馬達(dá)夫， 劉平元， 張守玉， 何 翔， 吳玉新

(1.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240；3.清華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程系，北京 100084)

根據(jù)高度靈活性和清潔能源的生產(chǎn)目標(biāo)，燃煤發(fā)電機(jī)組面臨在更低負(fù)荷下運(yùn)行的挑戰(zhàn)[1]。2016年6月，國(guó)家能源局發(fā)布了《關(guān)于下達(dá)火電靈活性改造試點(diǎn)項(xiàng)目的通知》[2]，國(guó)內(nèi)陸續(xù)開展了火電機(jī)組深度調(diào)峰的嘗試[3-5]。為了實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)，超低負(fù)荷(30%額定負(fù)荷及以下)運(yùn)行將成為我國(guó)火電機(jī)組的運(yùn)行常態(tài)。

煤粉鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行的主要瓶頸是燃燒方面的問(wèn)題：(1)當(dāng)給煤量減小時(shí)，爐膛煙氣溫度降低，燃燒穩(wěn)定性變差[6]；(2)雖然爐膛煙氣溫度越低，熱力型NOx生成量略有減少，但燃料型NOx生成量會(huì)顯著增加[7]。

目前，電站鍋爐靈活性調(diào)峰的研究至今只有五六年，國(guó)內(nèi)外針對(duì)煤粉鍋爐超低負(fù)荷下燃燒特性的研究還較少。僅有部分針對(duì)切圓鍋爐的低負(fù)荷運(yùn)行報(bào)告：某臺(tái)1 000 MW[8]和200 MW[9]切圓鍋爐采取了較低的一次風(fēng)壓力、較高的一次風(fēng)燃料混合溫度、更細(xì)的煤粉細(xì)度等優(yōu)化措施，實(shí)現(xiàn)了在30%額定負(fù)荷工況下的穩(wěn)定運(yùn)行。

趙星海等[10]通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究了30%額定負(fù)荷下不同富氧配風(fēng)條件下墻式切圓鍋爐的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)將一層輔助風(fēng)替換為φ(O2)=30%的富氧風(fēng)時(shí)爐膛溫度升高約200 K。Li等[11]針對(duì)某燃用無(wú)煙煤的330 MW旋流對(duì)沖鍋爐，研究其在50%～100%額定負(fù)荷工況下的燃燒效率、煙氣溫度和成分的變化特性，得出負(fù)荷降低導(dǎo)致O2消耗量和CO生成量降低，同時(shí)主燃區(qū)溫度也隨之降低。在50%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)減少輔助風(fēng)、增加燃盡風(fēng)，可使NOx排放量明顯降低[12-13]。此外，不同爐型在低負(fù)荷下的NOx排放特性也不同，某臺(tái)燃用貧煤和無(wú)煙煤的旋流對(duì)沖鍋爐負(fù)荷從100%降低到50%時(shí)，NOx排放量降低了41.5%[11]；而某臺(tái)燃用類似煤質(zhì)的W火焰鍋爐在相同負(fù)荷變化范圍內(nèi)的NOx排放量降低34.2%[14]；與旋流對(duì)沖鍋爐和W火焰鍋爐不同，切圓燃燒鍋爐在相同負(fù)荷變化范圍內(nèi)的NOx排放量略有增加[15-16]。

張定海等[17]研究了低負(fù)荷下切圓燃燒鍋爐的NOx生成量降低幅度比旋流對(duì)沖鍋爐高的原因，前者主要依靠爐膛中心的還原性氣氛來(lái)控制NOx的生成，對(duì)負(fù)荷變化引起的O2體積分?jǐn)?shù)變化更為敏感，后者則主要依靠單個(gè)燃燒器火焰形成的還原性氣氛來(lái)降低NOx，對(duì)負(fù)荷引起的溫度變化不敏感。

此外，蔣宏利等[18]研究表明，660 MW切圓燃燒鍋爐在低負(fù)荷下NOx質(zhì)量濃度較高，這是由于氧量的增加弱化了主燃區(qū)的還原性氣氛，通過(guò)減少周圍空氣的控制策略有效降低了煤粉顆粒周圍的O2體積分?jǐn)?shù)，從而使NOx質(zhì)量濃度降低了約30%。景雪暉等[19]在對(duì)某330 MW切圓燃燒鍋爐的數(shù)值模擬研究中使用了相同的NOx控制策略，在40%額定負(fù)荷下，向一次風(fēng)中添加了15%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的煙氣，使NOx質(zhì)量濃度降低了80 mg/m3。

綜上所述，超低負(fù)荷下煤粉鍋爐不可避免地會(huì)在高氧量工況下運(yùn)行，這對(duì)燃燒過(guò)程的穩(wěn)定性及NOx排放產(chǎn)生了一定影響。然而，目前針對(duì)超低負(fù)荷、不同運(yùn)行氧量工況下的鍋爐燃燒穩(wěn)定性及NOx排放特性方面的報(bào)道還較少。因此，筆者以某300 MW切圓燃燒鍋爐為例，采取送風(fēng)機(jī)葉片切削、送風(fēng)機(jī)單列運(yùn)行等措施將運(yùn)行氧量控制在較低水平，研究該鍋爐在超低負(fù)荷不同運(yùn)行氧量工況下的溫度、O2、CO和NOx分布規(guī)律，進(jìn)而討論其燃燒穩(wěn)定性及NOx排放特性，為超低負(fù)荷下煤粉鍋爐的技術(shù)改造及運(yùn)行方式提供參考。

1 模擬工況

研究對(duì)象為某300 MW一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，其采用四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為褐煤，鍋爐型號(hào)為HG-1035/17.5-HM35，鍋爐示意圖如圖1(a)所示。

制粉系統(tǒng)采用冷一次風(fēng)機(jī)正壓直吹式，配5臺(tái)MPS200HP-II型中速磨煤機(jī)。燃燒器采用“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體空氣分級(jí)低氮燃燒技術(shù),以提高鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行的能力，如圖1(b)所示。一次風(fēng)粉混合物進(jìn)入一次風(fēng)噴口后，被濃縮器分離成濃淡2部分，濃相氣流的煤粉濃度高，著火特性好，即使在低負(fù)荷下濃相氣流的風(fēng)煤比仍可保持在較合適的范圍內(nèi)。燃燒器出口處設(shè)有多個(gè)穩(wěn)燃鈍體，鈍體形成的高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)又為煤粉著火提供了熱源。這兩者的結(jié)合為低負(fù)荷穩(wěn)燃提供了保證。

(a) 鍋爐本體示意圖

鍋爐實(shí)際燃用印尼煤，煤種煤質(zhì)分析見表1?？梢钥闯?，該煤種收到基低位發(fā)熱量為15 940 kJ/kg，屬于熱值較低的褐煤，干燥無(wú)灰基揮發(fā)分值高達(dá)51.87%，屬于易著火煤種，有利于鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃。

表1 印尼褐煤煤質(zhì)分析結(jié)果

表2給出了各模擬工況下的主要輸入?yún)?shù)和邊界條件，其中90-1和60-1工況是鍋爐正常運(yùn)行時(shí)的工況，運(yùn)行氧量(即SCR入口氧體積分?jǐn)?shù))較高，90-2工況是將輔助風(fēng)全關(guān)，60-2工況是將輔助風(fēng)全關(guān)后減少了64 t/h燃盡風(fēng)，90-3、60-3和60-4工況均是在輔助風(fēng)全關(guān)的基礎(chǔ)上繼續(xù)降低燃盡風(fēng)以減少鍋爐運(yùn)行氧量。

表2 模擬工況及鍋爐主要參數(shù)

一般來(lái)說(shuō)，為了降低NOx排放量，通常在超低負(fù)荷下采取較低的一次風(fēng)速和供氧量。然而，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中有以下限制因素：(1)印尼褐煤的含水率很高，為了保持煤粉的輸送和干燥出力，必須保證一定的風(fēng)速和靜壓，因此當(dāng)負(fù)荷從90 MW降至60 MW時(shí)，一次風(fēng)率從36.7%增加到40.0%；(2)在超低負(fù)荷下，2臺(tái)送風(fēng)機(jī)的葉片開度僅為10%，進(jìn)一步關(guān)小有可能導(dǎo)致失速或喘振現(xiàn)象；(3)為了降低NOx質(zhì)量濃度，燃盡風(fēng)擋板在超低負(fù)荷下已經(jīng)全開。因此，在采用送風(fēng)機(jī)葉片切削、送風(fēng)機(jī)單列運(yùn)行等措施后才可繼續(xù)減少總風(fēng)量，將爐膛氧量控制在更低的水平。

2 建模與網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分考慮以下幾個(gè)因素：(1)由于爐膛內(nèi)的換熱主要是輻射換熱，與受熱面表面積有關(guān)，因此對(duì)于高溫受熱面只考慮爐內(nèi)面積較大的屏式過(guò)熱器和輻射再熱器；(2)在燃燒器區(qū)域水平段設(shè)置平行或垂直于流線的網(wǎng)格以盡量減少偽擴(kuò)散的發(fā)生；(3)在模型中利用噴口入射點(diǎn)的平面來(lái)控制注入軌跡的粒子數(shù)；(4)由于主燃區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)的參數(shù)變化較大，這2個(gè)區(qū)域的網(wǎng)格需要細(xì)化；鍋爐頂部和后端管道系統(tǒng)處化學(xué)反應(yīng)較少，溫度梯度較小，采用稀疏的網(wǎng)格處理不會(huì)影響總體計(jì)算精度。具體如圖2所示。

(a) 鍋爐整體網(wǎng)格

采用Ansys Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，表3給出了相應(yīng)燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。模型設(shè)定為：(1)由于難以準(zhǔn)確評(píng)估煙氣在火焰中的發(fā)射率，因此通過(guò)用戶定義函數(shù)(UDF)添加相關(guān)的修正；(2)采用離散相模型模擬煤顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡，該模型考慮了阻力、重力以及湍流對(duì)顆粒彌散脈動(dòng)的影響；(3)每個(gè)燃燒器噴口的網(wǎng)格數(shù)量設(shè)置為70，用10組不同粒度來(lái)表示粒徑分布，軌跡粒子的總數(shù)為14 000；(4)采用離散坐標(biāo)(DO)模型計(jì)算輻射換熱量；(5)假設(shè)氣體為灰體，采用文獻(xiàn)[20]的改進(jìn)灰氣體加權(quán)和模型(WSGGM)進(jìn)行建模；(6)煤粉粒徑分布符合Rosin-Rammler方程，根據(jù)等速煤粉取樣試驗(yàn)結(jié)果，平均粒徑為76.5 μm。

表3 燃燒過(guò)程的數(shù)學(xué)模型[21-28]

分別選取159萬(wàn)、216萬(wàn)、284萬(wàn)3個(gè)網(wǎng)格數(shù)對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)比燃燒器截面y速度分量在x方向上的速度(圖3(a))和x速度分量在y方向上的速度(圖3(b))來(lái)驗(yàn)證網(wǎng)格獨(dú)立性(x和y方向分別表示爐膛寬度和深度方向)。綜合考慮，216萬(wàn)網(wǎng)格數(shù)是最優(yōu)方案。

(a)

3 結(jié)果與討論

3.1 運(yùn)行氧量對(duì)溫度分布的影響

在90-1和60-1工況下，采用Raytek 3I Plus高溫手持式紅外溫度計(jì)對(duì)爐膛溫度進(jìn)行測(cè)量，得到的測(cè)量結(jié)果與模擬計(jì)算結(jié)果相差50 K以內(nèi)(見圖4)，證明該模型有較好的準(zhǔn)確性。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

從圖4可以看出，在90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)運(yùn)行氧量從9.1%和11.7%分別降低到6.5%和8.5%時(shí)，爐膛整體平均溫度分別升高29 K和50 K，其原因是超低負(fù)荷、高運(yùn)行氧量工況下給煤量減少，送入主燃區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)的空氣沒有完全參與燃燒反應(yīng)，降低了爐膛整體溫度。當(dāng)運(yùn)行氧量繼續(xù)降低(減少燃盡風(fēng)風(fēng)量)，2個(gè)負(fù)荷工況下燃盡風(fēng)區(qū)的爐膛溫度分別升高6 K和26 K。由此可知，輔助風(fēng)的減少使得主燃區(qū)溫度升高，燃盡風(fēng)的減少使燃盡風(fēng)區(qū)溫度略有升高，運(yùn)行氧量的降低有利于燃燒穩(wěn)定性的提升。

煤粉的著火距離可以在某種程度上反映爐內(nèi)燃燒的穩(wěn)定性。將煤粉氣流開始著火時(shí)的溫度點(diǎn)設(shè)為整個(gè)煤粉氣流的著火點(diǎn)，根據(jù)謝苗諾夫著火理論，著火條件[29]為:

(1)

式中:T為溫度。

因此著火點(diǎn)為溫度曲線的拐點(diǎn)，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度即為著火溫度，由燃燒器噴口至該點(diǎn)的距離即為著火距離。

如圖5所示，90 MW負(fù)荷工況下，將輔助風(fēng)減至零后(工況由90-1變?yōu)?0-2和90-3)，著火距離由4.7 m縮短至3.2～3.4 m；60 MW負(fù)荷工況下，將輔助風(fēng)減至零后(工況由60-1變?yōu)?0-2、60-3、60-4)，著火距離由4.9 m縮短至3.2～3.5 m。相同負(fù)荷下，一次風(fēng)量和煤粉量沒有變化時(shí)，其著火熱沒有變化，但是高運(yùn)行氧量工況下過(guò)多的輔助風(fēng)會(huì)吸收熱量導(dǎo)致主燃區(qū)溫度降低。因此，當(dāng)主燃區(qū)空氣量降低時(shí)，主燃區(qū)溫度會(huì)升高，煤粉著火提前。此外，隨著輔助風(fēng)的減少，雖然煤粉的升溫速率增加，但是90 MW和60 MW負(fù)荷低氧燃燒工況下(90-2、90-3、60-2、60-3和60-4工況)燃燒后期溫度較低，這是因?yàn)橹鹛崆皩?dǎo)致煤粉燃燒釋放熱量的位置更接近于燃燒器噴口。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

圖6給出了B層燃燒器截面的煙氣溫度云圖，可以看出90-1和60-1工況下沒有出現(xiàn)中、高負(fù)荷下的假想切圓[30]。這是因?yàn)槌拓?fù)荷下，該深度空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)在高運(yùn)行氧量工況下的配風(fēng)方式為：(1)輔助風(fēng)風(fēng)量?jī)H為93～114 t/h，更多空氣作為燃盡風(fēng)射入爐內(nèi)(212～234 t/h)；(2)一次風(fēng)要干燥和輸送高水分褐煤，需保持在風(fēng)速18.8 m/s、靜壓5.2 kPa的參數(shù)下運(yùn)行。因此，由于一次風(fēng)速剛性較強(qiáng)而輔助風(fēng)剛性較弱，其著火距離接近5.0 m，煤粉在爐膛中心聚集反應(yīng)，高溫區(qū)更集中于爐膛中心。此時(shí)，爐膛四角的直流燃燒器相對(duì)獨(dú)立，其燃燒過(guò)程類似于對(duì)沖燃燒方式。

圖6 B層燃燒器截面的煙氣溫度分布

從圖6還可以看出，90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)后，著火距離縮短，煤粉著火方向與入射方向形成了一定角度，有形成假想切圓的傾向。此時(shí)，截面溫度分布更均勻，爐內(nèi)充滿度更好。

綜上所述，超低負(fù)荷下輔助風(fēng)減少有利于爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性的提升。但是，在實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員傾向于將停運(yùn)燃燒器附近的輔助風(fēng)門開5%～20%，以起到冷卻噴口的作用。這是因?yàn)轱L(fēng)門擋板全關(guān)時(shí)通常有一定的漏風(fēng)率，而且冷空氣的射入會(huì)卷吸高溫?zé)煔?，反而可能?huì)提高噴口燒損的概率。因此，輔助風(fēng)門擋板的開度對(duì)噴口冷卻的影響需要進(jìn)一步研究與實(shí)踐驗(yàn)證。

3.2 運(yùn)行氧量對(duì)爐內(nèi)氧分布的影響

圖7給出了不同爐膛高度截面的平均氧量分布。從圖7可以看出，90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，在爐膛高度16.3 m和29.7 m處出現(xiàn)了2個(gè)峰值，分別是由于主燃區(qū)一次風(fēng)和燃盡風(fēng)的射入導(dǎo)致。90 MW負(fù)荷工況下、運(yùn)行氧量為3.5%～6.5%時(shí)，主燃區(qū)平均氧量不足1.2%，屬于缺氧燃燒環(huán)境；而60 MW負(fù)荷工況、運(yùn)行氧量為3.5%～8.5%時(shí)，主燃區(qū)平均氧量為4.8%，屬于氧氣較充足的燃燒環(huán)境。超低負(fù)荷下，雖然SCR入口氧量測(cè)點(diǎn)均顯示為高運(yùn)行氧量值，但是由于鍋爐負(fù)荷和給煤量的不同，導(dǎo)致實(shí)際主燃區(qū)的燃燒氣氛區(qū)別較大。因此，借助SCR入口在線氧量測(cè)點(diǎn)觀察到的運(yùn)行氧量并不能完全反映主燃區(qū)的局部氧體積分?jǐn)?shù)。在主燃區(qū)增加O2和CO體積分?jǐn)?shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，有助于判斷超低負(fù)荷下的燃燒氣氛，從而強(qiáng)化燃燒穩(wěn)定性。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

圖8給出了沿燃燒器噴口方向的氧量分布。從圖8可以看出，沿燃燒方向60 MW工況下的氧量均高于90 MW工況下的氧量，尤其是在輔助風(fēng)全關(guān)的情況下，距噴口6 m及以上位置，90 MW工況下氧量接近零，而60 MW工況下氧量平均為2.6%。這是因?yàn)?0 MW工況下，煤粉在爐膛中心聚集反應(yīng)，爐膛中心屬于缺氧區(qū)域，而60 MW工況下煤粉量較小，所以氧量較高。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

圖9給出了B層燃燒器截面的氧量分布。從圖9可以看出，90-1工況下主燃區(qū)中心氧量降低，且四周水冷壁附近存在較大范圍的缺氧區(qū)域(局部氧量為0%～2%)，產(chǎn)生了較強(qiáng)的還原性氣氛。此外，90 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)時(shí)，主燃區(qū)氧量進(jìn)一步降低，爐膛中心及水冷壁附近氧量均接近于零。60 MW負(fù)荷工況下，即使是當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)時(shí)，爐膛中心雖逐漸出現(xiàn)低氧量區(qū)，但其氧化性氣氛仍強(qiáng)于90 MW負(fù)荷工況。

圖9 B層燃燒器截面的氧量分布

3.3 運(yùn)行氧量對(duì)爐內(nèi)CO分布的影響

如圖10所示，由于超低負(fù)荷下爐膛氧量較充分，CO整體的體積分?jǐn)?shù)比中、高負(fù)荷下[31]要低。在有B層煤粉供給的16.5 m標(biāo)高處，CO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)峰值，隨后急劇下降。90 MW負(fù)荷工況下的CO體積分?jǐn)?shù)高于60 MW負(fù)荷工況下，主要是由于負(fù)荷降低后給煤量降低和氧量升高導(dǎo)致的。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

由圖10可知，90-1工況下，主燃區(qū)的CO體積分?jǐn)?shù)較工況90-2和90-3略低，表明90-1工況下輔助風(fēng)的射入抑制了CO的生成。60 MW負(fù)荷下，各工況下隨爐膛高度的CO分布趨于一致，表明氧量變化對(duì)煤粉著火過(guò)程中的CO生成量基本沒有影響。

圖11給出了沿燃燒器噴口方向的CO分布情況。從圖11可以看出，90-1和60-1工況下的CO體積分?jǐn)?shù)峰值均出現(xiàn)在5.0 m處，其余工況的峰值出現(xiàn)在4.0～4.5 m處，即隨著氧量的減少，CO體積分?jǐn)?shù)峰值點(diǎn)逐漸接近燃燒器噴口。結(jié)合圖5中的著火距離，高運(yùn)行氧量下CO體積分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)在著火點(diǎn)之后的0.1～0.3 m，低運(yùn)行氧量工況下CO體積分?jǐn)?shù)峰值出現(xiàn)在著火點(diǎn)之后的0.8～1.1 m，即低運(yùn)行氧量工況下煤粉從著火到CO急劇生成的距離被拉長(zhǎng)。結(jié)果表明，運(yùn)行氧量降低會(huì)導(dǎo)致燃燒速率降低，使得化學(xué)反應(yīng)所需的距離拉長(zhǎng)。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

圖12給出了B層燃燒器截面的CO分布情況。從圖12可以看出，90-1和60-1負(fù)荷工況下，CO高體積分?jǐn)?shù)區(qū)域更集中于爐膛中心。當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)，CO高體積分?jǐn)?shù)區(qū)相對(duì)更靠近燃燒器噴口，而且爐膛內(nèi)CO充滿度更高，這是由運(yùn)行氧量低時(shí)著火距離縮短導(dǎo)致的；此時(shí)還能觀察到CO體積分?jǐn)?shù)的生成軌跡隨著一次風(fēng)粉混合物的軌跡擴(kuò)大，說(shuō)明低運(yùn)行氧量工況下煤粉燃盡時(shí)間增加，火焰被拉長(zhǎng)。

圖12 B層燃燒器截面的CO分布

3.4 運(yùn)行氧量對(duì)NOx分布的影響

在90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，模擬得到的全爐膛熱力型NOx占NOx總量的平均比例分別是0.060%和0.017%，表明絕大多數(shù)NOx是燃料型NOx。而且隨著負(fù)荷降低，爐膛溫度降低，熱力型NOx的比例減少。

圖13為不同爐膛高度截面的NOx質(zhì)量濃度分布。由圖13可知，90 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)運(yùn)行氧量從9.1%降至6.5%，截面平均NOx質(zhì)量濃度從681 mg/m3降至483 mg/m3,降低29%，說(shuō)明當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)后，NOx生成量明顯減少。當(dāng)運(yùn)行氧量進(jìn)一步降至3.5%，主燃區(qū)NOx幾乎不變化，但由于燃盡風(fēng)的減少導(dǎo)致燃盡風(fēng)區(qū)的NOx排放量降低54 mg/m3,降低9%。60 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)輔助風(fēng)由93 t/h降至零、燃盡風(fēng)由212 t/h降低至148 t/h，此時(shí)運(yùn)行氧量降至8.5%，主燃區(qū)截面平均NOx質(zhì)量濃度從735 mg/m3降至558 mg/m3,降低24%。當(dāng)燃盡風(fēng)量繼續(xù)降至25 t/h，主燃區(qū)NOx質(zhì)量濃度變化較小，NOx排放量降低40 mg/m3,降低10%。因此，超低負(fù)荷下，輔助風(fēng)的減少可使主燃區(qū)NOx生成量大幅降低，而燃盡風(fēng)的減少僅使NOx排放量略有降低。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

由于環(huán)保指標(biāo)是以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)在6%基數(shù)下的修正NOx質(zhì)量濃度值來(lái)考核，因此90-1、90-2和90-3工況下標(biāo)高39 m處的修正后NOx質(zhì)量濃度分別為754 mg/m3、515 mg/m3和388 mg/m3；60-1、60-2、60-3和60-4工況下的修正后NOx質(zhì)量濃度分別為1 011 mg/m3、548 mg/m3、437mg/m3和360 mg/m3，即初期運(yùn)行氧量的降低對(duì)修正后NOx的降低效果顯著。

由圖14可知，90 MW負(fù)荷高運(yùn)行氧量工況下，NOx質(zhì)量濃度在5.0 m后急劇增加。結(jié)合圖15前驅(qū)物反應(yīng)過(guò)程，這種現(xiàn)象的原因是反應(yīng)氣體中O、OH、O2等物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致著火后NOx生成量持續(xù)增加。即超低負(fù)荷下,運(yùn)行氧量較高時(shí)，低NOx燃燒系統(tǒng)的深度空氣分級(jí)效果相對(duì)中、高負(fù)荷下要弱。但當(dāng)運(yùn)行氧量為6.5%和3.5%時(shí)，NOx質(zhì)量濃度在5.0～5.5 m處開始下降，即氧量的降低導(dǎo)致了還原性氣氛的產(chǎn)生，使得CO和NOx的反應(yīng)前驅(qū)物HCN、NH3分別與NOx反應(yīng)而降低了NOx生成量。這是因?yàn)楫?dāng)氧量充分時(shí)，燃燒后更容易形成NO，而氧量較少時(shí)，NO被還原成N2(見圖15)。60 MW負(fù)荷工況下，由于局部氧量較高(見圖8)，沒有出現(xiàn)強(qiáng)還原性氣氛區(qū)，各運(yùn)行氧量工況沿燃燒器噴口方向的NOx均快速增加。

(a) 90 MW負(fù)荷工況

(a) HCN轉(zhuǎn)化為NO和N2的途徑

圖16給出了B層燃燒器截面的NOx分布情況。從圖16可以看出，由于60 MW負(fù)荷工況下爐膛溫度較低，著火距離比90 MW負(fù)荷時(shí)長(zhǎng)，尤其是工況60-1比90-1下長(zhǎng)0.3 m，且燃盡過(guò)程也更長(zhǎng)。因此，60 MW負(fù)荷工況下NOx的產(chǎn)生主要集中在爐膛中心，而90 MW負(fù)荷工況下NOx的分布比較均勻。此外，90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)輔助風(fēng)減少，NOx生成量大幅減少，而當(dāng)運(yùn)行氧量進(jìn)一步降低，由于主燃區(qū)的粉量和風(fēng)量不再變化，NOx生成量變化不大。

圖16 B層燃燒器截面的NOx分布

4 結(jié) 論

(1) 相對(duì)于中、高負(fù)荷，超低負(fù)荷高運(yùn)行氧量工況下一次風(fēng)速剛性較強(qiáng)，導(dǎo)致假想切圓難以形成，穩(wěn)燃能力較弱。此外，深度空氣分級(jí)燃燒系統(tǒng)的脫硝作用較差，60 MW工況下SCR入口修正后NOx質(zhì)量濃度超過(guò)1 000 mg/m3。

(2) 90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)時(shí)，整體爐膛溫度升高、著火距離縮短、燃盡距離增加、假想切圓更易于形成，有利于燃燒穩(wěn)定性的提升；繼續(xù)減小燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)區(qū)溫度略有升高。

(3) 90 MW和60 MW負(fù)荷工況下，絕大部分NOx為燃料型NOx，當(dāng)輔助風(fēng)全關(guān)，爐膛截面平均NOx質(zhì)量濃度分別降低29%和24%；繼續(xù)減少燃盡風(fēng)量到133 t/h和25 t/h(此時(shí)運(yùn)行氧量為3.5%)，爐膛截面平均NOx質(zhì)量濃度變化不大，NOx排放量繼續(xù)降低9%～10%。初期運(yùn)行氧量的降低導(dǎo)致修正后NOx排放量降低更顯著。

(4) 建議在主燃區(qū)增加O2及CO測(cè)點(diǎn)，監(jiān)視燃燒氣氛和著火距離，以掌握超低負(fù)荷下的燃燒穩(wěn)定性。并通過(guò)減少主燃區(qū)的輔助風(fēng)，盡量保持燃盡風(fēng)不變。綜合燃燒穩(wěn)定性和NOx排放特性，90 MW和60 MW負(fù)荷工況下的運(yùn)行氧量推薦值分別為6.5%和8.5%。