燃烧调整对W火焰锅炉省煤器出口烟气组分分布的影响

杨希刚 金保昇 古世军 李昌松 陈国庆

(1东南大学能源与环境学院，南京 210096)(2国家能源集团科学技术研究院有限公司清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室，南京 210023)(3国家能源集团广西电力有限公司，南宁 530007)

截至2020年底，我国煤电机组装机容量已达到1 095 GW，其中96%以上联合采用低氮燃烧技术和选择性催化还原(SCR)烟气脱硝技术实现NOx达标排放[1-2].SCR脱硝技术是煤电机组NOx排放达标治理最为主流的技术[3-4].但受省煤器出口烟气组分和流场分布以及SCR喷氨和催化剂活性等因素影响，SCR系统普遍存在局部氨逃逸偏高的问题，导致后续空气预热器、除尘器和引风机等设备出现粘灰现象，严重影响机组运行的安全性和经济性[5-6].

定期开展喷氨优化是煤电机组控制SCR脱硝系统氨逃逸的有效措施.目前，SCR脱硝系统喷氨控制多采用分阀手动和总阀自动的调节控制模式[7-9].喷氨总阀采用自动调节方式虽然能够较为有效地跟踪机组运行方式并对喷氨总量做出及时的调整，但受喷氨分阀手动调节的限制，还原剂在反应器内的分布调节及时性较差，导致脱硝出口NOx和NH3分布不均，局部氨逃逸过高的现象仍然普遍存在[10-12].为此，国内学者近年开展了SCR精准喷氨优化调整技术研究，在喷氨总阀自动调节的基础上将喷氨分阀改为自动调节[13-15]，以提高喷氨支管还原剂流量调节响应的及时性.然而，实际运行中发现，喷氨分阀调节不仅与脱硝系统有关，还与炉内的燃烧调整方式密切关联，建立炉内燃烧控制参数与脱硝入口烟气组分分布之间的关联关系是分阀精准调控的基础.然而，目前针对炉内燃烧调整对省煤器出口(SCR入口)烟道横截面烟气组分分布特性影响的相关研究相对较少.

另外，W火焰锅炉炉内燃烧组织方式特殊[16-18]，燃烧器均匀布置在炉膛前后拱上，炉内燃烧的均匀性随着运行调整变化相对较大，势必影响进入SCR脱硝系统的烟气组分分布，而目前尚未找到有效的方法来平衡喷氨量与省煤器出口NOx浓度多变的关系[19-20].因此，研究W火焰锅炉省煤器出口烟气组分分布与锅炉运行调整参数之间的关联关系，对于此类锅炉的SCR脱硝系统实现精准喷氨、提高脱硝效率具有重要的指导价值.为此，本文以某660 MW超临界W火焰锅炉为研究对象，系统地分析了锅炉负荷、运行氧量、磨煤机组合方式(简称磨组)以及燃尽风风门开度等燃烧调整方式对省煤器出口烟道横截面主要烟气组分(O2和NOx)分布的影响规律，研究结果可为此类锅炉SCR脱硝喷氨精准控制提供参考.

1 设备概况

本文研究对象为型号DG2141/25.4-Ⅱ12超临界参数W火焰直流锅炉，锅炉采用垂直管圈水冷壁变压运行和挡板调节再热汽温，其炉膛结构及燃烧系统如图1所示.以炉拱为界，整个炉膛分为上、下2个部分，上炉膛为四角结构，下炉膛为八角结构，上、下炉膛宽度相同，深度方向尺寸比为1∶1.75.锅炉配置双进双出钢球磨煤机冷一次风机正压直吹式制粉系统，配备2台双动叶可调式一次风机和6台BBD(MGS4360)型磨煤机，磨煤机编号分别为A～F.每台磨煤机带4只双旋风煤粉燃烧器，燃烧器结构见图1中局部放大图.24只双旋风煤粉燃烧器顺列布置在下炉膛的前、后拱上，燃烧器编号依据对应磨煤机编号由1～4排序，如B磨煤机对应的4只燃烧器分别编号为B1、B2、B3、B4，其他依此类推.

图1 660 MW超临界W火焰锅炉燃烧系统(单位：mm)

2 试验方法

2.1 测点布置

省煤器出口烟道横截面烟气组分浓度测量选用的测点位于省煤器出口水平烟道段，按照网格法布置原则，沿着烟道宽度方向从左到右依次等距布置15个测孔，每个测孔在深度方向布置3个测点，测点距烟道表面距离分别为1.00、1.75、2.50 m.为了方便区分，从左侧向右的第n个测孔标记为测孔n，其中1～8号测孔位于省煤器出口左侧烟道，9～15号测孔位于省煤器出口右侧烟道.

2.2 测量方法与试验煤质

2.2.1 测量方法

测量过程中，以烟气预处理器作为烟气抽取动力，通过硅胶管连接不锈钢烟气取样管抽取烟道上各测孔不同深度的烟气，并经烟气预处理器中的除尘单元、冷凝单元将抽取的烟气除尘、除湿、冷却后送入烟气分析仪中.采用的烟气分析仪为NGA2000和TESTO350.测量过程中，待烟气分析仪各项参数趋于稳定时，记录O2和NOx浓度，记录时间间隔为30 s.

2.2.2 试验煤质

试验所使用的煤质分析结果见表1.

表1 试验煤质工业分析数据列表

3 试验结果与分析

3.1 机组负荷的影响

图2给出了3个试验机组负荷下省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度的分布情况.由图可知，650 MW负荷6台磨煤机运行方式下，NOx质量浓度在烟道宽度方向上呈左侧低右侧高的分布特点，平均值为850 mg/m3(标准状态干基，O2体积分数6%，下同)，最高值为1 013 mg/m3，最低值为725 mg/m3，相差288 mg/m3；在深度方向上呈前墙低后墙高的分布特点.500 MW负荷磨组方式为A/B/C/D/F五台磨煤机运行方式下，NOx质量浓度在烟道宽度方向上也呈左侧低右侧高的分布特点，平均值为745 mg/m3，最高值为873 mg/m3，最低值为635 mg/m3，相差238 mg/m3，质量浓度值及偏差与650 MW负荷下相比明显减小，且在深度方向上NOx分布较均匀.450 MW负荷下，虽然仍是5台磨煤机运行，但NOx分布发生很大的变化，在宽度方向上呈两侧高中间低的分布特点，平均值为503 mg/m3，最高值与最低值分别为654和389 mg/m3，相差249 mg/m3，在深度方向上NOx分布相对均匀.由此可知，随着机组负荷的升高，省煤器出口NOx质量浓度值呈递增趋势，截面上NOx质量浓度分布由左高右低改变为左低右高.

为了定量分析省煤器出口烟道截面各测点测得的烟气组分浓度分布的均匀性(也称离散程度)，本文引入了标准方差.为了减小测量尺度、数据量纲以及样品数量差异造成的误差，本文采用变异系数比较同一截面不同工况下样本参数的离散程度(不均匀度).计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中，ENOx为测量截面NOx质量浓度的算术平均值；σNOx为测量截面NOx质量浓度的标准方差；φNOx为测量截面NOx质量浓度的变异系数；xi,j为测量截面第(i，j)测点NOx质量浓度的测量值；n为测量截面宽度测孔编号，本文取15；m为测量截面深度测点编号，本文取3.

采用式(1)～(3)对图2中3个试验负荷下省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度分布的不均匀度进行计算，结果分别为7.23%、8.00%、13.80%.不均匀度越高表明省煤器出口烟道截面NOx质量浓度偏差越大.由此可知，随着机组负荷的降低，省煤器出口横截面NOx质量浓度分布的不均匀度增大，450 MW负荷下省煤器出口横截面NOx质量浓度分布的偏差最大，这与测量截面NOx质量浓度最高值与最低值偏差结果基本相符.省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度分布主要受炉内燃烧均匀性的影响，而燃烧的均匀性主要取决于各燃烧器煤粉量和二次风分配的均匀性[21-22].省煤器出口烟道横截面烟气中O2体积分数分布是表征炉内煤粉量分配和二次风分配的重要关联参数，为此，本文进一步分析了省煤器出口烟道截面O2体积分数分布特性以解释NOx质量浓度分布特征.

图3给出了3个试验机组负荷下省煤器出口烟道截面O2体积分数的分布情况.由图可知，650 MW负荷6台磨运行方式下，O2体积分数在烟道宽度方向上呈右侧低左侧高的分布特点，最高值为6.40%，最低值为2.70%，相差3.70%；在深度方向上呈前墙高后墙低的分布特点.500 MW负荷A/B/C/D/F五台磨运行方式下，O2体积分数在烟道宽度方向上也呈左侧高右侧低的分布特点，最高值为5.80%，最低值为3.40%，相差2.40%，但偏差与650 MW负荷下相比明显减小，且深度方向上绝大部分区域分布较均匀.与图2(a)和(b)对比可知，O2体积分数分布的高峰和低谷位置与NOx质量浓度分布基本相吻合，O2体积分数高的区域，NOx质量浓度越高；O2体积分数低的区域，NOx质量浓度低.然而，450 MW负荷下虽然仍是5台磨运行，但是省煤器出口烟道横截面O2体积分数的分布发生很大的变化，在烟道宽度方向上呈左侧低右侧高的分布特点，在深度方向上绝大部分区域分布均匀，这与图2(c)中的NOx质量浓度分布恰好相反，与650和500 MW负荷下得到的O2体积分数分布与NOx质量浓度分布的规律也恰好相反.

(a) 机组负荷650 MW

(a) 机组负荷650 MW

分析认为，中、高负荷下锅炉运行氧量低于低负荷下锅炉运行氧量，而燃尽风风率远大于低负荷下燃尽风风率，导致中、高负荷下炉内燃尽风以下主燃区和还原区为缺氧(过量空气系数小于1，约为0.90)燃烧过程.在缺氧燃烧状态下，炉内NOx的生成与还原对O2体积分数水平比较敏感.O2体积分数越低，越有利于抑制NOx生成，促进NOx还原，对应的NOx生成量也越低.相反，O2体积分数越高，对应的NOx生成量越高.因此，图2(a)和(b)所示中、高负荷下NOx质量浓度分布特点与图3(a)和(b)中的O2体积分数分布特点基本吻合.在低负荷下，锅炉运行氧量较高，空气分级比例低，整个炉内无论是主燃区、还原区还是燃尽区均为氧过剩(过量空气系数大于1)燃烧状态，而在此状态下炉内NOx生成和还原对O2体积分数并不敏感，但低负荷下炉内空气分布影响烟气温度水平.因此，在空气过量的条件下，O2体积分数越高的区域，温度水平相对越低，而NOx特别是热力型NOx的生成与炉内温度成正比，因此，O2体积分数高的区域，温度低，热力型NOx生成量降低，表现为省煤器出口烟道横截面O2体积分数高的区域NOx质量浓度值反而低，图2(c)中NOx质量浓度分布特点与图3(c)中O2体积分数的分布特点恰好相反.

图4给出了不同负荷下各测孔测得的O2体积分数平均值沿着烟道宽度方向的分布.由图中可以看出，650和500 MW负荷下O2体积分数平均值均呈左侧高右侧低的分布特点，最低值分别位于测孔9和测孔8；而450 MW负荷下O2体积分数平均值呈左侧低右侧高分布特点，最高值位于测孔13处.图4中各工况下O2体积分数平均值的分布趋势与图3中完全一致.650、500和450 MW三个试验负荷下省煤器出口烟道截面O2体积分数的不均匀度分别为30.00%、15.20%、14.40%.不均匀度越高表明省煤器出口烟道截面O2体积分数偏差越大，炉内燃烧越不均匀，计算结果表明650 MW负荷下炉内燃烧最不均匀.

图4 不同负荷下省煤器出口烟道截面O2体积分数分布

3.2 运行氧量的影响

图5给出了锅炉运行氧量对省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度和O2体积分数分布的影响.试验过程中，维持机组负荷500 MW恒定，磨组方式为B/C/D/E/F五台磨煤机运行，运行氧量分别为3.16%、4.46%、4.83%.由图5(a)可知，不同运行氧量下，省煤器出口烟道截面NOx质量浓度在宽度方向上均呈左侧低右侧高的分布特点，且运行氧量越高，单个测点的NOx质量浓度相对越高.运行氧量分别为3.16%、4.46%、4.83%时，NOx质量浓度的最大值分别位于测孔15、测孔9和测孔9，分别为780、850、830 mg/m3，截面NOx质量浓度的平均值分别为680、745、738 mg/m3.计算截面NOx质量浓度分布的不均匀度分别为7.99%、7.98%、7.52%，这表明在机组负荷恒定下，运行氧量对省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度分布影响较小.

(a) NOx

由图5(b)可知，省煤器出口烟道横截面O2体积分数在运行氧量为3.16%、4.46%工况下呈现左侧高右侧低的分布特点，且烟道截面O2体积分数的最大值分别为4.10%、5.70%，不均匀度分别为13.10%、15.20%；当运行氧量为4.83%时，呈现两侧高中间低的分布特点，不均匀度为13.90%.这说明运行氧量较高时省煤器出口烟道截面O2体积分数分布规律变化较大，但是偏差变化相对较小.

3.3 磨组方式的影响

图6给出了磨组方式对省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度和O2体积分数分布的影响.试验过程中，保持机组负荷、运行氧量和燃尽风风门开度等参数不变，改变投运磨煤机组合，分析磨组调整对省煤器出口烟道截面烟气组分分布的影响.

(a) NOx

由图6(a)可知，在相同负荷和运行氧量下，不同的磨组方式下省煤器出口烟道截面NOx质量浓度水平相差不大，但是分布特点存在较大偏差.A/C/D/E/F和A/B/C/D/F磨组方式下省煤器出口烟道截面NOx质量浓度均呈左侧低右侧高的分布特点，质量浓度平均值分别为817和745 mg/m3；而在B/C/D/E/F磨组方式下，NOx质量浓度分布相对均匀，平均值为815 mg/m3，最低值为727 mg/m3，最高值为868 mg/m3.通过对不均匀度的计算发现，A/C/D/E/F、A/B/C/D/F、B/C/D/E/F三种磨组方式下，省煤器出口烟道截面NOx质量浓度不均匀度分别为7.56%、7.70%、3.90%.

(a) 燃尽风风门开度50%

由图6(b)可知，A/C/D/E/F和A/B/C/D/F磨组方式下，省煤器出口烟道截面O2体积分数呈中间低两侧高的分布特点，而B/C/D/E/F磨组方式下，O2体积分数呈左侧高右侧低的分布特点.3种磨组方式下省煤器出口烟道截面O2体积分数的不均匀度分别为17.30%、14.70%、6.49%，O2体积分数的最高值分别位于测孔1、测孔2和测孔6位置处，分别为5.20%、5.70%、5.50%.B/C/D/E/F磨组方式下省煤器出口烟道截面烟气组分分布最均匀.

3.4 燃尽风风门开度的影响

图7为650 MW负荷下燃尽风风门开度对省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度分布的影响.试验过程中，保持运行氧量、负荷以及磨组方式不变，调整燃尽风风门开度，测量省煤器出口烟道横截面烟气组分的分布特点，分析燃尽风的影响.

由图7可知，随着燃尽风风门开度的增大，省煤器出口烟道截面上NOx质量浓度值整体呈下降趋势，50%开度下截面NOx质量浓度的最高值为1 140 mg/m3，而100%开度下截面NOx质量浓度的最高值为940 mg/m3，降低了200 mg/m3.这是因为提高燃尽风风门开度，炉内空气分级加剧，主燃区空气量减少，抑制了燃烧初期NOx的生成.对比不同燃尽风风门开度下省煤器出口烟道截面NOx质量浓度分布还可以发现，调节燃尽风风门开度影响烟道截面NOx分布的均匀性，50%、75%和100%3个工况下截面NOx质量浓度分布的不均匀度分别为7.86%、26.90%和10.40%，50%和100%风门开度下NOx质量浓度分布相对均匀.原因在于，W火焰锅炉燃尽风沿着炉膛宽度方向布置在上炉膛，在煤粉燃尽过程中起到二次补风作用，其配风的均匀性影响炉膛上部温度场和尾部烟气组分浓度分布的均匀性.何陆灿等[23]在600 MW对冲燃烧煤粉锅炉的试验结果发现，通过调整炉膛上部各燃尽风喷口开度可以有效调节炉膛上部烟气温度场的均匀性.而燃尽风风门开度影响燃尽风风箱压力和各喷口风量分配的均匀性.一般而言，风箱压力越大，各喷口风量的偏差越小.当燃尽风风箱风门开度较小时，燃尽风风箱静压相对较低，各燃尽喷口风量均较小，喷口间风量虽然有偏差，但由于NOx质量浓度较高，风量偏差造成的影响被较高的NOx质量浓度增加量掩盖，因此50%风门开度下省煤器出口NOx质量浓度偏差相对较小.随着风门开度的增加，燃尽风总风量和各喷口风量也增大，对NOx的影响逐渐增大，因此，省煤器出口NOx质量浓度分布的不均匀度出现了增大的趋势.当燃尽风风门全开时，风箱压力和喷口风量最大，喷口间风量的相对偏差最小，因此省煤器出口NOx质量浓度分布的不均匀度减小.

图8给出了燃尽风风门开度对省煤器出口烟道截面O2体积分数分布的影响.由图可知，3个风门开度下省煤器出口O2体积分数分布基本相似，均呈两侧高中间低的分布特点，但在75%风门开度下，烟道中间区域的O2体积分数相对较高.100%、75%、50%燃尽风风门开度下省煤器出口烟道截面O2体积分数的不均匀度分别为32.80%、33.70%、29.30%，且O2体积分数的最高值均位于测孔1处，分别为5.50%、6.00%、5.50%.图8中O2体积分数的分布特征基本与图7中NOx质量浓度分布规律相符.

图8 燃尽风风门开度对省煤器出口烟道截面O2体积分数分布的影响

4 结论

1) 随着机组负荷的降低，省煤器出口烟道横截面NOx质量浓度水平显著降低，但NOx分布在中、高负荷下呈左侧低右侧高的特点，而在低负荷下呈中间低两侧高的特点；机组负荷越高，NOx质量浓度分布的不均匀度越低，截面NOx质量浓度分布相对越均匀.

2) 随着运行氧量的增加，省煤器出口烟道截面NOx质量浓度水平增加，但其分布特点均呈左侧低右侧高.3.16%、4.46%和4.83%3个运行氧量下截面NOx质量浓度分布的不均匀度分别为7.99%、7.98%、7.52%，O2体积分数分布的不均匀度分别为13.10%、15.20%和13.90%，各工况下2种烟气组分分布的均匀性基本相同.

3) 改变磨组方式对省煤器出口烟道截面NOx质量浓度水平影响甚微，但显著影响截面NOx质量浓度分布特点和均匀性.A/C/D/E/F、A/B/C/D/F和B/C/D/E/F三种磨组方式下截面NOx质量浓度分布的不均匀度分别为7.56%、7.70%、3.90%，O2体积分数分布的不均匀度分别为17.30%、14.70%和6.49%，B/C/D/E/F磨组方式下NOx和O2分布的不均匀度最小.

4) 燃尽风风门开度影响省煤器出口烟道截面NOx质量浓度水平，当燃尽风风门开度由50%增加到100%，NOx质量浓度最高值由1 140 mg/m3降低到940 mg/m3；受燃尽风喷口风量分配偏差影响，50%、75%和100%3个燃尽风风门开度下NOx质量浓度分布的不均匀度分别为7.86%、26.90%和10.40%，呈先增加后降低趋势，氧体积分数分布特点与NOx基本相似.

5) W火焰锅炉燃烧调整对SCR入口烟气组分分布影响显著，个别运行参数(如磨组、负荷)调整影响的规律性难以确定，因此，对SCR脱硝系统实施精准喷氨控制改造时应将其入口烟气组分分布作为前馈写入控制逻辑，以提高喷氨精准控制的响应速度.