鍋爐低負荷下運行參數變化對SCR入口參數及鍋爐效率的影響

陳經緯，韋紅旗，仲亞飛

(東南大學能源與環境學院，南京　210096)

研究與分析

鍋爐低負荷下運行參數變化對SCR入口參數及鍋爐效率的影響

陳經緯，韋紅旗，仲亞飛

(東南大學能源與環境學院，南京210096)

以某電廠660 MW超臨界機組為研究對象，通過大量的試驗及DCS數據，研究低負荷下相關運行參數的變化對NOx的生成、鍋爐熱經濟性及SCR系統運行可靠性的影響。試驗表明:鍋爐的熱經濟性以環保性能為代價，不同運行參數的調整對SCR可靠性的影響不同，實際運行時應平衡環保與效率，考慮各種運行參數的變化對鍋爐的影響。

鍋爐;燃燒;NOx;效率;試驗;SCR

隨著我國經濟飛速發展，燃煤造成的大氣污染物排放日趨嚴重。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》規定，NOx排放質量濃度的極限值為100 mg/m3。為使排放達標，有必要對火電廠燃燒系統與SCR脫銷系統進行優化，同時兼顧對鍋爐效率的影響。

目前對原有設備多采用空氣分級燃燒技術［1］，通過改造前后的運行數據對比分析，發現空氣分級燃燒可行有效，其中分離燃盡風(SOFA)是提高富燃料區還原性、降低NOx生成的重要手段［2］。以前的學者主要是對有無采用空氣分級技術進行比較，而采用空氣分級燃燒后還必須對低氮燃燒器的運行方式、鍋爐氧量的變化等進行進一步的研究，以使低氮燃燒改造發揮充分的效果。楊揚、陸智對SOFA風量、氧量、負荷對NOx的排放質量濃度進行了分析［3-4］，但未考慮運行參數調整對SCR進口煙溫的影響。煙溫影響著SCR系統的可靠運行，且還必須對SCR入口的NOx質量濃度進行分析。筆者通過大量的試驗，結合獲取的DCS數據，分析了低氮燃燒改造之后運行參數對NOx的生成量、鍋爐效率等指標的影響，為電廠運行人員對鍋爐的優化運行提供參考。

1　試驗方法

1.1試驗鍋爐

該電廠的鍋爐型號為SG-2090/25.4-M975，超臨界參數變壓運行，直流單爐膛，一次中間再熱，四角切圓燃燒，固態排渣，全鋼架懸吊結構，平衡通風，露天布置。其主要設計參數見表1，設計煤種為淮南煤，見表2。

表1　主要設計參數

表2　設計煤種參數

燃燒系統為低NOx同軸燃燒系統(LNCFSTM)，24只直流式燃燒器分6層布置于爐膛下部四角，為四角切圓方式燃燒，主燃燒器上方有5層分離燃盡風，由一臺氣動執行器集中帶動做上下擺動。

1.2試驗內容

通過現場做大量的試驗，測試、計算鍋爐的主要參數，包括原煤取樣與分析(工業、元素、熱值分析)、灰渣取樣與分析(含碳量)、SCR進口段煙氣成分(O2/NOx/CO)測試、排煙溫度代表點測試、SCR進口溫度測試，以及大量DCS數據的獲取，相關測點見圖1。各個工況只對單個運行參數進行調整，其他影響鍋爐性能的參數盡量不做變化，以免影響測試結果的真實性。每個試驗工況，測試前至少穩定30 min，測試時間約20 min。試驗數據多次間隔記錄后取平均值。

2　低負荷下單一運行參數變化對鍋爐運行的影響

SCR系統的經濟可靠運行與系統溫度有關，反應溫度不僅決定化學反應的速率，也決定催化劑的活性。圖2為金屬氧化物型催化劑脫硝率隨溫度變化的函數曲線。250～450℃，脫硝率隨溫度遞增。如果SCR進口煙溫低于設計值，則會導致SCR系統退停。

在高、中、低三種負荷下進行測試、修正計算，選擇典型工況，將所得試驗數據平均值進行分析比較。

隨著鍋爐負荷的上升，爐膛內著火條件、煤粉與空氣混合條件轉好，燃燒穩定，爐膛溫度提高。鍋爐低負荷運行時，爐膛內火球較小。所以隨著機組負荷的上升，排煙溫度呈上升趨勢。SCR進口煙氣溫度見圖3。

從高負荷到低負荷，SCR進口煙溫從337℃下降到304℃，下降幅度為10.85%;而SCR最低設計溫度值為300℃，所以如果煙溫由304℃繼續下降，則SCR退停的可能性增加。SCR退停則會導致NOx排放嚴重超標，同時脫硝效率也會降低。

所以以下著重研究低負荷下運行參數的變化對鍋爐的經濟性(鍋爐效率)、環保性(NOx)、可靠性(SCR退停)的影響。

2.1高、中、低三種負荷對SCR進口NOx排放質量濃度及鍋爐效率的影響

隨著機組負荷的降低，爐內火焰充滿度較差，煤粉在爐內停留時間增加，導致鍋爐效率上升(相關試驗參數見圖4)，從高負荷到低負荷過程中鍋爐效率從93.01%升高到93.53%。隨著機組負荷升高，爐內溫度升高，氧量充足，增加了熱力型NOx的生成，修正后的SCR進口NOx排放質量濃度從249 mg/m3上升到303 mg/m3，上升幅度較大，可見負荷變化對鍋爐經濟性和環保性的作用相反。

2.2低負荷下運行氧量對SCR進口煙溫、NOx排放質量濃度及鍋爐效率的影響

爐膛氧量是鍋爐運行的一個重要指標。僅對運行氧量進行調整，分別進行4個不同氧量水平下的對比試驗，考察其對SCR進口煙溫、NOx排放質量濃度及鍋爐熱效率的影響關系(見圖5)。420 MW負荷下進行3.5%、4.0%、4.5%、5.0%氧量水平的調整，實測氧量為3.25%、3.88%、4.26%、5.02%。氧量增大，煤粉著火條件變好，燃燒穩定，爐膛溫度上升，這些都有利于煤粉燃盡。SCR進口煙溫從302.5℃上升到308.1℃，302.5℃略高于SCR設計溫度300℃。所以控制氧量使溫度升高有利于SCR的安全運行，防止SCR系統因煙溫過低而退停。

氧量的增加直接影響到飛灰的含碳量，氧量越大，煤粉燃燒越完全，飛灰含碳量減少，降低了未燃盡碳熱損失，見圖6。從圖6表明:隨著氧量的增加，未燃盡碳熱損失從0.97%降至0.58%，降幅明顯，有利于提高鍋爐效率;但是氧量的增加使排煙容積增加，增加了排煙損失;隨著氧量的增加，干煙氣熱損失從4.01%增加至4.39%。

根據NOx的生成機理，爐膛氧量對熱力型與燃料型NOx的生成有重要的影響，氧量的增加促使NOx的生成量增加(見圖7)，含氧體積分數從3.25%增加至5.02%，SCR進口平均NOx排放質量濃度從212 mg/m3上升至276 mg/m3，可見氧量增加對NOx排放質量濃度的增加作用明顯。

鍋爐效率和許多因素有關，但最主要因素是干煙氣熱損失與未燃盡碳熱損失。氧量增加，一方面有利于燃燒，降低固體不完全燃燒損失，提高鍋爐效率;另一方面，氧量增加意味著爐膛風量增加，排煙容積增加，排煙損失增加。這兩種因素的疊加，主導了鍋爐效率的變化趨勢:干煙氣損失與未燃盡碳熱損失的增量相抵消，所以鍋爐效率變化不大，只略微上升(見圖7)。

2.3低負荷下二次風門開度對SCR進口煙溫、NOx排放質量濃度及鍋爐效率的影響

針對不同二次風門開度進行專項調整，五層SOFA全部投運，開度均為100%，僅對主燃燒器二次風門開度(27%～42%)進行統一調整，試驗所得數據見圖8～圖10。

二次風門開度增大，爐膛與二次風箱的壓差減小，二次風量增加，SOFA風量減小。從圖8可知:二次風門開度的變化對SCR進口煙溫的變化影響不大，基本維持在306.3℃左右，SOFA風量從483 t/h減小到382 t/h。可見調整二次風門開度對SCR進口煙溫影響不大，難以起到防止SCR煙溫過低而退停的調節作用。

二次風門開度增大，使得爐膛燃燒富燃料區的氧量增加，從而增加了燃料型NOx的生成，同時使煤粉燃燒更充分。所以未燃盡碳熱損失略有下降，從圖9也可以看到未燃盡碳熱損失從1.46%下降到1.35%。

二次風門開度的增大對干煙氣熱損失變化的影響不大，平均維持在4.13%左右，這是SOFA風量與二次風量此消彼長，使爐膛風量變化幅度不大，最終排煙容積變化幅度不大，而排煙溫度變化也不大，使得干煙氣熱損失基本維持不變。

影響鍋爐效率最主要的兩個因素是干煙氣熱損失和未燃盡碳熱損失，變化趨勢見圖9，它們的綜合作用得到圖10中的效率變化趨勢線。由于干煙氣熱損失基本維持不變，所以鍋爐效率取決于未燃盡碳熱損失，未燃盡碳熱損失下降，鍋爐效率上升，兩者變化趨勢呈相關性。由于富燃料區的氧化性增強，NOx生成量增加，SCR進口平均NOx排放質量濃度從212 mg/m3增加到235 mg/m3，增加幅度不大?？梢婂仩t效率的提升以NOx生成量的增加為代價。

2.4低負荷下SOFA風門開度對SCR進口煙溫、NOx排放質量濃度以及鍋爐效率的影響

低負荷運行時，對SOFA-Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ進行開度調節，其他保持全開，實測開度范圍19.5%至95.5%(見圖11)。

SOFA風門開度從19.5%增加到95.5%，SOFA風量從468 t/h增加到516 t/h。SCR進口煙溫基本維持在307.5℃左右，可見SOFA風門開度對煙溫的影響不大。SOFA風門開度增大，SOFA風量增加，二次風量減少，富燃料區燃燒減弱，但上方二次燃燒區的燃燒增強，導致最終SCR進口煙氣溫度基本不變，可見調整SOFA風門開度對SCR進口煙溫影響不大，難以防止SCR系統因煙溫過低而退停。

SOFA風門開度的增加，導致下方二次風量減少，富燃料區的煤粉燃燒不充分，未燃盡碳熱損失增加(見圖12)，未燃盡碳熱損失從0.88%遞增到1.06%。二次風門開度增大，二次風量增大，SOFA風量減少，兩者的綜合結果導致爐膛風量變化幅度不大，排煙容積變化幅度不大，而排煙溫度的變化也不大，所以干煙氣熱損失基本不變，維持在4.32%左右。

由以上分析可知:SOFA風門開度變化時，鍋爐效率的主導因素為未燃盡碳熱損失。鍋爐效率與SOFA風門開度的關系見圖13。比較圖12與圖13可知:鍋爐效率與未燃盡碳熱損失的變化趨勢呈相關性，未燃盡碳熱損失增加，則鍋爐效率降低。

SOFA風門開度增大，SOFA風量增加，二次風量減少，使富燃料區的還原性增強，抑制了NOx的生成。從圖13可知:SCR進口平均NOx排放質量濃度從368 mg/m3降低到216 mg/m3，效果明顯?？梢婂仩t效率降低可減少NOx的生成。

2.5低負荷下SOFA上下擺角對SCR進口煙溫、NOx排放質量濃度及鍋爐效率的影響

維持其他影響因素基本不變，針對SOFA上下擺角進行統一調整，五層SOFA全部投運、開度均為100%，擺角調整范圍0%～90%。由圖14表明:僅通過調整SOFA擺角對SOFA風量的影響不大，SOFA風量從460 t/h降至444 t/h，低負荷下SOFA擺角對SCR進口煙溫也幾乎沒有影響，基本維持在304.6℃左右。

由圖15表明:SOFA擺角增大，未燃盡碳熱損失增加顯著，從1.13%增加到1.55%，這是由于SOFA擺角的增加，火焰中心上移，使得煤粉燃燒不充分，未燃盡碳熱損失增加。

由于爐膛風量基本不變，排煙溫度基本不變，干煙氣熱損失基本維持在4.25%左右，所以未燃盡碳熱損失的變化主導了鍋爐效率的變化(見圖16)，鍋爐效率從93.7%下降到93.24%，降幅較大。

SOFA擺角的增大使得爐內還原區的高度增加，煤粉燃燒在一次燃燒區生成的NOx獲得更多的還原時間，還原加強，對降低NOx的效果顯著(見圖16)，SCR進口平均NOx排放質量濃度從308 mg/m3降到258 mg/m3。

此外，對吹灰器進行調整，考察其對SCR進口煙溫的影響，試驗結果見圖17。吹灰后過熱器出口煙溫降低了10 K，SCR進口煙溫降低了2 K，可見吹灰加強了爐膛受熱面的換熱效果，使煙氣溫度有所下降，提高了鍋爐的經濟性。由于SCR進口煙溫的降低，吹灰又影響了SCR的可靠運行。

3　結語

(1)低負荷下，調整鍋爐的相關運行參數，如運行氧量、SOFA風門開度、SOFA上下擺角、二次風門開度等，使得NOx的生成量下降，往往是以鍋爐效率的降低為代價的。實際運行中應根據實際需要平衡鍋爐效率與NOx排放指標的關系。

(2)低負荷下SCR進口煙溫相對較低，可以調整運行參數控制SCR進口煙溫，以防止SCR進口煙溫過低導致SCR系統退停，但不同運行參數對SCR進口煙溫的影響不盡相同，其中運行氧量的增加對SCR進口煙溫提高效果顯著，SOFA風門開度、SOFA上下擺角、二次風門開度對SCR進口煙溫影響不大，吹灰會使得SCR進口煙溫略微降低。

(3)低負荷下，為控制NOx的生成、SCR進口煙溫、鍋爐效率，可根據各運行參數對鍋爐的單一影響，綜合考慮，采用多種運行參數聯合調整的方式實現優化運行。

［1］劉創，白玉海，王紅波，等.600 MW鍋爐機組低氮燃燒系統優化改造［J］.熱能動力工程，2013，28(3):276-280.

［2］鄧均慈，李德波，鄧劍華.300 MW四角切圓鍋爐低氮燃燒關鍵技術研究與工程實踐［J］.熱能動力工程，2014，29(6): 747-752.

［3］楊揚.600 MW超臨界機組低NOx燃燒協調優化研究［D］.浙江:浙江大學，2012.

［4］陸智.420 t/h鍋爐SOFA低NOx燃燒技術改造研究［D］.浙江:浙江大學，2008.

Effects of Operating Data on SCR Inlet Parameters and Boiler Efficiency under Low Load Conditions

Chen Jingwei，Wei Hongqi，Zhong Yafei
(School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Taking a 660 MW supercritical unit as an object of study，the effects of operation parameters on following factors were studied through massive tests and DCS data，such as the NOxemission，boiler heat economy and the operation reliability of SCR system，etc.Test results indicate that the heat ecnonomy of boiler improves at the cost of environmetnal performance;the effects on SCR relaiblity vary with the adjustments to different operation parameters，and in actual operation，the effects of various operating parameters on the boiler should be considered under the premise keeping the balance between environmental protection and heat efficinecy.

boiler;combustion;NOx;efficiency;test;SCR

TK222

A

1671-086X(2016)01-0001-06

2015-06-04

陳經緯(1989—)，男，在讀碩士研究生，研究方向為燃煤電廠風煙系統能耗特性分析。

E-mail:chenjingwei19890401@gmail.com