運行氧量對某600 MW四角切圓鍋爐煙氣組分濃度和飛灰含碳量影響的試驗研究

蔡 宏，馬 侖，譚 鵬

（1.廣東省能源集團沙角C電廠，廣東 東莞 523900；2.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

切圓燃燒方式是燃煤電站鍋爐常用的燃燒組織方式之一，廣泛應用于我國大型燃煤電站［1-6］。為實現低氮燃燒，深度空氣分級技術廣泛應用于燃煤鍋爐［7-11］。但深度空氣分級燃燒條件下，由于主燃燒區煤粉處于低氧燃燒環境，可能會帶來燃燒不完全、CO濃度較高、水冷壁腐蝕等問題，影響機組運行經濟性和安全性［12-17］。許多研究學者對深度分級下低氮燃燒特性及排放特性進行了相關研究。何志瞧等［18］對前后墻對沖燃燒鍋爐開展了深度空氣分級下CO 分布規律試驗研究，結果發現低氮改造后，爐膛出口CO 濃度高且分布不均的問題。高正陽等［19］對一臺超超臨界機組雙切圓鍋爐的燃燒過程進行了數值模擬，分析過量空氣系數、燃燒器投運方式及鍋爐負荷等因素對NO排放的影響特性。肖琨等［20］發現采用空氣分級低氮燃燒技術改造后，爐內溫度場分布發生較大變化，從而會對鍋爐的汽溫特性產生較大影響。謝召祥等［21］研究了深度空氣分級燃燒條件下分離燃盡風對貧煤鍋爐CO和H2S生成特性的影響，發現綜合考慮鍋爐運行安全性、經濟性及NOx生成特性多種因素后，燃盡風率設置為25%較為合適。任少輝［22］等人研究了燃盡風豎直擺角對四角切圓鍋爐燃燒及排放的影響，發現燃盡風豎直擺角設置為-5°既能滿足燃燒經濟性又能達到低氮燃燒的目的。龍敦武［23］、嚴杏初等［24］在四角切圓鍋爐上開展了減少煙溫偏差研究，發現燃盡風風門開度偏置可有效改善煙溫偏差。曹勤峰等［25］對某四角切圓鍋爐開展了運行氧量對低氮燃燒影響的調整試驗研究，建議運行氧保持在2.5%左右。張曉輝等［26］開展了某200 MW四角切圓鍋爐空氣分級低NOx燃燒改造實驗研究，發現爐膛出口氧量運行維持在2.4%～3.0%，可滿足燃燒經濟性和低氮燃燒要求。胡志宏［27］等人研究也表明，實際運行中出口氧量控制在3.0%左右，鍋爐的運行狀態比較理想。進一步地，本文針對某600 MW四角切圓鍋爐深度空氣分級燃燒條件下出口CO和飛灰含碳量高、SCR入口兩側煙氣成分濃度偏差明顯等問題，開展了運行氧量對鍋爐出口煙氣組分濃度和飛灰含碳量影響的試驗研究，研究結果以期為同類鍋爐運行優化提供相關參考。

1 鍋爐簡介及測點布置

某660 MW鍋爐是亞臨界參數、單汽包中間再熱、控制循環鍋爐，鍋爐最大連續蒸發量為2 100 t/h，膜式水冷壁，單爐膛四角雙圓燃燒。制粉系統為正壓直吹制粉系統，配有6臺碗式中速磨煤機，常用5臺磨煤機、1 臺備用。該爐組燃燒器分別布置在爐膛下部4 個切角處，形成典型的切圓燃燒方式，燃燒器總高度為11.266 m，燃燒器采用WR燃燒器。每組燃燒器在高度方向上方布置6個一次風噴口和7個二次風噴口，2個燃盡風噴口；為實現低氮燃燒，在側墻布置共8組深度燃盡風噴口。試驗期間煤質參數如表1 所示，鍋爐結構示意圖如圖1。

表1 煤質分析Table 1 Coal quality analysis

600 MW 負荷下，在鍋爐SCR 入口測量煙氣成分開展相關測量，了解和掌握煙氣成分濃度偏差狀況。在具備測量條件的前提下，測點沿煙道深度與寬度方向均勻布置，總體測量位置如圖1所示（紅色為現場測量點）。煙氣成分采用德國約克MRU OPTIMA7 手持式煙氣分析儀進行測量（精度5%），每個位置多次測量后取數據平均值（如圖2中A4位置：1 m、2 m、3 m處分別測量，然后取平均值）。

圖1 鍋爐示意圖Fig.1 Schematic diagram of the boiler

圖2 測點位置及現場測量圖Fig.2 Measuring-point location and on-site measurement map

2 結果與討論

圖3 為不同運行氧量下SCR 入口氧濃度，可以看出，在不同運行氧量下，SCR入口A側氧氣濃度都顯著高于B側，這主要是四角切圓鍋爐爐內空氣動力場在出口區域存在殘余旋轉，導致煙氣成分濃度兩側存在偏差。隨著提高運行氧量，SCR入口A、B兩側實測氧濃度逐漸增加。運行氧量為1.5%時，SCR入口A、B側氧濃度平均值為1.60%和1.07%，兩側氧濃度絕對偏差0.53%；運行氧量為2.0%時，SCR入口A、B側氧濃度平均值2.10%和1.17%，兩側氧濃度絕對偏差0.93%；運行氧量為2.5%時，SCR 入口A、B 側氧濃度平均值2.80%和1.53%，兩側氧濃度絕對偏差1.27%；運行氧量為3.0%時，SCR 入口A、B 側氧濃度平均值3.07%和2.03%，兩側氧濃度絕對偏差1.04%；運行氧量為4.5%時，SCR 入口A、B 側氧濃度平均值4.93%和4.09%，兩側氧濃度絕對偏差0.84%。可以看出，運行氧量從1.5%提高到3.0%時，SCR入口實測氧濃度逐漸增加；進一步提高到4.5%，SCR 入口實測氧濃度顯著增加。從偏差角度來看，運行氧量從1.5%提高到2.5%時，SCR 入口A、B兩側氧濃度偏差逐漸增加；進一步提高運行氧量，偏差又逐漸減小。實際運行中，可配合調整燃盡風配風及角度等方式進一步改善氧濃度偏差。

圖3 不同運行氧量下SCR入口氧濃度Fig.3 O2 concentration at the SCR inlet under different operating oxygen

圖4為不同運行氧量下SCR入口NOx濃度，在不同運行氧量下，SCR入口A側NOx濃度都略高于B側。運行氧量為1.5%時，SCR入口A、B側的NOx濃度平均值分別是142 mg/Nm3和120 mg/Nm3，兩側NOx濃度絕對偏差22 mg/Nm3；設定氧量為2.0%時，SCR入口A、B側的NOx濃度平均值分別是148 mg/Nm3和130 mg/Nm3，兩側NOx濃度絕對偏差10 mg/Nm3；設定氧量為2.5%時，SCR入口A、B 側 的NOx濃 度 平 均 值 分 別 是142 mg/Nm3和137 mg/Nm3，兩側NOx濃度絕對偏差5 mg/Nm3；設定氧量為3.0%時，SCR 入口A、B 側的NOx濃度平均值分別是146 mg/Nm3和145 mg/Nm3，兩側NOx濃度絕對偏差1 mg/Nm3；設定氧量為4.5%時，SCR入口A、B側的NOx濃度平均值分別是174 mg/Nm3和157 mg/Nm3，兩側NOx濃度絕對偏差17 mg/Nm3。可以看出，與氧濃度變化規律相似，運行氧量從1.5%提高到2.5%時，SCR 入口實測NOx濃度逐漸增加，但總體增加幅度相對較小；進一步提高到4.5%，SCR入口實測NOx濃度顯著增加。從偏差角度來看，運行氧量從1.5%提高到3.0%時，SCR 入口A、B 兩側NOx濃度偏差逐漸減小；進一步提高運行氧量，偏差又逐漸增大。

圖4 不同運行氧量下SCR入口NOx濃度Fig.4 NOx concentration at the SCR inlet under different operating oxygen

圖5為不同運行氧量下SCR入口CO濃度，在不同運行氧量下，與氧濃度變化規律相反，低氧導致爐內CO 燃燒不完全，使得SCR 入口A 側CO 濃度都低于B側。隨著提高運行氧濃度，SCR入口A、B兩側實測CO濃度逐漸降低。設定氧量為1.5%時，SCR入口A、B側CO濃度平均值為3 173 ppm和10 442 ppm，兩側CO濃度絕對偏差7 269 ppm，CO濃度處于較高水平，這主要是在該運行氧量下爐內缺氧燃燒，大量CO不完全燃燒所致；提高運行氧量到2.0%時，SCR入口CO濃度顯著下降，A、B 側平均值為760 ppm 和8 834 ppm，兩側CO濃度絕對偏差8 074 ppm，CO濃度依然處于較高水平；提高運行氧量到2.5%時，SCR 入口A 側CO 濃度輕微有所降低到619 ppm，B 側CO 濃度降低到6 726 ppm，兩側CO 濃度絕對偏差6 107 ppm，氧量相對較低的B側CO 濃度仍然處于較高水平，且兩側CO 濃度偏差明顯；提高運行氧量到3.0%時，SCR入口A側CO濃度進一步輕微有所降低到540 ppm，B側CO濃度顯著降低，達到737 ppm，且兩側CO濃度絕對偏差只有197 ppm，兩側CO 濃度偏差處于較低水平；在此基礎上，提高運行氧量到4.5%時，SCR 入口A 側CO 濃度降低到155 ppm，B側CO濃度降低到660 ppm，兩側CO濃度絕對偏差為505 ppm。上述分析表明，當運行氧量提高到3.0%以上時，可顯著降低鍋爐出口CO濃度，改善燃燒經濟性。

圖5 不同運行氧量下SCR入口CO濃度Fig.5 CO concentration at the SCR inlet under different operating oxygen

圖6為SCR入口煙氣濃度參數隨運行氧量變化規律。可以看出，對于NOx濃度而言，運行氧量從1.5%增加到4.5%，SCR 入口NOx濃度基本呈現線性增加。對于CO濃度而言，運行氧量從1.5%增加到2.5%，SCR入口CO 濃度逐漸降低，但依然處于較高水平（平均值在3 000 ppm 以上）；當運行氧量增加到3.0%時，SCR入口CO 濃度顯著降低到1 000 ppm 以下，進一步提高運行到4.5%，CO 濃度輕微有所降低。就飛灰含碳量而言，運行氧量從1.5%增加到4.5%，飛灰含碳量也基本呈現線性降低規律。通過上述分析，為兼顧燃盡特性、CO 排放濃度及燃燒經濟性，建議實際運行過程中運行氧量設置在3.0%左右，既可保證燃燒效率又可控制NOx生成。

圖6 不同運行氧量下SCR入口煙氣濃度及飛灰含碳量Fig.6 Flue gas concentration at the SCR inlet and carbon content in fly ash under different operating oxygen

3 結語

本文對深度空氣分級改造后的某600 MW四角切圓鍋爐運行氧量對出口煙氣組分濃度和飛灰含碳量影響開展了現場試驗研究。結果表明，1）深度空氣分級下NOx濃度總體處于較低水平；運行氧量從1.5%增加到4.5%，SCR入口NOx濃度基本呈現線性增加。2）運行氧量從1.5%增加到2.5%，SCR 入口CO 濃度逐漸降低，但處于較高水平（平均值在3 000 ppm 以上）；當運行氧量增加到3.0%時，SCR 入口CO 濃度顯著降低到1 000 ppm以下，進一步提高運行到4.5%，CO濃度輕微有所降低。3）運行氧量從1.5%增加到4.5%，飛灰含碳量也基本呈現線性降低規律。通過上述分析，為兼顧燃盡特性、CO 排放濃度及燃燒經濟性，建議實際運行過程中運行氧量設置在3.0%左右，既可保證燃燒效率又可控制NOx生成。可配合燃燒器角度調整等手段，進一步優化改善燃燒特性，減少兩側煙氣成分濃度偏差。