對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造技術研究

藍春娟，劉石生

（1.佛山恒益發電有限公司，廣東 佛山528131；2.廣東電網有限責任公司 佛山供電局，廣東 佛山528100）

煤炭能源在我國的應用非常廣泛，約供給了70%～80%的一次能源，其在燃燒過程中排放的NOx，嚴重破壞了環境，對人類的健康造成嚴重的威脅［1－2］。當前，我國燃煤電廠降低 NOx排放的方法主要是爐外尾部煙氣NOx凈化技術（SCR技術）和爐內低NOx燃燒技術相結合［3］。其中，爐內低NOx燃燒技術［4］的應用非常廣泛，其具有運行費用低、投資小和減排效果好等優點。對于燃煤鍋爐，大多數采用比較成熟的四角切圓燃燒方式的鍋爐低NOx燃燒技術［5］，而前、后墻對沖燃燒方式的低NOx燃燒技術的研究較晚，應用相對較少。

燃煤電站鍋爐作為NOx的主要排放源之一，面對國家環保部非常嚴格的氮氧化物排放標準，應采取一定的措施來降低其NOx的排放量。隨著國內節能減排環保指標的日益提升，低NOx旋流燃燒器在各發電公司得到應用，國內旋流對沖燃燒鍋爐就是利用該技術降低NOx排放量。

2006年底，佛山恒益發電有限公司緊緊抓住國家產業政策調整的契機，投資56億元，以“上大壓小”的方式全力推進2×600MW超臨界燃煤發電機組項目（簡稱恒益電廠擴建項目）的建設，替代包括原有機組在內的6家總裝機容量為92.3MW的小火電機組。該項目選用成熟可靠、達到國內先進水平的國產超臨界機組，配套有脫S、脫硝和除塵系統，不但具有較高的可用率和較好的調峰性能，而且可產生極高的環保效益。

1 鍋爐低氮燃燒改造情況

1.1 燃燒系統的整體改造

燃燒系統的整體改造布置圖如圖1所示。在對鍋爐進行低碳改造時，不改變鍋爐的整體燃燒器的布置形式和燃燒方式，只是更換燃燒器，將原來的雙調風燃燒器改造成新型的低NOx旋流煤粉燃燒器。鍋爐采用前、后強對沖燃燒方式和全爐膛分級燃燒技術，并在前、后墻最上層的鍋爐煤粉燃燒器上都增加一層燃盡風，最上層煤粉燃燒器和燃盡風之間的中心距離為4.25m，燃盡風調節器共12只。將爐膛劃分為燃燒區域和燃盡區域2部分，以提高燃燒的效果，達到分段燃燒。

圖1 燃燒系統整體改造布置圖

1.2 新型低NOx旋流煤粉燃燒器結構

新型低NOx旋流煤粉燃燒器的結構示意圖如圖2所示。新型低NOx旋流煤粉燃燒器的燃燒用風采用分級供給的形式，對燃燒用空氣劃分為一次風、二次風、三次風和中心風等4部分，這樣既可以確保充分利用煤粉，提高其燃盡效率，又可以降低NOx的排放量。為了確保燃燒的穩定，采用徑向煤粉濃縮器，在一次風出口設置一次、二次風導向錐和穩焰齒環。由于新型的煤粉燃燒器設置了中心風，在油槍運行時用作燃油配風。每層燃燒器的中心風母管提供每個燃燒器的中心風，在中心風母管入口處設置有風門擋板，用來調節風量。可根據實際情況調節燃燒器的風量、三次風旋流器強度和二次風風門開度，二次風和三次風設計為旋流風。燃燒器的二次風旋流器是固定的，不能調節，葉片傾斜角度為60°；三次風旋流器為切向旋流器不是固定的，可以調節，調節的角度為0°～75°。

圖2 旋流煤粉燃燒器結構示意圖

1.3 燃盡風噴嘴的調節器結構

燃盡風噴嘴的調節器結構圖如圖3所示。

圖3 燃盡風噴嘴的調節器結構圖

使用該噴嘴燃盡風送入爐膛時，分為中央部分和外圈兩股獨立的氣流。中央部位氣流屬于直流氣流，由于其剛度大、速度快，上升煙氣不能對其造成阻擋，可以直接進入爐膛中心區域；外圈氣流屬于旋轉氣流，離開調風器后，會向四周擴散，靠近爐膛冷水壁，和其周圍的上升煙氣進行混合。每個燃盡風調風器都配有直流風和旋流風的調節套筒和擋板，主要作用為：1）控制和調節各個噴口之間的風量盡量平衡，使其進入爐膛時的風量適宜，混合均勻；2）分配和調節外圈氣流和中央部位直流氣流之間的風量，同時還調節外圈氣流的旋流強度。

2 數值模擬

為了檢測上述鍋爐低氮改造的可行性，采用Fluent軟件進行數值模擬計算。設計燃燒器模型，并比較改造前、后出口的各個組分分布和出口流場，以此為依據測定燃燒器更換之后的鍋爐的燃燒性能。改造前、后燃燒器出口處的NOx和氧量分布圖如圖4～圖7所示。

圖4 改造前燃燒器出口NOX分布圖

圖5 改造后燃燒器出口NOx分布圖

圖6 改造前燃燒器出口氧量分布圖

圖7 改造后燃燒器出口氧量分布圖

根據數值模擬的結果可知，改造后的新型燃燒器采用燃盡風分級供給的形式，并增加穩燃環和內二次風擴口、外二次風擴口，形成高燃料濃度內部著火燃燒區域，該燃燒區域的面積更大，含氧量更低，對NOx的生成具有明顯的抑制作用，顯著降低了NOx的生成量。

3 鍋爐低氮改造之后的燃燒調整

鍋爐更換燃燒器進行低氮改造之后，在啟動初期，存在部分受熱面管壁溫度過高，飛灰可燃物含量、減溫水量和氧量偏差較大的問題。鍋爐采用大風箱結構，并且每個大風箱的進口兩側安裝機翼型測風裝置和調節擋板，每一個風箱對應6只燃燒器，安裝測風裝置和調節擋板之后，可以靈活控制每層燃燒器的總進風量，使6個風箱之間存在更小的風量偏差。但是，由于自調風盤開度控制每層6個燃燒器的風量，調風盤開度相近時，二次風箱中二次風流量分配存在不均勻現象，則每只燃燒器進入的二次風量也會存在不均勻的現象，最終造成爐內煙氣量沿寬度方向分布不均引起爐內部分受熱面壁溫度過高，溫度偏差過大。

為了解決上述問題，對燃燒器風盤開度進行調整，增大含氧量較低側的風盤開度，使其二次風進量增加，保持兩側的進風量基本對等；同時，適當調小超溫管對應的燃燒器調風盤。經過大量的反復調節測試，最終基本消除鍋爐兩側的減溫水量偏差、氧量好和部分受熱面管壁溫度過高的現象，并且兩側飛灰可燃物的含量也得到了有效控制，使其含量≤1.5%。

4 鍋爐低氮改造前、后運行參數測試

本文對600MW鍋爐進行低氮改造。鍋爐進行低氮改造和燃燒調整之后，對其運行參數進行測試，指標測試結果見表1。鍋爐NOx排放濃度顯著降低，由696.5mg／m3降低至240mg／m3；改造前、后鍋爐減溫水量和飛灰可燃物含量稍微升高，由93.75%升高至93.95%，本次更換燃燒器進行鍋爐低氮技術改造，取得了較好的效果。對沖燃燒鍋爐的燃盡風分為4部分，分為4個階段對NOx的生成進行控制，顯著降低了NOx的排放量。一次風著火初期采用錐形擴散濃淡分離技術控制NOx生成；一次風與內二次風混合期采用齒形穩燃環控制NOx生成；內、外二次風混合期，二次風噴口擴口控制NOx生成；整個爐膛采用空氣分級控制NOx生成。由于鍋爐采用大風箱結構，會出現部分受熱面管壁超溫和爐內燃燒偏差的問題，對各只燃燒器二次風量進行調整，可以解決上述問題。

表1 600MW鍋爐低氮改造前、后性能測試結果

［1］岳濤，薄以勻.中國火電廠氮氧化物控制現狀［J］.第五屆火電廠氮氧化物控制現狀，2008（5）：7－14.

［2］徐茂森，張新生.我國能源結構現狀及其優化［J］.河南科學，2012（8）：7－14.

［3］白濤，郭永紅，孫保民，等.1025t／h旋流燃燒器煤粉爐降低NOx生成的數值模擬［J］.中國電機工程學報，2010，30（29）：16－23.

［4］薛山，惠世恩，周屈蘭.旋流燃燒器配燃盡風對NOx排放和燃盡率影響的試驗研究［J］.熱力發電，2013，42（9）：49－53.

［5］關濤，彭志剛.鍋爐燃燒器低NOx改造效果分析［J］.電站系統工程，2009，26（2）：31－33.