負荷對煤電鍋爐NOx、CO生成的影響分析

黃岡大別山發電有限責任公司 郭 驍 尹 軍 吳 超

東南大學能源與環境學院大型發電裝備安全運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等燃燒產物的排放要求，SCR噴氨也要進行調整，而目前所使用的SCR噴氨調節具有一定的滯后性，這對產物生成波動的調節造成一定的困難，近年來有研究者根據運行參數建立省煤器出口的NOx預測模型。此外，燃燒過程中產生的CO含量也是檢測大氣污染的重要指標之一，會造成不完全燃燒熱損失的增加，降低鍋爐的效率。同時CO也與NOx相關聯，一定量的CO可降低NOx的濃度。

國國內外研究者對NOx生成的預測開展了各種研究。余庭芳和李鵬輝[1]應用Matlab神經網絡工具箱建立了NOx排放預測模型，并采用遺傳算法進行參數尋優，優化后鍋爐的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，對比結果發現TDLAS儀表更新速度更快、誤差更小。

本文基于煤粉燃燒數值模擬計算模型[3]和實驗測量，對不同負荷下NOx、CO等燃燒產物的生成情況進行了研究，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。前后煙道底部設置煙氣調溫擋板來調節再熱汽溫。鍋爐豎井煙道下設置兩臺三分倉回轉式空氣預熱器。

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風NOx噴口（燃盡風噴口），每層燃燒器均為6只。通過實驗的方式，結合O2和CO的濃度測量，可提高燃燒效率監測的可靠性，同時監測爐膛內的不完全燃燒程度，進一步考察鍋爐效率。

1 負荷對NOx、CO生成的影響

1.1 溫度場變化

當鍋爐負荷為600MW、500MW、400MW和250MW時，在不同負荷下爐內溫度分布規律基本相同，爐膛內溫度分布呈現較好的對稱性；隨著負荷的不斷降低，爐膛內溫度總體降低，高溫區不斷縮小，其最高溫度也有所下降。當鍋爐負荷為600MW時大量的煤粉噴入爐內，未在燃燒區燃盡，這部分未燃盡的煤粉在燃盡區劇烈燃燒，使爐膛上部溫度較高；當鍋爐負荷為500MW時，后墻上層燃燒器對應的磨煤機停用，后墻上層燃燒器出口不產生火焰，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送入少量二次風；當鍋爐負荷為400MW時上層燃燒器全部停用，燃盡區溫度降低，爐膛高溫區變小；當鍋爐負荷為250MW時，冷灰斗區域溫度也明顯降低。

1.2 NOx生成量變化

本文根據數值模擬計算結果對省煤器出口平面NOx濃度的具體數值進行定量分析，并將結果與實測值進行對比。由圖1可知，在不同負荷下本文所建模型模擬值與實測值能較好吻合，其誤差不超過3.3%。隨著負荷的降低，NOx濃度呈現先降低后升高的趨勢；當鍋爐的負荷從600MW降低至400MW時，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；而當鍋爐負荷由400MW降低至250MW時，由于爐膛燃燒的風煤比增大，爐內氧氣濃度增加，氧化性氛圍變強，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濃度隨鍋爐負荷的變化

由圖2可知，不同負荷下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。冷灰斗區域由于溫度較低且含氧量較低，NOx的濃度相應較低；在主燃區內煤粉不斷進入爐膛燃燒，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等中間產物還原，NOx的濃度會發生波動，且在低負荷下NOx濃度的波動更加明顯；在燃盡區區域，由于燃盡風稀釋了NOx，使得NOx的濃度有所降低，在燃盡風噴口上方至折焰角下方，爐內的氧氣得到補充，來自燃燒區的HCN和NH3等中間產物被氧化成NOx，故NOx的濃度進一步升高；在折焰角及以上區域NOx的濃度趨于穩定。

圖2 不同負荷下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濃度的實驗數據進行分析。其中，橫坐標為測孔位置，沿省煤器出口處寬度從左到右均勻分布14個測孔，每個測孔均測量了深度0.5m、1.5m、2.5m、3.5m和4.5m處，因此共70個數據點。由圖3（a）可知，隨著負荷的降低，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荷的降低先降低再升高；在負荷為400MW時深度為0.5m處的測點值之間差異較大，在負荷為300MW時各深度O2濃度差異較小。由圖3（b）可知，隨著負荷降低，CO濃度分布趨于均勻，各負荷下CO濃度沿寬度方向從左到右逐漸升高。

圖3 不同負荷下省煤器出口O2、CO濃度

2 結語

本本文以某600MW超臨界對沖鍋爐為研究對象，應用數值模擬、現場實驗相結合的方法，研究了負荷調整對溫度場、NOx生成、CO濃度的影響，得出以下結論：在機組負荷降低時，各負荷下爐內溫度分布規律基本相同，總體溫度相應降低，高溫區不斷縮小，其最高溫度也有所下降；隨著負荷的降低，NOx濃度呈現先降低后升高的趨勢，由600MW降低至400MW時，由于溫度降低熱力型NOx生成減少，爐內NOx的整體濃度降低，400MW降低至250MW時，由于爐膛燃燒的風煤比增大，爐內氧氣濃度增加，氧化性氛圍變強，燃料型NOx生成量增加；隨著負荷的降低，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荷的降低先降低再升高；CO濃度分布隨著負荷的降低趨于均勻；采用數值模擬和實驗測量相結合的研究方法，在分析現場實際問題時具有一定的準確性和可靠性。