基于尾部烟道CO在线监测的锅炉燃烧优化

张晨浩，苏 胜，常寿兵，欧阳朱峰，任强强，江紫薇，王 鹏，周 敬，崔晓宁，胡 松，汪 一，向 军

(1.华中科技大学煤燃烧国家重点试验室，武汉 430074；2.沃森能源技术(廊坊)有限公司，廊坊 065000)

随着经济社会的发展，我国环保标准日益严格，电站锅炉低氮改造成为大势所趋[1-4]，而低氮改造往往以牺牲锅炉效率为代价[5-8]，因此，如何兼顾提高锅炉的运行效率和降低烟气 NOx浓度，进而保证锅炉运行的经济性和环保性成为当前研究的热门课题.

当前普遍在锅炉尾部烟道安装氧化锆氧量计测量省煤器出口 O2量来反映锅炉整体燃烧状况，但由于飞灰成分复杂，氧化锆氧量计易受飞灰影响，且烟道侧漏风对O2量测量结果影响很大.

省煤器出口 CO浓度的高低是衡量炉内燃烧优劣的重要指标[9-13]，相比于 O2量具有更高的敏感性，受烟道侧漏风影响显著低于O2量[9,14-15]，能够在整体上反映炉膛内风粉配比情况的好坏[14,16]，可用于指导调节以降低烟气 NOx浓度[17-21]；而且省煤器出口 CO浓度与化学未完全燃烧热损失以及机械未完全燃烧热损失有很强的正相关性[6]，对锅炉效率的提高有重要参考意义.因此，省煤器出口 CO浓度可以作为对于 O2量的补充，从而作为锅炉燃烧调整的重要参考指标.当前一些学者[15]基于 CO进行了相关研究，但仅限于经验调节方面，并未对其经济性进行相关研究.

本文针对省煤器出口 CO浓度建立了锅炉燃烧优化模型，基于CO浓度的变化对锅炉运行经济性进行了量化，从而在保证锅炉运行安全性的基础上，进一步提升其经济性及环保性.

1 设备概况

1.1 设备整体介绍

某 600MW 亚临界锅炉为露天布置、自然循环、前后墙对冲燃烧、1次中间再热、单炉膛平衡通风、固态排渣、尾部双烟道、全钢构架的Π型汽包炉，主要设计参数如表 1所示.该锅炉采用设计煤种运行，煤质分析如表 2所示.设计煤种的煤粉细度为 R90=16%.该锅炉采用中速磨正压直吹式制粉系统，共 6台磨煤机，每台磨煤机带1层5只燃烧器，在BMCR工况下采用5投1备的运行方式.

1.2 燃烧器布置概况

图1为该锅炉进行低氮改造后的燃烧器布置方式，前墙和后墙各布置 3层煤粉燃烧器，每层 5只LNASB燃烧器，共 30只，最下层的 10只为等离子点火燃烧器，区别在于没有中心风；在最上层煤粉燃烧器上方，前墙和后墙各布置 2层燃尽风燃烧器，下层燃尽风共10只，上层燃尽风共14只；每层主燃烧器侧上方靠近左墙和右墙水冷壁区域分别布置贴壁风燃烧器，共12只，为直流风燃烧器.

表1 锅炉主要设计参数Tab.1 Main design parameters of boiler

表2 煤质分析Tab.2 Coal quality analysis

图1 燃烧器分布(单位：mm)Fig.1 Distribution of burners(unit：mm)

1.3 CO测量设备布置情况及灰渣取样方法

锅炉分为左、右两个烟道，两个烟道的省煤器出口分别装有 2只型号 CEA-100的 CO测量仪，测量仪带有多级烟尘过滤器、气水分离器和化学过滤器，量程为 0～4000×10-6，步长 50×10-6，精度±2%，正常工作压力为±2.5kPa，取样探头带有防腐耐磨保护管，能耐受 600℃以下的高温恶劣环境，安装深度为 1500mm，探头位置与氧化锆氧量计取样位置接近，采用压缩空气对探头进行定时吹扫.

采用网格法对左、右烟道的飞灰进行多点等速取样并混合，且同步在碎渣机后对炉渣进行等时间间隔、等质量取样并混合[22].

2 锅炉燃烧优化模型

为构建锅炉燃烧优化模型，在设计煤质(即当前燃用煤质)下对锅炉满负荷进行了 10个工况的性能试验，工况1～10的区别在于增大燃尽风风箱开度以提高燃尽风量，分别监测省煤器出口 CO浓度(折算到 O2含量 6%的标态，下同)和 NOx浓度(折算到 O2含量 6%的标态，下同)的变化，对各工况的飞灰含碳量和炉渣含碳量进行了测量，计算出不同工况下的锅炉效率.建立 CO浓度与锅炉效率的关联关系、CO浓度与 NOx浓度的关联关系；将由于锅炉效率降低造成的煤耗增加成本作为燃料成本，NOx浓度升高而增加的喷氨成本作为脱硝成本，以燃料成本和脱硝成本之和作为综合成本，以CO浓度与综合成本的关联关系建立综合燃烧优化模型.

2.1 CO浓度与锅炉效率的关联关系

2.1.1 锅炉效率计算

研究过程中，计算各工况下锅炉的各项热损失，并以此计算相应的锅炉效率[23].

2.1.2 结果分析

CO浓度取左、右侧尾部烟道共4个CO浓度测量值的平均(下同)，CO 浓度和锅炉效率的关联关系如图2所示，从工况1～10，锅炉效率由94.02%下降到93.30%，相应的CO体积分数从390×10-6升高到1570×10-6，CO 浓度与锅炉效率负相关性显著，这是因为：燃尽风风门开度增大，导致主燃烧区不完全燃烧程度上升，虽然燃尽风区域风量增大，但时间上不足以使煤粉和可燃气体燃尽，因此，使得固体未完全燃烧热损失 q4和化学未完全燃烧热损失 q3增大，从而导致锅炉效率降低.此外，CO浓度升高，表明炉膛内风粉混合不均匀的程度增大，进一步影响了煤粉颗粒的燃尽，从而导致固体未完全燃烧热损失 q4增大，即CO浓度与q4具有一定的正相关关系.

图2 CO体积分数与锅炉效率的关联关系Fig.2 Correlation between CO concentration and boiler efficiency

图3为q3+q4随CO浓度的变化趋势，可以看出CO浓度与 q3+q4显著正相关.对比图2和图3发现，工况 1～10锅炉效率降低 0.72%，而q3+q4升高了 0.48%，其他损失产生的原因为：工况 1～10逐渐开大燃尽风调门，使得部分燃料的燃尽推迟，从而导致排烟温度由130℃升高到136℃，进而使排烟热损失q2和灰渣物理热损失q6升高了0.24%，但是q6的增大程度很小.因此为了提高锅炉运行效率，在保证排烟温度不发生较大变动的情况下，应尽可能降低尾部烟道的CO含量.

图3 CO体积分数与q3+q4的关联关系Fig.3 Correlation between CO concentration and q3+q4

2.2 CO浓度与NOx浓度的关联关系

图4为尾部烟道CO浓度和烟气NOx浓度的关联关系，从工况 1～10，烟气 NOx质量浓度由306mg/m3降低到 224mg/m3，CO 体积分数从 390×10-6升高到 1570×10-6，CO 体积分数与烟气 NOx质量浓度显著负相关.分析原因为：燃尽风风门开度增大，导致主燃烧区风量减少，进而主燃烧区域的不完全燃烧程度增大且燃烧温度降低，从而热力型 NOx产生量减少，且更多的NOx被还原，使得烟气NOx质量浓度降低.

因此，可根据 CO浓度和烟气 NOx含量的负相关关系，通过控制CO浓度间接降低烟气NOx含量.

图4 CO体积分数与烟气NOx质量浓度的关联关系Fig.4 Correlation between CO concentration and NOx concentration in flue gas

2.3 综合燃烧优化模型

通过上述 CO浓度与锅炉效率和烟气 NOx浓度的关联关系，发现 CO浓度与锅炉效率和烟气 NOx浓度整体均呈负相关关系.因此，CO浓度的升高伴随着锅炉效率的降低，即伴随着煤耗量的增大；CO浓度的升高伴随着烟气 NOx浓度的降低，即伴随着喷氨量的降低.可见提高锅炉效率和降低烟气 NOx浓度是一对矛盾，关键在于如何平衡好这一对矛盾以更好地提高经济性，为此需构建综合燃烧优化模型.

2.3.1 燃料成本

负荷和煤种不变的情况下，锅炉效率的降低意味着燃料消耗量的增加，因此定义在一定时间内按此负荷和煤种运行时相对最高效率多消耗的燃料成本作为燃料成本(单位：元)，即

式中：ηgl，max为该负荷下锅炉最高效率；ηgl为当前锅炉效率；B0为最高效率下的燃料量，t/h；Pc为煤价，元/t；t为全年该负荷运行时长，h.

对于当前燃烧调整试验，ηgl，max取所有工况下的最高效率 94.02%(工况 1)，从安全仪表系统(SIS)获得工况1的煤耗量为251t/h，试验批次的煤价为730元/t，该厂全年满负荷运行时长为 3 000 h，按各工况运行3000h的燃料成本如图5所示，由0万元上升到425.5万元，可见，随着锅炉效率的降低，燃料成本显著上升，尾部烟道 CO浓度与燃料成本正相关性显著.

图5 CO体积分数与成本的关联关系Fig.5 Correlation between CO concentration and cost

2.3.2 脱硝成本

采用SCR脱硝系统，以液氨作为还原剂，对于该燃烧调整试验，在负荷和煤种不变的情况下，因烟气NOx浓度未达到最低而多消耗的液氨成本定义为脱硝成本(单位：元)，即

2.3.3 综合成本

将锅炉未达到最高效率多消耗的燃料成本与未达到最低烟气 NOx含量多消耗的喷氨成本之和定义为综合成本，即C=Cc+CN.

图5为按各工况运行 3000h的综合成本，由65.5万元上升到 425.5万元，可见，尾部烟道 CO浓度与综合成本正相关性显著，当前模型条件下，燃料成本对锅炉运行经济性的影响明显大于脱硝成本.但当前脱硝成本模型中未考虑由于喷氨导致的空预器堵塞、催化剂失活等原因而造成的脱硝成本的提高，在实际运行过程中，考虑上述因素后，脱硝成本对最终综合成本的影响可能会有所增加.

2.3.4 综合优化策略

在当前综合燃烧优化模型下，对于该锅炉，低氮改造要求烟气 NOx质量浓度不高于 280mg/m3，而工况 1和 2的 NOx质量浓度分别为 306mg/m3、289mg/m3，显然不符合要求，因此选取工况3作为最优运行工况，此工况的CO体积分数为445×10-6，烟气NOx质量浓度为276mg/m3，锅炉效率为93.81%，综合成本为 167.5万元.即对于当前煤质和负荷，可以通过调节燃尽风量从而调整CO体积分数在445×10-6附近，进而间接达到锅炉高效低NOx运行.

当前已有的研究成果[3-5,6-7,9-19]基于 CO对提高锅炉效率进行了相关研究或者基于 CO对降低 NOx浓度进行了相关研究，仅有少量基于CO对提高锅炉效率和降低 NOx浓度进行了定性的综合研究，而本文的锅炉燃烧优化模型采取指标量化的方法对提高锅炉效率和降低 NOx进行了综合研究，能够更直观地反映锅炉运行的经济性.

3 结 论

本文基于尾部烟道 CO在线监测和燃烧调整试验，通过调节燃尽风的比例获得不同工况下的CO浓度和烟气 NOx浓度，并对各工况下的效率进行了计算，进而对各工况的经济性进行了量化.研究结果表明，在当前满负荷、燃烧设计煤种的运行工况下：

(1) 从工况1～10，CO体积分数从390×10-6上升到 1570×10-6，锅炉效率由 94.02%下降到93.30%，烟气 NOx质量浓度由 306mg/m3降低到224mg/m3，因此由工况 1～10形成了多烧煤与少喷氨的矛盾.

(2) 从工况1～10，CO体积分数从390×10-6上升到 1570×10-6，各工况运行 3000h的燃料成本由0万元上升到425.5万元，脱硝成本由65.5万元降低到0万元，综合成本由65.5万元上升到425.5万元，在当前模型下，燃料成本对锅炉运行经济性的影响明显大于脱硝成本，考虑由于喷氨导致的对于空预器堵塞、催化剂失活等影响后，脱硝成本对最终综合成本的影响可能会有所增加.

(3) 在当前综合燃烧优化模型下，综合考虑锅炉效率与烟气 NOx质量浓度并结合两者与 CO体积分数的关联关系，认为 CO体积分数控制在 445×10-6左右可以间接达到锅炉高效低 NOx运行，该运行方式下 NOx质量浓度满足不高于 280mg/m3的低氮改造要求.

文中模型的不足之处在于：未对满负荷之外的其他负荷进行建模；燃料成本计算仅考虑了锅炉效率，未考虑机组总体效率；脱硝成本仅考虑了氨成本，未考虑其他脱硝方面的投资.后续工作将针对这些不足之处进行进一步的模型优化，以获得负荷适应范围更宽、准确性更高的燃烧优化模型.