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摘 要： 摘 要：針對某電廠 600 MW 墻式對沖燃燒鍋爐 NOx排放濃度偏高的問題，以系統工程理念出發，采取新型多功能旋流燃燒器耦合供風系統 1:1 全尺寸仿真模擬工作，通過對爐內主燃區、燃盡區空間內不同區域射流的優化組織和差異化設計，很好地保證了爐內火焰合理分布，形成主
摘 要：針對某電廠 600 MW 墻式對沖燃燒鍋爐 NOx排放濃度偏高的問題，以系統工程理念出發，采取新型多功能旋流燃燒器耦合供風系統 1:1 全尺寸仿真模擬工作，通過對爐內主燃區、燃盡區空間內不同區域射流的優化組織和差異化設計，很好地保證了爐內火焰合理分布，形成主燃區火焰中心區域、過渡區和燃盡區域三區差異化燃燒，達到了強化煤粉著火、燃盡與深度降低 NOx排放相統一的目的。改造后鍋爐省煤器出口 NOx排放濃度降幅達到 55%以上;鍋爐效率提高 1%以上。
關鍵詞：墻式對沖燃燒鍋爐;深度降氮燃燒技術;系統工程;仿真模擬
國家發改委、環保部以及國家能源局聯合下發《煤電節能減排升級與改造行動計劃》，提出東部地區新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機機組排放限值。“十四五”期間，要求我國的能源資源配置更加合理，利用效率大幅提高，主要污染物排放總量持續減少。
低NOx燃燒技術是目前降低燃煤鍋爐NOx氣體排放量的主要手段之一。相比四角切圓燃燒鍋爐，墻式對沖燃燒鍋爐在控制NOx排放方面存在明顯的劣勢。以往的文獻通常會對原燃燒器結構或鍋爐的二次風配風系統進行單方面的局部研究，都沒有綜合考量整個爐內燃燒系統改造對鍋爐其他子系統的影響諸如水冷壁管高溫腐蝕、高溫受熱面管壁超溫、減溫水量驟增等問題。鍋爐燃燒系統改造是一項系統工程，涉及鍋爐多個子系統諸如汽水系統、制粉系統、風煙系統等，需要上述涉及的子系統進行通盤考量，精確優化主燃區與燃盡區的阻力分配匹配、單只燃燒器的一二次風風量比，同時還要特別預防改造后可能存在的高溫腐蝕、結渣等問題。
某電廠 5 號鍋爐為哈爾濱鍋爐廠有限責任公司引進三井巴布科克能源公司技術生產的超臨界前后墻對沖燃燒鍋爐，自投運以來，一直存在 NOx排放濃度高的問題，測試結果顯示該鍋爐脫硝入口的平均排放濃度可達 630 mg/Nm3 以上。本文以該鍋爐為對象，結合先進的計算機數值模擬仿真技術，建立了改造后的整個燃燒器、二次風箱、燃盡風風箱風道、燃盡風燃燒器的 1:1 全尺寸比例模型，對整個燃燒系統的二次風供風系統進行離散化處理，通過數值仿真計算得到了各層燃燒器的風率分配特性和最佳燃盡風比率。改造后鍋爐的各項性能參數較改造前有大幅度提高，同時在摻燒一定比例高硫煤情況下鍋爐未發生高溫腐蝕現象，驗證了本方案的可行性和正確性。
1 設備概況
該鍋爐型號為 HG-2072/25.4-YM12，采用П型露天布置、一次中間再熱、固態排渣、全鋼構架、前后墻對沖燃燒方式的變壓本生直流鍋爐。鍋爐過熱器采用兩級噴水減溫器，再熱蒸汽采用尾部煙氣擋板調溫，并備有事故噴水減溫器。鍋爐主要設計參數和燃煤參數見表 1。
鍋爐采用中速磨冷一次風機直吹式制粉系統，配置 6 臺 MPS180HP-II 型中速磨煤機。前后墻各布置 3 層低 NOx 軸向旋流燃燒器(LNASB)，共 30 只。同時在旋流燃燒器正上方布置燃盡風口，前后左右墻共 16 只，實現空氣分級燃燒，降低爐內 NOx 的生成。燃盡風噴口距最上層燃燒器距離為 5.514 m，側墻燃盡風之間的水平距離為 6.038 m。鍋爐設計煤質和校核煤質特性見表 2。
2 鍋爐存在問題分析
2.1 過剩空氣系數偏高
在鍋爐主燃燒器區域內燃燒器燃燒性能較好的前提下，鍋爐整體氧量偏高，爐膛出口的過剩空氣系數達到 1.19。雖然這有助于煤粉的后期燃盡，但十分不利于抑制爐內 NOx總量的控制。
2.2 配風條件不佳
爐內風量分配特性不佳，雖然鍋爐設計有燃盡風系統，用以實現爐內空氣分級燃燒，但其最大風率約 16%，主燃燒器區域的過量空氣系數仍較大，空氣整體分級燃燒程度十分有限。目前，國內主流低NOx燃燒技術在同容量等級過量機組上所采用的燃盡風風率一般在 25%以上。
2.3 原燃燒器設計的不足
LNASB 燃燒器是早期 600 MW 級別墻式對沖燃燒鍋爐機組中應用較為廣泛的一種燃燒器，我國對 LNASB 燃燒器的燃燒特性做過較多相關研究[1]。實踐表明，該類型燃燒器在降低氮氧化物的效果方面并不理想，且普遍存在燃燒器噴口結焦及燒損現象。這種燃燒器特點是具有較大尺寸的中心風管，較低的一次風速和較高的二次風旋流強度。存在如下方面問題：
a. 一次風切向進入，且具有一定的旋流強度，易導致煤粉沿圓周方向分布不均;
b. 燃燒器的預混段較長，一、二次風混合過早;
c. 二次風結構不盡合理，單只燃燒器內的空氣分級效果不理想。
2.4 鍋爐運行中存在的問題
(1) 氮氧化物排放高。在 350～600 MW 電負荷區間內，鍋爐省煤器出口 NOx排放濃度始終維持在 450～650 mg/Nm3。
(2) 鍋爐存在一定的偏燒現象，鍋爐效率低于 93.5%。爐膛出口煙溫及過熱、再熱汽溫兩側偏差大，實測爐膛出口煙道兩側氧量及 CO 偏差大，對應省煤器出口局部 CO 峰值超過 2000ppm。
(3) 金屬壁溫超溫。高負荷下，過熱汽溫及再熱汽溫偏高，減溫水量相對較大。同時，水冷壁垂直管段、屏過及高再金屬壁溫存在嚴重的超溫現象。
3 改造方案及數值仿真分析
3.1 改造方案
在主燃燒器區域，維持原煤粉燃燒器標高和位置不變。將 25 只原 LNASB 煤粉燃燒器整體改造為煙臺龍源電力技術股份有限公司生產的新一代多功能旋流煤粉燃燒器，將 5 只等離子層燃燒器全部更換為配套等離子點火系統的低NOx旋流煤粉燃燒器。在垂直空間上通過對爐膛主燃區、燃盡區空間內射流與爐內上升氣流的合理優化組織，很好地保證爐內火焰溫度合理分布區間，形成主燃區火焰中心區域、過渡區和貼壁區域三區差性差異化燃燒，從而達到在深化空氣分級條件下保障煤粉燃盡率和防止高溫腐蝕的目的。詳細方案如下：在前后墻標高 37.1 m 處新增 10 個燃盡風噴口，同時對原燃盡風風箱和風道及附屬系統進行改造。
3.2 燃燒器模擬結果
首先，以單只燃燒器為數值仿真對象，根據實際的二次風箱和燃燒器結構尺寸建立幾何模型。由于旋流燃燒器的結構比較復雜，采取分區劃分網格并對局部重點區域例如燃燒器喉口、彎頭、旋流葉片等部位進行網格加密處理，以提高數值模擬精確性。在計算中采用標準的k 湍流模型模擬氣相湍流輸運;煤粉顆粒采用隨機軌道模型，分別使用單/ 雙混合分數-概率密度函數模擬氣相湍流燃燒;采用動力/擴散控制反應速率模擬焦炭的燃燒;采用 Do 模型計算輻射傳熱;對 NO 生成考慮了熱力及燃料型 NO 壓力-速度的耦合采用 SIMPLE 法求解。
從圖 2～4 中可以看出，通過采用新型多功能旋流煤粉燃燒器，煤粉氣流在經過燃燒器一次風本體均流和濃淡分離裝置后分布相對均勻，有利于燃燒器噴口著火均勻。同時，在熱態情況下，燃燒器噴口一次風部位出口處局部還原性氣體 CO 較高，在此區域內煤的揮發分大量釋放，有利于初期迅速著火同時深度抑制 NOx的生成。
3.3 供風系統模擬結果
其次，對鍋爐整個二次風供風系統進行了全尺寸 1:1 模型的仿真模擬工作，還原真實的二次供風系統及燃燒器結構，以獲得精確的風率分配。二次熱風由左右兩側熱風道進入前/后墻大風箱，再通過各層的調節風門進入各層燃燒器及燃盡風風箱，最后通過燃燒器進入爐膛。本次模擬各風箱、風道、風室、導流板、調節風門、燃燒器尺寸均為實際尺寸。能夠還原鍋爐實際運行工況下流場特性、風量分配及阻力匹配特性。同時，綜合考慮建模工作量及精度要求，本模擬工作未考慮風箱桁架、風量測量裝置及風箱積灰對模擬結果的影響。
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由于煤質和負荷的頻繁波動，運行人員在實際運行過程中經常需要對鍋爐各層二次風箱的二次風門進行相應調整。因此，本組模擬以基準工況為基礎，通過改變和控制各層二次風箱風門開度，來模擬實際運行中的燃盡風風率變化趨勢。工況 1～4 各層二次風箱電動調節風門開度見表 4。
通過不同工況下的仿真模擬計算，得出的主要結論如下：
(1) 初步完成了燃盡風風率分配的優化研究工作，達到了預期的設計目的;
(2) 通過在合理的范圍內調節各風門的開度，可使燃盡風率控制在 27%～38%之間，通過關閉不同位置二次風門，可以有效調整燃盡風與各層二次風之間的風率分配;
(3) 經過對網格化配風系統的仿真優化工作，目前的燃盡風風箱風道結構基本合理。但同時仍存在燃盡風風道內局部流場不均勻、靠側墻位置燃盡風出口氣流偏轉等問題，需在熱態燃燒調整過程中予以針對性調整。
4 改造前后鍋爐主要性能參數對比
改造后鍋爐運行安全穩定，各輔機參數運行正常。同時，通過此次深度降氮燃燒系統改造，徹底解決了改造前省煤器出口NOx排放高、燃燒器結焦、煙溫及汽溫偏差大和金屬管壁超溫等問題。改造前后鍋爐主要參數對比如下。
5 結論
(1) 鍋爐省煤器出口 NOx排放濃度大幅降低，降幅 55%以上。
(2) 不 同 負 荷 下 ， 鍋 爐 效 率 能 夠 保 證 在 94.1%～94.3%之間，較改造前提高 1%以上。
(3) 鍋爐的過熱度及汽溫變化幅度相比改造前變化更為平緩，汽水系統調節特性增強。
(4) 鍋爐兩側汽溫及煙溫偏差分別控制在 10 ℃及 15 ℃以內，熱偏差較改造之前有了較大改觀，各受熱面金屬管壁無超溫現象，徹底解決了改造前受熱面金屬管壁頻繁超溫問題。——論文作者：劉鵬飛 武學謙 崔星源 張超群 牛 濤 李 明 方永旭
