锅炉低负荷下运行参数变化对SCR入口参数及锅炉效率的影响

陈经纬，韦红旗，仲亚飞

(东南大学能源与环境学院，南京　210096)

研究与分析

锅炉低负荷下运行参数变化对SCR入口参数及锅炉效率的影响

陈经纬，韦红旗，仲亚飞

(东南大学能源与环境学院，南京210096)

以某电厂660 MW超临界机组为研究对象，通过大量的试验及DCS数据，研究低负荷下相关运行参数的变化对NOx的生成、锅炉热经济性及SCR系统运行可靠性的影响。试验表明:锅炉的热经济性以环保性能为代价，不同运行参数的调整对SCR可靠性的影响不同，实际运行时应平衡环保与效率，考虑各种运行参数的变化对锅炉的影响。

锅炉;燃烧;NOx;效率;试验;SCR

随着我国经济飞速发展，燃煤造成的大气污染物排放日趋严重。GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》规定，NOx排放质量浓度的极限值为100 mg/m3。为使排放达标，有必要对火电厂燃烧系统与SCR脱销系统进行优化，同时兼顾对锅炉效率的影响。

目前对原有设备多采用空气分级燃烧技术［1］，通过改造前后的运行数据对比分析，发现空气分级燃烧可行有效，其中分离燃尽风(SOFA)是提高富燃料区还原性、降低NOx生成的重要手段［2］。以前的学者主要是对有无采用空气分级技术进行比较，而采用空气分级燃烧后还必须对低氮燃烧器的运行方式、锅炉氧量的变化等进行进一步的研究，以使低氮燃烧改造发挥充分的效果。杨扬、陆智对SOFA风量、氧量、负荷对NOx的排放质量浓度进行了分析［3-4］，但未考虑运行参数调整对SCR进口烟温的影响。烟温影响着SCR系统的可靠运行，且还必须对SCR入口的NOx质量浓度进行分析。笔者通过大量的试验，结合获取的DCS数据，分析了低氮燃烧改造之后运行参数对NOx的生成量、锅炉效率等指标的影响，为电厂运行人员对锅炉的优化运行提供参考。

1　试验方法

1.1试验锅炉

该电厂的锅炉型号为SG-2090/25.4-M975，超临界参数变压运行，直流单炉膛，一次中间再热，四角切圆燃烧，固态排渣，全钢架悬吊结构，平衡通风，露天布置。其主要设计参数见表1，设计煤种为淮南煤，见表2。

表1　主要设计参数

表2　设计煤种参数

燃烧系统为低NOx同轴燃烧系统(LNCFSTM)，24只直流式燃烧器分6层布置于炉膛下部四角，为四角切圆方式燃烧，主燃烧器上方有5层分离燃尽风，由一台气动执行器集中带动做上下摆动。

1.2试验内容

通过现场做大量的试验，测试、计算锅炉的主要参数，包括原煤取样与分析(工业、元素、热值分析)、灰渣取样与分析(含碳量)、SCR进口段烟气成分(O2/NOx/CO)测试、排烟温度代表点测试、SCR进口温度测试，以及大量DCS数据的获取，相关测点见图1。各个工况只对单个运行参数进行调整，其他影响锅炉性能的参数尽量不做变化，以免影响测试结果的真实性。每个试验工况，测试前至少稳定30 min，测试时间约20 min。试验数据多次间隔记录后取平均值。

2　低负荷下单一运行参数变化对锅炉运行的影响

SCR系统的经济可靠运行与系统温度有关，反应温度不仅决定化学反应的速率，也决定催化剂的活性。图2为金属氧化物型催化剂脱硝率随温度变化的函数曲线。250～450℃，脱硝率随温度递增。如果SCR进口烟温低于设计值，则会导致SCR系统退停。

在高、中、低三种负荷下进行测试、修正计算，选择典型工况，将所得试验数据平均值进行分析比较。

随着锅炉负荷的上升，炉膛内着火条件、煤粉与空气混合条件转好，燃烧稳定，炉膛温度提高。锅炉低负荷运行时，炉膛内火球较小。所以随着机组负荷的上升，排烟温度呈上升趋势。SCR进口烟气温度见图3。

从高负荷到低负荷，SCR进口烟温从337℃下降到304℃，下降幅度为10.85%;而SCR最低设计温度值为300℃，所以如果烟温由304℃继续下降，则SCR退停的可能性增加。SCR退停则会导致NOx排放严重超标，同时脱硝效率也会降低。

所以以下着重研究低负荷下运行参数的变化对锅炉的经济性(锅炉效率)、环保性(NOx)、可靠性(SCR退停)的影响。

2.1高、中、低三种负荷对SCR进口NOx排放质量浓度及锅炉效率的影响

随着机组负荷的降低，炉内火焰充满度较差，煤粉在炉内停留时间增加，导致锅炉效率上升(相关试验参数见图4)，从高负荷到低负荷过程中锅炉效率从93.01%升高到93.53%。随着机组负荷升高，炉内温度升高，氧量充足，增加了热力型NOx的生成，修正后的SCR进口NOx排放质量浓度从249 mg/m3上升到303 mg/m3，上升幅度较大，可见负荷变化对锅炉经济性和环保性的作用相反。

2.2低负荷下运行氧量对SCR进口烟温、NOx排放质量浓度及锅炉效率的影响

炉膛氧量是锅炉运行的一个重要指标。仅对运行氧量进行调整，分别进行4个不同氧量水平下的对比试验，考察其对SCR进口烟温、NOx排放质量浓度及锅炉热效率的影响关系(见图5)。420 MW负荷下进行3.5%、4.0%、4.5%、5.0%氧量水平的调整，实测氧量为3.25%、3.88%、4.26%、5.02%。氧量增大，煤粉着火条件变好，燃烧稳定，炉膛温度上升，这些都有利于煤粉燃尽。SCR进口烟温从302.5℃上升到308.1℃，302.5℃略高于SCR设计温度300℃。所以控制氧量使温度升高有利于SCR的安全运行，防止SCR系统因烟温过低而退停。

氧量的增加直接影响到飞灰的含碳量，氧量越大，煤粉燃烧越完全，飞灰含碳量减少，降低了未燃尽碳热损失，见图6。从图6表明:随着氧量的增加，未燃尽碳热损失从0.97%降至0.58%，降幅明显，有利于提高锅炉效率;但是氧量的增加使排烟容积增加，增加了排烟损失;随着氧量的增加，干烟气热损失从4.01%增加至4.39%。

根据NOx的生成机理，炉膛氧量对热力型与燃料型NOx的生成有重要的影响，氧量的增加促使NOx的生成量增加(见图7)，含氧体积分数从3.25%增加至5.02%，SCR进口平均NOx排放质量浓度从212 mg/m3上升至276 mg/m3，可见氧量增加对NOx排放质量浓度的增加作用明显。

锅炉效率和许多因素有关，但最主要因素是干烟气热损失与未燃尽碳热损失。氧量增加，一方面有利于燃烧，降低固体不完全燃烧损失，提高锅炉效率;另一方面，氧量增加意味着炉膛风量增加，排烟容积增加，排烟损失增加。这两种因素的叠加，主导了锅炉效率的变化趋势:干烟气损失与未燃尽碳热损失的增量相抵消，所以锅炉效率变化不大，只略微上升(见图7)。

2.3低负荷下二次风门开度对SCR进口烟温、NOx排放质量浓度及锅炉效率的影响

针对不同二次风门开度进行专项调整，五层SOFA全部投运，开度均为100%，仅对主燃烧器二次风门开度(27%～42%)进行统一调整，试验所得数据见图8～图10。

二次风门开度增大，炉膛与二次风箱的压差减小，二次风量增加，SOFA风量减小。从图8可知:二次风门开度的变化对SCR进口烟温的变化影响不大，基本维持在306.3℃左右，SOFA风量从483 t/h减小到382 t/h。可见调整二次风门开度对SCR进口烟温影响不大，难以起到防止SCR烟温过低而退停的调节作用。

二次风门开度增大，使得炉膛燃烧富燃料区的氧量增加，从而增加了燃料型NOx的生成，同时使煤粉燃烧更充分。所以未燃尽碳热损失略有下降，从图9也可以看到未燃尽碳热损失从1.46%下降到1.35%。

二次风门开度的增大对干烟气热损失变化的影响不大，平均维持在4.13%左右，这是SOFA风量与二次风量此消彼长，使炉膛风量变化幅度不大，最终排烟容积变化幅度不大，而排烟温度变化也不大，使得干烟气热损失基本维持不变。

影响锅炉效率最主要的两个因素是干烟气热损失和未燃尽碳热损失，变化趋势见图9，它们的综合作用得到图10中的效率变化趋势线。由于干烟气热损失基本维持不变，所以锅炉效率取决于未燃尽碳热损失，未燃尽碳热损失下降，锅炉效率上升，两者变化趋势呈相关性。由于富燃料区的氧化性增强，NOx生成量增加，SCR进口平均NOx排放质量浓度从212 mg/m3增加到235 mg/m3，增加幅度不大。可见锅炉效率的提升以NOx生成量的增加为代价。

2.4低负荷下SOFA风门开度对SCR进口烟温、NOx排放质量浓度以及锅炉效率的影响

低负荷运行时，对SOFA-Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ进行开度调节，其他保持全开，实测开度范围19.5%至95.5%(见图11)。

SOFA风门开度从19.5%增加到95.5%，SOFA风量从468 t/h增加到516 t/h。SCR进口烟温基本维持在307.5℃左右，可见SOFA风门开度对烟温的影响不大。SOFA风门开度增大，SOFA风量增加，二次风量减少，富燃料区燃烧减弱，但上方二次燃烧区的燃烧增强，导致最终SCR进口烟气温度基本不变，可见调整SOFA风门开度对SCR进口烟温影响不大，难以防止SCR系统因烟温过低而退停。

SOFA风门开度的增加，导致下方二次风量减少，富燃料区的煤粉燃烧不充分，未燃尽碳热损失增加(见图12)，未燃尽碳热损失从0.88%递增到1.06%。二次风门开度增大，二次风量增大，SOFA风量减少，两者的综合结果导致炉膛风量变化幅度不大，排烟容积变化幅度不大，而排烟温度的变化也不大，所以干烟气热损失基本不变，维持在4.32%左右。

由以上分析可知:SOFA风门开度变化时，锅炉效率的主导因素为未燃尽碳热损失。锅炉效率与SOFA风门开度的关系见图13。比较图12与图13可知:锅炉效率与未燃尽碳热损失的变化趋势呈相关性，未燃尽碳热损失增加，则锅炉效率降低。

SOFA风门开度增大，SOFA风量增加，二次风量减少，使富燃料区的还原性增强，抑制了NOx的生成。从图13可知:SCR进口平均NOx排放质量浓度从368 mg/m3降低到216 mg/m3，效果明显。可见锅炉效率降低可减少NOx的生成。

2.5低负荷下SOFA上下摆角对SCR进口烟温、NOx排放质量浓度及锅炉效率的影响

维持其他影响因素基本不变，针对SOFA上下摆角进行统一调整，五层SOFA全部投运、开度均为100%，摆角调整范围0%～90%。由图14表明:仅通过调整SOFA摆角对SOFA风量的影响不大，SOFA风量从460 t/h降至444 t/h，低负荷下SOFA摆角对SCR进口烟温也几乎没有影响，基本维持在304.6℃左右。

由图15表明:SOFA摆角增大，未燃尽碳热损失增加显著，从1.13%增加到1.55%，这是由于SOFA摆角的增加，火焰中心上移，使得煤粉燃烧不充分，未燃尽碳热损失增加。

由于炉膛风量基本不变，排烟温度基本不变，干烟气热损失基本维持在4.25%左右，所以未燃尽碳热损失的变化主导了锅炉效率的变化(见图16)，锅炉效率从93.7%下降到93.24%，降幅较大。

SOFA摆角的增大使得炉内还原区的高度增加，煤粉燃烧在一次燃烧区生成的NOx获得更多的还原时间，还原加强，对降低NOx的效果显著(见图16)，SCR进口平均NOx排放质量浓度从308 mg/m3降到258 mg/m3。

此外，对吹灰器进行调整，考察其对SCR进口烟温的影响，试验结果见图17。吹灰后过热器出口烟温降低了10 K，SCR进口烟温降低了2 K，可见吹灰加强了炉膛受热面的换热效果，使烟气温度有所下降，提高了锅炉的经济性。由于SCR进口烟温的降低，吹灰又影响了SCR的可靠运行。

3　结语

(1)低负荷下，调整锅炉的相关运行参数，如运行氧量、SOFA风门开度、SOFA上下摆角、二次风门开度等，使得NOx的生成量下降，往往是以锅炉效率的降低为代价的。实际运行中应根据实际需要平衡锅炉效率与NOx排放指标的关系。

(2)低负荷下SCR进口烟温相对较低，可以调整运行参数控制SCR进口烟温，以防止SCR进口烟温过低导致SCR系统退停，但不同运行参数对SCR进口烟温的影响不尽相同，其中运行氧量的增加对SCR进口烟温提高效果显著，SOFA风门开度、SOFA上下摆角、二次风门开度对SCR进口烟温影响不大，吹灰会使得SCR进口烟温略微降低。

(3)低负荷下，为控制NOx的生成、SCR进口烟温、锅炉效率，可根据各运行参数对锅炉的单一影响，综合考虑，采用多种运行参数联合调整的方式实现优化运行。

［1］刘创，白玉海，王红波，等.600 MW锅炉机组低氮燃烧系统优化改造［J］.热能动力工程，2013，28(3):276-280.

［2］邓均慈，李德波，邓剑华.300 MW四角切圆锅炉低氮燃烧关键技术研究与工程实践［J］.热能动力工程，2014，29(6): 747-752.

［3］杨扬.600 MW超临界机组低NOx燃烧协调优化研究［D］.浙江:浙江大学，2012.

［4］陆智.420 t/h锅炉SOFA低NOx燃烧技术改造研究［D］.浙江:浙江大学，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

陈经纬(1989—)，男，在读硕士研究生，研究方向为燃煤电厂风烟系统能耗特性分析。

E-mail:chenjingwei19890401@gmail.com