梁 瑾

(阿米那電力環(huán)保技術(shù)開發(fā)（北京）有限公司，北京 100027)

NO70燃燒系統(tǒng)在燃煤鍋爐脫硝中的應(yīng)用

梁 瑾

(阿米那電力環(huán)保技術(shù)開發(fā)（北京）有限公司，北京 100027)

介紹了NO70燃燒系統(tǒng)的特點以及計算機流體力學(xué)模擬原理。分析了使用NO70燃燒系統(tǒng)技術(shù)對旺隆電廠的2×100MW四角切圓燃煤鍋爐進行改造，有效降低氮氧化物排放量并提高機組效率的案例。

氮氧化物減排;NO70燃燒系統(tǒng)技術(shù);計算機流體力學(xué)模擬（CFD）;燃煤鍋爐

隨著國家出臺更為嚴(yán)格的脫硝完成時間要求和減排標(biāo)準(zhǔn)，環(huán)保行業(yè)在脫硫技術(shù)的普及之后又迎來了新的發(fā)展機遇。據(jù)有關(guān)方面預(yù)測，“十二五”期間，新《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》的實施，將為脫硝市場帶來2000億元的投資。從低氧燃燒、排氣循環(huán)燃燒、二級燃燒、濃淡燃燒、分級燃燒、低氮燃燒器等各種爐內(nèi)燃燒過程的改進到現(xiàn)今形式各異的脫硝工藝，使得脫硝工藝和市場日趨成熟和完善。作為成本較低、應(yīng)用較為廣泛的爐內(nèi)低氮改造技術(shù)，2003年以前生產(chǎn)的鍋爐都可根據(jù)實際情況考慮和使用。本文介紹了一項空氣分級燃燒技術(shù)—NO70燃燒系統(tǒng)及其在旺隆電廠四角切圓燃煤鍋爐低氮改造中的應(yīng)用。

旺隆熱電廠是廣東地區(qū)的主要供熱企業(yè)，該電廠的兩臺機組擔(dān)負(fù)著所在地區(qū)大部分工廠的供熱負(fù)荷。由于亞運會的召開，電廠方面希望在能夠保證正常供熱的前提下，降低NOx排放量，同時改善鍋爐的燃燒狀況，提高鍋爐效率。經(jīng)過一段時間的考察和測試，決定采用NO70燃燒系統(tǒng)技術(shù)和專利產(chǎn)品對其#1、#2（2×100MW）鍋爐進行改造。

NO70燃燒系統(tǒng)是基于空氣分級原理，通過增加一層燃盡風(fēng)來降低主燃燒區(qū)的風(fēng)量，從而達到降低NOx排放的目的。同時兼顧提高燃燒效率、防止結(jié)渣和高溫腐蝕等機組性能優(yōu)化的功能。對于燃盡風(fēng)的布置，盡可能地保留原結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)改造的有效性和經(jīng)濟性。低NOx方案的制定以對機組的全面了解和準(zhǔn)確分析為前提，它涉及對機組設(shè)計、運行數(shù)據(jù)的廣泛采集和對比驗證，方案設(shè)計基于合理有效的機組信息，采用計算機流體力學(xué)模擬軟件，并結(jié)合綜合模擬試驗，對機組改造前后的情況進行對比，保證改造的有效性、經(jīng)濟性和可靠性。對整個燃燒系統(tǒng)的評估，通常包括NOx、結(jié)渣情況、鍋爐效率等。

1 NO70燃燒系統(tǒng)

1.1 設(shè)計理念

燃盡風(fēng)的原理相對來說比較簡單，它是將原主燃燒區(qū)的部分二次風(fēng)移至原有火焰中心的上方。通過轉(zhuǎn)移減少了主燃燒區(qū)的供氧量，從而降低“燃料型NOx”和“熱力型NOx”的生成。此方法并未改變?nèi)紵^程的總風(fēng)量，而是將原有的二次風(fēng)重新進行分配。

燃盡風(fēng)將通過專用風(fēng)室在噴口處達到設(shè)計風(fēng)速及流量。在燃盡風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計中，合適的燃盡風(fēng)噴口流速尤為重要，其將直接影響到燃盡風(fēng)與爐內(nèi)煙氣的混合效果，燃盡風(fēng)與爐內(nèi)煙氣合理的混合可將低NOx燃燒過程中可能出現(xiàn)的高CO濃度、高UBC等狀況的幾率降至最低。最佳的燃盡風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計主要由爐膛尺寸、燃料在爐膛內(nèi)部停留時間、燃料特性等諸多因素決定。因此，具體空氣分級的程度將因機組而異?？梢韵胂?，同一個機組在不同的運行條件下，也可能會有不同的最佳燃盡風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計。

事實上燃盡風(fēng)系統(tǒng)并非單純地將部分二次風(fēng)轉(zhuǎn)移至主燃燒器上方，燃燒系統(tǒng)設(shè)計時還需對主燃燒系統(tǒng)重新進行評估，以保證保持合適的燃料及空氣流速，并對可能改變的熱交換率進行校核，還需保證整個系統(tǒng)能與機組日常運行情況相符。

除上述在爐膛垂直方向上進行空氣分級外，低NOx燃燒系統(tǒng)還在主燃燒區(qū)設(shè)計了近壁二次風(fēng)。此設(shè)計使用了兩個假想切圓，燃料風(fēng)及一次風(fēng)沿內(nèi)部小切圓方向進入爐膛，部分輔助風(fēng)（二次風(fēng)）沿外部大切圓方向進入爐膛。輔助空氣與燃料流動方向分離，從而降低了在燃燒的揮發(fā)階段及炭的初步燃燒階段的理論空氣比。這樣將在爐膛中心形成富燃料的火焰中心，形成還原性氣氛并且降低主燃區(qū)溫度，有利于降低NOx的生成。同時，部分二次風(fēng)偏置會在爐墻附近形成富氧環(huán)境，將大幅降低了水冷壁高溫腐蝕及結(jié)渣的可能性。

1.2 特點和優(yōu)勢

NO70燃燒系統(tǒng)作為空氣分級燃燒技術(shù)的一種應(yīng)用，更有其自身的特點。分離燃盡風(fēng)（SOFA）的噴口布置與傳統(tǒng)空氣分級燃燒技術(shù)有明顯不同。

從SOFA風(fēng)噴口的布置方式上看，對于四角切圓鍋爐，傳統(tǒng)的SOFA噴口布置方式（見圖1）會導(dǎo)致二次風(fēng)混合不均勻，在圓形區(qū)域I中，混合程度是很低的。而NO70技術(shù)所采用的SOFA布置方式（見圖2）在圖示截面位置風(fēng)的分布更均勻，在此處加強一、二次風(fēng)的混合能使煙氣進入更上層爐膛之前燃燒得更充分。從而提高鍋爐效率。從CFD模型上（見圖3）可以更直觀的發(fā)現(xiàn)這一點。

從CFD模型的截屏可以看出兩種噴口布置方式的速度分布。很明顯，采用NO70技術(shù)的噴口布置能夠使此處爐膛截面的二次風(fēng)平均流速更高。同時可以延長風(fēng)粉停留在每一層燃燒器的時間，在不降低鍋爐效率的前提下讓NOx脫除得更徹底。

圖1 傳統(tǒng)SOFA噴口布置

圖2 NO70燃燒系統(tǒng)SOFA噴口布置

圖3 兩種SOFA噴口布置方式下的流場速度分布

2 計算機流體力學(xué)模擬

2.1 LPAG軟件

現(xiàn)代力學(xué)及計算機技術(shù)的發(fā)展使得復(fù)雜的流動、換熱、化學(xué)反應(yīng)的數(shù)值預(yù)測成為可能，如今采用計算流體動力學(xué)軟件可以實現(xiàn)對鍋爐內(nèi)的NOx生成進行比較精確的模擬，這對低氮技術(shù)的發(fā)展尤為重要。NO70技術(shù)同樣也是基于強大的數(shù)據(jù)模擬軟件作為設(shè)計的指導(dǎo)和依托。LPAG是一個基于CFD編碼的數(shù)據(jù)庫軟件，區(qū)別并超過其他CFD軟件的特別之處在于，該軟件除了運用質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、能量守恒定律，以及組分守恒定律和附加的湍流輸運方程之外，還加入了特別適用于電力行業(yè)的特殊代碼，因而能夠非常完美地預(yù)測工程的效果，很好地控制工程成本和風(fēng)險。評價具體包括飛灰含炭量、爐膛出口煙氣溫度、CO水平和水冷壁腐蝕速率等。

（1）質(zhì)量守恒方程

其中：ρ — 密度；

t — 時間；

u— 速度矢量；

u, v, w —— 速度矢量u在x, y和z方向的分量。

（2）動量守恒方程

以下為x, y, z三個方向的動量守恒方程：

（3）能量守恒方程

T —溫度；

k —流體的傳熱系數(shù)；

其它方程就不一一列舉了。

2.2 CFD計算求解過程及建模步驟

CFD計算求解過程見圖4。

圖4 CFD計算求解過程

為了使電腦的精確性與鍋爐運行情況相匹配，典型的鍋爐模擬過程包括爐膛前部和尾部兩部分。典型的爐膛前部模型模擬范圍是從灰斗向上到燃燒器區(qū)域直至爐膛出口附近的豎直平面。典型的爐膛尾部模型模擬范圍從爐膛出口的水平或豎直面向后經(jīng)過對流換熱面直至省煤器的出口。對于改造工程而言，CFD建模的過程分為4個步驟：

第一步，數(shù)據(jù)收集。收集爐膛和燃燒器的圖紙以及詳細(xì)的運行條件說明。信息包括每一層燃燒器的風(fēng)煤比，以及煤質(zhì)分析，煤的粒度等。

第二步，初始條件下的建模。在第二個步驟中，將會研究并建立一個模擬前部爐膛的模型。模型將第一步中收集到的數(shù)據(jù)作為輸入數(shù)據(jù)，包括燃燒器噴口處的一二次風(fēng)比例（流量、溫度、速度），近似的煤粉噴口的質(zhì)量分布等。這一步建立在燃燒器噴嘴參數(shù)已知的情況之下。如果無法獲得燃燒參數(shù)，就需要輸入燃燒器噴嘴以及粉煤管道的模型進行計算。

把根據(jù)初始條件建立的模型所輸出的參數(shù)與已有的數(shù)據(jù)在相似的燃燒條件下進行對比。模擬報告應(yīng)該包括流型、溫度，主要位置爐膛截面參數(shù)，爐膛出口溫度，CO、NOx的排放，飛灰含炭量，燃料沉積率等參數(shù)的分析。另外，結(jié)果不僅包括對前部爐膛傳熱情況的量化，尾部煙道的對流換熱和輻射換熱也在分析的范圍之內(nèi)。

第三步，燃燒器與空氣分級燃燒改造。這一步包括燃燒器及空氣分級燃燒系統(tǒng)改造對前部爐膛運行的影響評價。改造方式的模擬有幾種方案?？諝夥旨壢紵母脑焱ǔ婕翱s小某一些二次風(fēng)噴口面積。結(jié)果將與第二步中初始條件下所建立的模型進行結(jié)果對比和評價。一般來說，每個項目會設(shè)計三種方案進行對比和選擇。

第四步，詳細(xì)可靠地書面模擬評價報告。

3 應(yīng)用案例

3.1 案例概況

旺隆電廠采用的高溫高壓自然循環(huán)煤粉爐為鋼構(gòu)架懸吊結(jié)構(gòu)、單爐膛露天布置、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒方式、固態(tài)排渣。采用水平濃淡燃燒器，分三層布置。設(shè)計煤種為山西大同煙煤。存在的問題主要有：

（1）雖然現(xiàn)有的低NOx燃燒系統(tǒng)把NOx排放濃度降低到650mg/m3左右，但仍不能滿足當(dāng)?shù)氐呐欧艠?biāo)準(zhǔn)；

（2） 爐膛煙溫偏差大（150℃），通過多方面的調(diào)試，仍未解決；

（3） 一次風(fēng)出口附近結(jié)焦嚴(yán)重；

（4） 飛灰含炭量偏高（＞4%）。

3.2 工程內(nèi)容

根據(jù)改造目的和現(xiàn)場實際情況，綜合考慮各種因素，采用NO70系列的技術(shù)和專利產(chǎn)品定做了解決方案，具體如下：

（1）主風(fēng)箱改造

針對具體情況，設(shè)計了新的一次風(fēng)及二次風(fēng)噴口，并重新調(diào)整各燃燒器噴口的位置。

（2）分離式燃盡風(fēng)（SOFA）風(fēng)箱帶改造

SOFA管道與主二次風(fēng)管道相連，抽取部分二次風(fēng)送至SOFA噴口。根據(jù)計算，分離式燃盡風(fēng)（SOFA）的噴口布置在主燃燒區(qū)上方。新設(shè)計添加的燃盡風(fēng)風(fēng)箱帶布置于主風(fēng)箱上方，并圍繞整個爐膛。

（3）新增風(fēng)道及支吊

所有自二次風(fēng)箱至SOFA噴口的連接風(fēng)道以及風(fēng)道的支吊件。

（4）SOFA風(fēng)水冷壁開孔及所需彎管和密封

新增SOFA風(fēng)處水冷壁的開孔及開孔處密封部件。

（5）空氣測量系統(tǒng)

采用新型的測量裝置，準(zhǔn)確檢測風(fēng)量的變化。

（6）控制系統(tǒng)修改

為了保證新的燃燒系統(tǒng)的正確運行，業(yè)主需要對與燃燒系統(tǒng)相關(guān)的控制設(shè)置進行修改：1）燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板控制；2）一/二次風(fēng)門擋板控制；3）現(xiàn)有O2控制曲線需根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果進行相應(yīng)調(diào)整。安裝風(fēng)量測試設(shè)備，數(shù)據(jù)顯示在DCS系統(tǒng)中；提供風(fēng)門控制導(dǎo)則，指導(dǎo)電廠在邏輯保護中進行修改。

（7）磨煤機粗粉分離器改造

達到了提供煤粉細(xì)度和均勻性的目的，同時提高了燃燒穩(wěn)定性和鍋爐效率。

3.3 計算機流體力學(xué)模擬（CFD）結(jié)果

根據(jù)CFD模擬的仿真效果，改造方案可使鍋爐運行的狀況得到很大的改善：

（1）爐膛溫度

爐膛出口的排煙溫度沒有變化，保證鍋爐參數(shù)不變；控制爐膛內(nèi)的高溫點，有效地減少了熱力型NOx的生成。改造前后爐膛溫度對比見圖5。

圖5 改造前后爐膛溫度對比

（2）氮氧化物（NOx）的濃度

改造前，在主燃燒區(qū)產(chǎn)生大量的NOx，經(jīng)過原有的OFA得到很小程度的減少，在爐膛出口處NOx的濃度是很高的；改造后，雖然在主燃燒區(qū)也產(chǎn)生了大量的NOx，但是由于在主燃燒區(qū)氧氣濃度降低，氧化性氛圍減弱且溫度降低，濃度比改造前大大減小，在經(jīng)過過燃區(qū)時，由于還原性的作用，NOx在爐膛出口處的NOx濃度下降非常明顯（見圖6）。

圖6 改造前后NOx排放對比

（3）爐內(nèi)流場分布

改造后，改善了爐內(nèi)流場的分布狀況，促進空氣與可燃物間的混合，并保持火焰中心不發(fā)生偏移。引入分離式燃盡風(fēng)，加速上升煙氣的擾動，促進可燃物隨煙氣上升過程中的再次充分燃燒。改造前后爐內(nèi)流場分布對比見圖7。

圖7 改造前后爐內(nèi)流場分布對比

（4）大顆粒炭在爐膛內(nèi)軌跡

經(jīng)過改造，增加了爐內(nèi)空氣場的擾動，更多的炭粒會隨煙氣的上升而向上運動，減少降到灰斗的幾率，同時會帶動熱量與上方的換熱元件進行熱交換。改造前后大顆粒炭軌跡對比見圖8。

（5）未燃盡炭（UBC）的沉積率

在經(jīng)過改造之后，主燃燒區(qū)產(chǎn)生的未燃盡炭會在過燃區(qū)充分燃燒，而不是隨煙氣帶出，或沉積到灰斗，這樣使燃燒效率提高，進而提高鍋爐的熱效率。改造前后UBC沉積率的對比見圖9。

圖8 改造前后大顆粒碳軌跡對比

圖9 改造前后UBC沉積率對比

3.4 改造前后的效果對比（見下表）

電廠鍋爐改造前后效果對比表

如表中所示，改造后#1、#2鍋爐的NOx分別降低了64%和65%；UBC降低了62%和64%；燃燒效率提高了0.42%和0.86%。與此同時，煙溫偏差大的現(xiàn)象和一次風(fēng)出口位置結(jié)焦的狀況得到了很好的解決。爐膛出口煙溫偏差從150℃降到50℃以內(nèi)。由此可得出以下結(jié)論：

旺隆電廠改造項目無論是NOx的最高排放值還是UBC的含量均遠低于設(shè)計合同要求，而且在保證了原有鍋爐運行參數(shù)的基礎(chǔ)上，解決了這兩臺鍋爐存在的如煙溫偏差過高、爐膛一次風(fēng)出口結(jié)焦等問題，并在一定程度上提高了原有的鍋爐效率，提高了電廠正常運行的經(jīng)濟性。通過改造，旺隆熱電廠#1、#2號鍋爐的NOx排放均低于當(dāng)?shù)卦试S的低限值，該電廠避免了亞運會期間停機造成的經(jīng)濟損失，并為適應(yīng)以后該地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)，提前做好了準(zhǔn)備，減少了重復(fù)投入。而且本次改造在減少NOx排放的同時，提高了該電廠鍋爐效率，增加了煤種的適應(yīng)性，為該電廠今后的經(jīng)濟運行打下了堅實的基礎(chǔ)。本次改造無疑是NO70燃燒系統(tǒng)技術(shù)在四角切圓燃煤鍋爐的氮氧化物減排方面的成功應(yīng)用。

Application of NO70 Combustion System in Denitration of Coal-fired Boiler

LIANG Jin
(LP Amina Energy and Environmental Company, Beijing 100027, China)

The paper introduces the characteristic of NO70 combustion System and the principle of Computational Fluid Dynamics (CFD), analyzes the transformation of 2×100MW coal-fired boiler in Wanglong power plant by using NO70 combustion system technology so as to reduce the emission of nitrogen oxides and increase the efficiency of generation set.

emission reduction of nitrogen oxides; NO70 combustion system technology; CFD; coal-fired boiler

X701

A

1006-5377（2011）11-0032-05