NO70燃烧系统在燃煤锅炉脱硝中的应用

梁 瑾

(阿米那电力环保技术开发（北京）有限公司，北京 100027)

NO70燃烧系统在燃煤锅炉脱硝中的应用

梁 瑾

(阿米那电力环保技术开发（北京）有限公司，北京 100027)

介绍了NO70燃烧系统的特点以及计算机流体力学模拟原理。分析了使用NO70燃烧系统技术对旺隆电厂的2×100MW四角切圆燃煤锅炉进行改造，有效降低氮氧化物排放量并提高机组效率的案例。

氮氧化物减排;NO70燃烧系统技术;计算机流体力学模拟（CFD）;燃煤锅炉

随着国家出台更为严格的脱硝完成时间要求和减排标准，环保行业在脱硫技术的普及之后又迎来了新的发展机遇。据有关方面预测，“十二五”期间，新《火电厂大气污染排放标准》的实施，将为脱硝市场带来2000亿元的投资。从低氧燃烧、排气循环燃烧、二级燃烧、浓淡燃烧、分级燃烧、低氮燃烧器等各种炉内燃烧过程的改进到现今形式各异的脱硝工艺，使得脱硝工艺和市场日趋成熟和完善。作为成本较低、应用较为广泛的炉内低氮改造技术，2003年以前生产的锅炉都可根据实际情况考虑和使用。本文介绍了一项空气分级燃烧技术—NO70燃烧系统及其在旺隆电厂四角切圆燃煤锅炉低氮改造中的应用。

旺隆热电厂是广东地区的主要供热企业，该电厂的两台机组担负着所在地区大部分工厂的供热负荷。由于亚运会的召开，电厂方面希望在能够保证正常供热的前提下，降低NOx排放量，同时改善锅炉的燃烧状况，提高锅炉效率。经过一段时间的考察和测试，决定采用NO70燃烧系统技术和专利产品对其#1、#2（2×100MW）锅炉进行改造。

NO70燃烧系统是基于空气分级原理，通过增加一层燃尽风来降低主燃烧区的风量，从而达到降低NOx排放的目的。同时兼顾提高燃烧效率、防止结渣和高温腐蚀等机组性能优化的功能。对于燃尽风的布置，尽可能地保留原结构，以实现改造的有效性和经济性。低NOx方案的制定以对机组的全面了解和准确分析为前提，它涉及对机组设计、运行数据的广泛采集和对比验证，方案设计基于合理有效的机组信息，采用计算机流体力学模拟软件，并结合综合模拟试验，对机组改造前后的情况进行对比，保证改造的有效性、经济性和可靠性。对整个燃烧系统的评估，通常包括NOx、结渣情况、锅炉效率等。

1 NO70燃烧系统

1.1 设计理念

燃尽风的原理相对来说比较简单，它是将原主燃烧区的部分二次风移至原有火焰中心的上方。通过转移减少了主燃烧区的供氧量，从而降低“燃料型NOx”和“热力型NOx”的生成。此方法并未改变燃烧过程的总风量，而是将原有的二次风重新进行分配。

燃尽风将通过专用风室在喷口处达到设计风速及流量。在燃尽风系统设计中，合适的燃尽风喷口流速尤为重要，其将直接影响到燃尽风与炉内烟气的混合效果，燃尽风与炉内烟气合理的混合可将低NOx燃烧过程中可能出现的高CO浓度、高UBC等状况的几率降至最低。最佳的燃尽风系统的设计主要由炉膛尺寸、燃料在炉膛内部停留时间、燃料特性等诸多因素决定。因此，具体空气分级的程度将因机组而异。可以想象，同一个机组在不同的运行条件下，也可能会有不同的最佳燃尽风系统设计。

事实上燃尽风系统并非单纯地将部分二次风转移至主燃烧器上方，燃烧系统设计时还需对主燃烧系统重新进行评估，以保证保持合适的燃料及空气流速，并对可能改变的热交换率进行校核，还需保证整个系统能与机组日常运行情况相符。

除上述在炉膛垂直方向上进行空气分级外，低NOx燃烧系统还在主燃烧区设计了近壁二次风。此设计使用了两个假想切圆，燃料风及一次风沿内部小切圆方向进入炉膛，部分辅助风（二次风）沿外部大切圆方向进入炉膛。辅助空气与燃料流动方向分离，从而降低了在燃烧的挥发阶段及炭的初步燃烧阶段的理论空气比。这样将在炉膛中心形成富燃料的火焰中心，形成还原性气氛并且降低主燃区温度，有利于降低NOx的生成。同时，部分二次风偏置会在炉墙附近形成富氧环境，将大幅降低了水冷壁高温腐蚀及结渣的可能性。

1.2 特点和优势

NO70燃烧系统作为空气分级燃烧技术的一种应用，更有其自身的特点。分离燃尽风（SOFA）的喷口布置与传统空气分级燃烧技术有明显不同。

从SOFA风喷口的布置方式上看，对于四角切圆锅炉，传统的SOFA喷口布置方式（见图1）会导致二次风混合不均匀，在圆形区域I中，混合程度是很低的。而NO70技术所采用的SOFA布置方式（见图2）在图示截面位置风的分布更均匀，在此处加强一、二次风的混合能使烟气进入更上层炉膛之前燃烧得更充分。从而提高锅炉效率。从CFD模型上（见图3）可以更直观的发现这一点。

从CFD模型的截屏可以看出两种喷口布置方式的速度分布。很明显，采用NO70技术的喷口布置能够使此处炉膛截面的二次风平均流速更高。同时可以延长风粉停留在每一层燃烧器的时间，在不降低锅炉效率的前提下让NOx脱除得更彻底。

图1 传统SOFA喷口布置

图2 NO70燃烧系统SOFA喷口布置

图3 两种SOFA喷口布置方式下的流场速度分布

2 计算机流体力学模拟

2.1 LPAG软件

现代力学及计算机技术的发展使得复杂的流动、换热、化学反应的数值预测成为可能，如今采用计算流体动力学软件可以实现对锅炉内的NOx生成进行比较精确的模拟，这对低氮技术的发展尤为重要。NO70技术同样也是基于强大的数据模拟软件作为设计的指导和依托。LPAG是一个基于CFD编码的数据库软件，区别并超过其他CFD软件的特别之处在于，该软件除了运用质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，以及组分守恒定律和附加的湍流输运方程之外，还加入了特别适用于电力行业的特殊代码，因而能够非常完美地预测工程的效果，很好地控制工程成本和风险。评价具体包括飞灰含炭量、炉膛出口烟气温度、CO水平和水冷壁腐蚀速率等。

（1）质量守恒方程

其中：ρ — 密度；

t — 时间；

u— 速度矢量；

u, v, w —— 速度矢量u在x, y和z方向的分量。

（2）动量守恒方程

以下为x, y, z三个方向的动量守恒方程：

（3）能量守恒方程

T —温度；

k —流体的传热系数；

其它方程就不一一列举了。

2.2 CFD计算求解过程及建模步骤

CFD计算求解过程见图4。

图4 CFD计算求解过程

为了使电脑的精确性与锅炉运行情况相匹配，典型的锅炉模拟过程包括炉膛前部和尾部两部分。典型的炉膛前部模型模拟范围是从灰斗向上到燃烧器区域直至炉膛出口附近的竖直平面。典型的炉膛尾部模型模拟范围从炉膛出口的水平或竖直面向后经过对流换热面直至省煤器的出口。对于改造工程而言，CFD建模的过程分为4个步骤：

第一步，数据收集。收集炉膛和燃烧器的图纸以及详细的运行条件说明。信息包括每一层燃烧器的风煤比，以及煤质分析，煤的粒度等。

第二步，初始条件下的建模。在第二个步骤中，将会研究并建立一个模拟前部炉膛的模型。模型将第一步中收集到的数据作为输入数据，包括燃烧器喷口处的一二次风比例（流量、温度、速度），近似的煤粉喷口的质量分布等。这一步建立在燃烧器喷嘴参数已知的情况之下。如果无法获得燃烧参数，就需要输入燃烧器喷嘴以及粉煤管道的模型进行计算。

把根据初始条件建立的模型所输出的参数与已有的数据在相似的燃烧条件下进行对比。模拟报告应该包括流型、温度，主要位置炉膛截面参数，炉膛出口温度，CO、NOx的排放，飞灰含炭量，燃料沉积率等参数的分析。另外，结果不仅包括对前部炉膛传热情况的量化，尾部烟道的对流换热和辐射换热也在分析的范围之内。

第三步，燃烧器与空气分级燃烧改造。这一步包括燃烧器及空气分级燃烧系统改造对前部炉膛运行的影响评价。改造方式的模拟有几种方案。空气分级燃烧的改造通常会涉及缩小某一些二次风喷口面积。结果将与第二步中初始条件下所建立的模型进行结果对比和评价。一般来说，每个项目会设计三种方案进行对比和选择。

第四步，详细可靠地书面模拟评价报告。

3 应用案例

3.1 案例概况

旺隆电厂采用的高温高压自然循环煤粉炉为钢构架悬吊结构、单炉膛露天布置、平衡通风、四角切圆燃烧方式、固态排渣。采用水平浓淡燃烧器，分三层布置。设计煤种为山西大同烟煤。存在的问题主要有：

（1）虽然现有的低NOx燃烧系统把NOx排放浓度降低到650mg/m3左右，但仍不能满足当地的排放标准；

（2） 炉膛烟温偏差大（150℃），通过多方面的调试，仍未解决；

（3） 一次风出口附近结焦严重；

（4） 飞灰含炭量偏高（＞4%）。

3.2 工程内容

根据改造目的和现场实际情况，综合考虑各种因素，采用NO70系列的技术和专利产品定做了解决方案，具体如下：

（1）主风箱改造

针对具体情况，设计了新的一次风及二次风喷口，并重新调整各燃烧器喷口的位置。

（2）分离式燃尽风（SOFA）风箱带改造

SOFA管道与主二次风管道相连，抽取部分二次风送至SOFA喷口。根据计算，分离式燃尽风（SOFA）的喷口布置在主燃烧区上方。新设计添加的燃尽风风箱带布置于主风箱上方，并围绕整个炉膛。

（3）新增风道及支吊

所有自二次风箱至SOFA喷口的连接风道以及风道的支吊件。

（4）SOFA风水冷壁开孔及所需弯管和密封

新增SOFA风处水冷壁的开孔及开孔处密封部件。

（5）空气测量系统

采用新型的测量装置，准确检测风量的变化。

（6）控制系统修改

为了保证新的燃烧系统的正确运行，业主需要对与燃烧系统相关的控制设置进行修改：1）燃尽风风门挡板控制；2）一/二次风门挡板控制；3）现有O2控制曲线需根据现场调试结果进行相应调整。安装风量测试设备，数据显示在DCS系统中；提供风门控制导则，指导电厂在逻辑保护中进行修改。

（7）磨煤机粗粉分离器改造

达到了提供煤粉细度和均匀性的目的，同时提高了燃烧稳定性和锅炉效率。

3.3 计算机流体力学模拟（CFD）结果

根据CFD模拟的仿真效果，改造方案可使锅炉运行的状况得到很大的改善：

（1）炉膛温度

炉膛出口的排烟温度没有变化，保证锅炉参数不变；控制炉膛内的高温点，有效地减少了热力型NOx的生成。改造前后炉膛温度对比见图5。

图5 改造前后炉膛温度对比

（2）氮氧化物（NOx）的浓度

改造前，在主燃烧区产生大量的NOx，经过原有的OFA得到很小程度的减少，在炉膛出口处NOx的浓度是很高的；改造后，虽然在主燃烧区也产生了大量的NOx，但是由于在主燃烧区氧气浓度降低，氧化性氛围减弱且温度降低，浓度比改造前大大减小，在经过过燃区时，由于还原性的作用，NOx在炉膛出口处的NOx浓度下降非常明显（见图6）。

图6 改造前后NOx排放对比

（3）炉内流场分布

改造后，改善了炉内流场的分布状况，促进空气与可燃物间的混合，并保持火焰中心不发生偏移。引入分离式燃尽风，加速上升烟气的扰动，促进可燃物随烟气上升过程中的再次充分燃烧。改造前后炉内流场分布对比见图7。

图7 改造前后炉内流场分布对比

（4）大颗粒炭在炉膛内轨迹

经过改造，增加了炉内空气场的扰动，更多的炭粒会随烟气的上升而向上运动，减少降到灰斗的几率，同时会带动热量与上方的换热元件进行热交换。改造前后大颗粒炭轨迹对比见图8。

（5）未燃尽炭（UBC）的沉积率

在经过改造之后，主燃烧区产生的未燃尽炭会在过燃区充分燃烧，而不是随烟气带出，或沉积到灰斗，这样使燃烧效率提高，进而提高锅炉的热效率。改造前后UBC沉积率的对比见图9。

图8 改造前后大颗粒碳轨迹对比

图9 改造前后UBC沉积率对比

3.4 改造前后的效果对比（见下表）

电厂锅炉改造前后效果对比表

如表中所示，改造后#1、#2锅炉的NOx分别降低了64%和65%；UBC降低了62%和64%；燃烧效率提高了0.42%和0.86%。与此同时，烟温偏差大的现象和一次风出口位置结焦的状况得到了很好的解决。炉膛出口烟温偏差从150℃降到50℃以内。由此可得出以下结论：

旺隆电厂改造项目无论是NOx的最高排放值还是UBC的含量均远低于设计合同要求，而且在保证了原有锅炉运行参数的基础上，解决了这两台锅炉存在的如烟温偏差过高、炉膛一次风出口结焦等问题，并在一定程度上提高了原有的锅炉效率，提高了电厂正常运行的经济性。通过改造，旺隆热电厂#1、#2号锅炉的NOx排放均低于当地允许的低限值，该电厂避免了亚运会期间停机造成的经济损失，并为适应以后该地区的排放标准，提前做好了准备，减少了重复投入。而且本次改造在减少NOx排放的同时，提高了该电厂锅炉效率，增加了煤种的适应性，为该电厂今后的经济运行打下了坚实的基础。本次改造无疑是NO70燃烧系统技术在四角切圆燃煤锅炉的氮氧化物减排方面的成功应用。

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