某300MW锅炉不同工况低氮燃烧优化

刘洪宪，史梦燚

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

某300MW锅炉不同工况低氮燃烧优化

刘洪宪，史梦燚

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

低氮燃烧技术是最为有效降低氮氧化物生成和排放的方式之一，其原理多运用空气分级技术，即不同配风方式来调节炉内烟气成分变化，然而生成物变化又会产生后续的一系列变化，例如：锅炉效率，脱硝成本等。目前高效低氮燃烧技术又日益引起人们的关注，因此寻找既高效又低氮的燃烧方式是必要的。针对额定工况下炉内燃烧进行模拟，调节配风方式对锅炉效率和SCR处理运行费用进行优化研究，并得出结论：在所研究工况中，燃尽风量为36%处使其总成本达到最低。

低氮燃烧；炉内模拟；锅炉效率；脱硝成本

目前，电站锅炉运行面临降低运行成本和降低污染物排放[1]的双重要求，高效的运行生产和低污染物排放的技术日益引起人们的关注。一般而言，煤粉高效燃烧技术与低NOx燃烧技术[2]是互为矛盾的。根据NOx生成原理可知，降低NOx生成和排放[3]的关键在于控制燃烧区域的高温与煤粉的高浓度不同时存在[4]，但是此方式又会影响煤粉的燃烧效率，协调好这两项技术使之达到综合最佳，就要求对煤粉燃烧全过程加以优化控制，既保证煤粉着火稳定，同时具有较低的燃烧温度，且在此温度下又能保证煤粉的燃尽。因此，本文通过调节配风方式[5]，以燃尽风量分别为25%、28%、32%、36%四个不同工况对炉内燃烧进行数值模拟，寻找锅炉效率和脱硝成本最佳的组合方式。

1 锅炉概况

本文采用国电东北电力有限公司双辽发电厂2号锅炉为研究对象，该锅炉为哈尔滨锅炉有限公司制造300 MW亚临界燃煤机组锅炉，型号为HG-1021/18.2-HM5。研究对象为亚临界压力汽包锅炉，一次中间再热自然循环煤粉炉，锅炉燃烧方式为直流燃烧器的六角切圆锅炉[6]。制粉系统采用正压直吹式系统，每台锅炉配备六台型号为FM340.1060的风扇磨。锅炉横截面积为14 048 mm×14 030 mm，锅炉设计以及燃用煤种分别为乌拉盖褐煤和霍林河褐煤。设计及燃用煤质，如表1所示。

表1 设计及燃用煤种煤质分析

2 不同工况模拟结果

2.1 不同工况下炉内温度场分析

从图1可以看出在不同工况下，炉内燃烧温度呈现先升高后降低的趋势，且在燃尽风区域后其温度减小幅度变慢。炉内燃烧所使用的低氮燃烧器，其炉内燃烧速度变化不大，所以其总体燃烧温度没有较大幅度的变化；随着燃尽风量的增加，主燃烧器区域逐渐出现还原性气氛，这对燃尽是不利的，会产生较多的未完全燃烧的气体和焦炭。在燃尽风区，随着燃尽风的喷入，在燃尽风区域温度仍然能达到焦炭和未完全燃烧气体的燃点，所以在燃尽风区域再次进行了燃烧，会有一定温度的升高，但是在水冷壁的吸热的前提下，随着炉膛高度的上升其炉内温度还是下降，但是降低幅度有所减小。

图1 不同工况下沿炉膛高度方向整体温度分布

图2 沿炉膛高度方向CO浓度分布图

2.2 不同工况下浓度场分析

2.2.1 CO浓度场分析

从图2可以看出，随着燃尽风量的增加，主燃烧器区的氧气含量减少，逐渐加剧了CO气体生成，即不完全燃烧损失增加。在不同工况下，不完全燃烧的气体[7]生成变化是一致的，都是在主燃烧器区域大量生成，随着烟气的流动逐渐再被燃烧达到较为低的水平浓度。在燃尽风区域CO含量基本达到稳定，炉膛出口处的生成CO含量浓度基本没有变化，且CO含量较少，化学不完全燃烧损失可忽略不计。

2.2.2 CO2浓度场分析

图3 沿炉膛高度变化的CO2浓度分布图

图4 沿炉膛高度方向O2浓度分布图

从图3中可以看出，随着燃尽风含量的变化，各个工况的CO2生成量变化趋势大致是一致的，上升下降再上升再下降。这是因为沿着炉膛高度变化，煤粉在主燃烧器区进行燃烧，生成大量的CO2；随着烟气在炉膛内流动，由于漏风等原因，在主燃烧器区和燃尽风区之间，CO2的摩尔分数降低；燃尽风的加入，使得未完全燃烧的部分在燃尽风区域进行二次的燃烧，在燃尽风区域CO2含量增加，但是随着燃尽风的喷入，带入了大量的其他气体，CO2的摩尔分数又降低了。在不同工况下炉膛出口CO2含量变化：从大到小分别为28%、36%、25%、32%，虽然在主燃烧器区CO2含量变化较大，但是在炉膛出口处CO2变化不大。

2.2.3 O2浓度场分析

O2浓度分布对锅炉降低NOx排放浓度及燃烧效率都有较大影响[8]，炉内O2浓度场如图4所示。从图4可以看出，在额定负荷下，随着燃尽风量的变化，在主燃烧器区，燃尽风量越大的工况O2含量越低，并且生成的CO也较多。在进入燃尽风区域O2含量迅速升高，基本达到平衡和稳定，由于不同燃尽风量下主燃烧器生成CO和未燃烧的煤粉含量不同，并结合相同炉膛空间对燃尽的共同影响，在炉膛出口O2浓度含量大致随着燃尽风组分含量的增大而增加。

2.2.4 NO浓度场分析

图5 沿炉膛高度方向NO浓度分布图

图6 不同工况下排烟和未完全燃烧损失分布图

从图5中可以看出，在额定负荷下，随着燃尽风量的变化，在主燃烧器区域以及燃尽风区域生成NO含量有着明显大幅度的变化。随着燃尽风量的增加，在主燃烧器区域氧量开始减少，但是在主燃烧器区温度还是较高，会生成一部分的NO。由于主燃烧器风量减少，逐渐出现还原性气氛，会生成较少的NO。在主燃烧器区生成的NO随着烟道的流动，进入燃尽风区域，该区域氧量较为充足，但是燃尽风量越大，温度越低，对氧化生成NO的能力越小。因此，随着燃尽风量的增加，生成的NO含量也越低，尾部进行SCR脱硝成本以及排污成本也越低。

2.3 成本分析

2.3.1 不同工况下锅炉热损失

从图6中可以看出，在额定负荷下，随着燃尽风量的改变，排烟损失和未完全燃烧损失是有所变化的。因此，锅炉效率也是变化的，但改变量不太明显，锅炉经济性对燃尽风量变化不敏感。NOx燃烧器改造前后经济性分析中改造前及没有增设燃尽风相比，锅炉经济性变化较为明显。因此，在锅炉总风量一定的前提下，还是二次风对锅炉经济性变化影响大。改造后燃烧器为低氮氧化物燃烧器，具有降低氮氧化物的特性，其特征之一就是在主燃烧器上方增设燃尽风喷口，主要目的为减少氮氧化物的生成和排放，对锅炉经济性的影响不明显。因此，选择燃尽风量时，应该主要考虑氮氧化物的排放特征[9]。

2.3.2 不同工况下的单位煤耗率和锅炉效率

从图7中可以看出，不同工况下的单位煤耗率和锅炉效率变化不大，这是由于不完全燃烧损失以及排烟损失变化幅度也较小，其他损失几乎不变。由锅炉效率计算得出的单位煤耗量也相差不多。因此，燃尽风量的改变对锅炉效率影响不大。

图7 不同工况下的单位煤耗率和锅炉效率

2.3.3 脱硝成本及排污成本计算

目前电厂常用的处理NOx的方法有SCR和SNCR法[10]，本文采用SCR脱硝方法，SCR脱硝原理[11]如下：

4NO+4NH3+O2=3N2+6H2O，

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O，

脱硝效率为70%，脱硝还原剂为液氨。氮氧化物中NO含量占95%，NO2含量占5%。

还原剂耗量的计算见下式[12]：

(1)

(2)

式中：nNOX为脱硝效率，%；rα为氨的逃逸率(ppmv，相当于标准状态、实际含氧量下的干烟气)。

对于SCR脱硝系统，氨逃逸率非常低，公式中氨氮当量摩尔比与脱硝效率相差不大，在工程中也可直接采用脱硝效率[13]代替氨氮当量摩尔比以简化计算。由公式(1)和公式(2)得出还原剂耗量，求得还原剂的成本，由还原剂成本所占整个SCR脱硝成本的比例，可得出整个SCR的成本。由于改造前后炉膛出口氮氧化物的含量不同，排污费用就不同，同时对用表示锅炉效率的单位煤耗量成本以及脱硝排污成本作为总成本进行计算和分析，计算得出各个成本结果如表2所示。

表2 不同工况下的各个成本

图8 不同工况下的各个成本

从图8可以看出，由于相同负荷下不同燃尽风量的工况下的锅炉效率相差不大，所以在相同负荷下不同燃尽风量的工况下的单位煤耗成本相差也不大；在100%负荷处所做四个工况中燃尽风量为36%处脱硝成本达到最低，在所给的燃尽风量中的趋势为先增加后降低的趋势；排污成本是和脱硝有联系的，按照脱除单位氮氧化物产生来计算所需多少排污费用，二者呈线性关系，因此变化趋势和脱硝费用一致。额定负荷下所做四个工况中消费最低点为燃尽风量为36%处。从图8中可以看出，在额定负荷下所做四个工况中燃尽风在36%时效益最好，并且在不同燃尽风条件下，锅炉效率变化不大，单位时间消耗的煤粉量是一定的，同时证明了在同样负荷下，其燃尽风的选择主要取决于氮氧化物生成和排放量。导致这个现象的原因为：在额定负荷下，随着燃尽风量的增加，虽然在主燃烧器区域温度较高，但是主燃烧器区风量减少形成了还原性气氛，生成氮氧化物的含量减少，最终在所做四个工况中燃尽风为36%处其氮氧化物最低，在此处效益最好，但随着燃尽风量的再增加其氮氧化物的变化如何还需进一步研究。

3 结 论

(1)从组分浓度的分析可得出结论，在额定负荷下，随着燃尽风量的改变，未完全燃烧损失和排烟损失变化不大，其他损失几乎不变，所以锅炉效率变化不大说明燃尽风量的改变对锅炉损失以及效率变化影响不大。

(2)从氮氧化物的生成可以看出，在不同工况下的氮氧化物生成含量有明显的变化。在相同负荷下，随着燃尽风量的改变，在不同工况下的变化趋势是不太相同的，但是其变化是明显的。最后炉膛出口排放的氮氧化物含量变化是不大的，这说明了，随着燃尽风量的改变，主要影响了氮氧化物的生成量。因此，燃尽风量的选取主要取决于氮氧化物生成和排放量。

(3)在100%负荷下，脱硝成本呈现先增加后降低的趋势，并且在所做四个工况中燃尽风量为36%时总的成本最低；然而随着燃尽风量的进一步增加，其氮氧化物的成本如何变化还是和低负荷下脱硝成本变化趋势是否一致还需进一步研究。

(4)由于工况选取时，燃尽风量的变化有些大，是否在其区域中出现更为高效的工况还需进一步仔细地研究。

[1] 林晓芬，张军，尹艳山，等.烟气脱硫脱氮技术综述[J].能源化境保护，2014，28(1)：1-4.

[2] 秦明，吴少华，孙绍增，等.六角切圆燃烧褐煤煤粉锅炉低NOx燃烧技术研究[J].中国电机工程学报，2005，25(1)：158-162.

[3] 杨宏军，朱礼想，李胜利，等.火电厂降低NOx排放的技术研究[J].电力科技与环保，2011，27(6)：10-13.

[4] 林正春，代茂林，熊兴才，等.常规大容量煤粉锅炉炉内通过燃烧控制降低NOx的主要措施探讨[J].发电设备，2005，19(2)：81-84.

[5] 黄天旭，王聪玲，谭厚章.燃烧器配风方式对NOx排放影响的试验研究[J].热力发电，2008，37(5)：36-39.

[6] 束继伟，杜利梅，杨晓东，等.六角切圆锅炉低氮燃烧器改造前后污染物排放特性研究[J].黑龙江电力，2014，36(3)：210-213.

[7] Baek S H，Park H Y，Ko S H.The effect of the coal blending method in a coal fired boiler on carbon in ash and NOx emission[J].Fuel，2014.128(14)：62-70.

[8] 李佩直，孙斌.低氮燃烧器的应用及燃烧调整研究[J].东北电力大学学报，2015，35(2)：31-35.

[9] Baird B，Etemad S，Karim H，et al.Gas turbine engine test of RCL catalytic pilot for ultra-low NOx applications[J].Catalysis Today.2010，155(1)：13-17.

[10] 蔡小峰，李晓芸.SNCR-SCR烟气脱硝技术及其应用[J].电力科技与环保，2008，24(3)：26-29.

[11] 郭斌，廖宏楷，徐程宏，等.我国SCR脱硝成本分析及脱硝电价政策探讨[J].热能动力工程，2010，25(4)：437-440.

[12] Ying M L，Dai C F，Low NOx burner retrofit and operation adjustment of 600 MW opposed wall firing boiler[J].Electric Power，2011，44(4)：55-58.

[13] 杜振，钱徐悦.燃煤电厂烟气SCR脱硝成本分析与优化[J].中国电力，2013，10：124-128.

Optimization Analysis of Low Nitrogen Combustion Under Different Air Distribution Modes

LIU Hong-xian，SHI Meng-yi

(Energy and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Low nitrogen combustion technology is one of the most effective ways to reduce the formation and emission of nitrogen oxides，and the principle of air classification technology，which is different with the wind mode to adjust the content of the furnace，but the generation of material changes will produce a series of changes，such as：boiler efficiency，denitrification cost，etc.，the current high efficiency and low nitrogen combustion technology has increasingly attracted people's attention，so it is necessary to find a high efficiency and low nitrogen.This paper simulates the rated condition according to the combustion furnace，adjusting the air distribution on the boiler efficiency and SCR operating cost optimization study，draws the conclusion：in the overfire air was 36%，the total cost is the lowest.

Low nitrogen combustion；Furnace simulation；Boiler efficiency；Denitrification cost

2016-04-12

刘洪宪(1971-)，男，吉林省农安县人，东北电力大学能源与动力工程学院副教授，硕士，主要研究方向：电站锅炉燃烧技术.

1005-2992(2016)06-0043-06

TK223.23

A