负荷对煤电锅炉NOx、CO生成的影响分析

黄冈大别山发电有限责任公司 郭 骁 尹 军 吴 超

东南大学能源与环境学院大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心 尚碧沉 张韵琴 赵伶玲

为满足国家对NOx等燃烧产物的排放要求，SCR喷氨也要进行调整，而目前所使用的SCR喷氨调节具有一定的滞后性，这对产物生成波动的调节造成一定的困难，近年来有研究者根据运行参数建立省煤器出口的NOx预测模型。此外，燃烧过程中产生的CO含量也是检测大气污染的重要指标之一，会造成不完全燃烧热损失的增加，降低锅炉的效率。同时CO也与NOx相关联，一定量的CO可降低NOx的浓度。

国国内外研究者对NOx生成的预测开展了各种研究。余庭芳和李鹏辉[1]应用Matlab神经网络工具箱建立了NOx排放预测模型，并采用遗传算法进行参数寻优，优化后锅炉的NOx排放浓度下降了29%；郝剑等[2]对比了基于非分散红外（NDIR）取样式测量和基于可调谐激光二极管吸收光谱（TDLAS）原位式测量两种CO测量方法，对比结果发现TDLAS仪表更新速度更快、误差更小。

本文基于煤粉燃烧数值模拟计算模型[3]和实验测量，对不同负荷下NOx、CO等燃烧产物的生成情况进行了研究，对某600MW电站锅炉炉膛至省煤器出口建立了三维模型[4]。其中，炉膛深15.57m、宽21.94m、总高63m（前后水冷壁下集箱中心线到炉膛顶棚管中心线）。炉膛上部布置了屏式过热器，炉膛折焰角上方布置后屏过热器和末级过热器，高温再热器布置在水平烟道处。尾部竖井由隔墙分隔成前后两个烟道，前烟道布置低温再热器，后烟道布置低温过热器和省煤器。前后烟道底部设置烟气调温挡板来调节再热汽温。锅炉竖井烟道下设置两台三分仓回转式空气预热器。

该锅炉采用前后墙对冲燃烧方式，前后墙各配置有三层低氮旋流燃烧器和一层双调风NOx喷口（燃尽风喷口），每层燃烧器均为6只。通过实验的方式，结合O2和CO的浓度测量，可提高燃烧效率监测的可靠性，同时监测炉膛内的不完全燃烧程度，进一步考察锅炉效率。

1 负荷对NOx、CO生成的影响

1.1 温度场变化

当锅炉负荷为600MW、500MW、400MW和250MW时，在不同负荷下炉内温度分布规律基本相同，炉膛内温度分布呈现较好的对称性；随着负荷的不断降低，炉膛内温度总体降低，高温区不断缩小，其最高温度也有所下降。当锅炉负荷为600MW时大量的煤粉喷入炉内，未在燃烧区燃尽，这部分未燃尽的煤粉在燃尽区剧烈燃烧，使炉膛上部温度较高；当锅炉负荷为500MW时，后墙上层燃烧器对应的磨煤机停用，后墙上层燃烧器出口不产生火焰，但为保证火焰在炉膛中心、防止火焰偏斜，该层燃烧器仍会向炉内送入少量二次风；当锅炉负荷为400MW时上层燃烧器全部停用，燃尽区温度降低，炉膛高温区变小；当锅炉负荷为250MW时，冷灰斗区域温度也明显降低。

1.2 NOx生成量变化

本文根据数值模拟计算结果对省煤器出口平面NOx浓度的具体数值进行定量分析，并将结果与实测值进行对比。由图1可知，在不同负荷下本文所建模型模拟值与实测值能较好吻合，其误差不超过3.3%。随着负荷的降低，NOx浓度呈现先降低后升高的趋势；当锅炉的负荷从600MW降低至400MW时，由于炉膛中心温度的降低，热力型NOx的生成量减少，因此炉内NOx的整体浓度降低，省煤器出口平面处NOx浓度由334mg/m3降低至298mg/m3；而当锅炉负荷由400MW降低至250MW时，由于炉膛燃烧的风煤比增大，炉内氧气浓度增加，氧化性氛围变强，致使燃料型NOx生成量增加，因此NOx浓度增加至392mg/m3。

图1 省煤器出口NOx浓度随锅炉负荷的变化

由图2可知，不同负荷下NOx的浓度随高度变化基本一致，整体上NOx的浓度随高度的上升而增加。冷灰斗区域由于温度较低且含氧量较低，NOx的浓度相应较低；在主燃区内煤粉不断进入炉膛燃烧，生成NOx并向上积累，在每层燃烧器喷口的高度上，生成的部分NOx被CO等中间产物还原，NOx的浓度会发生波动，且在低负荷下NOx浓度的波动更加明显；在燃尽区区域，由于燃尽风稀释了NOx，使得NOx的浓度有所降低，在燃尽风喷口上方至折焰角下方，炉内的氧气得到补充，来自燃烧区的HCN和NH3等中间产物被氧化成NOx，故NOx的浓度进一步升高；在折焰角及以上区域NOx的浓度趋于稳定。

图2 不同负荷下NOx浓度沿炉膛高度的变化

1.3 CO生成量变化

本文对省煤器出口平面喷氨前O2浓度和CO浓度的实验数据进行分析。其中，横坐标为测孔位置，沿省煤器出口处宽度从左到右均匀分布14个测孔，每个测孔均测量了深度0.5m、1.5m、2.5m、3.5m和4.5m处，因此共70个数据点。由图3（a）可知，随着负荷的降低，燃烧所耗O2量减少，O2浓度整体升高；O2浓度分布的均匀程度随着负荷的降低先降低再升高；在负荷为400MW时深度为0.5m处的测点值之间差异较大，在负荷为300MW时各深度O2浓度差异较小。由图3（b）可知，随着负荷降低，CO浓度分布趋于均匀，各负荷下CO浓度沿宽度方向从左到右逐渐升高。

图3 不同负荷下省煤器出口O2、CO浓度

2 结语

本本文以某600MW超临界对冲锅炉为研究对象，应用数值模拟、现场实验相结合的方法，研究了负荷调整对温度场、NOx生成、CO浓度的影响，得出以下结论：在机组负荷降低时，各负荷下炉内温度分布规律基本相同，总体温度相应降低，高温区不断缩小，其最高温度也有所下降；随着负荷的降低，NOx浓度呈现先降低后升高的趋势，由600MW降低至400MW时，由于温度降低热力型NOx生成减少，炉内NOx的整体浓度降低，400MW降低至250MW时，由于炉膛燃烧的风煤比增大，炉内氧气浓度增加，氧化性氛围变强，燃料型NOx生成量增加；随着负荷的降低，燃烧所耗O2量减少、O2浓度整体升高；O2浓度分布的均匀程度随着负荷的降低先降低再升高；CO浓度分布随着负荷的降低趋于均匀；采用数值模拟和实验测量相结合的研究方法，在分析现场实际问题时具有一定的准确性和可靠性。