黃岡大別山發(fā)電有限責(zé)任公司 郭 驍 尹 軍 吳 超
東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院大型發(fā)電裝備安全運(yùn)行與智能測控國家工程研究中心 尚碧沉 張韻琴 趙伶玲
為滿足國家對NOx等燃燒產(chǎn)物的排放要求,SCR噴氨也要進(jìn)行調(diào)整,而目前所使用的SCR噴氨調(diào)節(jié)具有一定的滯后性,這對產(chǎn)物生成波動的調(diào)節(jié)造成一定的困難,近年來有研究者根據(jù)運(yùn)行參數(shù)建立省煤器出口的NOx預(yù)測模型。此外,燃燒過程中產(chǎn)生的CO含量也是檢測大氣污染的重要指標(biāo)之一,會造成不完全燃燒熱損失的增加,降低鍋爐的效率。同時(shí)CO也與NOx相關(guān)聯(lián),一定量的CO可降低NOx的濃度。
國國內(nèi)外研究者對NOx生成的預(yù)測開展了各種研究。余庭芳和李鵬輝[1]應(yīng)用Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了NOx排放預(yù)測模型,并采用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu),優(yōu)化后鍋爐的NOx排放濃度下降了29%;郝劍等[2]對比了基于非分散紅外(NDIR)取樣式測量和基于可調(diào)諧激光二極管吸收光譜(TDLAS)原位式測量兩種CO測量方法,對比結(jié)果發(fā)現(xiàn)TDLAS儀表更新速度更快、誤差更小。
本文基于煤粉燃燒數(shù)值模擬計(jì)算模型[3]和實(shí)驗(yàn)測量,對不同負(fù)荷下NOx、CO等燃燒產(chǎn)物的生成情況進(jìn)行了研究,對某600MW電站鍋爐爐膛至省煤器出口建立了三維模型[4]。其中,爐膛深15.57m、寬21.94m、總高63m(前后水冷壁下集箱中心線到爐膛頂棚管中心線)。爐膛上部布置了屏式過熱器,爐膛折焰角上方布置后屏過熱器和末級過熱器,高溫再熱器布置在水平煙道處。尾部豎井由隔墻分隔成前后兩個(gè)煙道,前煙道布置低溫再熱器,后煙道布置低溫過熱器和省煤器。前后煙道底部設(shè)置煙氣調(diào)溫?fù)醢鍋碚{(diào)節(jié)再熱汽溫。鍋爐豎井煙道下設(shè)置兩臺三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預(yù)熱器。
該鍋爐采用前后墻對沖燃燒方式,前后墻各配置有三層低氮旋流燃燒器和一層雙調(diào)風(fēng)NOx噴口(燃盡風(fēng)噴口),每層燃燒器均為6只。通過實(shí)驗(yàn)的方式,結(jié)合O2和CO的濃度測量,可提高燃燒效率監(jiān)測的可靠性,同時(shí)監(jiān)測爐膛內(nèi)的不完全燃燒程度,進(jìn)一步考察鍋爐效率。
當(dāng)鍋爐負(fù)荷為600MW、500MW、400MW和250MW時(shí),在不同負(fù)荷下爐內(nèi)溫度分布規(guī)律基本相同,爐膛內(nèi)溫度分布呈現(xiàn)較好的對稱性;隨著負(fù)荷的不斷降低,爐膛內(nèi)溫度總體降低,高溫區(qū)不斷縮小,其最高溫度也有所下降。當(dāng)鍋爐負(fù)荷為600MW時(shí)大量的煤粉噴入爐內(nèi),未在燃燒區(qū)燃盡,這部分未燃盡的煤粉在燃盡區(qū)劇烈燃燒,使?fàn)t膛上部溫度較高;當(dāng)鍋爐負(fù)荷為500MW時(shí),后墻上層燃燒器對應(yīng)的磨煤機(jī)停用,后墻上層燃燒器出口不產(chǎn)生火焰,但為保證火焰在爐膛中心、防止火焰偏斜,該層燃燒器仍會向爐內(nèi)送入少量二次風(fēng);當(dāng)鍋爐負(fù)荷為400MW時(shí)上層燃燒器全部停用,燃盡區(qū)溫度降低,爐膛高溫區(qū)變小;當(dāng)鍋爐負(fù)荷為250MW時(shí),冷灰斗區(qū)域溫度也明顯降低。
本文根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果對省煤器出口平面NOx濃度的具體數(shù)值進(jìn)行定量分析,并將結(jié)果與實(shí)測值進(jìn)行對比。由圖1可知,在不同負(fù)荷下本文所建模型模擬值與實(shí)測值能較好吻合,其誤差不超過3.3%。隨著負(fù)荷的降低,NOx濃度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢;當(dāng)鍋爐的負(fù)荷從600MW降低至400MW時(shí),由于爐膛中心溫度的降低,熱力型NOx的生成量減少,因此爐內(nèi)NOx的整體濃度降低,省煤器出口平面處NOx濃度由334mg/m3降低至298mg/m3;而當(dāng)鍋爐負(fù)荷由400MW降低至250MW時(shí),由于爐膛燃燒的風(fēng)煤比增大,爐內(nèi)氧氣濃度增加,氧化性氛圍變強(qiáng),致使燃料型NOx生成量增加,因此NOx濃度增加至392mg/m3。
圖1 省煤器出口NOx濃度隨鍋爐負(fù)荷的變化
由圖2可知,不同負(fù)荷下NOx的濃度隨高度變化基本一致,整體上NOx的濃度隨高度的上升而增加。冷灰斗區(qū)域由于溫度較低且含氧量較低,NOx的濃度相應(yīng)較低;在主燃區(qū)內(nèi)煤粉不斷進(jìn)入爐膛燃燒,生成NOx并向上積累,在每層燃燒器噴口的高度上,生成的部分NOx被CO等中間產(chǎn)物還原,NOx的濃度會發(fā)生波動,且在低負(fù)荷下NOx濃度的波動更加明顯;在燃盡區(qū)區(qū)域,由于燃盡風(fēng)稀釋了NOx,使得NOx的濃度有所降低,在燃盡風(fēng)噴口上方至折焰角下方,爐內(nèi)的氧氣得到補(bǔ)充,來自燃燒區(qū)的HCN和NH3等中間產(chǎn)物被氧化成NOx,故NOx的濃度進(jìn)一步升高;在折焰角及以上區(qū)域NOx的濃度趨于穩(wěn)定。
圖2 不同負(fù)荷下NOx濃度沿爐膛高度的變化
本文對省煤器出口平面噴氨前O2濃度和CO濃度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中,橫坐標(biāo)為測孔位置,沿省煤器出口處寬度從左到右均勻分布14個(gè)測孔,每個(gè)測孔均測量了深度0.5m、1.5m、2.5m、3.5m和4.5m處,因此共70個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。由圖3(a)可知,隨著負(fù)荷的降低,燃燒所耗O2量減少,O2濃度整體升高;O2濃度分布的均勻程度隨著負(fù)荷的降低先降低再升高;在負(fù)荷為400MW時(shí)深度為0.5m處的測點(diǎn)值之間差異較大,在負(fù)荷為300MW時(shí)各深度O2濃度差異較小。由圖3(b)可知,隨著負(fù)荷降低,CO濃度分布趨于均勻,各負(fù)荷下CO濃度沿寬度方向從左到右逐漸升高。
圖3 不同負(fù)荷下省煤器出口O2、CO濃度
本本文以某600MW超臨界對沖鍋爐為研究對象,應(yīng)用數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了負(fù)荷調(diào)整對溫度場、NOx生成、CO濃度的影響,得出以下結(jié)論:在機(jī)組負(fù)荷降低時(shí),各負(fù)荷下爐內(nèi)溫度分布規(guī)律基本相同,總體溫度相應(yīng)降低,高溫區(qū)不斷縮小,其最高溫度也有所下降;隨著負(fù)荷的降低,NOx濃度呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,由600MW降低至400MW時(shí),由于溫度降低熱力型NOx生成減少,爐內(nèi)NOx的整體濃度降低,400MW降低至250MW時(shí),由于爐膛燃燒的風(fēng)煤比增大,爐內(nèi)氧氣濃度增加,氧化性氛圍變強(qiáng),燃料型NOx生成量增加;隨著負(fù)荷的降低,燃燒所耗O2量減少、O2濃度整體升高;O2濃度分布的均勻程度隨著負(fù)荷的降低先降低再升高;CO濃度分布隨著負(fù)荷的降低趨于均勻;采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)測量相結(jié)合的研究方法,在分析現(xiàn)場實(shí)際問題時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性和可靠性。