NO70燃燒系統在燃煤鍋爐脫硝中的應用

梁 瑾

(阿米那電力環保技術開發（北京）有限公司，北京 100027)

NO70燃燒系統在燃煤鍋爐脫硝中的應用

梁 瑾

(阿米那電力環保技術開發（北京）有限公司，北京 100027)

介紹了NO70燃燒系統的特點以及計算機流體力學模擬原理。分析了使用NO70燃燒系統技術對旺隆電廠的2×100MW四角切圓燃煤鍋爐進行改造，有效降低氮氧化物排放量并提高機組效率的案例。

氮氧化物減排;NO70燃燒系統技術;計算機流體力學模擬（CFD）;燃煤鍋爐

隨著國家出臺更為嚴格的脫硝完成時間要求和減排標準，環保行業在脫硫技術的普及之后又迎來了新的發展機遇。據有關方面預測，“十二五”期間，新《火電廠大氣污染排放標準》的實施，將為脫硝市場帶來2000億元的投資。從低氧燃燒、排氣循環燃燒、二級燃燒、濃淡燃燒、分級燃燒、低氮燃燒器等各種爐內燃燒過程的改進到現今形式各異的脫硝工藝，使得脫硝工藝和市場日趨成熟和完善。作為成本較低、應用較為廣泛的爐內低氮改造技術，2003年以前生產的鍋爐都可根據實際情況考慮和使用。本文介紹了一項空氣分級燃燒技術—NO70燃燒系統及其在旺隆電廠四角切圓燃煤鍋爐低氮改造中的應用。

旺隆熱電廠是廣東地區的主要供熱企業，該電廠的兩臺機組擔負著所在地區大部分工廠的供熱負荷。由于亞運會的召開，電廠方面希望在能夠保證正常供熱的前提下，降低NOx排放量，同時改善鍋爐的燃燒狀況，提高鍋爐效率。經過一段時間的考察和測試，決定采用NO70燃燒系統技術和專利產品對其#1、#2（2×100MW）鍋爐進行改造。

NO70燃燒系統是基于空氣分級原理，通過增加一層燃盡風來降低主燃燒區的風量，從而達到降低NOx排放的目的。同時兼顧提高燃燒效率、防止結渣和高溫腐蝕等機組性能優化的功能。對于燃盡風的布置，盡可能地保留原結構，以實現改造的有效性和經濟性。低NOx方案的制定以對機組的全面了解和準確分析為前提，它涉及對機組設計、運行數據的廣泛采集和對比驗證，方案設計基于合理有效的機組信息，采用計算機流體力學模擬軟件，并結合綜合模擬試驗，對機組改造前后的情況進行對比，保證改造的有效性、經濟性和可靠性。對整個燃燒系統的評估，通常包括NOx、結渣情況、鍋爐效率等。

1 NO70燃燒系統

1.1 設計理念

燃盡風的原理相對來說比較簡單，它是將原主燃燒區的部分二次風移至原有火焰中心的上方。通過轉移減少了主燃燒區的供氧量，從而降低“燃料型NOx”和“熱力型NOx”的生成。此方法并未改變燃燒過程的總風量，而是將原有的二次風重新進行分配。

燃盡風將通過專用風室在噴口處達到設計風速及流量。在燃盡風系統設計中，合適的燃盡風噴口流速尤為重要，其將直接影響到燃盡風與爐內煙氣的混合效果，燃盡風與爐內煙氣合理的混合可將低NOx燃燒過程中可能出現的高CO濃度、高UBC等狀況的幾率降至最低。最佳的燃盡風系統的設計主要由爐膛尺寸、燃料在爐膛內部停留時間、燃料特性等諸多因素決定。因此，具體空氣分級的程度將因機組而異。可以想象，同一個機組在不同的運行條件下，也可能會有不同的最佳燃盡風系統設計。

事實上燃盡風系統并非單純地將部分二次風轉移至主燃燒器上方，燃燒系統設計時還需對主燃燒系統重新進行評估，以保證保持合適的燃料及空氣流速，并對可能改變的熱交換率進行校核，還需保證整個系統能與機組日常運行情況相符。

除上述在爐膛垂直方向上進行空氣分級外，低NOx燃燒系統還在主燃燒區設計了近壁二次風。此設計使用了兩個假想切圓，燃料風及一次風沿內部小切圓方向進入爐膛，部分輔助風（二次風）沿外部大切圓方向進入爐膛。輔助空氣與燃料流動方向分離，從而降低了在燃燒的揮發階段及炭的初步燃燒階段的理論空氣比。這樣將在爐膛中心形成富燃料的火焰中心，形成還原性氣氛并且降低主燃區溫度，有利于降低NOx的生成。同時，部分二次風偏置會在爐墻附近形成富氧環境，將大幅降低了水冷壁高溫腐蝕及結渣的可能性。

1.2 特點和優勢

NO70燃燒系統作為空氣分級燃燒技術的一種應用，更有其自身的特點。分離燃盡風（SOFA）的噴口布置與傳統空氣分級燃燒技術有明顯不同。

從SOFA風噴口的布置方式上看，對于四角切圓鍋爐，傳統的SOFA噴口布置方式（見圖1）會導致二次風混合不均勻，在圓形區域I中，混合程度是很低的。而NO70技術所采用的SOFA布置方式（見圖2）在圖示截面位置風的分布更均勻，在此處加強一、二次風的混合能使煙氣進入更上層爐膛之前燃燒得更充分。從而提高鍋爐效率。從CFD模型上（見圖3）可以更直觀的發現這一點。

從CFD模型的截屏可以看出兩種噴口布置方式的速度分布。很明顯，采用NO70技術的噴口布置能夠使此處爐膛截面的二次風平均流速更高。同時可以延長風粉停留在每一層燃燒器的時間，在不降低鍋爐效率的前提下讓NOx脫除得更徹底。

圖1 傳統SOFA噴口布置

圖2 NO70燃燒系統SOFA噴口布置

圖3 兩種SOFA噴口布置方式下的流場速度分布

2 計算機流體力學模擬

2.1 LPAG軟件

現代力學及計算機技術的發展使得復雜的流動、換熱、化學反應的數值預測成為可能，如今采用計算流體動力學軟件可以實現對鍋爐內的NOx生成進行比較精確的模擬，這對低氮技術的發展尤為重要。NO70技術同樣也是基于強大的數據模擬軟件作為設計的指導和依托。LPAG是一個基于CFD編碼的數據庫軟件，區別并超過其他CFD軟件的特別之處在于，該軟件除了運用質量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，以及組分守恒定律和附加的湍流輸運方程之外，還加入了特別適用于電力行業的特殊代碼，因而能夠非常完美地預測工程的效果，很好地控制工程成本和風險。評價具體包括飛灰含炭量、爐膛出口煙氣溫度、CO水平和水冷壁腐蝕速率等。

（1）質量守恒方程

其中：ρ — 密度；

t — 時間；

u— 速度矢量；

u, v, w —— 速度矢量u在x, y和z方向的分量。

（2）動量守恒方程

以下為x, y, z三個方向的動量守恒方程：

（3）能量守恒方程

T —溫度；

k —流體的傳熱系數；

其它方程就不一一列舉了。

2.2 CFD計算求解過程及建模步驟

CFD計算求解過程見圖4。

圖4 CFD計算求解過程

為了使電腦的精確性與鍋爐運行情況相匹配，典型的鍋爐模擬過程包括爐膛前部和尾部兩部分。典型的爐膛前部模型模擬范圍是從灰斗向上到燃燒器區域直至爐膛出口附近的豎直平面。典型的爐膛尾部模型模擬范圍從爐膛出口的水平或豎直面向后經過對流換熱面直至省煤器的出口。對于改造工程而言，CFD建模的過程分為4個步驟：

第一步，數據收集。收集爐膛和燃燒器的圖紙以及詳細的運行條件說明。信息包括每一層燃燒器的風煤比，以及煤質分析，煤的粒度等。

第二步，初始條件下的建模。在第二個步驟中，將會研究并建立一個模擬前部爐膛的模型。模型將第一步中收集到的數據作為輸入數據，包括燃燒器噴口處的一二次風比例（流量、溫度、速度），近似的煤粉噴口的質量分布等。這一步建立在燃燒器噴嘴參數已知的情況之下。如果無法獲得燃燒參數，就需要輸入燃燒器噴嘴以及粉煤管道的模型進行計算。

把根據初始條件建立的模型所輸出的參數與已有的數據在相似的燃燒條件下進行對比。模擬報告應該包括流型、溫度，主要位置爐膛截面參數，爐膛出口溫度，CO、NOx的排放，飛灰含炭量，燃料沉積率等參數的分析。另外，結果不僅包括對前部爐膛傳熱情況的量化，尾部煙道的對流換熱和輻射換熱也在分析的范圍之內。

第三步，燃燒器與空氣分級燃燒改造。這一步包括燃燒器及空氣分級燃燒系統改造對前部爐膛運行的影響評價。改造方式的模擬有幾種方案。空氣分級燃燒的改造通常會涉及縮小某一些二次風噴口面積。結果將與第二步中初始條件下所建立的模型進行結果對比和評價。一般來說，每個項目會設計三種方案進行對比和選擇。

第四步，詳細可靠地書面模擬評價報告。

3 應用案例

3.1 案例概況

旺隆電廠采用的高溫高壓自然循環煤粉爐為鋼構架懸吊結構、單爐膛露天布置、平衡通風、四角切圓燃燒方式、固態排渣。采用水平濃淡燃燒器，分三層布置。設計煤種為山西大同煙煤。存在的問題主要有：

（1）雖然現有的低NOx燃燒系統把NOx排放濃度降低到650mg/m3左右，但仍不能滿足當地的排放標準；

（2） 爐膛煙溫偏差大（150℃），通過多方面的調試，仍未解決；

（3） 一次風出口附近結焦嚴重；

（4） 飛灰含炭量偏高（＞4%）。

3.2 工程內容

根據改造目的和現場實際情況，綜合考慮各種因素，采用NO70系列的技術和專利產品定做了解決方案，具體如下：

（1）主風箱改造

針對具體情況，設計了新的一次風及二次風噴口，并重新調整各燃燒器噴口的位置。

（2）分離式燃盡風（SOFA）風箱帶改造

SOFA管道與主二次風管道相連，抽取部分二次風送至SOFA噴口。根據計算，分離式燃盡風（SOFA）的噴口布置在主燃燒區上方。新設計添加的燃盡風風箱帶布置于主風箱上方，并圍繞整個爐膛。

（3）新增風道及支吊

所有自二次風箱至SOFA噴口的連接風道以及風道的支吊件。

（4）SOFA風水冷壁開孔及所需彎管和密封

新增SOFA風處水冷壁的開孔及開孔處密封部件。

（5）空氣測量系統

采用新型的測量裝置，準確檢測風量的變化。

（6）控制系統修改

為了保證新的燃燒系統的正確運行，業主需要對與燃燒系統相關的控制設置進行修改：1）燃盡風風門擋板控制；2）一/二次風門擋板控制；3）現有O2控制曲線需根據現場調試結果進行相應調整。安裝風量測試設備，數據顯示在DCS系統中；提供風門控制導則，指導電廠在邏輯保護中進行修改。

（7）磨煤機粗粉分離器改造

達到了提供煤粉細度和均勻性的目的，同時提高了燃燒穩定性和鍋爐效率。

3.3 計算機流體力學模擬（CFD）結果

根據CFD模擬的仿真效果，改造方案可使鍋爐運行的狀況得到很大的改善：

（1）爐膛溫度

爐膛出口的排煙溫度沒有變化，保證鍋爐參數不變；控制爐膛內的高溫點，有效地減少了熱力型NOx的生成。改造前后爐膛溫度對比見圖5。

圖5 改造前后爐膛溫度對比

（2）氮氧化物（NOx）的濃度

改造前，在主燃燒區產生大量的NOx，經過原有的OFA得到很小程度的減少，在爐膛出口處NOx的濃度是很高的；改造后，雖然在主燃燒區也產生了大量的NOx，但是由于在主燃燒區氧氣濃度降低，氧化性氛圍減弱且溫度降低，濃度比改造前大大減小，在經過過燃區時，由于還原性的作用，NOx在爐膛出口處的NOx濃度下降非常明顯（見圖6）。

圖6 改造前后NOx排放對比

（3）爐內流場分布

改造后，改善了爐內流場的分布狀況，促進空氣與可燃物間的混合，并保持火焰中心不發生偏移。引入分離式燃盡風，加速上升煙氣的擾動，促進可燃物隨煙氣上升過程中的再次充分燃燒。改造前后爐內流場分布對比見圖7。

圖7 改造前后爐內流場分布對比

（4）大顆粒炭在爐膛內軌跡

經過改造，增加了爐內空氣場的擾動，更多的炭粒會隨煙氣的上升而向上運動，減少降到灰斗的幾率，同時會帶動熱量與上方的換熱元件進行熱交換。改造前后大顆粒炭軌跡對比見圖8。

（5）未燃盡炭（UBC）的沉積率

在經過改造之后，主燃燒區產生的未燃盡炭會在過燃區充分燃燒，而不是隨煙氣帶出，或沉積到灰斗，這樣使燃燒效率提高，進而提高鍋爐的熱效率。改造前后UBC沉積率的對比見圖9。

圖8 改造前后大顆粒碳軌跡對比

圖9 改造前后UBC沉積率對比

3.4 改造前后的效果對比（見下表）

電廠鍋爐改造前后效果對比表

如表中所示，改造后#1、#2鍋爐的NOx分別降低了64%和65%；UBC降低了62%和64%；燃燒效率提高了0.42%和0.86%。與此同時，煙溫偏差大的現象和一次風出口位置結焦的狀況得到了很好的解決。爐膛出口煙溫偏差從150℃降到50℃以內。由此可得出以下結論：

旺隆電廠改造項目無論是NOx的最高排放值還是UBC的含量均遠低于設計合同要求，而且在保證了原有鍋爐運行參數的基礎上，解決了這兩臺鍋爐存在的如煙溫偏差過高、爐膛一次風出口結焦等問題，并在一定程度上提高了原有的鍋爐效率，提高了電廠正常運行的經濟性。通過改造，旺隆熱電廠#1、#2號鍋爐的NOx排放均低于當地允許的低限值，該電廠避免了亞運會期間停機造成的經濟損失，并為適應以后該地區的排放標準，提前做好了準備，減少了重復投入。而且本次改造在減少NOx排放的同時，提高了該電廠鍋爐效率，增加了煤種的適應性，為該電廠今后的經濟運行打下了堅實的基礎。本次改造無疑是NO70燃燒系統技術在四角切圓燃煤鍋爐的氮氧化物減排方面的成功應用。

Application of NO70 Combustion System in Denitration of Coal-fired Boiler

LIANG Jin
(LP Amina Energy and Environmental Company, Beijing 100027, China)

The paper introduces the characteristic of NO70 combustion System and the principle of Computational Fluid Dynamics (CFD), analyzes the transformation of 2×100MW coal-fired boiler in Wanglong power plant by using NO70 combustion system technology so as to reduce the emission of nitrogen oxides and increase the efficiency of generation set.

emission reduction of nitrogen oxides; NO70 combustion system technology; CFD; coal-fired boiler

X701

A

1006-5377（2011）11-0032-05