燃煤锅炉CO生成特性对锅炉效率及NOx生成的影响机制

吴运凯，苏 胜，王中辉，任强强，于鹏峰，黄海舟，徐 俊，汪一，胡 松，向 军

燃煤锅炉CO生成特性对锅炉效率及NO生成的影响机制

吴运凯1，苏 胜1，王中辉1，任强强1，于鹏峰2，黄海舟2，徐 俊1，汪一1，胡 松1，向 军1

(1. 华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，武汉 430074；2. 华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

以国内某600MW墙式切圆燃烧锅炉为研究对象，在炉膛关键区域布置了高温CO在线监测系统，通过试验与数值模拟计算，研究了炉膛CO生成特性与锅炉效率及NO排放的关联特性，并建立了低氮综合燃烧指数，以平衡锅炉高效燃烧与低氮排放之间的矛盾．研究结果表明，该锅炉效率随监测的炉膛CO浓度增大呈现先增大后减小的趋势，炉膛NO排放浓度随炉膛CO浓度的增大而逐渐降低；锅炉CO生成特性与锅炉效率及NO排放均表现出了显著相关性，优化炉膛CO生成特性能够使得锅炉燃烧效率与氮氧化物排放的综合性能实现优化．锅炉实际运行中，可通过监测与调控炉膛CO浓度，获得低氮综合燃烧指数最大值，以有效平衡锅炉效率与NO排放之间的矛盾，实现锅炉的高效、低氮运行．

性能试验；数值模拟；炉膛CO；锅炉效率；NO生成

随着电站锅炉氮氧化物排放标准的日益严格，国内燃煤电厂普遍对锅炉进行了空气分级低氮燃烧改造[1-2]．空气分级低氮燃烧技术通过适当减小主燃区空气量，降低主燃区燃烧温度，实现了控制锅炉NO生成的目标[3-4]．然而，燃烧过程中主燃区的空气量减少，可能会导致煤粉燃烧不充分，气体及固体未完全燃烧热损失增加，引起锅炉效率下降，同时还可能会导致锅炉燃烧不稳定以及结焦腐蚀等问题产生[5].在燃煤锅炉的运行过程中，为保证煤粉着火、稳定燃烧以及燃尽，炉膛内必须保持较高温度和充足的氧量，但这些条件却与控制NO生成所需的低温、低氧条件存在着明显矛盾[6]．因此在实际锅炉燃烧运行中，如何在实现控制锅炉NO排放同时保证较高的锅炉效率，已成为燃煤电厂亟需解决的问题．

在燃煤锅炉实际运行过程中，运行人员通常通过监测锅炉尾部排烟的氧含量实现对锅炉燃烧状态的优化调整．然而，锅炉排烟氧量易受烟道漏风影响，同时锅炉采用低氮燃烧方式运行后，尾部排烟氧量也无法及时反映炉膛内的分级程度及燃烧状态[7-8]，从而使得仅通过排烟氧量变化对锅炉燃烧状态进行调整会产生较大的偏差，对于提升锅炉潜能具有较大局限性．因此，亟需寻找新方法实现对低氮燃烧锅炉的优化调整，有效平衡锅炉高效燃烧所需的高温、高氧条件与低氮燃烧所需的低温、低氧条件之间的矛盾.目前已有研究表明：锅炉低氮燃烧过程中CO生成特性可以直接反映锅炉的空气分级程度与燃烧状态，与煤粉燃烧、燃尽程度之间存在强烈的关联关系，同时CO受漏风、煤质和负荷变动的影响较小，有望成为对低氮燃烧锅炉状态优化调整的重要依据[9-13]．

夏文静等[14]对某台660MW空气分级对冲燃烧锅炉燃烧状态进行了研究，发现气体未完全燃烧热损失、固体未完全燃烧热损失受CO生成特性影响显著，低氮燃烧锅炉CO生成浓度与锅炉效率之间具有显著的负相关性．谢晓强等[15]针对锅炉不同配风方式燃烧过程进行了数值模拟与试验，发现炉膛CO分布可以反映炉膛内风煤的混合情况，通过合理配风可改善风煤均匀性，降低炉膛、尾部CO浓度以及飞灰含碳量，从而提高锅炉效率；同时，锅炉CO生成特性对炉膛出口NO浓度有着重要影响．姚卫刚等[16]针对某660MW四角切圆燃烧锅炉进行了试验研究，结果表明CO的排放浓度与炉膛出口NO浓度有着明显的相关性，NO排放量随着CO排放浓度增加而逐渐降低．李德波等[17]研究了不同氧量条件下锅炉CO和NO的分布规律，发现随着烟气NO排放逐渐增加，CO排放浓度呈现了先减小后缓慢增大趋势．可见，低氮燃烧方式下，锅炉CO生成特性与锅炉效率及NO排放具有明显相关性．

然而，由于目前低氮燃烧方式下炉膛内的CO生成特性及分布规律尚不清楚，导致无法通过采用O2与CO等关键参数的有机结合，实现对锅炉燃烧状态的优化调整．结合有效的CO监测手段，深入研究锅炉CO生成特性对煤粉燃烧过程中燃烧效率及NO生成影响机制，有助于平衡锅炉效率与NO排放之间的矛盾，对实现锅炉高效、低氮、安全运行具有重要意义．

1 实验过程和方法

1.1 锅炉结构及参数

本文研究对象为国内某600MW超超临界墙式切圆燃烧锅炉(HG-1793/26.15-YM1)．该锅炉П型布置，为单炉膛、一次中间再热、平衡通风、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构锅炉，其主要参数如表1所示．表中，THA(turbine heat-rated acceptance power)为热耗率验收工况，对应锅炉经济负荷；BRL(boiler rated load)为锅炉额定负荷工况，对应汽轮机额定功率工况；BMCR(boiler maximum continuous rating)为锅炉最大连续出力工况，主要是在满足蒸汽参数、炉膛安全情况下的锅炉最大出力，也叫锅炉最大连续蒸发量．锅炉燃用煤质的收到基低位热值为14.67MJ/kg，分析结果如表2所示(收到基)．

锅炉制粉系统为中速磨煤机正压直吹式制粉系统，共6台磨煤机，采用MPS235HP-Ⅱ型中速磨煤机．该锅炉采用墙式切圆燃烧方式，燃烧器布置如图1所示：主燃烧器采用低NO的PM型煤粉燃烧器，每只煤粉喷嘴中间设有隔板以增强煤粉射流刚性．共设6层浓淡一次风口、3层油风室、10层辅助风室及1层燃尽风室，布置于4面墙上形成大切圆；在主燃区燃烧器的上方为OFA喷嘴，同时在距上层煤粉喷嘴上方约5.0m处有4层附加燃尽风SOFA喷嘴，采用角式布置，每层燃尽风SOFA喷嘴分为上、下两层，作用是补充燃料后期燃烧所需空气，同时降低炉内温度水平及抑制NO生成．

表1 锅炉主要设计参数

Tab.1 Main design parameters of the boiler

表2 锅炉煤质

Tab.2 Boiler coal quality

图1 锅炉燃烧系统简图

1.2 CO在线监测系统

为了实现对炉膛内CO浓度的实时在线监测，在炉膛壁面处安装了4套高温Walsn CEA-100-H 型的CO在线检测装置，CO测点安装位置为主燃区E层浓淡煤粉燃烧器之间，以及燃尽区下方约1m处，前后墙对称安装，具体CO测点位置如图2所示．这些CO测点位置主要针对炉膛内CO浓度可能较高的典型区域，CO测点编号与安装位置对应关系如表3所示．高温Walsn CEA-100-H 型CO在线检测装置基于电化学原理，其监测量程范围为0～100000×10-6，精度为±1%，分辨率为1×10-6．

图2 CO测点安装示意

表3 CO测点安装位置

Tab.3 Installation location of CO measuring equipment

此外，在省煤器出口烟道两侧装设了2套低温Walsn CEA-100型CO在线检测装置，同样基于电化学原理，监测量程范围为0～4000×10-6，精度为  ±1%，分辨率为1×10-6．

1.3 数值模拟方法

针对研究对象锅炉，按照1∶1进行建模，选取锅炉冷灰斗到炉膛出口之间的区域作为计算区域．锅炉的几何模型及网格划分如图3所示，采用结构化网格，对燃烧器局部、折焰角处等区域进行网格加密，总网格数大约为230万．

数值计算模型使用-方程模拟气流的湍流流动[10]，采用随机轨道模型跟踪煤粉颗粒的运行[13]，煤粉的燃烧过程包括煤粉热解、挥发分燃烧和焦炭燃烧3个过程，分别采用双平行竞争反应模型、概率密度函数(probability density function，PDF)模型和扩散-动力模型进行计算[18]，辐射换热模型采用了P-1模型．NO的模拟计算采用后处理的办法，主要考虑热力型NO和燃料型NO[19]．

图3 锅炉网格划分

数值模拟计算采用速度入口边界条件，炉膛出口采用压力出口边界条件，煤粉颗粒由一次风喷口喷入炉膛，并且假定煤粉颗粒的速度和温度与一次风保持一致；煤粉颗粒的粒径分布满足Rosin-Rammlar分布；炉膛壁面及冷灰斗壁面采用无滑移恒温边界条件；模型计算的输入煤质与锅炉实际燃用煤质保持一致．采用SIMPLIC方法对离散方程组的速度和压力求解．

模拟计算过程中进行了网格无关性验证，结果如表4所示．结果表明，230万网格与300万网格数值模拟结果较为接近，炉膛出口烟气温度相差2K，而180万网格计算结果精度较差．根据结果，认为采用230万网格规模能满足计算精度要求．

表4 网格无关性验证结果

Tab.4 Results of grid independence verification

2 锅炉燃烧性能试验及数值模拟结果

为了研究炉膛CO生成特性对锅炉效率及NO生成的影响，针对该锅炉开展了燃烧性能试验，试验过程按照《电站锅炉试验规程》进行[20]，采集600MW负荷不同工况条件下锅炉参数，包括炉膛CO浓度、尾部O2浓度、尾部CO浓度、炉膛出口NO浓度、灰渣含碳量、排烟温度以及燃尽风率参数等．参考锅炉实际运行工况，选取600MW负荷不同过量空气系数、燃尽风率条件下的5种典型试验工况，锅炉运行数据及锅炉效率计算结果如表5所示．

表5 试验工况锅炉运行数据及锅炉效率

Tab.5 Boiler operating data and efficiency under test

为了进一步揭示锅炉不同工况条件下燃烧特性，研究中对典型试验工况进行了数值模拟计算．表6给出了关键参数的计算结果，并给出了与试验值的偏差．由表6可知，模拟结果与试验结果较为接近，各参数偏差均较小，表明炉膛CO监测装置能实现对炉膛近壁面CO浓度的精确测量，并且模拟计算结果可为试验过程提供进一步参考和分析．

表6 数值模拟计算结果及偏差

Tab.6 Numerical simulation results and deviations

3 锅炉CO生成特性与锅炉效率关联特性

图4所示为炉膛各个测点CO体积分数与锅炉效率之间的关联曲线．由图4可知，600MW负荷下，随着炉膛各个测点CO体积分数降低，锅炉效率呈现先上升后下降的趋势．根据表5中试验结果，炉膛各区域CO浓度较小，表明炉膛主燃区的空气量较为充足；而当炉膛CO浓度逐渐增大时，炉膛主燃区的空气量降低、排烟温度降低、排烟体积减小，锅炉的排烟热损失随之减小，使得锅炉效率增大；当炉膛内主燃区的空气量减小到一定程度，煤粉的未燃尽程度增加，同时尾部烟道中的CO浓度增大，锅炉气体及固体未完全燃烧热损失增大，使得锅炉效率呈现降低的趋势．

图5和图6分别为各工况条件下炉膛内CO浓度场与温度场模拟结果．

图5 锅炉CO浓度场模拟结果

图6 锅炉温度场模拟结果

由图5、图6可知，锅炉主燃区的CO浓度较高，随着烟气向炉膛出口流动，通过燃尽风量的供给，烟气CO浓度不断减小．从工况1到工况5，炉膛的主燃区、燃尽区及炉膛出口CO体积分数逐渐增加，与试验工况各个测点的CO体积分数变化保持一致．图6表明，随着炉膛各个区域CO体积分数由工况1变化到工况3，即随着燃尽风率增大，主燃区风量减小，炉膛整体温度下降，且炉膛出口的烟气温度也随之下降，因此炉膛排烟热损失减少，锅炉效率呈现上升趋势；而随着炉膛内CO体积分数增大，炉膛出口烟气中CO体积分数增大，煤粉未燃尽度增加，气体未完全燃烧热损失和固体未完全燃烧热损失均增大，使得锅炉效率下降．此外，由图5和图6可知，炉膛主燃区出口区域温度和CO浓度较高，而燃尽区CO体积分数较低．这表明主燃区燃烧温度较高的区域也是生成CO体积分数较高的区域，是炉膛内CO生成主要区域．以上分析表明，炉膛CO生成特性与锅炉效率存在显著相关性，随着炉膛内CO体积分数增大，锅炉效率先增大后减小，存在合适的炉膛CO体积分数能使得锅炉效率达到优化值；且监测炉膛关键区域CO体积分数可以深入了解锅炉燃烧状态，炉膛CO体积分数参数可以作为对锅炉效率进行优化的关键参数.

4 CO生成特性与NOx排放关联特性分析

图7为炉膛各个测点CO浓度与炉膛NO排放浓度之间的关联关系曲线．随着炉膛内各测点CO增加，炉膛NO排放浓度下降，炉膛CO生成特性与NO排放特性表现出了明显的单调相关性．这是因为炉膛内CO体积分数的增加，表明炉膛空气量减小、燃烧温度降低，且由于CO等还原性气氛增强，这些均有利于减少炉膛内NO的生成．

图8给出了锅炉炉膛内NO浓度场模拟结果，可以发现，锅炉主燃区是NO生成的主要区域，这是因为主燃区燃烧温度较高，有利于NO生成．随着烟气流向炉膛出口的过程中，随着空气混合及NO反应过程进行，烟气中NO质量浓度逐渐降低．从工况1到工况3，随着燃尽风率增大，主燃区风量减小，主燃区的NO生成浓度随着降低，但是由于燃尽风量不断增大，燃尽区及燃尽区上方的NO生成有所增加；图8中模拟结果表明，炉膛过量空气系数减小，炉膛各个区域的NO生成也随着减少．

以上分析表明，炉膛CO生成特性与NO排放存在显著的负相关关系，随着炉膛CO体积分数增大，炉膛出口NO质量浓度减小，主要源于炉膛CO生成直接反映了炉膛过量空气系数的变化，并且CO等还原性气体能有效抑制NO的生成．因此，炉膛内的CO浓度变化可以有效反映锅炉NO生成特性，可作为对锅炉NO生成进行优化的关键参数．

图8 锅炉NOx场模拟结果

5 低氮综合燃烧优化指数分析

试验与数值模拟计算结果均表明，炉膛CO生成特性与锅炉效率及NO排放均存在显著的相关特性．为进一步明确锅炉CO浓度对锅炉效率及NO排放影响，研究中基于锅炉历史运行数据及性能实验工况，选取负荷为600MW、煤种稳定的运行工况，获取不同氧量及风门开度条件下的锅炉运行参数，进一步分析了锅炉效率和NO排放浓度与炉膛各测点CO体积分数的平均值之间的关联关系，如图9所示．由图9可知，随着炉膛平均CO体积分数不断增大，锅炉效率先升高后降低，而NO生成浓度逐渐降低，与5种典型试验工况条件下的结果相一致．

图9 炉膛平均CO体积分数与锅炉效率、NOx生成的关联特性

锅炉实际运行中，锅炉效率与NO生成存在着一定的相互制约关系，而对锅炉燃烧性能的优化，需要平衡锅炉高效燃烧与低氮排放之间的矛盾．针对本研究的目标锅炉，基于炉膛CO生成特性与锅炉效率及NO排放关联特性，同时考虑该锅炉实际运行时效率要求高于90.5%，而NO生成浓度要求低于398mg/m3，建立了该锅炉低氮综合燃烧优化指数 如下：

式中：为低氮综合燃烧指数，值一定时，的数值越大表明该锅炉效率和NO排放的综合燃烧效果越好；为实时锅炉效率，%；为实时炉膛出口NO质量浓度，mg/m3；为炉膛出口NO质量浓度对锅炉燃烧综合性能的影响因子，取值为[0，1]．

在锅炉负荷一定、煤质稳定时，低氮综合燃烧指数反映了锅炉效率和NO排放的综合变化．该指数越大，反映锅炉燃烧状态越好，通过该指数能够有效对锅炉效率和NO排放的综合效果进行评价．图10所示为取不同值时，炉膛平均CO体积分数与低氮综合燃烧指数的关联曲线．由图10可知，当值一定时，随着炉膛平均CO体积分数增大，低氮综合燃烧指数均先增大后减小；存在一个最佳的炉膛平均CO体积分数，能使得低氮综合燃烧指数数值达到最大值．此外由图10可知，当取[0，1]之间的值时，最佳的炉膛平均CO体积分数分布在一定的区间内．因此对于实际锅炉燃烧过程，通过调整运行氧量及风门开度，使得炉膛平均CO体积分数位于该区间内时，锅炉效率位于较高的水平而炉膛出口NO质量浓度也控制在较低的范围内．这充分说明了在锅炉实际运行中，可通过监测与调控炉膛CO体积分数，有效平衡锅炉效率与NO排放之间的矛盾，实现锅炉的高效、低氮运行．

图10 炉膛平均CO体积分数与低氮综合燃烧指数的关联特性

6 结 论

(1) 针对研究对象锅炉，随着炉膛CO体积分数增大，锅炉效率先增大后减小，炉膛CO生成特性与锅炉效率存在显著相关性．研究结果表明存在合适的炉膛CO体积分数能使得锅炉效率达到优化值，炉膛CO体积分数参数可作为对锅炉效率进行优化的关键补充参数．

(2) 锅炉 CO生成特性与NO排放特性也呈现了明显的单调相关性，随着炉膛CO体积分数增大，NO排放减小．炉膛CO体积分数变化可有效反映锅炉NO生成特性，同样可以作为对锅炉NO生成进行优化的关键参数．

(3) 基于目标锅炉CO生成特性与锅炉效率及NO排放的关联特性，建立了低氮综合燃烧优化指数，以有效平衡锅炉效率与NO排放之间的矛盾．研究结果表明，存在最佳炉膛CO体积分数，能够使得低氮综合燃烧指数达到最大值．锅炉实际运行中可通过监测与调控炉膛CO体积分数，并进一步与氧量调整等方法有机结合，实现锅炉的高效、低氮运行.

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Influence Mechanism of CO Generation of Coal-Fired Boilers on Boiler Efficiency and NOGeneration

Wu Yunkai1，Su Sheng1，Wang Zhonghui1，Ren Qiangqiang1，Yu Pengfeng2，Huang Haizhou2，Xu Jun1，Wang Yi1，Hu Song1，Xiang Jun1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Huadian Electric Power Science Academy，Hangzhou 310030，China)

A domestic 600MW wall-type tangentially burning boiler was taken as the research object，and a high-temperature CO online monitoring system was arranged in the key areas of the boiler. Through experiments and numerical simulation calculations，the correlation was studied among the boiler CO generation characteristics，the boiler efficiency and NOemissions. Finally，a low-NOcombustion comprehensive index was established to balance the contradiction between the boiler's high efficiency combustion and low NOemissions. The results show that the boiler efficiency increases firstly and then decreases with the increase of the monitored boiler CO concentration，while the boiler NOemission concentration continuously decreases with the rising boiler CO concentration. The generation characteristic of boiler CO shows a significant correlation with both the boiler efficiency and NOemissions，and there is an optimal boiler CO concentration，at which the overall performance of boiler combustion efficiency and NOemissions can be optimized. In the actual operation of the boiler，by monitoring and regulating the CO concentration in the boiler，the maximum value of the low NOcombustion comprehensive index can be obtained，so as to balance the contradiction between the boiler efficiency and the NOemission，and then the operation of the boiler with high efficiency and low NOemissions can be realized.

performance test；numerical simulation；boiler CO；boiler efficiency；NOgeneration

TK227.1

A

1006-8740(2021)05-0553-09

10.11715/rskxjs.R202009014

2020-11-21．

国家自然科学基金资助项目(U20A20321；U1910214)；华电集团科技项目(CHDKJ18-02-66).

吴运凯（1995—  ），男，硕士研究生，yunkai_wu@163.com.

苏 胜，男，博士，研究员，susheng@mail.hust.edu.cn.

(责任编辑：隋韶颖)