350MW 煤粉鍋爐低氮燃燒改造與參數優化設計

程懷志，文 雷，宋正昶

（1.徐州燃控科技股份有限公司，江蘇徐州221004；2.中國礦業大學電力工程學院，江蘇徐州221008）

基于NOx的生成機理，煤粉鍋爐廣泛采用空氣分級燃燒技術以降低NOx的生成量［1］.采用空氣分級燃燒技術的主要目的是造成主燃區還原性氣氛，同時降低主燃區的燃燒溫度［2］.然而，空氣分級燃燒往往會使燃料的燃盡行程變短、燃燒不充分、飛灰及底渣中的可燃物含量增加，降低了鍋爐的燃燒效率.另外，采用空氣分級燃燒技術會使火焰長度增加，爐膛出口煙氣溫度升高，從而對過熱汽溫和再熱汽溫的特性帶來不利影響［3］.

為了從理論上研究空氣分級燃燒技術并指導工程實踐，筆者對某350 MW 煤粉鍋爐的低氮燃燒改造方案進行分析，運用數值模擬開展研究，不僅為燃燒器改造設計參數的選擇提供科學依據，而且為鍋爐燃燒調整提供相關指導.

1 鍋爐及燃燒器概況

湄洲灣電廠2號鍋爐采用單爐膛π形布置、前后墻對沖旋流燃燒、平衡通風，為自然循環汽包爐.16只燃燒器分為2層布置，在距上層燃燒器上方約3 000mm 處布置一層燃盡風（OFA）噴口，前后墻共12只燃燒器.鍋爐配置4臺MBF-23型中速輥式磨煤機，每臺磨煤機對應單面墻每層4只燃燒器.單臺磨煤機的設計出力為55～61t／h，3 臺磨煤機運行即可滿足100%鍋爐最大連續蒸發量（BMCR）負荷.鍋爐主燃料為印尼平南煤，其煤質參數見表1.

表1 煤質參數Tab.1 Coal parameters

燃燒器中央布置三次風筒，煤粉管后端部的外側安裝調風器.三次風管的端部為可動部件，運行中可軸向移動，用于燃燒調整.燃燒器設有內、外二次風，采用軸向旋流葉片手動調節.內、外二次風風量整體通過執行器拉動擋板調節.在外二次風的入口裝有可使風量分配均勻的多孔式環形布風板和監視布風板前后壓差的風壓測量裝置.

2 燃燒器改造方案

燃燒器改造前NOx排放質量濃度約為700 mg／m3，要求改造后的NOx排放質量濃度不高于390mg／m3（標態，干基，6%O2體積分數下）.據此給定的燃燒器改造方案如下.

2.1 燃燒器結構調整

將可調的中心風筒向前推進152 mm，一次風外筒向前延長200 mm，內二次風筒向外延伸235 mm 并增加30°的擴錐，改造后的燃燒器噴口結構示意圖見圖1.燃燒器這樣改造的目的是在噴口前方延遲二次風和煤粉的混合，擴大NOx的還原區域，進而降低NOx的生成量，同時避免由于一次風粉和二次風過早在喉口內混合而造成的燃燒器區域結焦.

圖1 改造后的燃燒器噴口結構示意圖（單位：mm）Fig.1 Structure of burner nozzle after retrofit（unit：mm）

2.2 燃燒器配風

在原始設計中，爐膛出口過量空氣系數為1.2，燃盡風風量僅占總風量的9%左右，主燃區過量空氣系數仍大于1，屬于過氧燃燒狀況，因此主燃區的NOx還原效果較差.為改變這一狀況，本改造方案將燃盡風開口加大，調整燃盡風風量比例為20%，主燃區空氣量比例為80%，此時主燃區的實際過量空氣系數為0.96，處于還原性氣氛，有利于NOx的還原.燃盡風燃燒器采用中心直流、四周旋流，且中心風和旋流風均可調節的結構.為調整燃盡風的混入位置，噴口設計成可在垂直方向向下擺動10°的方式，調節噴口的擺動可作為調節汽溫和燃盡的有效手段，并且能有效控制爐膛出口煙氣溫度，緩解屏底結焦狀況.

3 爐膛內燃燒數值模擬

為了簡化模型，只對折焰角以下的爐膛部分進行模擬，網格劃分見圖2.對模型進行如下假設：（1）空氣是連續性介質；（2）爐膛不漏風；（3）爐膛水冷壁為恒溫；（4）煤粉顆粒直徑為70～200μm，平均直徑為134μm.

模擬進行了3個工況（見表2）：改造前（即工況1），僅將燃盡風風量比例增大至20%而燃燒器不改變（即工況2）和燃盡風風量比例增大至20%同時燃燒器按上述方案改變（即工況3）.對比并分析了主燃區還原性氣氛、主燃區溫度和燃燒器結構對NOx排放的影響，其中用于對比的數據包括鍋爐流場的變化、溫度場變化以及NOx排放質量濃度的變化.

圖2 爐膛網格劃分Fig.2 Furnace mesh division

表2 工況描述Tab.2 Definition and description of working conditions

一次風經蝸殼式風道送入燃燒器，雖有一定的旋轉作用，但由于一次風管的長徑比較大，且噴口被分隔為4個濃縮型噴口，因此在燃燒器出口處一次風的旋流作用較弱，可忽略不計.二次風采用切向旋流葉片結構，由于旋流葉片的導向作用，二次風產生強烈的旋轉，形成了噴口附近的回流區.該回流區產生強烈的卷吸，可以起到穩定火焰、強化燃燒的作用.整個爐膛在前后墻2層16只燃燒器的作用下顯示出了完美的回流特征，爐膛下部氣流從燃燒器噴口向爐膛中下部流動，到達爐膛中部后再向下，而后沿冷灰斗水冷壁向燃燒器根部流動，從而形成2個巨大的渦旋回流區.在燃燒器上方燃盡風噴口處，由于燃盡風的速度較高，該氣流對整體向上的主燃燒器氣流產生沖擊，形成了爐膛氣流的局部收腰區，同時降低了該部位氣流的速度.工況1與工況3的速度場對比見圖3.

圖3 工況1與工況3的速度場對比Fig.3 Comparison of velocity field between condition 1and condition 3

表3給出了各工況下的爐膛溫度及NOx排放質量濃度.由表3可知，工況1下燃燒器出口前方2 000mm 至爐膛中上部的廣大區域均為高溫區且溫度分布均勻，最高溫度可達1 749 ℃，爐膛中上部（15 000截面）平均溫度為1 404 ℃，爐膛出口煙氣溫度仍然高達1 354 ℃.燃盡風由于風量較小，速度偏低，穿透力不足，因此在燃盡風出口處僅小片區域出現了溫度下降，很快又被爐膛內的大量高溫煙氣所覆蓋，工況1下NOx排放質量濃度較高.

與工況1相比，工況2下燃燒器出口前方2 000 mm 至爐膛中上部廣大區域的溫度顯著下降，同時由于燃盡風風量比例較工況1下大很多，其穿透力大大加強，因此在燃盡風出口處有大片區域的溫度出現下降，且爐膛整體的溫度水平較工況1下低很多，NOx排放質量濃度也大幅下降.

工況3除了擁有工況2相同的變化外，燃燒器各風筒的前移進一步減弱了一次風粉與旋流二次風的混合效果，燃燒得到了進一步推遲，因此爐膛整體的溫度水平又有所下降，NOx排放質量濃度低于工況2.

表3 各工況下的爐膛溫度及NOx 排放質量濃度Tab.3 In-furnace temperature and NOxemission under different working conditions

各工況下的爐膛溫度場和NOx排放質量濃度對比見圖4和圖5.由圖5可以看出，燃燒器前主燃區的NOx排放質量濃度較高，到達爐膛出口處略有下降，說明燃燒過程中生成NOx的同時又發生了NOx的還原反應，這也驗證了理論分析結果的正確性.

圖4 各工況下爐膛溫度場的對比Fig.4 Comparison of in-furnace temperature field among different working conditions

圖5 各工況下NOx 排放質量濃度的對比Fig.5 Comparison of NOxemission among different working conditions

從改造前后的爐膛溫度場數值模擬結果可以看出：（1）改造后主燃區的整體溫度水平比改造前約低58～83K，爐膛出口煙氣溫度比改造前約低15～55K；（2）燃盡風由于風量比例增大，其穿透力和對爐膛溫度的影響明顯增強，因此燃盡風噴口后方爐膛溫度明顯下降.數值模擬結果真實地顯示出了模型出口處NOx排放質量濃度的變化：從改造前的440mg／m3下降到改造后的257 mg／m3（即工況3），滿足了用戶的改造要求.

4 數值模擬結果與實測結果的對比

在鍋爐改造完成后，委托西安熱工研究院有限公司對鍋爐性能和排放指標等進行實測并出具報告，實測結果見表4.

表4 鍋爐熱態測試結果Tab.4 Hot-state test results of the boiler

該試驗數據是改造后的實測數據，優化工況下的NOx排放質量濃度為340mg／m3，燃盡風調整工況下的NOx排放質量濃度為279mg／m3，改造前的NOx排放質量濃度為700 mg／m3，改造后的NOx排放質量濃度比改造前約下降50%，可以確認低氮燃燒改造取得了很好的效果.NOx排放質量濃度實測結果與數值模擬結果有一定的差異，這是因為根據數值模擬結果計算NOx排放質量濃度的煙氣狀態與實測時的煙氣狀態不同.NOx排放質量濃度實測結果是省煤器后NOx的排放質量濃度，煙氣溫度一般為470 ℃左右，數值模擬計算所得煙氣溫度為1 300 ℃，而且含氧量也不同，數值模擬時含氧量為3%左右，實測結果是按含氧量6%修正得到的.將數值模擬結果折算到實測工況，改造前NOx排放質量濃度為767mg／m3，改造后NOx排放質量濃度為436mg／m3，均比實測結果稍高，但偏差不大.

5 結 論

（1）對于對沖旋流燃燒煤粉鍋爐，采用垂直分級燃燒的方法可以有效降低NOx的排放質量濃度，與不采用空氣分級燃燒時相比，NOx排放質量濃度降低幅度可達50%，數值模擬結果與實測結果都證實了這一點.

（2）采用垂直分級燃燒時，主燃燒器配風量占爐膛配風總風量的80%左右，對應的過量空氣系數為0.96，主燃區處于弱還原性氣氛，可以達到較好的低氮燃燒效果.

（3）低氮燃燒改造時，燃盡風風量需增大至總風量的20%左右，同時燃盡風要保證足夠的穿透力和旋流強度，以加強燃盡風與爐膛高溫煙氣的混合.

（4）對于具有內、外雙旋流二次風的主燃燒器，要適當延長內、外二次風的隔板，這樣可以防止二次風與一次風粉過早混合，推遲著火，有利于在主燃區形成還原氣氛區，降低NOx的生成量.

（5）低氮燃燒改造數值模擬結果與實測結果吻合較好，表明在低氮燃燒改造時采用數值模擬方法可以對工程中的改造方案進行評估，指導改造參數設置，減少改造的盲目性.

［1］吳碧君，劉曉勤.燃燒過程NOx的控制技術與原理［J］.電力環境保護，2004，20（12）：29-31.

WU Bijun，LIU Xiaoqin.The control technologies and principles of NOxin combustion［J］.Electric Power Environmental Protection，2004，20（12）：29-31.

［2］劉向軍，徐旭常.采用不同網格比較偽擴散對四角切圓型爐膛流場計算的影響［J］.燃燒科學與技術，1997，3（2）：113-119.

LIU Xiangjun，XU Xuchang.Comparison of the influence of pseudo-diffusion on the numerical simulation of flow field in a tangential-firing furnace with different grid systems［J］.Journal of Combustion Science and Technology，1997，3（2）：113-119.

［3］楊宏軍，朱禮想，李勝利，等.火電廠降低NOx排放的技術研究［J］.電力科技與環保，2011，27（6）：10-13.

YANG Hongjun，ZHU Lixiang，LI Shengli，etal.Discussion on de NOxtechnology in thermal power plants and its experiment［J］.Electric Power Environmental Protection，2011，27（6）：10-13.