m3即为最佳控制值；
（8）重复布步骤（5）-（7），得到各个不同负荷下的NOx最佳控制值。以负荷为横坐标，将不同负荷下NOx最佳控制值为纵坐标，得到最佳NOx控制值随负荷变化的曲线，通过插值法可以得到任意负荷下最佳NOx控制值。
（9）当入炉煤和液氨的市场价格m1、m2发生变动时，重复步骤（3）-（8），表1中m1、m2、G1i、G2i列数据更新，从而得到新的最经济NOx控制值。
上述步骤中的关键参数是Noxi、ηi、qi，其中氮氧化物Noxi和氨消耗量qi通过在线仪表（目前电站锅炉普遍配备）或者试验测量（在线仪表精度不够时）获得。锅炉效率ηi目前的技术无法通过在线参数获得精确值，需要经过试验方法得到，计算方法参见GB10184-88《电站锅炉性能试验规程》。按照该规程，通过试验，实际测量值排烟氧量、排烟温度、环境温湿度等参数，以及取样化验煤质和灰渣含碳量等数据，通过反平衡计算得到锅炉效率。
表1
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (4)
1.一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)设定机组运行在某一固定电负荷，保持其他运行参数不变，将低氮燃烧LNB的OFA风量由0-30％逐步改变若干次，得到若干个不同运行工况，记录工况值，并测量每个工况下LNB出口的NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量；
(2)改变机组运行负荷，重复上述步骤，得到机组不同负荷下NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量；
(3)输入入炉煤和液氨的市场价格，分别记做m1、m2，单位：元/吨；
(4)计算出在某个固定负荷下，以某一工况为基准，计算每个工况相对此工况由于燃烧效率变化导致的成本增加量G1i，其中:i＝1，2，…n；
(5)以步骤(4)的基准工况为基准，计算每个工况相对此工况，由于NOx变化导致的NH3消耗量成本下降量G2i，i＝1，2，…n；
(6)以机组不同负荷下NOx排放量为横坐标，G1i、G2i(i＝1，2，…n)为纵坐标，得到G1i、G2i趋势线，其中当G2i-G1i达到最大值时，成本最低，对应的NOx值即为最佳控制值；
(7)重复布步骤(4)-(5)，得到各个不同负荷下的NOx最佳控制值；以负荷为横坐标，将不同负荷下NOx最佳控制值为纵坐标，得到最佳NOx控制值随负荷变化的曲线，通过插值法得到任意负荷下最佳NOx控制值；
(8)当入炉煤和液氨的市场价格m1、m2发生变动时，重复步骤(2)-(7)，得到新的最经济NOx控制值。
2.如权利要求1所述的一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，其特征是：所述步骤(1)的具体方法包括以下步骤：
(a)设机组运行在某一固定电负荷N，单位：MW，保持其他运行参数不变，将低氮燃烧LNB的OFA风量由0-30％逐步改变若干次，得到n个不同运行工况，分别记做工况Ti，i＝1，2，…，n，n为自然数；
(b)实际测量并计算每个工况下LNB出口NOx排放量、锅炉效率、NH3消耗量，分别记做Noxi、ηi、qi，i＝1，2，…，n，单位分别为：mg/m3，％，kg/h；
(c)改变机组运行负荷N，重复上述步骤，得到机组不同负荷下的Noxi、ηi、qi。
3.如权利要求1所述的一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，其特征是：所述步骤(4)中，具体方法如下：计算出在某个固定负荷下，以工况T1为基准，每个工况Ti相对T1工况，由于燃烧效率变化导致的成本增加量G1i，计算式如下所示，其中:i＝1，2，…n，G1i，单位：元/h，
G1i＝(η1-ηi)×3.2×m1×N/1000
式中的3.2为经验数据，含义是锅炉效率每下降1％，每发1kwh电需要增加的标准煤量，单位是g/kwh。
4.如权利要求1所述的一种基于成本计算的低氮燃烧最优NOx排放量控制方法，其特征是：所述步骤(5)中，具体方法如下：以工况T1为基准，每个工况Ti相对T1工况，由于NOx变化导致的NH3消耗量成本下降G2i，计算式如下所示：
G2i＝(q1-qi)/1000×m2。
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |