燃煤鍋爐CO生成特性對鍋爐效率及NOx生成的影響機制

吳運凱，蘇?勝，王中輝，任強強，于鵬峰，黃海舟，徐?俊，汪一，胡?松，向?軍

燃煤鍋爐CO生成特性對鍋爐效率及NO生成的影響機制

吳運凱1，蘇?勝1，王中輝1，任強強1，于鵬峰2，黃海舟2，徐?俊1，汪一1，胡?松1，向?軍1

(1. 華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，武漢 430074；2. 華電電力科學研究院有限公司，杭州 310030)

以國內某600MW墻式切圓燃燒鍋爐為研究對象，在爐膛關鍵區域布置了高溫CO在線監測系統，通過試驗與數值模擬計算，研究了爐膛CO生成特性與鍋爐效率及NO排放的關聯特性，并建立了低氮綜合燃燒指數，以平衡鍋爐高效燃燒與低氮排放之間的矛盾．研究結果表明，該鍋爐效率隨監測的爐膛CO濃度增大呈現先增大后減小的趨勢，爐膛NO排放濃度隨爐膛CO濃度的增大而逐漸降低；鍋爐CO生成特性與鍋爐效率及NO排放均表現出了顯著相關性，優化爐膛CO生成特性能夠使得鍋爐燃燒效率與氮氧化物排放的綜合性能實現優化．鍋爐實際運行中，可通過監測與調控爐膛CO濃度，獲得低氮綜合燃燒指數最大值，以有效平衡鍋爐效率與NO排放之間的矛盾，實現鍋爐的高效、低氮運行．

性能試驗；數值模擬；爐膛CO；鍋爐效率；NO生成

隨著電站鍋爐氮氧化物排放標準的日益嚴格，國內燃煤電廠普遍對鍋爐進行了空氣分級低氮燃燒改造[1-2]．空氣分級低氮燃燒技術通過適當減小主燃區空氣量，降低主燃區燃燒溫度，實現了控制鍋爐NO生成的目標[3-4]．然而，燃燒過程中主燃區的空氣量減少，可能會導致煤粉燃燒不充分，氣體及固體未完全燃燒熱損失增加，引起鍋爐效率下降，同時還可能會導致鍋爐燃燒不穩定以及結焦腐蝕等問題產生[5].在燃煤鍋爐的運行過程中，為保證煤粉著火、穩定燃燒以及燃盡，爐膛內必須保持較高溫度和充足的氧量，但這些條件卻與控制NO生成所需的低溫、低氧條件存在著明顯矛盾[6]．因此在實際鍋爐燃燒運行中，如何在實現控制鍋爐NO排放同時保證較高的鍋爐效率，已成為燃煤電廠亟需解決的問題．

在燃煤鍋爐實際運行過程中，運行人員通常通過監測鍋爐尾部排煙的氧含量實現對鍋爐燃燒狀態的優化調整．然而，鍋爐排煙氧量易受煙道漏風影響，同時鍋爐采用低氮燃燒方式運行后，尾部排煙氧量也無法及時反映爐膛內的分級程度及燃燒狀態[7-8]，從而使得僅通過排煙氧量變化對鍋爐燃燒狀態進行調整會產生較大的偏差，對于提升鍋爐潛能具有較大局限性．因此，亟需尋找新方法實現對低氮燃燒鍋爐的優化調整，有效平衡鍋爐高效燃燒所需的高溫、高氧條件與低氮燃燒所需的低溫、低氧條件之間的矛盾.目前已有研究表明：鍋爐低氮燃燒過程中CO生成特性可以直接反映鍋爐的空氣分級程度與燃燒狀態，與煤粉燃燒、燃盡程度之間存在強烈的關聯關系，同時CO受漏風、煤質和負荷變動的影響較小，有望成為對低氮燃燒鍋爐狀態優化調整的重要依據[9-13]．

夏文靜等[14]對某臺660MW空氣分級對沖燃燒鍋爐燃燒狀態進行了研究，發現氣體未完全燃燒熱損失、固體未完全燃燒熱損失受CO生成特性影響顯著，低氮燃燒鍋爐CO生成濃度與鍋爐效率之間具有顯著的負相關性．謝曉強等[15]針對鍋爐不同配風方式燃燒過程進行了數值模擬與試驗，發現爐膛CO分布可以反映爐膛內風煤的混合情況，通過合理配風可改善風煤均勻性，降低爐膛、尾部CO濃度以及飛灰含碳量，從而提高鍋爐效率；同時，鍋爐CO生成特性對爐膛出口NO濃度有著重要影響．姚衛剛等[16]針對某660MW四角切圓燃燒鍋爐進行了試驗研究，結果表明CO的排放濃度與爐膛出口NO濃度有著明顯的相關性，NO排放量隨著CO排放濃度增加而逐漸降低．李德波等[17]研究了不同氧量條件下鍋爐CO和NO的分布規律，發現隨著煙氣NO排放逐漸增加，CO排放濃度呈現了先減小后緩慢增大趨勢．可見，低氮燃燒方式下，鍋爐CO生成特性與鍋爐效率及NO排放具有明顯相關性．

然而，由于目前低氮燃燒方式下爐膛內的CO生成特性及分布規律尚不清楚，導致無法通過采用O2與CO等關鍵參數的有機結合，實現對鍋爐燃燒狀態的優化調整．結合有效的CO監測手段，深入研究鍋爐CO生成特性對煤粉燃燒過程中燃燒效率及NO生成影響機制，有助于平衡鍋爐效率與NO排放之間的矛盾，對實現鍋爐高效、低氮、安全運行具有重要意義．

1?實驗過程和方法

1.1?鍋爐結構及參數

本文研究對象為國內某600MW超超臨界墻式切圓燃燒鍋爐(HG-1793/26.15-YM1)．該鍋爐П型布置，為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、固態排渣、全鋼構架、全懸吊結構鍋爐，其主要參數如表1所示．表中，THA(turbine heat-rated acceptance power)為熱耗率驗收工況，對應鍋爐經濟負荷；BRL(boiler rated load)為鍋爐額定負荷工況，對應汽輪機額定功率工況；BMCR(boiler maximum continuous rating)為鍋爐最大連續出力工況，主要是在滿足蒸汽參數、爐膛安全情況下的鍋爐最大出力，也叫鍋爐最大連續蒸發量．鍋爐燃用煤質的收到基低位熱值為14.67MJ/kg，分析結果如表2所示(收到基)．

鍋爐制粉系統為中速磨煤機正壓直吹式制粉系統，共6臺磨煤機，采用MPS235HP-Ⅱ型中速磨煤機．該鍋爐采用墻式切圓燃燒方式，燃燒器布置如圖1所示：主燃燒器采用低NO的PM型煤粉燃燒器，每只煤粉噴嘴中間設有隔板以增強煤粉射流剛性．共設6層濃淡一次風口、3層油風室、10層輔助風室及1層燃盡風室，布置于4面墻上形成大切圓；在主燃區燃燒器的上方為OFA噴嘴，同時在距上層煤粉噴嘴上方約5.0m處有4層附加燃盡風SOFA噴嘴，采用角式布置，每層燃盡風SOFA噴嘴分為上、下兩層，作用是補充燃料后期燃燒所需空氣，同時降低爐內溫度水平及抑制NO生成．

表1?鍋爐主要設計參數

Tab.1?Main design parameters of the boiler

表2?鍋爐煤質

Tab.2?Boiler coal quality

圖1?鍋爐燃燒系統簡圖

1.2?CO在線監測系統

為了實現對爐膛內CO濃度的實時在線監測，在爐膛壁面處安裝了4套高溫Walsn CEA-100-H 型的CO在線檢測裝置，CO測點安裝位置為主燃區E層濃淡煤粉燃燒器之間，以及燃盡區下方約1m處，前后墻對稱安裝，具體CO測點位置如圖2所示．這些CO測點位置主要針對爐膛內CO濃度可能較高的典型區域，CO測點編號與安裝位置對應關系如表3所示．高溫Walsn CEA-100-H 型CO在線檢測裝置基于電化學原理，其監測量程范圍為0～100000×10-6，精度為±1%，分辨率為1×10-6．

圖2?CO測點安裝示意

表3?CO測點安裝位置

Tab.3?Installation location of CO measuring equipment

此外，在省煤器出口煙道兩側裝設了2套低溫Walsn CEA-100型CO在線檢測裝置，同樣基于電化學原理，監測量程范圍為0～4000×10-6，精度為??±1%，分辨率為1×10-6．

1.3?數值模擬方法

針對研究對象鍋爐，按照1∶1進行建模，選取鍋爐冷灰斗到爐膛出口之間的區域作為計算區域．鍋爐的幾何模型及網格劃分如圖3所示，采用結構化網格，對燃燒器局部、折焰角處等區域進行網格加密，總網格數大約為230萬．

數值計算模型使用-方程模擬氣流的湍流流動[10]，采用隨機軌道模型跟蹤煤粉顆粒的運行[13]，煤粉的燃燒過程包括煤粉熱解、揮發分燃燒和焦炭燃燒3個過程，分別采用雙平行競爭反應模型、概率密度函數(probability density function，PDF)模型和擴散-動力模型進行計算[18]，輻射換熱模型采用了P-1模型．NO的模擬計算采用后處理的辦法，主要考慮熱力型NO和燃料型NO[19]．

圖3?鍋爐網格劃分

數值模擬計算采用速度入口邊界條件，爐膛出口采用壓力出口邊界條件，煤粉顆粒由一次風噴口噴入爐膛，并且假定煤粉顆粒的速度和溫度與一次風保持一致；煤粉顆粒的粒徑分布滿足Rosin-Rammlar分布；爐膛壁面及冷灰斗壁面采用無滑移恒溫邊界條件；模型計算的輸入煤質與鍋爐實際燃用煤質保持一致．采用SIMPLIC方法對離散方程組的速度和壓力求解．

模擬計算過程中進行了網格無關性驗證，結果如表4所示．結果表明，230萬網格與300萬網格數值模擬結果較為接近，爐膛出口煙氣溫度相差2K，而180萬網格計算結果精度較差．根據結果，認為采用230萬網格規模能滿足計算精度要求．

表4?網格無關性驗證結果

Tab.4?Results of grid independence verification

2?鍋爐燃燒性能試驗及數值模擬結果

為了研究爐膛CO生成特性對鍋爐效率及NO生成的影響，針對該鍋爐開展了燃燒性能試驗，試驗過程按照《電站鍋爐試驗規程》進行[20]，采集600MW負荷不同工況條件下鍋爐參數，包括爐膛CO濃度、尾部O2濃度、尾部CO濃度、爐膛出口NO濃度、灰渣含碳量、排煙溫度以及燃盡風率參數等．參考鍋爐實際運行工況，選取600MW負荷不同過量空氣系數、燃盡風率條件下的5種典型試驗工況，鍋爐運行數據及鍋爐效率計算結果如表5所示．

表5?試驗工況鍋爐運行數據及鍋爐效率

Tab.5?Boiler operating data and efficiency under test

為了進一步揭示鍋爐不同工況條件下燃燒特性，研究中對典型試驗工況進行了數值模擬計算．表6給出了關鍵參數的計算結果，并給出了與試驗值的偏差．由表6可知，模擬結果與試驗結果較為接近，各參數偏差均較小，表明爐膛CO監測裝置能實現對爐膛近壁面CO濃度的精確測量，并且模擬計算結果可為試驗過程提供進一步參考和分析．

表6?數值模擬計算結果及偏差

Tab.6?Numerical simulation results and deviations

3?鍋爐CO生成特性與鍋爐效率關聯特性

圖4所示為爐膛各個測點CO體積分數與鍋爐效率之間的關聯曲線．由圖4可知，600MW負荷下，隨著爐膛各個測點CO體積分數降低，鍋爐效率呈現先上升后下降的趨勢．根據表5中試驗結果，爐膛各區域CO濃度較小，表明爐膛主燃區的空氣量較為充足；而當爐膛CO濃度逐漸增大時，爐膛主燃區的空氣量降低、排煙溫度降低、排煙體積減小，鍋爐的排煙熱損失隨之減小，使得鍋爐效率增大；當爐膛內主燃區的空氣量減小到一定程度，煤粉的未燃盡程度增加，同時尾部煙道中的CO濃度增大，鍋爐氣體及固體未完全燃燒熱損失增大，使得鍋爐效率呈現降低的趨勢．

圖5和圖6分別為各工況條件下爐膛內CO濃度場與溫度場模擬結果．

圖5?鍋爐CO濃度場模擬結果

圖6?鍋爐溫度場模擬結果

由圖5、圖6可知，鍋爐主燃區的CO濃度較高，隨著煙氣向爐膛出口流動，通過燃盡風量的供給，煙氣CO濃度不斷減小．從工況1到工況5，爐膛的主燃區、燃盡區及爐膛出口CO體積分數逐漸增加，與試驗工況各個測點的CO體積分數變化保持一致．圖6表明，隨著爐膛各個區域CO體積分數由工況1變化到工況3，即隨著燃盡風率增大，主燃區風量減小，爐膛整體溫度下降，且爐膛出口的煙氣溫度也隨之下降，因此爐膛排煙熱損失減少，鍋爐效率呈現上升趨勢；而隨著爐膛內CO體積分數增大，爐膛出口煙氣中CO體積分數增大，煤粉未燃盡度增加，氣體未完全燃燒熱損失和固體未完全燃燒熱損失均增大，使得鍋爐效率下降．此外，由圖5和圖6可知，爐膛主燃區出口區域溫度和CO濃度較高，而燃盡區CO體積分數較低．這表明主燃區燃燒溫度較高的區域也是生成CO體積分數較高的區域，是爐膛內CO生成主要區域．以上分析表明，爐膛CO生成特性與鍋爐效率存在顯著相關性，隨著爐膛內CO體積分數增大，鍋爐效率先增大后減小，存在合適的爐膛CO體積分數能使得鍋爐效率達到優化值；且監測爐膛關鍵區域CO體積分數可以深入了解鍋爐燃燒狀態，爐膛CO體積分數參數可以作為對鍋爐效率進行優化的關鍵參數.

4?CO生成特性與NOx排放關聯特性分析

圖7為爐膛各個測點CO濃度與爐膛NO排放濃度之間的關聯關系曲線．隨著爐膛內各測點CO增加，爐膛NO排放濃度下降，爐膛CO生成特性與NO排放特性表現出了明顯的單調相關性．這是因為爐膛內CO體積分數的增加，表明爐膛空氣量減小、燃燒溫度降低，且由于CO等還原性氣氛增強，這些均有利于減少爐膛內NO的生成．

圖8給出了鍋爐爐膛內NO濃度場模擬結果，可以發現，鍋爐主燃區是NO生成的主要區域，這是因為主燃區燃燒溫度較高，有利于NO生成．隨著煙氣流向爐膛出口的過程中，隨著空氣混合及NO反應過程進行，煙氣中NO質量濃度逐漸降低．從工況1到工況3，隨著燃盡風率增大，主燃區風量減小，主燃區的NO生成濃度隨著降低，但是由于燃盡風量不斷增大，燃盡區及燃盡區上方的NO生成有所增加；圖8中模擬結果表明，爐膛過量空氣系數減小，爐膛各個區域的NO生成也隨著減少．

以上分析表明，爐膛CO生成特性與NO排放存在顯著的負相關關系，隨著爐膛CO體積分數增大，爐膛出口NO質量濃度減小，主要源于爐膛CO生成直接反映了爐膛過量空氣系數的變化，并且CO等還原性氣體能有效抑制NO的生成．因此，爐膛內的CO濃度變化可以有效反映鍋爐NO生成特性，可作為對鍋爐NO生成進行優化的關鍵參數．

圖8?鍋爐NOx場模擬結果

5?低氮綜合燃燒優化指數分析

試驗與數值模擬計算結果均表明，爐膛CO生成特性與鍋爐效率及NO排放均存在顯著的相關特性．為進一步明確鍋爐CO濃度對鍋爐效率及NO排放影響，研究中基于鍋爐歷史運行數據及性能實驗工況，選取負荷為600MW、煤種穩定的運行工況，獲取不同氧量及風門開度條件下的鍋爐運行參數，進一步分析了鍋爐效率和NO排放濃度與爐膛各測點CO體積分數的平均值之間的關聯關系，如圖9所示．由圖9可知，隨著爐膛平均CO體積分數不斷增大，鍋爐效率先升高后降低，而NO生成濃度逐漸降低，與5種典型試驗工況條件下的結果相一致．

圖9 爐膛平均CO體積分數與鍋爐效率、NOx生成的關聯特性

鍋爐實際運行中，鍋爐效率與NO生成存在著一定的相互制約關系，而對鍋爐燃燒性能的優化，需要平衡鍋爐高效燃燒與低氮排放之間的矛盾．針對本研究的目標鍋爐，基于爐膛CO生成特性與鍋爐效率及NO排放關聯特性，同時考慮該鍋爐實際運行時效率要求高于90.5%，而NO生成濃度要求低于398mg/m3，建立了該鍋爐低氮綜合燃燒優化指數?如下：

式中：為低氮綜合燃燒指數，值一定時，的數值越大表明該鍋爐效率和NO排放的綜合燃燒效果越好；為實時鍋爐效率，%；為實時爐膛出口NO質量濃度，mg/m3；為爐膛出口NO質量濃度對鍋爐燃燒綜合性能的影響因子，取值為[0，1]．

在鍋爐負荷一定、煤質穩定時，低氮綜合燃燒指數反映了鍋爐效率和NO排放的綜合變化．該指數越大，反映鍋爐燃燒狀態越好，通過該指數能夠有效對鍋爐效率和NO排放的綜合效果進行評價．圖10所示為取不同值時，爐膛平均CO體積分數與低氮綜合燃燒指數的關聯曲線．由圖10可知，當值一定時，隨著爐膛平均CO體積分數增大，低氮綜合燃燒指數均先增大后減小；存在一個最佳的爐膛平均CO體積分數，能使得低氮綜合燃燒指數數值達到最大值．此外由圖10可知，當取[0，1]之間的值時，最佳的爐膛平均CO體積分數分布在一定的區間內．因此對于實際鍋爐燃燒過程，通過調整運行氧量及風門開度，使得爐膛平均CO體積分數位于該區間內時，鍋爐效率位于較高的水平而爐膛出口NO質量濃度也控制在較低的范圍內．這充分說明了在鍋爐實際運行中，可通過監測與調控爐膛CO體積分數，有效平衡鍋爐效率與NO排放之間的矛盾，實現鍋爐的高效、低氮運行．

圖10 爐膛平均CO體積分數與低氮綜合燃燒指數的關聯特性

6?結?論

(1) 針對研究對象鍋爐，隨著爐膛CO體積分數增大，鍋爐效率先增大后減小，爐膛CO生成特性與鍋爐效率存在顯著相關性．研究結果表明存在合適的爐膛CO體積分數能使得鍋爐效率達到優化值，爐膛CO體積分數參數可作為對鍋爐效率進行優化的關鍵補充參數．

(2) 鍋爐 CO生成特性與NO排放特性也呈現了明顯的單調相關性，隨著爐膛CO體積分數增大，NO排放減小．爐膛CO體積分數變化可有效反映鍋爐NO生成特性，同樣可以作為對鍋爐NO生成進行優化的關鍵參數．

(3) 基于目標鍋爐CO生成特性與鍋爐效率及NO排放的關聯特性，建立了低氮綜合燃燒優化指數，以有效平衡鍋爐效率與NO排放之間的矛盾．研究結果表明，存在最佳爐膛CO體積分數，能夠使得低氮綜合燃燒指數達到最大值．鍋爐實際運行中可通過監測與調控爐膛CO體積分數，并進一步與氧量調整等方法有機結合，實現鍋爐的高效、低氮運行.

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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．

國家自然科學基金資助項目(U20A20321；U1910214)；華電集團科技項目(CHDKJ18-02-66).

吳運凱（1995—??），男，碩士研究生，yunkai_wu@163.com.

蘇?勝，男，博士，研究員，susheng@mail.hust.edu.cn.

(責任編輯：隋韶穎)