超低負荷下運行氧量對切圓鍋爐燃燒穩定性和NOx排放特性的影響

馬達夫， 劉平元， 張守玉， 何 翔， 吳玉新

(1.上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093；2.上海發電設備成套設計研究院有限責任公司，上海 200240；3.清華大學 能源與動力工程系，北京 100084)

根據高度靈活性和清潔能源的生產目標，燃煤發電機組面臨在更低負荷下運行的挑戰[1]。2016年6月，國家能源局發布了《關于下達火電靈活性改造試點項目的通知》[2]，國內陸續開展了火電機組深度調峰的嘗試[3-5]。為了實現“雙碳”目標，超低負荷(30%額定負荷及以下)運行將成為我國火電機組的運行常態。

煤粉鍋爐超低負荷運行的主要瓶頸是燃燒方面的問題：(1)當給煤量減小時，爐膛煙氣溫度降低，燃燒穩定性變差[6]；(2)雖然爐膛煙氣溫度越低，熱力型NOx生成量略有減少，但燃料型NOx生成量會顯著增加[7]。

目前，電站鍋爐靈活性調峰的研究至今只有五六年，國內外針對煤粉鍋爐超低負荷下燃燒特性的研究還較少。僅有部分針對切圓鍋爐的低負荷運行報告：某臺1 000 MW[8]和200 MW[9]切圓鍋爐采取了較低的一次風壓力、較高的一次風燃料混合溫度、更細的煤粉細度等優化措施，實現了在30%額定負荷工況下的穩定運行。

趙星海等[10]通過數值模擬方法，研究了30%額定負荷下不同富氧配風條件下墻式切圓鍋爐的燃燒特性，發現將一層輔助風替換為φ(O2)=30%的富氧風時爐膛溫度升高約200 K。Li等[11]針對某燃用無煙煤的330 MW旋流對沖鍋爐，研究其在50%～100%額定負荷工況下的燃燒效率、煙氣溫度和成分的變化特性，得出負荷降低導致O2消耗量和CO生成量降低，同時主燃區溫度也隨之降低。在50%～100%額定負荷范圍內減少輔助風、增加燃盡風，可使NOx排放量明顯降低[12-13]。此外，不同爐型在低負荷下的NOx排放特性也不同，某臺燃用貧煤和無煙煤的旋流對沖鍋爐負荷從100%降低到50%時，NOx排放量降低了41.5%[11]；而某臺燃用類似煤質的W火焰鍋爐在相同負荷變化范圍內的NOx排放量降低34.2%[14]；與旋流對沖鍋爐和W火焰鍋爐不同，切圓燃燒鍋爐在相同負荷變化范圍內的NOx排放量略有增加[15-16]。

張定海等[17]研究了低負荷下切圓燃燒鍋爐的NOx生成量降低幅度比旋流對沖鍋爐高的原因，前者主要依靠爐膛中心的還原性氣氛來控制NOx的生成，對負荷變化引起的O2體積分數變化更為敏感，后者則主要依靠單個燃燒器火焰形成的還原性氣氛來降低NOx，對負荷引起的溫度變化不敏感。

此外，蔣宏利等[18]研究表明，660 MW切圓燃燒鍋爐在低負荷下NOx質量濃度較高，這是由于氧量的增加弱化了主燃區的還原性氣氛，通過減少周圍空氣的控制策略有效降低了煤粉顆粒周圍的O2體積分數，從而使NOx質量濃度降低了約30%。景雪暉等[19]在對某330 MW切圓燃燒鍋爐的數值模擬研究中使用了相同的NOx控制策略，在40%額定負荷下，向一次風中添加了15%質量分數的煙氣，使NOx質量濃度降低了80 mg/m3。

綜上所述，超低負荷下煤粉鍋爐不可避免地會在高氧量工況下運行，這對燃燒過程的穩定性及NOx排放產生了一定影響。然而，目前針對超低負荷、不同運行氧量工況下的鍋爐燃燒穩定性及NOx排放特性方面的報道還較少。因此，筆者以某300 MW切圓燃燒鍋爐為例，采取送風機葉片切削、送風機單列運行等措施將運行氧量控制在較低水平，研究該鍋爐在超低負荷不同運行氧量工況下的溫度、O2、CO和NOx分布規律，進而討論其燃燒穩定性及NOx排放特性，為超低負荷下煤粉鍋爐的技術改造及運行方式提供參考。

1 模擬工況

研究對象為某300 MW一次中間再熱、自然循環汽包爐，其采用四角切圓燃燒方式，設計燃料為褐煤，鍋爐型號為HG-1035/17.5-HM35，鍋爐示意圖如圖1(a)所示。

制粉系統采用冷一次風機正壓直吹式，配5臺MPS200HP-II型中速磨煤機。燃燒器采用“分拉垂直親和濃淡煤粉燃燒”立體空氣分級低氮燃燒技術,以提高鍋爐低負荷運行的能力，如圖1(b)所示。一次風粉混合物進入一次風噴口后，被濃縮器分離成濃淡2部分，濃相氣流的煤粉濃度高，著火特性好，即使在低負荷下濃相氣流的風煤比仍可保持在較合適的范圍內。燃燒器出口處設有多個穩燃鈍體，鈍體形成的高溫煙氣回流區又為煤粉著火提供了熱源。這兩者的結合為低負荷穩燃提供了保證。

(a) 鍋爐本體示意圖

鍋爐實際燃用印尼煤，煤種煤質分析見表1。可以看出，該煤種收到基低位發熱量為15 940 kJ/kg，屬于熱值較低的褐煤，干燥無灰基揮發分值高達51.87%，屬于易著火煤種，有利于鍋爐低負荷穩燃。

表1 印尼褐煤煤質分析結果

表2給出了各模擬工況下的主要輸入參數和邊界條件，其中90-1和60-1工況是鍋爐正常運行時的工況，運行氧量(即SCR入口氧體積分數)較高，90-2工況是將輔助風全關，60-2工況是將輔助風全關后減少了64 t/h燃盡風，90-3、60-3和60-4工況均是在輔助風全關的基礎上繼續降低燃盡風以減少鍋爐運行氧量。

表2 模擬工況及鍋爐主要參數

一般來說，為了降低NOx排放量，通常在超低負荷下采取較低的一次風速和供氧量。然而，在實際運行過程中有以下限制因素：(1)印尼褐煤的含水率很高，為了保持煤粉的輸送和干燥出力，必須保證一定的風速和靜壓，因此當負荷從90 MW降至60 MW時，一次風率從36.7%增加到40.0%；(2)在超低負荷下，2臺送風機的葉片開度僅為10%，進一步關小有可能導致失速或喘振現象；(3)為了降低NOx質量濃度，燃盡風擋板在超低負荷下已經全開。因此，在采用送風機葉片切削、送風機單列運行等措施后才可繼續減少總風量，將爐膛氧量控制在更低的水平。

2 建模與網格劃分

網格劃分考慮以下幾個因素：(1)由于爐膛內的換熱主要是輻射換熱，與受熱面表面積有關，因此對于高溫受熱面只考慮爐內面積較大的屏式過熱器和輻射再熱器；(2)在燃燒器區域水平段設置平行或垂直于流線的網格以盡量減少偽擴散的發生；(3)在模型中利用噴口入射點的平面來控制注入軌跡的粒子數；(4)由于主燃區和燃盡風區的參數變化較大，這2個區域的網格需要細化；鍋爐頂部和后端管道系統處化學反應較少，溫度梯度較小，采用稀疏的網格處理不會影響總體計算精度。具體如圖2所示。

(a) 鍋爐整體網格

采用Ansys Fluent軟件進行數值模擬，表3給出了相應燃燒過程的數學模型。模型設定為：(1)由于難以準確評估煙氣在火焰中的發射率，因此通過用戶定義函數(UDF)添加相關的修正；(2)采用離散相模型模擬煤顆粒的運動軌跡，該模型考慮了阻力、重力以及湍流對顆粒彌散脈動的影響；(3)每個燃燒器噴口的網格數量設置為70，用10組不同粒度來表示粒徑分布，軌跡粒子的總數為14 000；(4)采用離散坐標(DO)模型計算輻射換熱量；(5)假設氣體為灰體，采用文獻[20]的改進灰氣體加權和模型(WSGGM)進行建模；(6)煤粉粒徑分布符合Rosin-Rammler方程，根據等速煤粉取樣試驗結果，平均粒徑為76.5 μm。

表3 燃燒過程的數學模型[21-28]

分別選取159萬、216萬、284萬3個網格數對模型進行網格獨立性驗證。通過對比燃燒器截面y速度分量在x方向上的速度(圖3(a))和x速度分量在y方向上的速度(圖3(b))來驗證網格獨立性(x和y方向分別表示爐膛寬度和深度方向)。綜合考慮，216萬網格數是最優方案。

(a)

3 結果與討論

3.1 運行氧量對溫度分布的影響

在90-1和60-1工況下，采用Raytek 3I Plus高溫手持式紅外溫度計對爐膛溫度進行測量，得到的測量結果與模擬計算結果相差50 K以內(見圖4)，證明該模型有較好的準確性。

(a) 90 MW負荷工況

從圖4可以看出，在90 MW和60 MW負荷工況下，當運行氧量從9.1%和11.7%分別降低到6.5%和8.5%時，爐膛整體平均溫度分別升高29 K和50 K，其原因是超低負荷、高運行氧量工況下給煤量減少，送入主燃區和燃盡風區的空氣沒有完全參與燃燒反應，降低了爐膛整體溫度。當運行氧量繼續降低(減少燃盡風風量)，2個負荷工況下燃盡風區的爐膛溫度分別升高6 K和26 K。由此可知，輔助風的減少使得主燃區溫度升高，燃盡風的減少使燃盡風區溫度略有升高，運行氧量的降低有利于燃燒穩定性的提升。

煤粉的著火距離可以在某種程度上反映爐內燃燒的穩定性。將煤粉氣流開始著火時的溫度點設為整個煤粉氣流的著火點，根據謝苗諾夫著火理論，著火條件[29]為:

(1)

式中:T為溫度。

因此著火點為溫度曲線的拐點，該點所對應的溫度即為著火溫度，由燃燒器噴口至該點的距離即為著火距離。

如圖5所示，90 MW負荷工況下，將輔助風減至零后(工況由90-1變為90-2和90-3)，著火距離由4.7 m縮短至3.2～3.4 m；60 MW負荷工況下，將輔助風減至零后(工況由60-1變為60-2、60-3、60-4)，著火距離由4.9 m縮短至3.2～3.5 m。相同負荷下，一次風量和煤粉量沒有變化時，其著火熱沒有變化，但是高運行氧量工況下過多的輔助風會吸收熱量導致主燃區溫度降低。因此，當主燃區空氣量降低時，主燃區溫度會升高，煤粉著火提前。此外，隨著輔助風的減少，雖然煤粉的升溫速率增加，但是90 MW和60 MW負荷低氧燃燒工況下(90-2、90-3、60-2、60-3和60-4工況)燃燒后期溫度較低，這是因為著火提前導致煤粉燃燒釋放熱量的位置更接近于燃燒器噴口。

(a) 90 MW負荷工況

圖6給出了B層燃燒器截面的煙氣溫度云圖，可以看出90-1和60-1工況下沒有出現中、高負荷下的假想切圓[30]。這是因為超低負荷下，該深度空氣分級燃燒系統在高運行氧量工況下的配風方式為：(1)輔助風風量僅為93～114 t/h，更多空氣作為燃盡風射入爐內(212～234 t/h)；(2)一次風要干燥和輸送高水分褐煤，需保持在風速18.8 m/s、靜壓5.2 kPa的參數下運行。因此，由于一次風速剛性較強而輔助風剛性較弱，其著火距離接近5.0 m，煤粉在爐膛中心聚集反應，高溫區更集中于爐膛中心。此時，爐膛四角的直流燃燒器相對獨立，其燃燒過程類似于對沖燃燒方式。

圖6 B層燃燒器截面的煙氣溫度分布

從圖6還可以看出，90 MW和60 MW負荷工況下，當輔助風全關后，著火距離縮短，煤粉著火方向與入射方向形成了一定角度，有形成假想切圓的傾向。此時，截面溫度分布更均勻，爐內充滿度更好。

綜上所述，超低負荷下輔助風減少有利于爐內燃燒穩定性的提升。但是，在實際運行中，運行人員傾向于將停運燃燒器附近的輔助風門開5%～20%，以起到冷卻噴口的作用。這是因為風門擋板全關時通常有一定的漏風率，而且冷空氣的射入會卷吸高溫煙氣，反而可能會提高噴口燒損的概率。因此，輔助風門擋板的開度對噴口冷卻的影響需要進一步研究與實踐驗證。

3.2 運行氧量對爐內氧分布的影響

圖7給出了不同爐膛高度截面的平均氧量分布。從圖7可以看出，90 MW和60 MW負荷工況下，在爐膛高度16.3 m和29.7 m處出現了2個峰值，分別是由于主燃區一次風和燃盡風的射入導致。90 MW負荷工況下、運行氧量為3.5%～6.5%時，主燃區平均氧量不足1.2%，屬于缺氧燃燒環境；而60 MW負荷工況、運行氧量為3.5%～8.5%時，主燃區平均氧量為4.8%，屬于氧氣較充足的燃燒環境。超低負荷下，雖然SCR入口氧量測點均顯示為高運行氧量值，但是由于鍋爐負荷和給煤量的不同，導致實際主燃區的燃燒氣氛區別較大。因此，借助SCR入口在線氧量測點觀察到的運行氧量并不能完全反映主燃區的局部氧體積分數。在主燃區增加O2和CO體積分數的實時監測點，有助于判斷超低負荷下的燃燒氣氛，從而強化燃燒穩定性。

(a) 90 MW負荷工況

圖8給出了沿燃燒器噴口方向的氧量分布。從圖8可以看出，沿燃燒方向60 MW工況下的氧量均高于90 MW工況下的氧量，尤其是在輔助風全關的情況下，距噴口6 m及以上位置，90 MW工況下氧量接近零，而60 MW工況下氧量平均為2.6%。這是因為90 MW工況下，煤粉在爐膛中心聚集反應，爐膛中心屬于缺氧區域，而60 MW工況下煤粉量較小，所以氧量較高。

(a) 90 MW負荷工況

圖9給出了B層燃燒器截面的氧量分布。從圖9可以看出，90-1工況下主燃區中心氧量降低，且四周水冷壁附近存在較大范圍的缺氧區域(局部氧量為0%～2%)，產生了較強的還原性氣氛。此外，90 MW負荷工況下，當輔助風全關時，主燃區氧量進一步降低，爐膛中心及水冷壁附近氧量均接近于零。60 MW負荷工況下，即使是當輔助風全關時，爐膛中心雖逐漸出現低氧量區，但其氧化性氣氛仍強于90 MW負荷工況。

圖9 B層燃燒器截面的氧量分布

3.3 運行氧量對爐內CO分布的影響

如圖10所示，由于超低負荷下爐膛氧量較充分，CO整體的體積分數比中、高負荷下[31]要低。在有B層煤粉供給的16.5 m標高處，CO體積分數出現峰值，隨后急劇下降。90 MW負荷工況下的CO體積分數高于60 MW負荷工況下，主要是由于負荷降低后給煤量降低和氧量升高導致的。

(a) 90 MW負荷工況

由圖10可知，90-1工況下，主燃區的CO體積分數較工況90-2和90-3略低，表明90-1工況下輔助風的射入抑制了CO的生成。60 MW負荷下，各工況下隨爐膛高度的CO分布趨于一致，表明氧量變化對煤粉著火過程中的CO生成量基本沒有影響。

圖11給出了沿燃燒器噴口方向的CO分布情況。從圖11可以看出，90-1和60-1工況下的CO體積分數峰值均出現在5.0 m處，其余工況的峰值出現在4.0～4.5 m處，即隨著氧量的減少，CO體積分數峰值點逐漸接近燃燒器噴口。結合圖5中的著火距離，高運行氧量下CO體積分數峰值出現在著火點之后的0.1～0.3 m，低運行氧量工況下CO體積分數峰值出現在著火點之后的0.8～1.1 m，即低運行氧量工況下煤粉從著火到CO急劇生成的距離被拉長。結果表明，運行氧量降低會導致燃燒速率降低，使得化學反應所需的距離拉長。

(a) 90 MW負荷工況

圖12給出了B層燃燒器截面的CO分布情況。從圖12可以看出，90-1和60-1負荷工況下，CO高體積分數區域更集中于爐膛中心。當輔助風全關，CO高體積分數區相對更靠近燃燒器噴口，而且爐膛內CO充滿度更高，這是由運行氧量低時著火距離縮短導致的；此時還能觀察到CO體積分數的生成軌跡隨著一次風粉混合物的軌跡擴大，說明低運行氧量工況下煤粉燃盡時間增加，火焰被拉長。

圖12 B層燃燒器截面的CO分布

3.4 運行氧量對NOx分布的影響

在90 MW和60 MW負荷工況下，模擬得到的全爐膛熱力型NOx占NOx總量的平均比例分別是0.060%和0.017%，表明絕大多數NOx是燃料型NOx。而且隨著負荷降低，爐膛溫度降低，熱力型NOx的比例減少。

圖13為不同爐膛高度截面的NOx質量濃度分布。由圖13可知，90 MW負荷工況下，當運行氧量從9.1%降至6.5%，截面平均NOx質量濃度從681 mg/m3降至483 mg/m3,降低29%，說明當輔助風全關后，NOx生成量明顯減少。當運行氧量進一步降至3.5%，主燃區NOx幾乎不變化，但由于燃盡風的減少導致燃盡風區的NOx排放量降低54 mg/m3,降低9%。60 MW負荷工況下，當輔助風由93 t/h降至零、燃盡風由212 t/h降低至148 t/h，此時運行氧量降至8.5%，主燃區截面平均NOx質量濃度從735 mg/m3降至558 mg/m3,降低24%。當燃盡風量繼續降至25 t/h，主燃區NOx質量濃度變化較小，NOx排放量降低40 mg/m3,降低10%。因此，超低負荷下，輔助風的減少可使主燃區NOx生成量大幅降低，而燃盡風的減少僅使NOx排放量略有降低。

(a) 90 MW負荷工況

由于環保指標是以O2體積分數在6%基數下的修正NOx質量濃度值來考核，因此90-1、90-2和90-3工況下標高39 m處的修正后NOx質量濃度分別為754 mg/m3、515 mg/m3和388 mg/m3；60-1、60-2、60-3和60-4工況下的修正后NOx質量濃度分別為1 011 mg/m3、548 mg/m3、437mg/m3和360 mg/m3，即初期運行氧量的降低對修正后NOx的降低效果顯著。

由圖14可知，90 MW負荷高運行氧量工況下，NOx質量濃度在5.0 m后急劇增加。結合圖15前驅物反應過程，這種現象的原因是反應氣體中O、OH、O2等物質體積分數的增加導致著火后NOx生成量持續增加。即超低負荷下,運行氧量較高時，低NOx燃燒系統的深度空氣分級效果相對中、高負荷下要弱。但當運行氧量為6.5%和3.5%時，NOx質量濃度在5.0～5.5 m處開始下降，即氧量的降低導致了還原性氣氛的產生，使得CO和NOx的反應前驅物HCN、NH3分別與NOx反應而降低了NOx生成量。這是因為當氧量充分時，燃燒后更容易形成NO，而氧量較少時，NO被還原成N2(見圖15)。60 MW負荷工況下，由于局部氧量較高(見圖8)，沒有出現強還原性氣氛區，各運行氧量工況沿燃燒器噴口方向的NOx均快速增加。

(a) 90 MW負荷工況

(a) HCN轉化為NO和N2的途徑

圖16給出了B層燃燒器截面的NOx分布情況。從圖16可以看出，由于60 MW負荷工況下爐膛溫度較低，著火距離比90 MW負荷時長，尤其是工況60-1比90-1下長0.3 m，且燃盡過程也更長。因此，60 MW負荷工況下NOx的產生主要集中在爐膛中心，而90 MW負荷工況下NOx的分布比較均勻。此外，90 MW和60 MW負荷工況下，當輔助風減少，NOx生成量大幅減少，而當運行氧量進一步降低，由于主燃區的粉量和風量不再變化，NOx生成量變化不大。

圖16 B層燃燒器截面的NOx分布

4 結 論

(1) 相對于中、高負荷，超低負荷高運行氧量工況下一次風速剛性較強，導致假想切圓難以形成，穩燃能力較弱。此外，深度空氣分級燃燒系統的脫硝作用較差，60 MW工況下SCR入口修正后NOx質量濃度超過1 000 mg/m3。

(2) 90 MW和60 MW負荷工況下，當輔助風全關時，整體爐膛溫度升高、著火距離縮短、燃盡距離增加、假想切圓更易于形成，有利于燃燒穩定性的提升；繼續減小燃盡風，燃盡風區溫度略有升高。

(3) 90 MW和60 MW負荷工況下，絕大部分NOx為燃料型NOx，當輔助風全關，爐膛截面平均NOx質量濃度分別降低29%和24%；繼續減少燃盡風量到133 t/h和25 t/h(此時運行氧量為3.5%)，爐膛截面平均NOx質量濃度變化不大，NOx排放量繼續降低9%～10%。初期運行氧量的降低導致修正后NOx排放量降低更顯著。

(4) 建議在主燃區增加O2及CO測點，監視燃燒氣氛和著火距離，以掌握超低負荷下的燃燒穩定性。并通過減少主燃區的輔助風，盡量保持燃盡風不變。綜合燃燒穩定性和NOx排放特性，90 MW和60 MW負荷工況下的運行氧量推薦值分別為6.5%和8.5%。