劉洪憲，史夢燚

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

某300MW鍋爐不同工況低氮燃燒優(yōu)化

劉洪憲，史夢燚

(東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

低氮燃燒技術(shù)是最為有效降低氮氧化物生成和排放的方式之一，其原理多運(yùn)用空氣分級技術(shù)，即不同配風(fēng)方式來調(diào)節(jié)爐內(nèi)煙氣成分變化，然而生成物變化又會產(chǎn)生后續(xù)的一系列變化，例如：鍋爐效率，脫硝成本等。目前高效低氮燃燒技術(shù)又日益引起人們的關(guān)注，因此尋找既高效又低氮的燃燒方式是必要的。針對額定工況下爐內(nèi)燃燒進(jìn)行模擬，調(diào)節(jié)配風(fēng)方式對鍋爐效率和SCR處理運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行優(yōu)化研究，并得出結(jié)論：在所研究工況中，燃盡風(fēng)量為36%處使其總成本達(dá)到最低。

低氮燃燒；爐內(nèi)模擬；鍋爐效率；脫硝成本

目前，電站鍋爐運(yùn)行面臨降低運(yùn)行成本和降低污染物排放[1]的雙重要求，高效的運(yùn)行生產(chǎn)和低污染物排放的技術(shù)日益引起人們的關(guān)注。一般而言，煤粉高效燃燒技術(shù)與低NOx燃燒技術(shù)[2]是互為矛盾的。根據(jù)NOx生成原理可知，降低NOx生成和排放[3]的關(guān)鍵在于控制燃燒區(qū)域的高溫與煤粉的高濃度不同時存在[4]，但是此方式又會影響煤粉的燃燒效率，協(xié)調(diào)好這兩項(xiàng)技術(shù)使之達(dá)到綜合最佳，就要求對煤粉燃燒全過程加以優(yōu)化控制，既保證煤粉著火穩(wěn)定，同時具有較低的燃燒溫度，且在此溫度下又能保證煤粉的燃盡。因此，本文通過調(diào)節(jié)配風(fēng)方式[5]，以燃盡風(fēng)量分別為25%、28%、32%、36%四個不同工況對爐內(nèi)燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，尋找鍋爐效率和脫硝成本最佳的組合方式。

1 鍋爐概況

本文采用國電東北電力有限公司雙遼發(fā)電廠2號鍋爐為研究對象，該鍋爐為哈爾濱鍋爐有限公司制造300 MW亞臨界燃煤機(jī)組鍋爐，型號為HG-1021/18.2-HM5。研究對象為亞臨界壓力汽包鍋爐，一次中間再熱自然循環(huán)煤粉爐，鍋爐燃燒方式為直流燃燒器的六角切圓鍋爐[6]。制粉系統(tǒng)采用正壓直吹式系統(tǒng)，每臺鍋爐配備六臺型號為FM340.1060的風(fēng)扇磨。鍋爐橫截面積為14 048 mm×14 030 mm，鍋爐設(shè)計以及燃用煤種分別為烏拉蓋褐煤和霍林河褐煤。設(shè)計及燃用煤質(zhì)，如表1所示。

表1 設(shè)計及燃用煤種煤質(zhì)分析

2 不同工況模擬結(jié)果

2.1 不同工況下爐內(nèi)溫度場分析

從圖1可以看出在不同工況下，爐內(nèi)燃燒溫度呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，且在燃盡風(fēng)區(qū)域后其溫度減小幅度變慢。爐內(nèi)燃燒所使用的低氮燃燒器，其爐內(nèi)燃燒速度變化不大，所以其總體燃燒溫度沒有較大幅度的變化；隨著燃盡風(fēng)量的增加，主燃燒器區(qū)域逐漸出現(xiàn)還原性氣氛，這對燃盡是不利的，會產(chǎn)生較多的未完全燃燒的氣體和焦炭。在燃盡風(fēng)區(qū)，隨著燃盡風(fēng)的噴入，在燃盡風(fēng)區(qū)域溫度仍然能達(dá)到焦炭和未完全燃燒氣體的燃點(diǎn)，所以在燃盡風(fēng)區(qū)域再次進(jìn)行了燃燒，會有一定溫度的升高，但是在水冷壁的吸熱的前提下，隨著爐膛高度的上升其爐內(nèi)溫度還是下降，但是降低幅度有所減小。

圖1 不同工況下沿爐膛高度方向整體溫度分布

圖2 沿爐膛高度方向CO濃度分布圖

2.2 不同工況下濃度場分析

2.2.1 CO濃度場分析

從圖2可以看出，隨著燃盡風(fēng)量的增加，主燃燒器區(qū)的氧氣含量減少，逐漸加劇了CO氣體生成，即不完全燃燒損失增加。在不同工況下，不完全燃燒的氣體[7]生成變化是一致的，都是在主燃燒器區(qū)域大量生成，隨著煙氣的流動逐漸再被燃燒達(dá)到較為低的水平濃度。在燃盡風(fēng)區(qū)域CO含量基本達(dá)到穩(wěn)定，爐膛出口處的生成CO含量濃度基本沒有變化，且CO含量較少，化學(xué)不完全燃燒損失可忽略不計。

2.2.2 CO2濃度場分析

圖3 沿爐膛高度變化的CO2濃度分布圖

圖4 沿爐膛高度方向O2濃度分布圖

從圖3中可以看出，隨著燃盡風(fēng)含量的變化，各個工況的CO2生成量變化趨勢大致是一致的，上升下降再上升再下降。這是因?yàn)檠刂鵂t膛高度變化，煤粉在主燃燒器區(qū)進(jìn)行燃燒，生成大量的CO2；隨著煙氣在爐膛內(nèi)流動，由于漏風(fēng)等原因，在主燃燒器區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)之間，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)降低；燃盡風(fēng)的加入，使得未完全燃燒的部分在燃盡風(fēng)區(qū)域進(jìn)行二次的燃燒，在燃盡風(fēng)區(qū)域CO2含量增加，但是隨著燃盡風(fēng)的噴入，帶入了大量的其他氣體，CO2的摩爾分?jǐn)?shù)又降低了。在不同工況下爐膛出口CO2含量變化：從大到小分別為28%、36%、25%、32%，雖然在主燃燒器區(qū)CO2含量變化較大，但是在爐膛出口處CO2變化不大。

2.2.3 O2濃度場分析

O2濃度分布對鍋爐降低NOx排放濃度及燃燒效率都有較大影響[8]，爐內(nèi)O2濃度場如圖4所示。從圖4可以看出，在額定負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的變化，在主燃燒器區(qū)，燃盡風(fēng)量越大的工況O2含量越低，并且生成的CO也較多。在進(jìn)入燃盡風(fēng)區(qū)域O2含量迅速升高，基本達(dá)到平衡和穩(wěn)定，由于不同燃盡風(fēng)量下主燃燒器生成CO和未燃燒的煤粉含量不同，并結(jié)合相同爐膛空間對燃盡的共同影響，在爐膛出口O2濃度含量大致隨著燃盡風(fēng)組分含量的增大而增加。

2.2.4 NO濃度場分析

圖5 沿爐膛高度方向NO濃度分布圖

圖6 不同工況下排煙和未完全燃燒損失分布圖

從圖5中可以看出，在額定負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的變化，在主燃燒器區(qū)域以及燃盡風(fēng)區(qū)域生成NO含量有著明顯大幅度的變化。隨著燃盡風(fēng)量的增加，在主燃燒器區(qū)域氧量開始減少，但是在主燃燒器區(qū)溫度還是較高，會生成一部分的NO。由于主燃燒器風(fēng)量減少，逐漸出現(xiàn)還原性氣氛，會生成較少的NO。在主燃燒器區(qū)生成的NO隨著煙道的流動，進(jìn)入燃盡風(fēng)區(qū)域，該區(qū)域氧量較為充足，但是燃盡風(fēng)量越大，溫度越低，對氧化生成NO的能力越小。因此，隨著燃盡風(fēng)量的增加，生成的NO含量也越低，尾部進(jìn)行SCR脫硝成本以及排污成本也越低。

2.3 成本分析

2.3.1 不同工況下鍋爐熱損失

從圖6中可以看出，在額定負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的改變，排煙損失和未完全燃燒損失是有所變化的。因此，鍋爐效率也是變化的，但改變量不太明顯，鍋爐經(jīng)濟(jì)性對燃盡風(fēng)量變化不敏感。NOx燃燒器改造前后經(jīng)濟(jì)性分析中改造前及沒有增設(shè)燃盡風(fēng)相比，鍋爐經(jīng)濟(jì)性變化較為明顯。因此，在鍋爐總風(fēng)量一定的前提下，還是二次風(fēng)對鍋爐經(jīng)濟(jì)性變化影響大。改造后燃燒器為低氮氧化物燃燒器，具有降低氮氧化物的特性，其特征之一就是在主燃燒器上方增設(shè)燃盡風(fēng)噴口，主要目的為減少氮氧化物的生成和排放，對鍋爐經(jīng)濟(jì)性的影響不明顯。因此，選擇燃盡風(fēng)量時，應(yīng)該主要考慮氮氧化物的排放特征[9]。

2.3.2 不同工況下的單位煤耗率和鍋爐效率

從圖7中可以看出，不同工況下的單位煤耗率和鍋爐效率變化不大，這是由于不完全燃燒損失以及排煙損失變化幅度也較小，其他損失幾乎不變。由鍋爐效率計算得出的單位煤耗量也相差不多。因此，燃盡風(fēng)量的改變對鍋爐效率影響不大。

圖7 不同工況下的單位煤耗率和鍋爐效率

2.3.3 脫硝成本及排污成本計算

目前電廠常用的處理NOx的方法有SCR和SNCR法[10]，本文采用SCR脫硝方法，SCR脫硝原理[11]如下：

4NO+4NH3+O2=3N2+6H2O，

2NO2+4NH3+O2=3N2+6H2O，

脫硝效率為70%，脫硝還原劑為液氨。氮氧化物中NO含量占95%，NO2含量占5%。

還原劑耗量的計算見下式[12]：

(1)

(2)

式中：nNOX為脫硝效率，%；rα為氨的逃逸率(ppmv，相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)、實(shí)際含氧量下的干煙氣)。

對于SCR脫硝系統(tǒng)，氨逃逸率非常低，公式中氨氮當(dāng)量摩爾比與脫硝效率相差不大，在工程中也可直接采用脫硝效率[13]代替氨氮當(dāng)量摩爾比以簡化計算。由公式(1)和公式(2)得出還原劑耗量，求得還原劑的成本，由還原劑成本所占整個SCR脫硝成本的比例，可得出整個SCR的成本。由于改造前后爐膛出口氮氧化物的含量不同，排污費(fèi)用就不同，同時對用表示鍋爐效率的單位煤耗量成本以及脫硝排污成本作為總成本進(jìn)行計算和分析，計算得出各個成本結(jié)果如表2所示。

表2 不同工況下的各個成本

圖8 不同工況下的各個成本

從圖8可以看出，由于相同負(fù)荷下不同燃盡風(fēng)量的工況下的鍋爐效率相差不大，所以在相同負(fù)荷下不同燃盡風(fēng)量的工況下的單位煤耗成本相差也不大；在100%負(fù)荷處所做四個工況中燃盡風(fēng)量為36%處脫硝成本達(dá)到最低，在所給的燃盡風(fēng)量中的趨勢為先增加后降低的趨勢；排污成本是和脫硝有聯(lián)系的，按照脫除單位氮氧化物產(chǎn)生來計算所需多少排污費(fèi)用，二者呈線性關(guān)系，因此變化趨勢和脫硝費(fèi)用一致。額定負(fù)荷下所做四個工況中消費(fèi)最低點(diǎn)為燃盡風(fēng)量為36%處。從圖8中可以看出，在額定負(fù)荷下所做四個工況中燃盡風(fēng)在36%時效益最好，并且在不同燃盡風(fēng)條件下，鍋爐效率變化不大，單位時間消耗的煤粉量是一定的，同時證明了在同樣負(fù)荷下，其燃盡風(fēng)的選擇主要取決于氮氧化物生成和排放量。導(dǎo)致這個現(xiàn)象的原因?yàn)椋涸陬~定負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的增加，雖然在主燃燒器區(qū)域溫度較高，但是主燃燒器區(qū)風(fēng)量減少形成了還原性氣氛，生成氮氧化物的含量減少，最終在所做四個工況中燃盡風(fēng)為36%處其氮氧化物最低，在此處效益最好，但隨著燃盡風(fēng)量的再增加其氮氧化物的變化如何還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié) 論

(1)從組分濃度的分析可得出結(jié)論，在額定負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的改變，未完全燃燒損失和排煙損失變化不大，其他損失幾乎不變，所以鍋爐效率變化不大說明燃盡風(fēng)量的改變對鍋爐損失以及效率變化影響不大。

(2)從氮氧化物的生成可以看出，在不同工況下的氮氧化物生成含量有明顯的變化。在相同負(fù)荷下，隨著燃盡風(fēng)量的改變，在不同工況下的變化趨勢是不太相同的，但是其變化是明顯的。最后爐膛出口排放的氮氧化物含量變化是不大的，這說明了，隨著燃盡風(fēng)量的改變，主要影響了氮氧化物的生成量。因此，燃盡風(fēng)量的選取主要取決于氮氧化物生成和排放量。

(3)在100%負(fù)荷下，脫硝成本呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，并且在所做四個工況中燃盡風(fēng)量為36%時總的成本最低；然而隨著燃盡風(fēng)量的進(jìn)一步增加，其氮氧化物的成本如何變化還是和低負(fù)荷下脫硝成本變化趨勢是否一致還需進(jìn)一步研究。

(4)由于工況選取時，燃盡風(fēng)量的變化有些大，是否在其區(qū)域中出現(xiàn)更為高效的工況還需進(jìn)一步仔細(xì)地研究。

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Optimization Analysis of Low Nitrogen Combustion Under Different Air Distribution Modes

LIU Hong-xian，SHI Meng-yi

(Energy and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Low nitrogen combustion technology is one of the most effective ways to reduce the formation and emission of nitrogen oxides，and the principle of air classification technology，which is different with the wind mode to adjust the content of the furnace，but the generation of material changes will produce a series of changes，such as：boiler efficiency，denitrification cost，etc.，the current high efficiency and low nitrogen combustion technology has increasingly attracted people's attention，so it is necessary to find a high efficiency and low nitrogen.This paper simulates the rated condition according to the combustion furnace，adjusting the air distribution on the boiler efficiency and SCR operating cost optimization study，draws the conclusion：in the overfire air was 36%，the total cost is the lowest.

Low nitrogen combustion；Furnace simulation；Boiler efficiency；Denitrification cost

2016-04-12

劉洪憲(1971-)，男，吉林省農(nóng)安縣人，東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院副教授，碩士，主要研究方向：電站鍋爐燃燒技術(shù).

1005-2992(2016)06-0043-06

TK223.23

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