負(fù)荷對煤電鍋爐NOx、CO生成的影響分析

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。

1 負(fù)荷對NOx、CO生成的影響

1.1 溫度場變化

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。

1.2 NOx生成量變化

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

1.3 CO生成量變化

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

2 結(jié)語

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。