摘 要：针对某电厂 600 MW 墙式对冲燃烧锅炉 NOx排放浓度偏高的问题，以系统工程理念出发，采取新型多功能旋流燃烧器耦合供风系统 1:1 全尺寸仿真模拟工作，通过对炉内主燃区、燃尽区空间内不同区域射流的优化组织和差异化设计，很好地保证了炉内火焰合理分布，形成主燃区火焰中心区域、过渡区和燃尽区域三区差异化燃烧，达到了强化煤粉着火、燃尽与深度降低 NOx排放相统一的目的。改造后锅炉省煤器出口 NOx排放浓度降幅达到 55%以上;锅炉效率提高 1%以上。
关键词：墙式对冲燃烧锅炉;深度降氮燃烧技术;系统工程;仿真模拟
国家发改委、环保部以及国家能源局联合下发《煤电节能减排升级与改造行动计划》，提出东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机机组排放限值。“十四五”期间，要求我国的能源资源配置更加合理，利用效率大幅提高，主要污染物排放总量持续减少。
低NOx燃烧技术是目前降低燃煤锅炉NOx气体排放量的主要手段之一。相比四角切圆燃烧锅炉，墙式对冲燃烧锅炉在控制NOx排放方面存在明显的劣势。以往的文献通常会对原燃烧器结构或锅炉的二次风配风系统进行单方面的局部研究，都没有综合考量整个炉内燃烧系统改造对锅炉其他子系统的影响诸如水冷壁管高温腐蚀、高温受热面管壁超温、减温水量骤增等问题。锅炉燃烧系统改造是一项系统工程，涉及锅炉多个子系统诸如汽水系统、制粉系统、风烟系统等，需要上述涉及的子系统进行通盘考量，精确优化主燃区与燃尽区的阻力分配匹配、单只燃烧器的一二次风风量比，同时还要特别预防改造后可能存在的高温腐蚀、结渣等问题。
某电厂 5 号锅炉为哈尔滨锅炉厂有限责任公司引进三井巴布科克能源公司技术生产的超临界前后墙对冲燃烧锅炉，自投运以来，一直存在 NOx排放浓度高的问题，测试结果显示该锅炉脱硝入口的平均排放浓度可达 630 mg/Nm3 以上。本文以该锅炉为对象，结合先进的计算机数值模拟仿真技术，建立了改造后的整个燃烧器、二次风箱、燃尽风风箱风道、燃尽风燃烧器的 1:1 全尺寸比例模型，对整个燃烧系统的二次风供风系统进行离散化处理，通过数值仿真计算得到了各层燃烧器的风率分配特性和最佳燃尽风比率。改造后锅炉的各项性能参数较改造前有大幅度提高，同时在掺烧一定比例高硫煤情况下锅炉未发生高温腐蚀现象，验证了本方案的可行性和正确性。
1 设备概况
该锅炉型号为 HG-2072/25.4-YM12，采用П型露天布置、一次中间再热、固态排渣、全钢构架、前后墙对冲燃烧方式的变压本生直流锅炉。锅炉过热器采用两级喷水减温器，再热蒸汽采用尾部烟气挡板调温，并备有事故喷水减温器。锅炉主要设计参数和燃煤参数见表 1。
锅炉采用中速磨冷一次风机直吹式制粉系统，配置 6 台 MPS180HP-II 型中速磨煤机。前后墙各布置 3 层低 NOx 轴向旋流燃烧器(LNASB)，共 30 只。同时在旋流燃烧器正上方布置燃尽风口，前后左右墙共 16 只，实现空气分级燃烧，降低炉内 NOx 的生成。燃尽风喷口距最上层燃烧器距离为 5.514 m，侧墙燃尽风之间的水平距离为 6.038 m。锅炉设计煤质和校核煤质特性见表 2。
2 锅炉存在问题分析
2.1 过剩空气系数偏高
在锅炉主燃烧器区域内燃烧器燃烧性能较好的前提下，锅炉整体氧量偏高，炉膛出口的过剩空气系数达到 1.19。虽然这有助于煤粉的后期燃尽，但十分不利于抑制炉内 NOx总量的控制。
2.2 配风条件不佳
炉内风量分配特性不佳，虽然锅炉设计有燃尽风系统，用以实现炉内空气分级燃烧，但其最大风率约 16%，主燃烧器区域的过量空气系数仍较大，空气整体分级燃烧程度十分有限。目前，国内主流低NOx燃烧技术在同容量等级过量机组上所采用的燃尽风风率一般在 25%以上。
2.3 原燃烧器设计的不足
LNASB 燃烧器是早期 600 MW 级别墙式对冲燃烧锅炉机组中应用较为广泛的一种燃烧器，我国对 LNASB 燃烧器的燃烧特性做过较多相关研究[1]。实践表明，该类型燃烧器在降低氮氧化物的效果方面并不理想，且普遍存在燃烧器喷口结焦及烧损现象。这种燃烧器特点是具有较大尺寸的中心风管，较低的一次风速和较高的二次风旋流强度。存在如下方面问题：
a. 一次风切向进入，且具有一定的旋流强度，易导致煤粉沿圆周方向分布不均;
b. 燃烧器的预混段较长，一、二次风混合过早;
c. 二次风结构不尽合理，单只燃烧器内的空气分级效果不理想。
2.4 锅炉运行中存在的问题
(1) 氮氧化物排放高。在 350～600 MW 电负荷区间内，锅炉省煤器出口 NOx排放浓度始终维持在 450～650 mg/Nm3。
(2) 锅炉存在一定的偏烧现象，锅炉效率低于 93.5%。炉膛出口烟温及过热、再热汽温两侧偏差大，实测炉膛出口烟道两侧氧量及 CO 偏差大，对应省煤器出口局部 CO 峰值超过 2000ppm。
(3) 金属壁温超温。高负荷下，过热汽温及再热汽温偏高，减温水量相对较大。同时，水冷壁垂直管段、屏过及高再金属壁温存在严重的超温现象。
3 改造方案及数值仿真分析
3.1 改造方案
在主燃烧器区域，维持原煤粉燃烧器标高和位置不变。将 25 只原 LNASB 煤粉燃烧器整体改造为烟台龙源电力技术股份有限公司生产的新一代多功能旋流煤粉燃烧器，将 5 只等离子层燃烧器全部更换为配套等离子点火系统的低NOx旋流煤粉燃烧器。在垂直空间上通过对炉膛主燃区、燃尽区空间内射流与炉内上升气流的合理优化组织，很好地保证炉内火焰温度合理分布区间，形成主燃区火焰中心区域、过渡区和贴壁区域三区差性差异化燃烧，从而达到在深化空气分级条件下保障煤粉燃尽率和防止高温腐蚀的目的。详细方案如下：在前后墙标高 37.1 m 处新增 10 个燃尽风喷口，同时对原燃尽风风箱和风道及附属系统进行改造。
3.2 燃烧器模拟结果
首先，以单只燃烧器为数值仿真对象，根据实际的二次风箱和燃烧器结构尺寸建立几何模型。由于旋流燃烧器的结构比较复杂，采取分区划分网格并对局部重点区域例如燃烧器喉口、弯头、旋流叶片等部位进行网格加密处理，以提高数值模拟精确性。在计算中采用标准的k 湍流模型模拟气相湍流输运;煤粉颗粒采用随机轨道模型，分别使用单/ 双混合分数-概率密度函数模拟气相湍流燃烧;采用动力/扩散控制反应速率模拟焦炭的燃烧;采用 Do 模型计算辐射传热;对 NO 生成考虑了热力及燃料型 NO 压力-速度的耦合采用 SIMPLE 法求解。
从图 2～4 中可以看出，通过采用新型多功能旋流煤粉燃烧器，煤粉气流在经过燃烧器一次风本体均流和浓淡分离装置后分布相对均匀，有利于燃烧器喷口着火均匀。同时，在热态情况下，燃烧器喷口一次风部位出口处局部还原性气体 CO 较高，在此区域内煤的挥发分大量释放，有利于初期迅速着火同时深度抑制 NOx的生成。
3.3 供风系统模拟结果
其次，对锅炉整个二次风供风系统进行了全尺寸 1:1 模型的仿真模拟工作，还原真实的二次供风系统及燃烧器结构，以获得精确的风率分配。二次热风由左右两侧热风道进入前/后墙大风箱，再通过各层的调节风门进入各层燃烧器及燃尽风风箱，最后通过燃烧器进入炉膛。本次模拟各风箱、风道、风室、导流板、调节风门、燃烧器尺寸均为实际尺寸。能够还原锅炉实际运行工况下流场特性、风量分配及阻力匹配特性。同时，综合考虑建模工作量及精度要求，本模拟工作未考虑风箱桁架、风量测量装置及风箱积灰对模拟结果的影响。
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由于煤质和负荷的频繁波动，运行人员在实际运行过程中经常需要对锅炉各层二次风箱的二次风门进行相应调整。因此，本组模拟以基准工况为基础，通过改变和控制各层二次风箱风门开度，来模拟实际运行中的燃尽风风率变化趋势。工况 1～4 各层二次风箱电动调节风门开度见表 4。
通过不同工况下的仿真模拟计算，得出的主要结论如下：
(1) 初步完成了燃尽风风率分配的优化研究工作，达到了预期的设计目的;
(2) 通过在合理的范围内调节各风门的开度，可使燃尽风率控制在 27%～38%之间，通过关闭不同位置二次风门，可以有效调整燃尽风与各层二次风之间的风率分配;
(3) 经过对网格化配风系统的仿真优化工作，目前的燃尽风风箱风道结构基本合理。但同时仍存在燃尽风风道内局部流场不均匀、靠侧墙位置燃尽风出口气流偏转等问题，需在热态燃烧调整过程中予以针对性调整。
4 改造前后锅炉主要性能参数对比
改造后锅炉运行安全稳定，各辅机参数运行正常。同时，通过此次深度降氮燃烧系统改造，彻底解决了改造前省煤器出口NOx排放高、燃烧器结焦、烟温及汽温偏差大和金属管壁超温等问题。改造前后锅炉主要参数对比如下。
5 结论
(1) 锅炉省煤器出口 NOx排放浓度大幅降低，降幅 55%以上。
(2) 不 同 负 荷 下 ， 锅 炉 效 率 能 够 保 证 在 94.1%～94.3%之间，较改造前提高 1%以上。
(3) 锅炉的过热度及汽温变化幅度相比改造前变化更为平缓，汽水系统调节特性增强。
(4) 锅炉两侧汽温及烟温偏差分别控制在 10 ℃及 15 ℃以内，热偏差较改造之前有了较大改观，各受热面金属管壁无超温现象，彻底解决了改造前受热面金属管壁频繁超温问题。——论文作者：刘鹏飞 武学谦 崔星源 张超群 牛 涛 李 明 方永旭
