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(yè)大學(xué)電力工程學(xué)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(shù)以降低NOx的生成量［1］.采用空氣分級燃燒技術(shù)的主要目的是造成主燃區(qū)還原性氣氛，同時降低主燃區(qū)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(shù)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(shù)并指導(dǎo)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(shù)值模擬開展研究，不僅為燃燒器改造設(shè)計參數(shù)的選擇提供科學(xué)依據(jù)，而且為鍋爐燃燒調(diào)整提供相關(guān)指導(dǎo).

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(fēng)，為自然循環(huán)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(fēng)（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(yīng)單面墻每層4只燃燒器.單臺磨煤機的設(shè)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(xù)蒸發(fā)量（BMCR）負荷.鍋爐主燃料為印尼平南煤，其煤質(zhì)參數(shù)見表1.

表1 煤質(zhì)參數(shù)Tab.1 Coal parameters

燃燒器中央布置三次風(fēng)筒，煤粉管后端部的外側(cè)安裝調(diào)風(fēng)器.三次風(fēng)管的端部為可動部件，運行中可軸向移動，用于燃燒調(diào)整.燃燒器設(shè)有內(nèi)、外二次風(fēng)，采用軸向旋流葉片手動調(diào)節(jié).內(nèi)、外二次風(fēng)風(fēng)量整體通過執(zhí)行器拉動擋板調(diào)節(jié).在外二次風(fēng)的入口裝有可使風(fēng)量分配均勻的多孔式環(huán)形布風(fēng)板和監(jiān)視布風(fēng)板前后壓差的風(fēng)壓測量裝置.

2 燃燒器改造方案

燃燒器改造前NOx排放質(zhì)量濃度約為700 mg／m3，要求改造后的NOx排放質(zhì)量濃度不高于390mg／m3（標(biāo)態(tài)，干基，6%O2體積分數(shù)下）.據(jù)此給定的燃燒器改造方案如下.

2.1 燃燒器結(jié)構(gòu)調(diào)整

將可調(diào)的中心風(fēng)筒向前推進152 mm，一次風(fēng)外筒向前延長200 mm，內(nèi)二次風(fēng)筒向外延伸235 mm 并增加30°的擴錐，改造后的燃燒器噴口結(jié)構(gòu)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(fēng)和煤粉的混合，擴大NOx的還原區(qū)域，進而降低NOx的生成量，同時避免由于一次風(fēng)粉和二次風(fēng)過早在喉口內(nèi)混合而造成的燃燒器區(qū)域結(jié)焦.

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

2.2 燃燒器配風(fēng)

在原始設(shè)計中，爐膛出口過量空氣系數(shù)為1.2，燃盡風(fēng)風(fēng)量僅占總風(fēng)量的9%左右，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)仍大于1，屬于過氧燃燒狀況，因此主燃區(qū)的NOx還原效果較差.為改變這一狀況，本改造方案將燃盡風(fēng)開口加大，調(diào)整燃盡風(fēng)風(fēng)量比例為20%，主燃區(qū)空氣量比例為80%，此時主燃區(qū)的實際過量空氣系數(shù)為0.96，處于還原性氣氛，有利于NOx的還原.燃盡風(fēng)燃燒器采用中心直流、四周旋流，且中心風(fēng)和旋流風(fēng)均可調(diào)節(jié)的結(jié)構(gòu).為調(diào)整燃盡風(fēng)的混入位置，噴口設(shè)計成可在垂直方向向下擺動10°的方式，調(diào)節(jié)噴口的擺動可作為調(diào)節(jié)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(jié)焦?fàn)顩r.

3 爐膛內(nèi)燃燒數(shù)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(wǎng)格劃分見圖2.對模型進行如下假設(shè)：（1）空氣是連續(xù)性介質(zhì)；（2）爐膛不漏風(fēng)；（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(fēng)風(fēng)量比例增大至20%而燃燒器不改變（即工況2）和燃盡風(fēng)風(fēng)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(qū)還原性氣氛、主燃區(qū)溫度和燃燒器結(jié)構(gòu)對NOx排放的影響，其中用于對比的數(shù)據(jù)包括鍋爐流場的變化、溫度場變化以及NOx排放質(zhì)量濃度的變化.

圖2 爐膛網(wǎng)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(fēng)經(jīng)蝸殼式風(fēng)道送入燃燒器，雖有一定的旋轉(zhuǎn)作用，但由于一次風(fēng)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(fēng)的旋流作用較弱，可忽略不計.二次風(fēng)采用切向旋流葉片結(jié)構(gòu)，由于旋流葉片的導(dǎo)向作用，二次風(fēng)產(chǎn)生強烈的旋轉(zhuǎn)，形成了噴口附近的回流區(qū).該回流區(qū)產(chǎn)生強烈的卷吸，可以起到穩(wěn)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(qū).在燃燒器上方燃盡風(fēng)噴口處，由于燃盡風(fēng)的速度較高，該氣流對整體向上的主燃燒器氣流產(chǎn)生沖擊，形成了爐膛氣流的局部收腰區(qū)，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(zhì)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(qū)域均為高溫區(qū)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(fēng)由于風(fēng)量較小，速度偏低，穿透力不足，因此在燃盡風(fēng)出口處僅小片區(qū)域出現(xiàn)了溫度下降，很快又被爐膛內(nèi)的大量高溫?zé)煔馑采w，工況1下NOx排放質(zhì)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(qū)域的溫度顯著下降，同時由于燃盡風(fēng)風(fēng)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(fēng)出口處有大片區(qū)域的溫度出現(xiàn)下降，且爐膛整體的溫度水平較工況1下低很多，NOx排放質(zhì)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(fēng)筒的前移進一步減弱了一次風(fēng)粉與旋流二次風(fēng)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(zhì)量濃度低于工況2.

表3 各工況下的爐膛溫度及NOx 排放質(zhì)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(zhì)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(qū)的NOx排放質(zhì)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(fā)生了NOx的還原反應(yīng)，這也驗證了理論分析結(jié)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(zhì)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(shù)值模擬結(jié)果可以看出：（1）改造后主燃區(qū)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(fēng)由于風(fēng)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(fēng)噴口后方爐膛溫度明顯下降.數(shù)值模擬結(jié)果真實地顯示出了模型出口處NOx排放質(zhì)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(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)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(biāo)等進行實測并出具報告，實測結(jié)果見表4.

表4 鍋爐熱態(tài)測試結(jié)果Tab.4 Hot-state test results of the boiler

該試驗數(shù)據(jù)是改造后的實測數(shù)據(jù)，優(yōu)化工況下的NOx排放質(zhì)量濃度為340mg／m3，燃盡風(fēng)調(diào)整工況下的NOx排放質(zhì)量濃度為279mg／m3，改造前的NOx排放質(zhì)量濃度為700 mg／m3，改造后的NOx排放質(zhì)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(zhì)量濃度實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果有一定的差異，這是因為根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計算NOx排放質(zhì)量濃度的煙氣狀態(tài)與實測時的煙氣狀態(tài)不同.NOx排放質(zhì)量濃度實測結(jié)果是省煤器后NOx的排放質(zhì)量濃度，煙氣溫度一般為470 ℃左右，數(shù)值模擬計算所得煙氣溫度為1 300 ℃，而且含氧量也不同，數(shù)值模擬時含氧量為3%左右，實測結(jié)果是按含氧量6%修正得到的.將數(shù)值模擬結(jié)果折算到實測工況，改造前NOx排放質(zhì)量濃度為767mg／m3，改造后NOx排放質(zhì)量濃度為436mg／m3，均比實測結(jié)果稍高，但偏差不大.

5 結(jié) 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(zhì)量濃度，與不采用空氣分級燃燒時相比，NOx排放質(zhì)量濃度降低幅度可達50%，數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果都證實了這一點.

（2）采用垂直分級燃燒時，主燃燒器配風(fēng)量占爐膛配風(fēng)總風(fēng)量的80%左右，對應(yīng)的過量空氣系數(shù)為0.96，主燃區(qū)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(fēng)風(fēng)量需增大至總風(fēng)量的20%左右，同時燃盡風(fēng)要保證足夠的穿透力和旋流強度，以加強燃盡風(fēng)與爐膛高溫?zé)煔獾幕旌?

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

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

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