鍋爐低負(fù)荷下運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)SCR入口參數(shù)及鍋爐效率的影響

陳經(jīng)緯，韋紅旗，仲亞飛

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京　210096)

研究與分析

鍋爐低負(fù)荷下運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)SCR入口參數(shù)及鍋爐效率的影響

陳經(jīng)緯，韋紅旗，仲亞飛

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，南京210096)

以某電廠660 MW超臨界機(jī)組為研究對(duì)象，通過大量的試驗(yàn)及DCS數(shù)據(jù)，研究低負(fù)荷下相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)NOx的生成、鍋爐熱經(jīng)濟(jì)性及SCR系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的影響。試驗(yàn)表明:鍋爐的熱經(jīng)濟(jì)性以環(huán)保性能為代價(jià)，不同運(yùn)行參數(shù)的調(diào)整對(duì)SCR可靠性的影響不同，實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)平衡環(huán)保與效率，考慮各種運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)鍋爐的影響。

鍋爐;燃燒;NOx;效率;試驗(yàn);SCR

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，燃煤造成的大氣污染物排放日趨嚴(yán)重。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，NOx排放質(zhì)量濃度的極限值為100 mg/m3。為使排放達(dá)標(biāo)，有必要對(duì)火電廠燃燒系統(tǒng)與SCR脫銷系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)兼顧對(duì)鍋爐效率的影響。

目前對(duì)原有設(shè)備多采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)［1］，通過改造前后的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒可行有效，其中分離燃盡風(fēng)(SOFA)是提高富燃料區(qū)還原性、降低NOx生成的重要手段［2］。以前的學(xué)者主要是對(duì)有無采用空氣分級(jí)技術(shù)進(jìn)行比較，而采用空氣分級(jí)燃燒后還必須對(duì)低氮燃燒器的運(yùn)行方式、鍋爐氧量的變化等進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以使低氮燃燒改造發(fā)揮充分的效果。楊揚(yáng)、陸智對(duì)SOFA風(fēng)量、氧量、負(fù)荷對(duì)NOx的排放質(zhì)量濃度進(jìn)行了分析［3-4］，但未考慮運(yùn)行參數(shù)調(diào)整對(duì)SCR進(jìn)口煙溫的影響。煙溫影響著SCR系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，且還必須對(duì)SCR入口的NOx質(zhì)量濃度進(jìn)行分析。筆者通過大量的試驗(yàn)，結(jié)合獲取的DCS數(shù)據(jù)，分析了低氮燃燒改造之后運(yùn)行參數(shù)對(duì)NOx的生成量、鍋爐效率等指標(biāo)的影響，為電廠運(yùn)行人員對(duì)鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行提供參考。

1　試驗(yàn)方法

1.1試驗(yàn)鍋爐

該電廠的鍋爐型號(hào)為SG-2090/25.4-M975，超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行，直流單爐膛，一次中間再熱，四角切圓燃燒，固態(tài)排渣，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天布置。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，設(shè)計(jì)煤種為淮南煤，見表2。

表1　主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2　設(shè)計(jì)煤種參數(shù)

燃燒系統(tǒng)為低NOx同軸燃燒系統(tǒng)(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(fēng)，由一臺(tái)氣動(dòng)執(zhí)行器集中帶動(dòng)做上下擺動(dòng)。

1.2試驗(yàn)內(nèi)容

通過現(xiàn)場(chǎng)做大量的試驗(yàn)，測(cè)試、計(jì)算鍋爐的主要參數(shù)，包括原煤取樣與分析(工業(yè)、元素、熱值分析)、灰渣取樣與分析(含碳量)、SCR進(jìn)口段煙氣成分(O2/NOx/CO)測(cè)試、排煙溫度代表點(diǎn)測(cè)試、SCR進(jìn)口溫度測(cè)試，以及大量DCS數(shù)據(jù)的獲取，相關(guān)測(cè)點(diǎn)見圖1。各個(gè)工況只對(duì)單個(gè)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，其他影響鍋爐性能的參數(shù)盡量不做變化，以免影響測(cè)試結(jié)果的真實(shí)性。每個(gè)試驗(yàn)工況，測(cè)試前至少穩(wěn)定30 min，測(cè)試時(shí)間約20 min。試驗(yàn)數(shù)據(jù)多次間隔記錄后取平均值。

2　低負(fù)荷下單一運(yùn)行參數(shù)變化對(duì)鍋爐運(yùn)行的影響

SCR系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠運(yùn)行與系統(tǒng)溫度有關(guān)，反應(yīng)溫度不僅決定化學(xué)反應(yīng)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(shù)曲線。250～450℃，脫硝率隨溫度遞增。如果SCR進(jìn)口煙溫低于設(shè)計(jì)值，則會(huì)導(dǎo)致SCR系統(tǒng)退停。

在高、中、低三種負(fù)荷下進(jìn)行測(cè)試、修正計(jì)算，選擇典型工況，將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析比較。

隨著鍋爐負(fù)荷的上升，爐膛內(nèi)著火條件、煤粉與空氣混合條件轉(zhuǎn)好，燃燒穩(wěn)定，爐膛溫度提高。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，爐膛內(nèi)火球較小。所以隨著機(jī)組負(fù)荷的上升，排煙溫度呈上升趨勢(shì)。SCR進(jìn)口煙氣溫度見圖3。

從高負(fù)荷到低負(fù)荷，SCR進(jìn)口煙溫從337℃下降到304℃，下降幅度為10.85%;而SCR最低設(shè)計(jì)溫度值為300℃，所以如果煙溫由304℃繼續(xù)下降，則SCR退停的可能性增加。SCR退停則會(huì)導(dǎo)致NOx排放嚴(yán)重超標(biāo)，同時(shí)脫硝效率也會(huì)降低。

所以以下著重研究低負(fù)荷下運(yùn)行參數(shù)的變化對(duì)鍋爐的經(jīng)濟(jì)性(鍋爐效率)、環(huán)保性(NOx)、可靠性(SCR退停)的影響。

2.1高、中、低三種負(fù)荷對(duì)SCR進(jìn)口NOx排放質(zhì)量濃度及鍋爐效率的影響

隨著機(jī)組負(fù)荷的降低，爐內(nèi)火焰充滿度較差，煤粉在爐內(nèi)停留時(shí)間增加，導(dǎo)致鍋爐效率上升(相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見圖4)，從高負(fù)荷到低負(fù)荷過程中鍋爐效率從93.01%升高到93.53%。隨著機(jī)組負(fù)荷升高，爐內(nèi)溫度升高，氧量充足，增加了熱力型NOx的生成，修正后的SCR進(jìn)口NOx排放質(zhì)量濃度從249 mg/m3上升到303 mg/m3，上升幅度較大，可見負(fù)荷變化對(duì)鍋爐經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性的作用相反。

2.2低負(fù)荷下運(yùn)行氧量對(duì)SCR進(jìn)口煙溫、NOx排放質(zhì)量濃度及鍋爐效率的影響

爐膛氧量是鍋爐運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)。僅對(duì)運(yùn)行氧量進(jìn)行調(diào)整，分別進(jìn)行4個(gè)不同氧量水平下的對(duì)比試驗(yàn)，考察其對(duì)SCR進(jìn)口煙溫、NOx排放質(zhì)量濃度及鍋爐熱效率的影響關(guān)系(見圖5)。420 MW負(fù)荷下進(jìn)行3.5%、4.0%、4.5%、5.0%氧量水平的調(diào)整，實(shí)測(cè)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(wěn)定，爐膛溫度上升，這些都有利于煤粉燃盡。SCR進(jìn)口煙溫從302.5℃上升到308.1℃，302.5℃略高于SCR設(shè)計(jì)溫度300℃。所以控制氧量使溫度升高有利于SCR的安全運(yùn)行，防止SCR系統(tǒng)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(jù)NOx的生成機(jī)理，爐膛氧量對(duì)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?jǐn)?shù)從3.25%增加至5.02%，SCR進(jìn)口平均NOx排放質(zhì)量濃度從212 mg/m3上升至276 mg/m3，可見氧量增加對(duì)NOx排放質(zhì)量濃度的增加作用明顯。

鍋爐效率和許多因素有關(guān)，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(fēng)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(dǎo)了鍋爐效率的變化趨勢(shì):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(fù)荷下二次風(fēng)門開度對(duì)SCR進(jìn)口煙溫、NOx排放質(zhì)量濃度及鍋爐效率的影響

針對(duì)不同二次風(fēng)門開度進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)整，五層SOFA全部投運(yùn)，開度均為100%，僅對(duì)主燃燒器二次風(fēng)門開度(27%～42%)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見圖8～圖10。

二次風(fēng)門開度增大，爐膛與二次風(fēng)箱的壓差減小，二次風(fēng)量增加，SOFA風(fēng)量減小。從圖8可知:二次風(fēng)門開度的變化對(duì)SCR進(jìn)口煙溫的變化影響不大，基本維持在306.3℃左右，SOFA風(fēng)量從483 t/h減小到382 t/h?？梢娬{(diào)整二次風(fēng)門開度對(duì)SCR進(jìn)口煙溫影響不大，難以起到防止SCR煙溫過低而退停的調(diào)節(jié)作用。

二次風(fēng)門開度增大，使得爐膛燃燒富燃料區(qū)的氧量增加，從而增加了燃料型NOx的生成，同時(shí)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(fēng)門開度的增大對(duì)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(fēng)量與二次風(fēng)量此消彼長(zhǎng)，使?fàn)t膛風(fēng)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(gè)因素是干煙氣熱損失和未燃盡碳熱損失，變化趨勢(shì)見圖9，它們的綜合作用得到圖10中的效率變化趨勢(shì)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(shì)呈相關(guān)性。由于富燃料區(qū)的氧化性增強(qiáng)，NOx生成量增加，SCR進(jìn)口平均NOx排放質(zhì)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(jià)。

2.4低負(fù)荷下SOFA風(fēng)門開度對(duì)SCR進(jìn)口煙溫、NOx排放質(zhì)量濃度以及鍋爐效率的影響

低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，對(duì)SOFA-Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ進(jìn)行開度調(diào)節(jié)，其他保持全開，實(shí)測(cè)開度范圍19.5%至95.5%(見圖11)。

SOFA風(fēng)門開度從19.5%增加到95.5%，SOFA風(fēng)量從468 t/h增加到516 t/h。SCR進(jìn)口煙溫基本維持在307.5℃左右，可見SOFA風(fēng)門開度對(duì)煙溫的影響不大。SOFA風(fēng)門開度增大，SOFA風(fēng)量增加，二次風(fēng)量減少，富燃料區(qū)燃燒減弱，但上方二次燃燒區(qū)的燃燒增強(qiáng)，導(dǎo)致最終SCR進(jìn)口煙氣溫度基本不變，可見調(diào)整SOFA風(fēng)門開度對(duì)SCR進(jìn)口煙溫影響不大，難以防止SCR系統(tǒng)因煙溫過低而退停。

SOFA風(fēng)門開度的增加，導(dǎo)致下方二次風(fēng)量減少，富燃料區(qū)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(fēng)門開度增大，二次風(fēng)量增大，SOFA風(fēng)量減少，兩者的綜合結(jié)果導(dǎo)致爐膛風(fēng)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(fēng)門開度變化時(shí)，鍋爐效率的主導(dǎo)因素為未燃盡碳熱損失。鍋爐效率與SOFA風(fēng)門開度的關(guān)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(shì)呈相關(guān)性，未燃盡碳熱損失增加，則鍋爐效率降低。

SOFA風(fēng)門開度增大，SOFA風(fēng)量增加，二次風(fēng)量減少，使富燃料區(qū)的還原性增強(qiáng)，抑制了NOx的生成。從圖13可知:SCR進(jìn)口平均NOx排放質(zhì)量濃度從368 mg/m3降低到216 mg/m3，效果明顯。可見鍋爐效率降低可減少NOx的生成。

2.5低負(fù)荷下SOFA上下擺角對(duì)SCR進(jìn)口煙溫、NOx排放質(zhì)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(duì)SOFA上下擺角進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，五層SOFA全部投運(yùn)、開度均為100%，擺角調(diào)整范圍0%～90%。由圖14表明:僅通過調(diào)整SOFA擺角對(duì)SOFA風(fēng)量的影響不大，SOFA風(fēng)量從460 t/h降至444 t/h，低負(fù)荷下SOFA擺角對(duì)SCR進(jìn)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(fēng)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(dǎo)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(nèi)還原區(qū)的高度增加，煤粉燃燒在一次燃燒區(qū)生成的NOx獲得更多的還原時(shí)間，還原加強(qiáng)，對(duì)降低NOx的效果顯著(見圖16)，SCR進(jìn)口平均NOx排放質(zhì)量濃度從308 mg/m3降到258 mg/m3。

此外，對(duì)吹灰器進(jìn)行調(diào)整，考察其對(duì)SCR進(jìn)口煙溫的影響，試驗(yàn)結(jié)果見圖17。吹灰后過熱器出口煙溫降低了10 K，SCR進(jìn)口煙溫降低了2 K，可見吹灰加強(qiáng)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(jīng)濟(jì)性。由于SCR進(jìn)口煙溫的降低，吹灰又影響了SCR的可靠運(yùn)行。

3　結(jié)語

(1)低負(fù)荷下，調(diào)整鍋爐的相關(guān)運(yùn)行參數(shù)，如運(yùn)行氧量、SOFA風(fēng)門開度、SOFA上下擺角、二次風(fēng)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(jià)的。實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要平衡鍋爐效率與NOx排放指標(biāo)的關(guān)系。

(2)低負(fù)荷下SCR進(jìn)口煙溫相對(duì)較低，可以調(diào)整運(yùn)行參數(shù)控制SCR進(jìn)口煙溫，以防止SCR進(jìn)口煙溫過低導(dǎo)致SCR系統(tǒng)退停，但不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)SCR進(jìn)口煙溫的影響不盡相同，其中運(yùn)行氧量的增加對(duì)SCR進(jìn)口煙溫提高效果顯著，SOFA風(fēng)門開度、SOFA上下擺角、二次風(fēng)門開度對(duì)SCR進(jìn)口煙溫影響不大，吹灰會(huì)使得SCR進(jìn)口煙溫略微降低。

(3)低負(fù)荷下，為控制NOx的生成、SCR進(jìn)口煙溫、鍋爐效率，可根據(jù)各運(yùn)行參數(shù)對(duì)鍋爐的單一影響，綜合考慮，采用多種運(yùn)行參數(shù)聯(lián)合調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)優(yōu)化運(yùn)行。

［1］劉創(chuàng)，白玉海，王紅波，等.600 MW鍋爐機(jī)組低氮燃燒系統(tǒng)優(yōu)化改造［J］.熱能動(dòng)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(guān)鍵技術(shù)研究與工程實(shí)踐［J］.熱能動(dòng)力工程，2014，29(6): 747-752.

［3］楊揚(yáng).600 MW超臨界機(jī)組低NOx燃燒協(xié)調(diào)優(yōu)化研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，2012.

［4］陸智.420 t/h鍋爐SOFA低NOx燃燒技術(shù)改造研究［D］.浙江:浙江大學(xué)，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(jīng)緯(1989—)，男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槿济弘姀S風(fēng)煙系統(tǒng)能耗特性分析。

E-mail:chenjingwei19890401@gmail.com