新型W火焰低氮燃烧系统开发与应用
RAN Shenming,ZHANG Shanying,XIE Jia,et al.Development and application of new type low-NOx W-flame combustion system[J].Clean Coal Technology，2018，24(5):97-102.
Development and application of new type low-NOx W-flame combustion system
0 引 言
在相当长时间内，我国以煤为主的能源格局不会改变[1] 。我国无烟煤储量丰富，占煤炭资源总量的12%[2]，主要分布在山西、贵州、重庆、河南、福建等地。无烟煤具有挥发分低、硬度高、燃点高的特点，但反应活性差[3-4]。W型火焰锅炉是目前最适合低挥发分无烟煤的炉型之一，从20世纪90年代到21世纪初，在我国许多燃用低挥发分煤的火电厂应用，投运数量超过百台[5]，但其NOx排放浓度高[6-8]，基本都在 1 000 mg/m3以上，有的甚至超过1 500 mg/m3。几种典型的进口或引进型W型火焰锅炉燃烧系统和电厂NOx排放情况如下:① 美国FW采用双旋风筒燃烧器，乏气置于炉拱向火面，无燃尽风，山西阳城电厂350 MW机组锅炉NOx排放浓度为1 460～1 600 mg/m3[7];② 美国B&W采用EI-XCL旋流燃烧器，乏气送入拱下，无燃尽风，山西阳泉第二发电厂300 MW机组锅炉NOx排放浓度为1 100～1 300 mg/m3[7];③ 加拿大B&W采用PAX旋流燃烧器，乏气送入拱下，无燃尽风，某电厂350 MW机组锅炉燃用无烟煤和贫煤的混煤，NOx排放浓度为1 300～1 400 mg/m3[9];④ 法国Stein采用直流缝隙式燃烧器，重庆珞璜电厂360 MW机组锅炉NOx排放浓度为992～1 080 mg/m3[7];⑤ 英国巴布科克旋风子分离的直流缝隙式燃烧器，乏气置于炉拱背火面，山东聊城电厂600 MW机组锅炉NOx排放浓度为1 000～1 500 mg/m3[10]。
除NOx浓度高外，还存在燃尽效率差、炉膛结焦严重、减温水量大等问题[6,8,11]。开发适用于W型火焰锅炉的新型低氮燃烧系统，对已投运W型火焰锅炉进行改造，对提高机组可靠性、改善机组性能指标、增加电厂效益具有重要的意义。
1 煤燃烧的NOx生成机理
煤燃烧生成的NOx主要是NO，由燃料型NOx、热力型NOx、快速型NOx组成[12-13]，其生成和还原机理[18]如图1所示。
图1 煤燃烧的NOx生成和还原机理
Fig.1 Schematic diagram of NOx formation and reduction in pulverized coal combustion
1)快速型NOx主要由CHi自由基和N2分子在火焰峰面反应生成HCN后，经过一系列复杂的反应生成[13]，其在煤燃烧过程中生成量很少。
2)热力型NOx来源于空气中的N2在高温下的氧化，常规煤粉燃烧温度低于1 500 ℃，产生的热力型NOx很少，即使W型火焰锅炉下炉膛温度很高，其生成量也低于30%[13]。
3)燃料型NOx是燃烧过程中由燃料中的N反应生成，占煤粉燃烧产生NOx总量的70%～90%，生成机理不详[14-15]。一般认为，燃料型NOx主要由挥发分中N和焦炭中N两部分生成，挥发分N首先生成HCN和NH3等NOx前驱物，1 000～1 100 ℃时主要向HCN转化[14,16]。在氧化性气氛中，，NOx前驱物氧化生成NO[14];还原性气氛中，已生成的NO可被HCN、碳氢化合物等还原性气体或焦炭表面还原成N2[12,14,17-18]。通常认为烟煤的焦炭氮NOx生成量约占燃料型NOx生成总量的25%，无烟煤的比例更高[13]。另一种观点认为对于低氮燃烧器，焦炭氮NOx生成量占60%以上，因为大量挥发分NOx被还原为N2[12]。
综上，煤燃烧生成的NOx以燃料型NOx为主，降低NOx生成量需要增强燃烧初期挥发分N的析出;使挥发分中的NH3、HCN等向N2而非NOx转化;利用分级燃烧形成的还原性气氛区域来还原已产生的NOx。
2 新型W火焰低氮燃烧系统
新型W火焰低氮燃烧系统如图2所示[19]。在炉拱上方布置一层燃尽风，燃尽风由中心直流风和外层旋流风组成。采用旋流叶片型外置式分离器对一次风进行煤粉浓缩，每根粉管对应一个浓煤粉气流喷口即煤粉燃烧器喷口和一个乏气喷口，煤粉燃烧器喷口布置在拱上，乏气喷口布置在拱下。煤粉燃烧器为直流型，由一次风管和中心风管组成，中心风管内布置点火油枪，一次风出口设置稳焰齿。拱上二次风和拱下二次风的风量比约为2∶1，以保证一次风的下冲深度和一次风射流的穿透距离，延长火焰行程，防止火焰过早转弯上飘，确保煤粉燃尽。角部燃烧器外侧布置二次风口，形成贴近翼墙和侧墙的风墙，在水冷壁壁面形成保护层，避免结焦。
图2 燃烧系统设备布置
Fig.2 Arrangement of combustion system
为了在降低NOx生成的同时实现及时着火、高燃尽率并避免严重结焦，新型W火焰低氮燃烧系统开发主要采取以下措施:
1)空气深度分级，设置燃尽风，降低NOx[20]。根据珙县电厂600 MW超临界W火焰锅炉的测试结果(图3)，燃尽风率由1.8%增至21.7%时，NOx质量浓度由948 mg/m3降至578 mg/m3，飞灰可燃物含量未出现明显升高。新型W火焰低氮燃烧系统的燃尽风率取20%。
图3 燃尽风率、NOx生成量和飞灰可燃物含量
Fig.3 OFA rate,NOx emission content and unburnt carbon content
2)燃料浓淡燃烧，强化着火，提高稳燃能力且有利于降低NOx生成量。与W火焰锅炉匹配的双进双出磨煤机出口风煤比通常高1.50～1.65，即煤粉浓度为0.60～0.67 kg/kg，而无烟煤稳燃所需的浓度应在1 kg/kg左右[21]。通过旋流叶片型外置分离器(图4)对一次风的风粉混合物进行浓淡分级，浓缩比大于5∶1，可保证浓侧煤粉浓度>1 kg/kg。浓煤粉送入高烟温区，淡煤粉由远离火焰中心位置送入。提高主喷口煤粉气流的浓度，减小着火热。煤粉气流及时着火提高了煤的热解温度，降低了焦炭N含量。淡煤粉在着火区域之后送入炉膛，以降低热力型NOx的生成。外置式分离器可根据现场条件布置在合适的位置，布置灵活，同时减少了拱上设备，方便检修维护。
图4 旋流叶片浓缩器示意
Fig.4 Rotary blade type pulverized coal concentrator
3)适当延迟一次风与二次风的混合，提高稳燃能力，有利于降低NOx的生成。采用圆形的一次风喷口和狭长的二次风喷口，在下冲过程中通过风的扩散逐步混入拱上二次风与一次风，避免了一次风和二次风过早混合，影响着火稳定性;浓度高的一次风所需着火热较少，及时着火保证了较高的燃尽率;延迟混合降低了挥发分燃烧阶段的氧气/燃料比，减少了初始燃烧阶段NOx的生成。狭长的二次风结构还有利于减少单组燃烧设备的宽度，简化水冷壁开孔设计。
4)足够的煤粉停留时间，保证燃尽。空气分级后，下炉膛O2量不足，部分半焦和CO等还原性气体，在燃尽风送入后燃尽，这部分热量释放位置较高，可能造成火焰上移，导致燃尽率降低。通过拱上、拱下风量的合理配比，延长煤粉颗粒在下炉膛的行程解决。本系统拱上风(不含OFA)与拱下风量比约为6.5∶3.5，远大于FW型燃烧系统的4∶6。
5)通过数值模拟优化燃烧系统各参数，获得合理的炉内空气动力场，同时避免火焰冲刷水冷壁造成结焦，防止火焰短路或掉粉。
以山西YG电厂300 MW级亚临界W型火焰锅炉为对象，对新型W火焰低氮燃烧系统进行模拟，采用Fluent自带的收敛性好的SIMPLEC算法进行求解，重点考察折焰角以下炉膛空间内的流动、传热和燃烧过程。
模拟结果表明，下炉膛流场呈典型的W型特征，火焰行程长、下炉膛充满度较好(图5)。NOx排放量为761 mg/m3,炉膛出口CO摩尔分数30.57×10-6，达到预期目标。
3 工程应用
3.1 山西YG电厂应用
山西YG电厂300 MW亚临界W型火焰锅炉的低氮改造项目首次应用新型W火焰低氮燃烧系统。锅炉为亚临界自然循环燃煤锅炉，双拱型单炉膛、中间一次再热、尾部双烟道、挡板调温、平衡通风、钢构架、W型火焰燃烧，固态排渣。原设计燃烧器为前后拱各布置12只双旋风的筒型燃烧器，未设置燃尽风。
以电厂日常燃用的煤质为改造设计基础(表1)。改造目标为改造后锅炉NOx排放量≤900 mg/m3，同时不降低锅炉效率。
图5 下炉膛流场
Fig.5 Distribution of velocity infurnace
采用新型W火焰低氮燃烧系统替换原双旋风筒型燃烧系统，如图6所示。
燃烧调试后对锅炉性能进行了测试，与改造前的主要性能指标对比见表2。
表1 改造用煤煤质分析
Table 1 Coal analysis of low NOx combustion retrofit
图6 新型W火焰低氮燃烧系统改造现场
Fig.6 Low NOx combustion retrofit of W flame boiler
表2 改造前后主要性能指标对比
Table 2 Main performance parameters comparison before and after retrofiting
由表2可知，改造后，NOx排放浓度明显降低，燃尽率也有所提高，减温水量未升高。但投运一段时间后，发现存在的问题有:① 下炉膛结焦仍然严重，部分燃烧器喷口结焦，长期运行后NOx和燃尽率有劣化趋势(图7);② 煤粉浓缩器阻力偏大，改造后一次风压力比改造前增加了1 000 Pa以上，甚至影响机组带满负荷;③ 炉渣含碳量偏高，主要是由于改造后拱下二次风量减少且风速较低导致托粉效果不佳造成的。
图7 锅炉NOx排放浓度和飞灰含碳量对比
Fig.7 NOx emission and unburnt carbon comparison of boiler
3.2 方案优化与应用
针对YG电厂存在的问题，在河南YC电厂2台300 MW亚临界W火焰锅炉进行燃烧系统优化改造，主要改进措施有:① 燃烧器喷口优化，增加扩锥;② 增加燃烧器喷口周界风，避免回流造成喷口结焦;③ 减少煤粉浓缩器叶片数量，减小阻力;④ 提高拱下F风的风速，狭长喷口改为集中喷口，增大动能提高托粉能力。
YC电厂锅炉主要燃用Vdaf=13%～14%的低挥发分煤，改造方案实施7个月后进行性能测试，结果见表3。NOx质量浓度由改造前1 200 mg/m3降至564～680 mg/m3，改造后一次风阻力与改造前相当，长期运行喷口无明显结焦，底渣含碳量比YG厂有所降低。
4 结 论
1)基于煤燃烧的NOx生成与还原机理，结合工程试验和数值模拟，开发了以空气深度分级、外置式煤粉预分离浓缩、拱上拱下二次风合理配比为关键特征的新型直流型W火焰低氮燃烧系统。
表3 YC厂改造后主要性能指标
Table 3 Main performance parameters after retrofitting
2)在YG电厂和YC电厂300 MW机组锅炉进行新型W火焰低氮燃烧系统的改造和优化，测试表明，采用优化后的新型W火焰低氮燃烧系统，燃用Vdaf=13%～14%贫煤，机组负荷在160～320 MW时，锅炉的NOx排放浓度由改造前1 200 mg/m3降至564～680 mg/m3。
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