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

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

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，我國環(huán)保標準日益嚴格，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[5-8]，因此，如何兼顧提高鍋爐的運行效率和降低煙氣 NOx濃度，進而保證鍋爐運行的經(jīng)濟性和環(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[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械未完全燃燒熱損失有很強的正相關(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量的補充，從而作為鍋爐燃燒調(diào)整的重要參考指標.當(dāng)前一些學(xué)者[15]基于 CO進行了相關(guān)研究，但僅限于經(jīng)驗調(diào)節(jié)方面，并未對其經(jīng)濟性進行相關(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行經(jīng)濟性進行了量化，從而在保證鍋爐運行安全性的基礎(chǔ)上，進一步提升其經(jīng)濟性及環(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)計參數(shù)如表 1所示.該鍋爐采用設(shè)計煤種運行，煤質(zhì)分析如表 2所示.設(shè)計煤種的煤粉細度為 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，每臺磨煤機帶1層5只燃燒器，在BMCR工況下采用5投1備的運行方式.

1.2 燃燒器布置概況

圖1為該鍋爐進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、右兩個煙道，兩個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取樣位置接近，采用壓縮空氣對探頭進行定時吹掃.

采用網(wǎng)格法對左、右煙道的飛灰進行多點等速取樣并混合，且同步在碎渣機后對爐渣進行等時間間隔、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)計煤質(zhì)(即當(dāng)前燃用煤質(zhì))下對鍋爐滿負荷進行了 10個工況的性能試驗，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%的標態(tài)，下同)和 NOx濃度(折算到 O2含量 6%的標態(tài)，下同)的變化，對各工況的飛灰含碳量和爐渣含碳量進行了測量，計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 鍋爐效率計算

研究過程中，計算各工況下鍋爐的各項熱損失，并以此計算相應(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體積分數(shù)從390×10-6升高到1570×10-6，CO 濃度與鍋爐效率負相關(guān)性顯著，這是因為：燃盡風(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，但時間上不足以使煤粉和可燃氣體燃盡，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體積分數(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)生的原因為：工況 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行效率，在保證排煙溫度不發(fā)生較大變動的情況下，應(yīng)盡可能降低尾部煙道的CO含量.

圖3 CO體積分數(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 體積分數(shù)從 390×10-6升高到 1570×10-6，CO 體積分數(shù)與煙氣 NOx質(zhì)量濃度顯著負相關(guān).分析原因為：燃盡風(fēng)風(fēng)門開度增大，導(dǎo)致主燃燒區(qū)風(fēng)量減少，進而主燃燒區(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體積分數(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)濟性，為此需構(gòu)建綜合燃燒優(yōu)化模型.

2.3.1 燃料成本

負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，因此定義在一定時間內(nèi)按此負荷和煤種運行時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，元/t；t為全年該負荷運行時長，h.

對于當(dāng)前燃燒調(diào)整試驗，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，試驗批次的煤價為730元/t，該廠全年滿負荷運行時長為 3 000 h，按各工況運行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體積分數(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，在負荷和煤種不變的情況下，因煙氣NOx濃度未達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

將鍋爐未達到最高效率多消耗的燃料成本與未達到最低煙氣 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，燃料成本對鍋爐運行經(jīng)濟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，在實際運行過程中，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)運行工況，此工況的CO體積分數(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)和負荷，可以通過調(diào)節(jié)燃盡風(fēng)量從而調(diào)整CO體積分數(shù)在445×10-6附近，進而間接達到鍋爐高效低NOx運行.

當(dāng)前已有的研究成果[3-5,6-7,9-19]基于 CO對提高鍋爐效率進行了相關(guān)研究或者基于 CO對降低 NOx濃度進行了相關(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)化模型采取指標量化的方法對提高鍋爐效率和降低 NOx進行了綜合研究，能夠更直觀地反映鍋爐運行的經(jīng)濟性.

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，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行了計算，進而對各工況的經(jīng)濟性進行了量化.研究結(jié)果表明，在當(dāng)前滿負荷、燃燒設(shè)計煤種的運行工況下：

(1) 從工況1～10，CO體積分數(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體積分數(shù)從390×10-6上升到 1570×10-6，各工況運行 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，燃料成本對鍋爐運行經(jīng)濟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體積分數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，認為 CO體積分數(shù)控制在 445×10-6左右可以間接達到鍋爐高效低 NOx運行，該運行方式下 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：未對滿負荷之外的其他負荷進行建模；燃料成本計算僅考慮了鍋爐效率，未考慮機組總體效率；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行進一步的模型優(yōu)化，以獲得負荷適應(yīng)范圍更寬、準確性更高的燃燒優(yōu)化模型.