330MW機(jī)組低氮燃燒器改造數(shù)值模擬與工程應(yīng)用

王加勇 楊 茉 徐津平 邱淑霞

1．上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院；2．蘇州熱工研究院有限公司

0 概述

我國在2012年1月1日起開始實施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對氮氧化物排放提出了更嚴(yán)格的要求[1]。早期投運的鍋爐低氮燃燒技術(shù)相對較落后，NOx排放濃度偏高，燃煤鍋爐NOx排放質(zhì)量濃度通常在600mg/m3以上。針對對沖旋流燃燒鍋爐NOx排放高問題，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了相關(guān)研究[2-6]。筆者采用Fluent軟件對該鍋爐的燃燒特性進(jìn)行研究，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行低氮改造。通過試驗證明了改造方案的實用性，可為同類型前后墻對沖燃燒鍋爐低氮改造提供參考。

1 設(shè)備概況

某電廠鍋爐為亞臨界、一次中間再熱、自然循環(huán)、單爐膛、單汽包、固態(tài)排渣燃煤鍋爐，燃燒系統(tǒng)為前墻布置雙調(diào)風(fēng)軸向旋流燃燒器、中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，燃燒器及其布置見圖1。

圖1 燃燒器及其布置示意圖

通過對機(jī)組鍋爐資料的研究及現(xiàn)場調(diào)查，分析鍋爐存在的NOx濃度高、排煙溫度高、鍋爐效率低和過熱器減溫水量低等問題，擬對鍋爐進(jìn)行低NOx燃燒器改造。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析及其改造方案選取

鑒于改造前鍋爐運行效率低，污染物排放不滿足環(huán)保要求等現(xiàn)狀，以燃燒模擬為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬。通過模擬后進(jìn)行相應(yīng)改造，并通過相關(guān)試驗驗證改造結(jié)果。低氮改造需重點考慮以下幾個問題：

（1）對爐內(nèi)燃燒的影響；（2）對鍋爐受熱面吸熱的影響；（3）對鍋爐排煙溫度的影響；（4）對飛灰可燃物的影響。

基于上述問題，對低NOx燃燒器改造前運行工況和方式進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)目前存在的問題及其產(chǎn)生的原因、改動對鍋爐熱力性能和污染物控制性能的影響。本文對所模擬的部分技術(shù)方案（表1）進(jìn)行分析：

（1）目前鍋爐燃燒系統(tǒng)及布置方案；

（2）燃燒器采用前3后1運行；

（3）燃燒器純前墻運行；

表1 數(shù)值模擬計算表

其中以工況1為基準(zhǔn),作為比較各種設(shè)計方案的基礎(chǔ)，而模擬的部分邊界條件是通過現(xiàn)有機(jī)組運行數(shù)據(jù)在工況1中標(biāo)定的，工況2、3是需評估改造后的運行效果。

對單只燃燒器進(jìn)行模擬，得到燃燒器出口兩相流場，然后以燃燒器出口作為爐膛入口邊界條件，進(jìn)行全爐膛模擬。爐膛結(jié)構(gòu)見圖2，其中在全爐膛模擬中，綜合考慮了受熱面吸熱對燃燒的影響，結(jié)合改造前試驗結(jié)果，對爐膛內(nèi)燃燒進(jìn)行了模擬。CFD數(shù)值模擬預(yù)測主要結(jié)果見表2。

圖2 全爐膛結(jié)構(gòu)示意圖

模擬結(jié)果表明；采用LYSC燃燒器和燃盡風(fēng)的方案NOx都有顯著降低，盡管降低程度有所不同。CO略有增加，但仍然在一個比較低的水平。

表2 數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果

從圖3中我們可以看出，改造前工況1鍋爐燃燒器采用純前墻布置，氣流沖刷后墻比較嚴(yán)重。由于沒有后墻氣流的平衡，氣流在爐內(nèi)分布不均勻，充滿度差。在爐內(nèi)呈反C字形，如圖3所示，A點位置在前墻燃燒器上方存在一個較大的渦流區(qū)，占據(jù)了爐內(nèi)的有效空間。同時在后墻A、B層燃燒器中間標(biāo)高位置，存在一個小渦流區(qū)。

工況1為前2后1運行方式，從圖3中可以看出，在此工況下運行可有效解決燃燒器氣流沖刷后墻的問題，爐內(nèi)氣流分布均勻。通過采用LYOFA噴口，后墻燃盡風(fēng)量為前墻燃盡風(fēng)量的2倍，OFA上方氣流均勻。運行工況2為純前墻方式運行，對比工況1，沖刷后墻的現(xiàn)象得到了一定的緩解。通過OFA噴嘴，后墻燃盡風(fēng)量為前墻燃盡風(fēng)量的2倍，OFA上方氣流均勻，解決了純前墻燃燒器上方存在較大回流區(qū)的問題。

圖3 燃燒器爐膛斷面速度場側(cè)視圖

對比改造前后爐膛溫度場數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果，如圖4我們可以看出，改造前工況1由于氣流沖刷后墻比較嚴(yán)重，高溫區(qū)域在A、B層燃燒器中間標(biāo)高上部偏向后墻位置。經(jīng)分析此處存在高溫腐蝕危險，這與實際運行時后墻此部位高溫腐蝕較嚴(yán)重的情況相符。對比圖3由于氣流沖刷后墻，造成折焰角部位風(fēng)速較高，同時此處溫度較高，此部位也存在腐蝕和磨損問題。

改造后，工況1的模擬結(jié)果顯示最下層燃燒器為前后墻布置，燃燒器出口氣流、火焰相互支撐，火焰高溫區(qū)域在爐膛中心位置。爐內(nèi)過量空氣系數(shù)由改造前的1．09降低至0．89，同時后墻燃盡風(fēng)量為前墻燃盡風(fēng)量的2倍，爐內(nèi)溫度分布更加均勻。

圖4 燃燒器爐膛斷面溫度場側(cè)視圖

改造后工況2的模擬結(jié)果顯示高溫區(qū)域在爐膛中部偏后墻部位，相比改造前工況火焰中心有一定的改善，但相比改造工況1改善程度小。

圖5為最下層燃燒器截面溫度場，從圖中我們可以看出，改造后燃燒器著火特性相比改造前有了較大的提高，燃燒器出口和整體斷面溫度增高。這也說明了改造后燃燒器的低負(fù)荷能力會有較大的提升。

圖5 最下層燃燒器截面溫度場

圖6～圖8分別為各工況爐膛斷面O2、CO和NO濃度分布側(cè)視圖。從圖中可以看出，改造前沒有燃盡風(fēng)率較低，NOx排放濃度較高，工況1和工況2采用LYOFA燃盡風(fēng)，具有較強(qiáng)的穿透性，加強(qiáng)了燃盡風(fēng)與煙氣的混合，在降低NOx的同時有效的控制CO和飛灰可燃物。對比附圖7中CO濃度分布圖，可以清晰地看出，改造前后墻部位CO濃度較高，從實際運行中也顯示了高溫腐蝕嚴(yán)重。工況1后墻部位CO濃度較低，可有效解決后墻高溫腐蝕的問題，但工況2的模擬結(jié)果顯示，后墻CO的含量相比改造前大幅增加，雖然氣流對后墻的沖刷減弱，但由于此處CO含量較高，高溫腐蝕問題還是比較嚴(yán)重。

圖6 爐膛斷面O2濃度分布側(cè)視圖

圖7 爐膛斷面CO濃度分布側(cè)視圖

圖8 爐膛斷面NO濃度分布側(cè)視圖

通過數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：

（1）改造前后的火焰形狀存在較大的區(qū)別，改造前由于為純前墻布置方式，爐內(nèi)氣流呈反C型布置方式，氣流沖刷后墻嚴(yán)重。改造后氣流在爐內(nèi)分布均勻，有效地解決了氣流沖刷后墻的問題；

（2）改造前后爐膛出口火焰溫度基本一致，對鍋爐汽溫、減溫水量和受熱面吸熱影響較小；

（3）改造后采用前后墻布置方式，在低負(fù)荷穩(wěn)燃階段，火焰互相支撐，低負(fù)荷穩(wěn)燃能力大幅提高；

（4）通過更改燃燒器布置方式、更改低NOx燃燒器和增設(shè)LYOFA噴嘴，NOx排放水平大幅降低；

（5）通過前后墻燃盡風(fēng)分配比率的不一致，有效的利用了爐內(nèi)空間，在降低NOx的同時，保證了飛灰、CO含碳量的在較低的水平。

3 低氮改造方案實施

針對模擬結(jié)果、機(jī)組改造前的性能結(jié)果分析和鍋爐存在的問題，提出以下改造方案：

（1）鍋爐煤粉燃燒器由前墻布置更改為前后墻布置，增強(qiáng)燃燒區(qū)域著火強(qiáng)度。

（2）將D層燃燒器風(fēng)箱由前墻移至后墻標(biāo)高17m處。

（3）將A層燃燒器改造為兼具點火功能的LYSC-Ⅰ型燃燒器，并保留A層微油點火及其輔助系統(tǒng)設(shè)備，將B、C、D層燃燒器改造為LYSC-Ⅱ型低NOx燃燒器，并針對實際燃用煤質(zhì)的條件，對LYSC系列低NOx燃燒器結(jié)構(gòu)及功能尺寸進(jìn)行優(yōu)化，提高燃燒器的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力和有效降低早期NOx生成。

（4）將從主燃燒器供入爐膛的空氣量由總?cè)紵諝饬康?00%減少到76%，使燃料在缺氧的富燃料燃燒條件下燃燒。此時，過量空氣系數(shù)a＜1，從而降低了燃燒區(qū)內(nèi)的燃燒速度和溫度水平，不僅延遲了燃燒過程，而且在還原氣氛中降低了生成NOx的反應(yīng)率，抑制了NOx在這一區(qū)域的生成量。

為達(dá)到深化爐膛內(nèi)空氣分級燃燒的目的，在鍋爐水冷壁標(biāo)高約29．60m處前后墻各開設(shè)6個OFA噴口，前后墻各布置6只OFA噴口，其中后墻燃盡風(fēng)量為前墻燃盡風(fēng)量的2倍。從兩側(cè)墻二次風(fēng)總風(fēng)道上引一段風(fēng)道至前后墻燃盡風(fēng)的風(fēng)箱，并在其中設(shè)置擋板門及風(fēng)速測量裝置，用以監(jiān)測、控制風(fēng)量。改造后燃盡風(fēng)的風(fēng)率占鍋爐總風(fēng)量的25%，燃盡風(fēng)噴口距最上層燃燒器6．4m，距屏下距離為12．9m，在有效降低NOx生成的同時可保證爐內(nèi)具有充足的煤粉燃盡空間。

4 改造試驗結(jié)果驗證

改造后的機(jī)組在運行穩(wěn)定后，進(jìn)行低氮改造驗證試驗：NOx排量明顯降低。經(jīng)過燃燒調(diào)整試驗優(yōu)化后，飛灰的灰渣含碳量得以控制，鍋爐熱效率大幅提升。機(jī)組負(fù)荷280MW時，鍋爐熱效率為90．81%；260MW時，鍋爐熱效率為91．42%；220MW 時，鍋爐熱效率為 90．79%，鍋爐熱效率在不同負(fù)荷時較大修前提高了1．06～1．58 個百分點。

煙氣脫硝系統(tǒng)自投運后，運行穩(wěn)定，煙氣差壓基本保持在300Pa～400Pa。入口煙氣NOx含量為400 mg/m3～500 mg/m3，出口煙氣 NOx含量降低到200mg/m3以下，脫硝效率在56%～71%之間，氨流量控制在100kg/h以下，氨逃逸率小于3ppm。