鍋爐兩段式低NOx 燃燒技術(shù)下分離燃盡風(fēng)風(fēng)道優(yōu)化研究

徐偉俊

（上海鍋爐廠有限公司，上海 200245）

2011年7月29日，GB 13223—2011《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》發(fā)布。新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步收緊了燃煤鍋爐NOx排放限值，這意味著大量的機(jī)組需進(jìn)行脫硝改造?？諝夥旨壍蚇Ox燃燒技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的低NOx燃燒技術(shù)，其主要原理是將燃燒所需的部分空氣，一般稱之為“分離燃盡風(fēng)（SOFA）”，從爐膛上部送入，使鍋爐的主燃燒器區(qū)域處于還原性氣氛，并在主燃燒器與燃盡風(fēng)燃燒器之間形成一段還原區(qū)，抑制NOx的生成，并還原已生成的NOx，降低鍋爐氮氧化物的排放。

SOFA 的位置和數(shù)量是鍋爐采用低NOx燃燒技術(shù)后能否降低鍋爐NOx排放的關(guān)鍵，SOFA風(fēng)道的結(jié)構(gòu)及布置形式則決定了能否有足夠的SOFA 從合適的位置進(jìn)入爐膛，進(jìn)而在一定程度上決定了低NOx燃燒技術(shù)改造的成敗。

筆者對二次風(fēng)在風(fēng)箱內(nèi)的流動阻力、壓力分布情況進(jìn)行研究，分析了低NOx燃燒改造后低負(fù)荷工況SOFA 風(fēng)量不足的原因，并對上海鍋爐廠有限公司高級復(fù)合空氣分級低NOx燃燒技術(shù)的SOFA 風(fēng)道布置方式進(jìn)行了研究優(yōu)化。

1 二次風(fēng)進(jìn)入大風(fēng)箱后的流動阻力

現(xiàn)代大容量鍋爐一般采用大風(fēng)箱供風(fēng)方式，二次風(fēng)通過二次風(fēng)道進(jìn)入大風(fēng)箱，然后進(jìn)入燃燒器箱殼。燃燒器箱殼通過隔板分成一個個風(fēng)室，風(fēng)室出口處裝有二次風(fēng)噴口。二次風(fēng)通過噴口進(jìn)入爐膛。在燃燒器箱殼和大風(fēng)箱之間存在二次風(fēng)門擋板，用以調(diào)整進(jìn)入不同噴口的二次風(fēng)的風(fēng)量（見圖1）。

圖1 二次風(fēng)進(jìn)入爐膛流程

大風(fēng)箱與爐膛之間的壓差是二次風(fēng)進(jìn)入爐膛的驅(qū)動力。具體來說，這部分驅(qū)動力主要有三部分作用:克服風(fēng)箱到噴口的沿程阻力；克服二次風(fēng)門擋板產(chǎn)生的阻力；轉(zhuǎn)化為噴口處射流的速度。

風(fēng)箱到噴口的沿程阻力包括沿程的摩擦阻力和流道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的局部阻力。這部分阻力的計算公式如下:

式中:Δpyc為沿程阻力，Pa；ξyc為各類流動阻力系數(shù)之和，包括沿程摩擦阻力系數(shù)和局部阻力系數(shù)；ρ為二次風(fēng)密度，kg/m3；ω為二次風(fēng)在風(fēng)箱內(nèi)的流動速度，m/s，與進(jìn)入爐膛的二次風(fēng)風(fēng)量有關(guān)，隨鍋爐負(fù)荷變化而不同，滿負(fù)荷時一般不超過30m/s。

這部分阻力數(shù)值較小，阻力系數(shù)主要由風(fēng)箱和燃燒器結(jié)構(gòu)決定，實際運(yùn)行中不能調(diào)節(jié)，設(shè)計中優(yōu)化的余地也較小。

二次風(fēng)門擋板主要用來調(diào)整進(jìn)入不同二次風(fēng)噴口的風(fēng)量，風(fēng)門擋板的阻力的計算公式為:

式中:Δpfm為風(fēng)門擋板的阻力，Pa；ξfm為風(fēng)門擋板的阻力系數(shù)。

風(fēng)門擋板與二次風(fēng)噴口相對應(yīng)，通過改變風(fēng)門擋板的開度，可以調(diào)整風(fēng)門擋板的阻力系數(shù)，進(jìn)而調(diào)整通過某個噴口的風(fēng)量。

除了克服上述兩部分阻力外，還有一部分壓差需要轉(zhuǎn)化為噴口處二次風(fēng)的速度。為了燃燒穩(wěn)定，二次風(fēng)需要以一定的速度進(jìn)入爐膛。一般來說，對于大容量機(jī)組二次風(fēng)的設(shè)計風(fēng)速在40～60m/s。轉(zhuǎn)化為噴口處二次風(fēng)速度的這部分壓差計算公式如下:

式中:Δpfs為轉(zhuǎn)化為二次風(fēng)速所需要的壓差，Pa；v為噴口處二次風(fēng)的速度，m/s，主要取決于進(jìn)入爐膛的二次風(fēng)量以及二次風(fēng)噴口的通流面積。

在進(jìn)入爐膛的二次風(fēng)量一定的前提下，設(shè)計風(fēng)速越大，則二次風(fēng)噴口的通流面積越小，所需的大風(fēng)箱壓差也越高。

從以上分析可以得知:大風(fēng)箱和爐膛之間的壓差在設(shè)計上主要與二次風(fēng)設(shè)計風(fēng)速，即噴口的通流面積有關(guān)；在運(yùn)行調(diào)整上，主要與二次風(fēng)門擋板的開度變化有關(guān)。此外，這三部分壓差均和速度的平方成正比，而速度又和進(jìn)入爐膛的風(fēng)量，即爐膛負(fù)荷成正比；大風(fēng)箱的壓差和負(fù)荷的平方成正比。這意味著隨著負(fù)荷的降低，在風(fēng)門擋板開度不變的情況下，大風(fēng)箱壓差將以負(fù)荷平方的速度下降，其下降速度遠(yuǎn)大于負(fù)荷下降速度。

2 二次風(fēng)箱內(nèi)壓力分布研究

風(fēng)箱內(nèi)及爐膛內(nèi)的壓力分布也是不均勻的，風(fēng)箱內(nèi)高度方向上的壓力分布主要受重力影響，見圖2。

圖2 不同高度上風(fēng)箱與爐膛壓差的區(qū)別

在A、B兩個不同高度上，大風(fēng)箱與爐膛的壓差分別為:

兩個壓差的差值為:

式中:pA、pB分別為兩個不同高度上風(fēng)箱內(nèi)的靜壓，Pa分別為兩個不同高度上爐膛內(nèi)煙氣的靜壓，Pa；ρ、ρ’分別為風(fēng)箱內(nèi)空氣和爐膛內(nèi)煙氣的密度，kg/m3；h為A、B兩點之間的高度。

由于風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)與爐膛內(nèi)煙氣密度的不同，導(dǎo)致爐膛上部與下部的風(fēng)箱壓差也是不同的。一般來說，爐膛下部的風(fēng)箱壓差要大于上部的風(fēng)箱壓差。

鍋爐采用低NOx燃燒之后，為保證低NOx燃燒效果，燃盡風(fēng)噴口需在主燃燒器區(qū)域上方一定距離處布置，這就拉大了噴口與噴口之間的距離。以600 MW 機(jī)組為例，最上層燃盡風(fēng)噴口與最下層二次風(fēng)噴口之間的距離要大于20 m。假定風(fēng)箱內(nèi)二次風(fēng)溫度為300 ℃，爐膛內(nèi)煙氣平均溫度為1 300 ℃，最上層二次風(fēng)噴口和最下層噴口間距離為20m，可以估算出兩個噴口間的風(fēng)箱壓差要在80Pa左右。這種高度上風(fēng)箱壓差的不同在鍋爐的高負(fù)荷和低負(fù)荷階段都是存在的，并將對不同高度上二次風(fēng)的流量分配產(chǎn)生一定影響。

高負(fù)荷時，爐膛風(fēng)箱壓差較高，一般在600～900Pa，最上層噴口與最下層噴口之間風(fēng)箱壓差約80Pa，對二次風(fēng)在不同噴口之間的流量分配影響較小。而在低負(fù)荷時爐膛風(fēng)箱壓差維持在較低的水平，一般在200～300Pa，甚至更低，此時上層噴口與下層噴口處的風(fēng)箱壓差不同將對二次風(fēng)在不同噴口間的流量分配產(chǎn)生較大影響。

3 低NOx 燃燒改造后低負(fù)荷燃盡風(fēng)不足的原因

大量運(yùn)行數(shù)據(jù)表明:鍋爐低NOx燃燒改造后，低負(fù)荷時煙氣NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍高于高負(fù)荷煙氣NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)。從低NOx燃燒的機(jī)理來看，低負(fù)荷時爐內(nèi)溫度水平下降，煤粉在爐內(nèi)停留時間延長，都是有利于降低NOx排放的。低負(fù)荷時NOx排放質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，說明SOFA 不足，主燃燒器區(qū)域無法形成還原性氣氛，無法抑制NOx的生成［1］。

通過分析可得低負(fù)荷時燃盡風(fēng)不足主要由以下原因造成:

（1）SOFA 阻力大于主燃燒器區(qū)域二次風(fēng)阻力。SOFA 噴口通常位于爐膛上部，而空氣預(yù)熱器出口的二次風(fēng)與主燃燒器的高度接近。相比主燃燒器的二次風(fēng)，SOFA 行程較長，阻力也較大。

（2）爐膛上部的風(fēng)箱壓差要小于下部風(fēng)箱壓差。爐膛上部噴口的風(fēng)更難進(jìn)入爐膛。

在風(fēng)門擋板開度一定的情況下，爐膛風(fēng)箱壓差與負(fù)荷的平方成正比。低負(fù)荷時，進(jìn)入爐膛二次風(fēng)量減少；再考慮到低負(fù)荷時，為防止停用噴口燒壞，需保留一定漏風(fēng)。這樣低負(fù)荷時爐膛風(fēng)箱壓差處于較低的水準(zhǔn)。此時SOFA 阻力較大，爐膛上部風(fēng)箱壓差較低影響SOFA 風(fēng)量的因素就凸顯出來，最終導(dǎo)致低負(fù)荷時SOFA 不足。

為解決此問題，必須對SOFA 風(fēng)道布局，包括進(jìn)行風(fēng)門擋板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

4 高級復(fù)合空氣分級低NOx 燃燒技術(shù)燃盡風(fēng)風(fēng)道研究

4.1 高級復(fù)合空氣分級低NOx 燃燒技術(shù)

高級復(fù)合空氣分級低NOx燃燒技術(shù)主要特點是燃盡風(fēng)分兩段布置，見圖3。

圖3 高級復(fù)合空氣分級低NOx 燃燒技術(shù)燃燒器布置

通過高位燃盡風(fēng)、低位燃盡風(fēng)兩段式空氣分級將爐膛劃分為4個區(qū)域:主燃區(qū)、還原區(qū)、燃盡區(qū)Ⅰ、燃盡區(qū)Ⅱ。相比較常規(guī)的低NOx燃燒技術(shù)一段分離燃盡風(fēng)布置形式，燃盡風(fēng)分兩段布置提高了空氣分級燃燒技術(shù)對煤種的適應(yīng)性，并可以使低NOx燃燒技術(shù)在鍋爐燃燒效率和抑制NOx排放之間達(dá)到最佳平衡，進(jìn)而取得最佳效果。

4.2 燃盡風(fēng)風(fēng)道設(shè)計

SOFA 分兩段布置固然可以取得較好的效果，但對SOFA 風(fēng)道的布置也提出了更高的要求。兩段SOFA 的風(fēng)道行程不同，阻力也不同。如SOFA 風(fēng)道布置不合理，可能會導(dǎo)致SOFA 的分配不合理，進(jìn)而導(dǎo)致鍋爐低NOx燃燒改造失敗。

此外，主燃燒器區(qū)域與SOFA 之間，通常布置有一定數(shù)量的吹灰器，SOFA 風(fēng)道的布局需考慮對吹灰器布置的影響。

圖4為優(yōu)化前后兩段式SOFA 風(fēng)道的布置示意圖。

圖4 優(yōu)化前后兩段式SOFA 布置示意圖

為了保證兩段SOFA 風(fēng)量均勻分配，并保證低負(fù)荷時有足夠的SOFA 風(fēng)量，對燃盡風(fēng)風(fēng)道做了以下改進(jìn):

（1）為保證兩段式風(fēng)量分配均勻，在風(fēng)道的上升段增加了風(fēng)道隔板，將上升風(fēng)道分為兩個風(fēng)道，保證了兩段SOFA 的均勻性；同時盡可能增大SOFA 風(fēng)道面積，降低SOFA 流動速度，減小其流動阻力。

（2）優(yōu)化彎頭結(jié)構(gòu)，減少局部阻力。將風(fēng)道最上部直角急轉(zhuǎn)彎改為帶斜角結(jié)構(gòu)，減小此處阻力。

（3）優(yōu)化風(fēng)門擋板結(jié)構(gòu)，改善其小開度時調(diào)節(jié)特性，從而提高其低負(fù)荷時精確控制風(fēng)量的能力。

（4）在SOFA 引出后的主風(fēng)道部位，增加一組風(fēng)門擋板，用以調(diào)節(jié)主燃燒器二次風(fēng)阻力，進(jìn)而調(diào)整SOFA 風(fēng)量。

SOFA 風(fēng)道優(yōu)化后上下兩個風(fēng)道的沿程阻力分別在160Pa、150Pa左右。燃盡風(fēng)風(fēng)道阻力較小，且分配均勻。該兩段式SOFA 風(fēng)道設(shè)計在多個低NOx改造項目中取得了較好的效果。鍋爐在高負(fù)荷和低負(fù)荷階段均能保證適當(dāng)?shù)腟OFA風(fēng)量，從而可使鍋爐在全負(fù)荷段均實現(xiàn)較低的NOx排放。與此同時，二次風(fēng)總阻力相對改造前并未增加。

5 結(jié)語

筆者對二次風(fēng)在風(fēng)箱內(nèi)的流動規(guī)律及壓力分布進(jìn)行了研究，分析了低NOx燃燒改造后低負(fù)荷工況SOFA 風(fēng)量不足的原因。分析結(jié)果表明:燃盡風(fēng)風(fēng)道阻力大及爐膛上部風(fēng)箱壓差小于爐膛下部風(fēng)箱壓差是低負(fù)荷時燃盡風(fēng)不足的主要原因。根據(jù)分析結(jié)果，對上海鍋爐廠有限公司高級復(fù)合空氣分級低NOx燃燒技術(shù)分離燃盡風(fēng)風(fēng)道進(jìn)行了研究及優(yōu)化，并應(yīng)用于多個鍋爐低NOx燃燒改造項目，取得了較好的效果。

［1］張建文，吳蓓玲，張維俠，等.鍋爐負(fù)荷變化對NOx排放濃度的影響［J］.發(fā)電設(shè)備，2010，24（5）:343－346.