基于尾部煙道CO在線監(jiān)測的鍋爐燃燒優(yōu)化

張晨浩，蘇 勝，常壽兵，歐陽朱峰，任強(qiáng)強(qiáng)，江紫薇，王 鵬，周 敬，崔曉寧，胡 松，汪 一，向 軍

(1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，武漢 430074；2.沃森能源技術(shù)(廊坊)有限公司，廊坊 065000)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，我國環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)格，電站鍋爐低氮改造成為大勢所趨[1-4]，而低氮改造往往以犧牲鍋爐效率為代價(jià)[5-8]，因此，如何兼顧提高鍋爐的運(yùn)行效率和降低煙氣 NOx濃度，進(jìn)而保證鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性成為當(dāng)前研究的熱門課題.

當(dāng)前普遍在鍋爐尾部煙道安裝氧化鋯氧量計(jì)測量省煤器出口 O2量來反映鍋爐整體燃燒狀況，但由于飛灰成分復(fù)雜，氧化鋯氧量計(jì)易受飛灰影響，且煙道側(cè)漏風(fēng)對O2量測量結(jié)果影響很大.

省煤器出口 CO濃度的高低是衡量爐內(nèi)燃燒優(yōu)劣的重要指標(biāo)[9-13]，相比于 O2量具有更高的敏感性，受煙道側(cè)漏風(fēng)影響顯著低于O2量[9,14-15]，能夠在整體上反映爐膛內(nèi)風(fēng)粉配比情況的好壞[14,16]，可用于指導(dǎo)調(diào)節(jié)以降低煙氣 NOx濃度[17-21]；而且省煤器出口 CO濃度與化學(xué)未完全燃燒熱損失以及機(jī)械未完全燃燒熱損失有很強(qiáng)的正相關(guān)性[6]，對鍋爐效率的提高有重要參考意義.因此，省煤器出口 CO濃度可以作為對于 O2量的補(bǔ)充，從而作為鍋爐燃燒調(diào)整的重要參考指標(biāo).當(dāng)前一些學(xué)者[15]基于 CO進(jìn)行了相關(guān)研究，但僅限于經(jīng)驗(yàn)調(diào)節(jié)方面，并未對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行相關(guān)研究.

本文針對省煤器出口 CO濃度建立了鍋爐燃燒優(yōu)化模型，基于CO濃度的變化對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了量化，從而在保證鍋爐運(yùn)行安全性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提升其經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性.

1 設(shè)備概況

1.1 設(shè)備整體介紹

某 600MW 亞臨界鍋爐為露天布置、自然循環(huán)、前后墻對沖燃燒、1次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、尾部雙煙道、全鋼構(gòu)架的Π型汽包爐，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表 1所示.該鍋爐采用設(shè)計(jì)煤種運(yùn)行，煤質(zhì)分析如表 2所示.設(shè)計(jì)煤種的煤粉細(xì)度為 R90=16%.該鍋爐采用中速磨正壓直吹式制粉系統(tǒng)，共 6臺磨煤機(jī)，每臺磨煤機(jī)帶1層5只燃燒器，在BMCR工況下采用5投1備的運(yùn)行方式.

1.2 燃燒器布置概況

圖1為該鍋爐進(jìn)行低氮改造后的燃燒器布置方式，前墻和后墻各布置 3層煤粉燃燒器，每層 5只LNASB燃燒器，共 30只，最下層的 10只為等離子點(diǎn)火燃燒器，區(qū)別在于沒有中心風(fēng)；在最上層煤粉燃燒器上方，前墻和后墻各布置 2層燃盡風(fēng)燃燒器，下層燃盡風(fēng)共10只，上層燃盡風(fēng)共14只；每層主燃燒器側(cè)上方靠近左墻和右墻水冷壁區(qū)域分別布置貼壁風(fēng)燃燒器，共12只，為直流風(fēng)燃燒器.

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Main design parameters of boiler

表2 煤質(zhì)分析Tab.2 Coal quality analysis

圖1 燃燒器分布(單位：mm)Fig.1 Distribution of burners(unit：mm)

1.3 CO測量設(shè)備布置情況及灰渣取樣方法

鍋爐分為左、右兩個(gè)煙道，兩個(gè)煙道的省煤器出口分別裝有 2只型號 CEA-100的 CO測量儀，測量儀帶有多級煙塵過濾器、氣水分離器和化學(xué)過濾器，量程為 0～4000×10-6，步長 50×10-6，精度±2%，正常工作壓力為±2.5kPa，取樣探頭帶有防腐耐磨保護(hù)管，能耐受 600℃以下的高溫惡劣環(huán)境，安裝深度為 1500mm，探頭位置與氧化鋯氧量計(jì)取樣位置接近，采用壓縮空氣對探頭進(jìn)行定時(shí)吹掃.

采用網(wǎng)格法對左、右煙道的飛灰進(jìn)行多點(diǎn)等速取樣并混合，且同步在碎渣機(jī)后對爐渣進(jìn)行等時(shí)間間隔、等質(zhì)量取樣并混合[22].

2 鍋爐燃燒優(yōu)化模型

為構(gòu)建鍋爐燃燒優(yōu)化模型，在設(shè)計(jì)煤質(zhì)(即當(dāng)前燃用煤質(zhì))下對鍋爐滿負(fù)荷進(jìn)行了 10個(gè)工況的性能試驗(yàn)，工況1～10的區(qū)別在于增大燃盡風(fēng)風(fēng)箱開度以提高燃盡風(fēng)量，分別監(jiān)測省煤器出口 CO濃度(折算到 O2含量 6%的標(biāo)態(tài)，下同)和 NOx濃度(折算到 O2含量 6%的標(biāo)態(tài)，下同)的變化，對各工況的飛灰含碳量和爐渣含碳量進(jìn)行了測量，計(jì)算出不同工況下的鍋爐效率.建立 CO濃度與鍋爐效率的關(guān)聯(lián)關(guān)系、CO濃度與 NOx濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；將由于鍋爐效率降低造成的煤耗增加成本作為燃料成本，NOx濃度升高而增加的噴氨成本作為脫硝成本，以燃料成本和脫硝成本之和作為綜合成本，以CO濃度與綜合成本的關(guān)聯(lián)關(guān)系建立綜合燃燒優(yōu)化模型.

2.1 CO濃度與鍋爐效率的關(guān)聯(lián)關(guān)系

2.1.1 鍋爐效率計(jì)算

研究過程中，計(jì)算各工況下鍋爐的各項(xiàng)熱損失，并以此計(jì)算相應(yīng)的鍋爐效率[23].

2.1.2 結(jié)果分析

CO濃度取左、右側(cè)尾部煙道共4個(gè)CO濃度測量值的平均(下同)，CO 濃度和鍋爐效率的關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示，從工況1～10，鍋爐效率由94.02%下降到93.30%，相應(yīng)的CO體積分?jǐn)?shù)從390×10-6升高到1570×10-6，CO 濃度與鍋爐效率負(fù)相關(guān)性顯著，這是因?yàn)椋喝急M風(fēng)風(fēng)門開度增大，導(dǎo)致主燃燒區(qū)不完全燃燒程度上升，雖然燃盡風(fēng)區(qū)域風(fēng)量增大，但時(shí)間上不足以使煤粉和可燃?xì)怏w燃盡，因此，使得固體未完全燃燒熱損失 q4和化學(xué)未完全燃燒熱損失 q3增大，從而導(dǎo)致鍋爐效率降低.此外，CO濃度升高，表明爐膛內(nèi)風(fēng)粉混合不均勻的程度增大，進(jìn)一步影響了煤粉顆粒的燃盡，從而導(dǎo)致固體未完全燃燒熱損失 q4增大，即CO濃度與q4具有一定的正相關(guān)關(guān)系.

圖2 CO體積分?jǐn)?shù)與鍋爐效率的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.2 Correlation between CO concentration and boiler efficiency

圖3為q3+q4隨CO濃度的變化趨勢，可以看出CO濃度與 q3+q4顯著正相關(guān).對比圖2和圖3發(fā)現(xiàn)，工況 1～10鍋爐效率降低 0.72%，而q3+q4升高了 0.48%，其他損失產(chǎn)生的原因?yàn)椋汗r 1～10逐漸開大燃盡風(fēng)調(diào)門，使得部分燃料的燃盡推遲，從而導(dǎo)致排煙溫度由130℃升高到136℃，進(jìn)而使排煙熱損失q2和灰渣物理熱損失q6升高了0.24%，但是q6的增大程度很小.因此為了提高鍋爐運(yùn)行效率，在保證排煙溫度不發(fā)生較大變動(dòng)的情況下，應(yīng)盡可能降低尾部煙道的CO含量.

圖3 CO體積分?jǐn)?shù)與q3+q4的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.3 Correlation between CO concentration and q3+q4

2.2 CO濃度與NOx濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系

圖4為尾部煙道CO濃度和煙氣NOx濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從工況 1～10，煙氣 NOx質(zhì)量濃度由306mg/m3降低到 224mg/m3，CO 體積分?jǐn)?shù)從 390×10-6升高到 1570×10-6，CO 體積分?jǐn)?shù)與煙氣 NOx質(zhì)量濃度顯著負(fù)相關(guān).分析原因?yàn)椋喝急M風(fēng)風(fēng)門開度增大，導(dǎo)致主燃燒區(qū)風(fēng)量減少，進(jìn)而主燃燒區(qū)域的不完全燃燒程度增大且燃燒溫度降低，從而熱力型 NOx產(chǎn)生量減少，且更多的NOx被還原，使得煙氣NOx質(zhì)量濃度降低.

因此，可根據(jù) CO濃度和煙氣 NOx含量的負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過控制CO濃度間接降低煙氣NOx含量.

圖4 CO體積分?jǐn)?shù)與煙氣NOx質(zhì)量濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.4 Correlation between CO concentration and NOx concentration in flue gas

2.3 綜合燃燒優(yōu)化模型

通過上述 CO濃度與鍋爐效率和煙氣 NOx濃度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，發(fā)現(xiàn) CO濃度與鍋爐效率和煙氣 NOx濃度整體均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系.因此，CO濃度的升高伴隨著鍋爐效率的降低，即伴隨著煤耗量的增大；CO濃度的升高伴隨著煙氣 NOx濃度的降低，即伴隨著噴氨量的降低.可見提高鍋爐效率和降低煙氣 NOx濃度是一對矛盾，關(guān)鍵在于如何平衡好這一對矛盾以更好地提高經(jīng)濟(jì)性，為此需構(gòu)建綜合燃燒優(yōu)化模型.

2.3.1 燃料成本

負(fù)荷和煤種不變的情況下，鍋爐效率的降低意味著燃料消耗量的增加，因此定義在一定時(shí)間內(nèi)按此負(fù)荷和煤種運(yùn)行時(shí)相對最高效率多消耗的燃料成本作為燃料成本(單位：元)，即

式中：ηgl，max為該負(fù)荷下鍋爐最高效率；ηgl為當(dāng)前鍋爐效率；B0為最高效率下的燃料量，t/h；Pc為煤價(jià)，元/t；t為全年該負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長，h.

對于當(dāng)前燃燒調(diào)整試驗(yàn)，ηgl，max取所有工況下的最高效率 94.02%(工況 1)，從安全儀表系統(tǒng)(SIS)獲得工況1的煤耗量為251t/h，試驗(yàn)批次的煤價(jià)為730元/t，該廠全年滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)長為 3 000 h，按各工況運(yùn)行3000h的燃料成本如圖5所示，由0萬元上升到425.5萬元，可見，隨著鍋爐效率的降低，燃料成本顯著上升，尾部煙道 CO濃度與燃料成本正相關(guān)性顯著.

圖5 CO體積分?jǐn)?shù)與成本的關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.5 Correlation between CO concentration and cost

2.3.2 脫硝成本

采用SCR脫硝系統(tǒng)，以液氨作為還原劑，對于該燃燒調(diào)整試驗(yàn)，在負(fù)荷和煤種不變的情況下，因煙氣NOx濃度未達(dá)到最低而多消耗的液氨成本定義為脫硝成本(單位：元)，即

2.3.3 綜合成本

將鍋爐未達(dá)到最高效率多消耗的燃料成本與未達(dá)到最低煙氣 NOx含量多消耗的噴氨成本之和定義為綜合成本，即C=Cc+CN.

圖5為按各工況運(yùn)行 3000h的綜合成本，由65.5萬元上升到 425.5萬元，可見，尾部煙道 CO濃度與綜合成本正相關(guān)性顯著，當(dāng)前模型條件下，燃料成本對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響明顯大于脫硝成本.但當(dāng)前脫硝成本模型中未考慮由于噴氨導(dǎo)致的空預(yù)器堵塞、催化劑失活等原因而造成的脫硝成本的提高，在實(shí)際運(yùn)行過程中，考慮上述因素后，脫硝成本對最終綜合成本的影響可能會(huì)有所增加.

2.3.4 綜合優(yōu)化策略

在當(dāng)前綜合燃燒優(yōu)化模型下，對于該鍋爐，低氮改造要求煙氣 NOx質(zhì)量濃度不高于 280mg/m3，而工況 1和 2的 NOx質(zhì)量濃度分別為 306mg/m3、289mg/m3，顯然不符合要求，因此選取工況3作為最優(yōu)運(yùn)行工況，此工況的CO體積分?jǐn)?shù)為445×10-6，煙氣NOx質(zhì)量濃度為276mg/m3，鍋爐效率為93.81%，綜合成本為 167.5萬元.即對于當(dāng)前煤質(zhì)和負(fù)荷，可以通過調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)量從而調(diào)整CO體積分?jǐn)?shù)在445×10-6附近，進(jìn)而間接達(dá)到鍋爐高效低NOx運(yùn)行.

當(dāng)前已有的研究成果[3-5,6-7,9-19]基于 CO對提高鍋爐效率進(jìn)行了相關(guān)研究或者基于 CO對降低 NOx濃度進(jìn)行了相關(guān)研究，僅有少量基于CO對提高鍋爐效率和降低 NOx濃度進(jìn)行了定性的綜合研究，而本文的鍋爐燃燒優(yōu)化模型采取指標(biāo)量化的方法對提高鍋爐效率和降低 NOx進(jìn)行了綜合研究，能夠更直觀地反映鍋爐運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性.

3 結(jié) 論

本文基于尾部煙道 CO在線監(jiān)測和燃燒調(diào)整試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)的比例獲得不同工況下的CO濃度和煙氣 NOx濃度，并對各工況下的效率進(jìn)行了計(jì)算，進(jìn)而對各工況的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了量化.研究結(jié)果表明，在當(dāng)前滿負(fù)荷、燃燒設(shè)計(jì)煤種的運(yùn)行工況下：

(1) 從工況1～10，CO體積分?jǐn)?shù)從390×10-6上升到 1570×10-6，鍋爐效率由 94.02%下降到93.30%，煙氣 NOx質(zhì)量濃度由 306mg/m3降低到224mg/m3，因此由工況 1～10形成了多燒煤與少噴氨的矛盾.

(2) 從工況1～10，CO體積分?jǐn)?shù)從390×10-6上升到 1570×10-6，各工況運(yùn)行 3000h的燃料成本由0萬元上升到425.5萬元，脫硝成本由65.5萬元降低到0萬元，綜合成本由65.5萬元上升到425.5萬元，在當(dāng)前模型下，燃料成本對鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響明顯大于脫硝成本，考慮由于噴氨導(dǎo)致的對于空預(yù)器堵塞、催化劑失活等影響后，脫硝成本對最終綜合成本的影響可能會(huì)有所增加.

(3) 在當(dāng)前綜合燃燒優(yōu)化模型下，綜合考慮鍋爐效率與煙氣 NOx質(zhì)量濃度并結(jié)合兩者與 CO體積分?jǐn)?shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，認(rèn)為 CO體積分?jǐn)?shù)控制在 445×10-6左右可以間接達(dá)到鍋爐高效低 NOx運(yùn)行，該運(yùn)行方式下 NOx質(zhì)量濃度滿足不高于 280mg/m3的低氮改造要求.

文中模型的不足之處在于：未對滿負(fù)荷之外的其他負(fù)荷進(jìn)行建模；燃料成本計(jì)算僅考慮了鍋爐效率，未考慮機(jī)組總體效率；脫硝成本僅考慮了氨成本，未考慮其他脫硝方面的投資.后續(xù)工作將針對這些不足之處進(jìn)行進(jìn)一步的模型優(yōu)化，以獲得負(fù)荷適應(yīng)范圍更寬、準(zhǔn)確性更高的燃燒優(yōu)化模型.