350MW墻式切圓鍋爐超低負(fù)荷穩(wěn)燃優(yōu)化

摘要：為獲得墻式切圓燃煤鍋爐在20%額定負(fù)荷下燃燒和污染物排放特性，以國內(nèi)某臺(tái)350MW超臨界墻式切圓燃煤鍋爐為研究對(duì)象，研究了其在20%超低負(fù)荷下不同燃燒器水平擺角和一次風(fēng)中摻混不同比例氫氣（以熱量計(jì)算）共燃對(duì)煙氣溫度和煙氣主要成分的影響。結(jié)果表明：增大燃燒器水平擺角能夠緩解20%負(fù)荷下鍋爐近壁面空氣流速較高的問題，但會(huì)導(dǎo)致煤粉初期著火延遲，推薦將水平擺角設(shè)置為15°；H2共燃比為15%時(shí)，主燃區(qū)截面平均煙氣溫度最高達(dá)到1592K，比初始工況提高了34K，共燃比的增加導(dǎo)致爐膛平均溫度降低，推薦H2共燃比取15%；NOx排放隨著H2共燃比的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，共燃比為20%時(shí)NOx排放比初始工況下降了21.2%，CO2排放也降低了18.2%，但出口煙氣中H2O的摩爾分?jǐn)?shù)增加了20.8%，容易造成低溫腐蝕，需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行防腐處理。

關(guān)鍵詞：墻式切圓鍋爐；低負(fù)荷穩(wěn)燃；燃燒器水平擺角；H2共燃比

中圖分類號(hào)：TM621.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202503010 文章編號(hào)：0253-987X（2025）03-0099-11

Optimization of Stable Combustion at Ultra-Low Load "for 350MW Wall Tangentially Fired Boiler

LIU Tao1， XUE Yanfang2， WANG Yungang1， ZOU Li1， "ZHANG Yijia1， SHEN Tao3， ZHAO Qinxin1

（1. School of Energy and Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China; 2. China Nuclear Power

Engineering Company Limited， Beijing 100840， China; 3. Harbin Boiler Company Limited， Harbin 150046， China）

Abstract：To investigate the combustion and pollutant emissions characteristics of a wall tangentially fired pulverized-coal boiler operating at 20% of its rated load， this paper focus on a 350MW supercritical wall tangentially fired pulverized-coal boiler in China. The research explores the impacts of varying burner horizontal swing angles and different proportions of hydrogen （calculated by calorific content） in the primary air on flue gas temperature and the main components of flue gas under a 20% ultra-low load. The findings suggest that increasing the horizontal swing angle of the burners can mitigate the issue of high air velocity near the boiler walls at 20% load. However， this adjustment may result in a delay in the initial ignition of pulverized coal. It is advised to set the horizontal swing angle to 15°. With an H2 co-firing ratio of 15%， the average flue gas temperature at the main combustion zone cross-section reaches up to 1592K， marking a 34K increase from the initial conditions. Nevertheless， a rise in the co-firing ratio leads to a decline in the average furnace temperature， with a recommended H2 co-firing ratio of 15%. Regarding NOx emissions， they exhibit an initial increase followed by a decrease with the rise in the H2 co-firing ratio. At a co-firing ratio of 20%， NOx emissions decrease by 21.2% compared to the initial conditions， and CO2 emissions also witness an 18.2% reduction. However， the molar fractions of H2O in the outlet flue gas see a 20.8% increase， posing a risk of low-temperature corrosion. Hence， it is crucial to implement corrosion prevention measures for the relevant equipment.

Keywords：wall tangentially fired boiler; stable combustion at low load; burner horizontal swing angles; hydrogen cofiring ratios

近年來可再生能源發(fā)電發(fā)展迅速，但可再生能源固有的穩(wěn)定性差、不可控制的特點(diǎn)，使得各地出現(xiàn)了高比例的“棄風(fēng)棄光”現(xiàn)象^［1］。為了加快建設(shè)新能源體系，傳統(tǒng)煤電逐步向基礎(chǔ)保障性和系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源轉(zhuǎn)型^［2］，加速火電機(jī)組靈活性改造，提高機(jī)組深度調(diào)峰能力是保障電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施。

我國火力發(fā)電機(jī)組鍋爐燃燒方式包括切圓燃燒、前后墻對(duì)沖燃燒和“W型”火焰燃燒等，其中切圓燃燒占比70%以上^［3-4］，這主要是由于切圓燃燒具有爐內(nèi)火焰充滿度高，氣流剛性強(qiáng)，流場穩(wěn)定等特點(diǎn)^［5-6］。按照燃燒器布置方式的不同，切圓燃燒可分為四角切圓燃燒和墻式切圓燃燒。雖然墻式切圓燃燒相較于四角切圓燃燒有著火焰充滿度好，出口煙溫偏差小等優(yōu)勢^［7］，但墻式切圓燃燒方式?jīng)Q定了其火焰切圓直徑易偏大，流場中心容易移動(dòng)和局部水冷壁易超溫等問題，這些現(xiàn)象在鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行過程中更為凸顯^［8-9］。

為了提高墻式切圓燃煤鍋爐的深度調(diào)峰能力，增強(qiáng)低負(fù)荷下的燃燒穩(wěn)定性，眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究。廖永浩等^［8］對(duì)600MW超臨界墻式切圓鍋爐的燃燒特性展開了研究，通過數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，每個(gè)燃燒器射流均會(huì)受到上游氣流的橫向推力，使得旋轉(zhuǎn)切圓直徑均有擴(kuò)大的趨勢。劉敦禹等^［10］對(duì)600MW超超臨界墻式切圓鍋爐開展了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一次風(fēng)截面近壁面處風(fēng)速較高，煙氣溫度也較高，容易導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)渣，提出了采用縮小假想切圓直徑和增加一次風(fēng)率的方法來改善燃燒狀況。孫磊等^［11］針對(duì)350MW墻式切圓燃燒鍋爐在低負(fù)荷（50%額定負(fù)荷）情況下容易出現(xiàn)局部水冷壁超溫的現(xiàn)象進(jìn)行研究指出，一次風(fēng)切圓偏大是導(dǎo)致該問題的主要原因，通過將燃燒器整體偏置一定角度能夠較好的解決這個(gè)問題。周凌宇等^［12］研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)整鍋爐各進(jìn)風(fēng)口的偏轉(zhuǎn)角度能夠緩解火焰刷墻現(xiàn)象并改善壁面氣氛，同時(shí)NOx排放也有所降低。

此外，已有的研究表明，機(jī)組在超低負(fù)荷下運(yùn)行，投運(yùn)下層相鄰燃燒器有利于提高燃燒穩(wěn)定性^［13-15］。趙星海等^［16］針對(duì)某660MW超臨界墻式切圓燃煤鍋爐在30%負(fù)荷下無法長時(shí)間穩(wěn)定燃燒的問題，提出了向一次風(fēng)中間層通入富氧二次風(fēng)的方法， 使得主燃區(qū)溫度提高了200 K， 增強(qiáng)了鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)定燃燒的能力。總之，現(xiàn)有研究表明，燃燒器擺角、燃燒器投運(yùn)方式和鍋爐負(fù)荷對(duì)墻式切圓燃煤鍋爐的燃燒和流動(dòng)特性都有著較大的影響，適當(dāng)改變?nèi)肟诳諝獬煞帜軌蝻@著提高鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃能力。

此外，火電機(jī)組在深度調(diào)峰期間將富余的電力用于電解水制取H2和O2，再將產(chǎn)物用于改善煤粉燃燒狀況是提高鍋爐超低負(fù)荷下燃燒穩(wěn)定性的有效途徑。然而，目前針對(duì)墻式切圓鍋爐低負(fù)荷燃燒的研究主要集中在額定負(fù)荷的30%以上，對(duì)于更低負(fù)荷下的燃燒和污染物排放特性的研究還不夠深入。

本文以某350MW超臨界墻式切圓燃煤鍋爐為研究對(duì)象，深入研究了改變?nèi)紵魉綌[角和一次風(fēng)摻混H2對(duì)鍋爐20%超低負(fù)荷下燃燒和排放特性的影響規(guī)律，為該類型機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒提供指導(dǎo)與數(shù)據(jù)參考。

1 研究對(duì)象

研究對(duì)象為某電廠350MW超臨界直流燃煤鍋爐，爐膛整體高度約為59m，爐膛斷面尺寸為14.627m×14.627m（寬度×深度），爐膛容積11065m3，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量工況（BMCR）和汽機(jī)熱耗驗(yàn)收工況（THA）的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。該鍋爐采用一次中間再熱，爐膛采用π型布置、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣。在主燃燒區(qū)域配備有兩組，共6層煤粉燃燒器，其周圍均勻布置了8層二次風(fēng)噴嘴。鍋爐在BMCR工況運(yùn)行時(shí)，機(jī)組投運(yùn)下5層燃燒器，最上層燃燒器備用。鍋爐燃用煤種的工業(yè)分析及元素分析見表2。

該鍋爐主燃燒區(qū)的燃燒方式為墻式切圓燃燒，4套燃燒器分別安裝在4個(gè)壁面上（#1至#4），二次風(fēng)及一次風(fēng)分別垂直于壁面及偏轉(zhuǎn)5°射入爐內(nèi)，形成兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相同的虛圓。主燃燒區(qū)設(shè)置有6層一次風(fēng)進(jìn)口，自下而上分別為A、B、C、D、E和F，同時(shí)一次風(fēng)進(jìn)口周圍均勻布置有8層二次風(fēng)進(jìn)口，分別為AA、AB、BC、CC、DD、DE、EF和FF。在主燃燒區(qū)上方設(shè)置有4層分離燃盡風(fēng)（SOFA）噴嘴，布置于爐膛的4個(gè)角上，形成四角切圓。鍋爐幾何模型、燃燒器布置及爐膛橫截面如圖1所示。

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

幾何模型依據(jù)鍋爐實(shí)際尺寸1∶1建立，采用分區(qū)劃分的方法將其劃分為冷灰斗區(qū)、主燃燒區(qū)、SOFA區(qū)和爐膛上部區(qū)等4個(gè)區(qū)域，并采用ICEM進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，鍋爐整體網(wǎng)格如圖2（a）所示。針對(duì)存在強(qiáng)烈湍流和化學(xué)反應(yīng)的主燃區(qū)和SOFA區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，同時(shí)為了防止出現(xiàn)數(shù)值偽擴(kuò)散，SOFA區(qū)繪制的網(wǎng)格線方向與流動(dòng)方向近似一致，該區(qū)域網(wǎng)格橫截面如圖2（c）所示。經(jīng)網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證之后，確定計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為109萬。

2.2 數(shù)學(xué)模型

模擬煤粉燃燒過程中所選取的物理和化學(xué)模型對(duì)模擬的準(zhǔn)確性有較大的影響。計(jì)算過程中，采用了包含旋流修正的realizable k-ε模型^［17］來求解湍流問題，氣相燃燒模型選取有限速率/渦耗散模型，爐內(nèi)輻射換熱計(jì)算采用P-1輻射模型^［18］。煤粉顆粒的移動(dòng)過程采用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行描述，采用雙方程競爭反應(yīng)模型模擬揮發(fā)分析出過程，焦炭的燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型^［19-21］。煙氣吸收系數(shù)由基于域的灰度氣體加權(quán)和模型（WSGGM）確定^［21］，采用壓力耦合方程組的半隱式（SIMPLE）算法來求解速度場和壓力場的耦合^［22］。

由于快速型NOx相比于燃料型和熱力型NOx對(duì)總排放貢獻(xiàn)較小，所以忽略快速型NOx的生成。熱力型NOx的生成與反應(yīng)溫度相關(guān)，反應(yīng)過程采用澤爾多維奇（Zeldovich）機(jī)理進(jìn)行模擬^［23］，而燃料型NOx的生成過程采用氰化氫衰減總反應(yīng)（De Soete）機(jī)理模擬^［24］。

2.3 邊界條件及工況設(shè)置

一次風(fēng)、二次風(fēng)和SOFA風(fēng)噴口設(shè)置為速度入口，爐膛出口設(shè)置為壓力出口；壁面及加熱表面均采用無滑移壁面邊界條件，煤粉顆粒的粒徑分布服從羅辛-拉姆勒分布（Rosin-Rammler）算法，分布指數(shù)取1.5^［25］，平均粒徑為60μm。

為了探討燃燒器水平擺角和H2共燃比（以H2替代部分煤粉燃燒時(shí)，H2燃燒釋放熱量占總熱量的比例）對(duì)鍋爐20%超低負(fù)荷下燃燒特性的影響，總共設(shè)置了10個(gè)工況。工況1（100%額定負(fù)荷）、工況2（45%額定負(fù)荷）為基本工況，用以驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，工況3為機(jī)組20%負(fù)荷下的基準(zhǔn)工況，不同負(fù)荷下的燃燒系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)見表3。

表4給出了優(yōu)化20%負(fù)荷工況燃燒穩(wěn)定性的改造方案，其中工況3～工況6用以研究燃燒器水平擺角分別向內(nèi)偏置5°、10°、15°和20°對(duì)燃燒穩(wěn)定性的影響。工況7～工況10是在最佳水平擺角工況下，向一次風(fēng)中混入H2，H2共燃比從5%到20%變化。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 模型可靠性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所選擇的計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，通過將100%負(fù)荷（350MW）和45%負(fù)荷（165MW）條件下的模擬結(jié)果和相應(yīng)的運(yùn)行實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果如表5所示。通過計(jì)算可知，在兩種工況下模擬所得出口煙氣溫度、出口O2體積分?jǐn)?shù)和NOx排放的最大誤差分別為2.15%、8.28%和6.47%。可見，實(shí)測值和模擬值間相對(duì)誤差較小，所建立的鍋爐燃燒模型能夠?qū)?0%負(fù)荷下鍋爐的燃燒和排放特性進(jìn)行模擬研究。

3.2 燃燒器水平擺角對(duì)燃燒的影響

圖3顯示了工況1及工況3～6底層燃燒器截面的速度分布，圖上數(shù)值為速度等高線。由圖3（a） 可以看出，在滿負(fù)荷工況下，一次風(fēng)氣流在底層燃燒器截面形成了一個(gè)較為均勻的環(huán)狀區(qū)域。隨著負(fù)荷的急劇下降，20%負(fù)荷下，一次風(fēng)粉氣流流速降低；從圖3（b）可以看出，隨著負(fù)荷下降，形成的切圓直徑相較于滿負(fù)荷工況更大。這是由于，進(jìn)入爐膛風(fēng)量減少使得煤粉氣流剛性減弱，在上游氣流的沖擊作用下切圓直徑有向外擴(kuò)大的趨勢。這直接導(dǎo)致煤粉氣流更大面積地沖刷水冷壁，壁面處最高氣流流速達(dá)到14m/s。較高流速的煤粉氣流沖刷水冷壁將加速管壁的腐蝕和磨損，不利于鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行。隨著燃燒器水平擺角的增大，煤粉氣流形成的切圓直徑逐漸縮小，由圖3（d）可以看出，當(dāng)燃燒器水平擺角為15°時(shí)形成的切圓較為均勻，壁面處最高氣流流速僅為10m/s；隨著擺角進(jìn)一步增大至20°，上下游氣流對(duì)抗作用增強(qiáng)，流場均勻性降低，不利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。

爐內(nèi)溫度場是影響低負(fù)荷下煤粉燃燒穩(wěn)定性的重要因素。圖4顯示了工況1及工況3～6爐膛中心截面的煙氣溫度分布情況。從中可以看到，隨著鍋爐負(fù)荷的急劇降低，爐內(nèi)煙氣高溫區(qū)域面積出現(xiàn)較大范圍的減少。這是由于負(fù)荷降低，投入的燃料量減少，進(jìn)而導(dǎo)致燃料燃燒釋放的熱量減少。對(duì)比工況3～6的溫度場可以看出，適當(dāng)增加燃燒器水平擺角，主燃區(qū)煙氣溫度分布更加均勻，但當(dāng)擺角進(jìn)一步增大至20°，煙氣溫度場開始變得紊亂。此外，擺角的增大使得投運(yùn)燃燒器（A、B層）高度附近區(qū)域煙氣高溫面積減少，而在主燃區(qū)上部煙氣高溫面積增大。這是因?yàn)椋紵魉綌[角增大，上、下游煤粉氣流對(duì)抗作用逐漸增強(qiáng)導(dǎo)致煙氣湍流強(qiáng)度增加，煤粉初期著火延遲，未燃盡的可燃物在主燃區(qū)上部區(qū)域進(jìn)一步燃燒釋放熱量。

不同燃燒器水平擺角下沿爐膛高度方向的溫度、O2及NOx分布曲線如圖5所示。具體來看，隨著水平擺角的增大，沿爐膛豎直方向不同高度（Z）的煙氣溫度分布趨勢不同，主燃區(qū)下部區(qū)域（12.5～16m）煙氣平均溫度逐漸降低，溫度波動(dòng)有所緩解。在主燃區(qū)上部（18～23.5m）及爐膛上部區(qū)域，煙氣平均溫度逐漸增加，這與圖4呈現(xiàn)的結(jié)果一致。其中，工況6在主燃區(qū)下部，煙氣平均溫度相較于工況3最大下降了22K，而工況5對(duì)應(yīng)的煙氣平均溫度在主燃區(qū)上部存在最大值，達(dá)到1559K，相較于工況3增加了14K。因此，增大燃燒器水平擺角雖然為煤粉初期著火帶來了一定的不利影響，但通過該措施能夠緩解高溫火焰大面積沖刷水冷壁，減小煙氣溫度波動(dòng)，有利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

沿爐膛高度方向O2和NOx的濃度分布呈現(xiàn)近似相反的規(guī)律。由于一、二次風(fēng)的加入，使得主燃區(qū)O2的摩爾分?jǐn)?shù)有明顯的上升，煤粉燃燒消耗大量O2，使得其摩爾分?jǐn)?shù)隨著爐膛高度的增加而逐漸降低，氧化性氛圍減弱，有利于增強(qiáng)NOx的還原過程。不同工況下NOx質(zhì)量濃度在主燃區(qū)達(dá)到峰值，其中工況3對(duì)應(yīng)的NOx質(zhì)量濃度最大達(dá)到了352mg/m3。這是因?yàn)椋诠r3的條件下，主燃區(qū)下部煙氣溫度較高，而熱力型NOx對(duì)溫度較為敏感，煤粉燃燒產(chǎn)生燃料型NOx的同時(shí)也產(chǎn)生大量的熱力型NOx。隨著燃燒器水平擺角的增大，主燃區(qū)上部NOx質(zhì)量濃度出現(xiàn)一定的下降趨勢。分析其原因，水平擺角增大導(dǎo)致煤粉初期不完全燃燒產(chǎn)生的未燃盡炭和CO含量上升，更多的NOx在還原性氣氛中被消耗。在燃盡區(qū)，SOFA風(fēng)的加入，對(duì)NOx產(chǎn)生稀釋作用的同時(shí)促進(jìn)了未燃盡可燃物的燃燒，NOx質(zhì)量濃度出現(xiàn)先下降后上升的趨勢。各工況下爐膛上部NOx相對(duì)質(zhì)量濃度變化不大，其中工況6對(duì)應(yīng)的質(zhì)量濃度為287mg/m3，相較于工況3下降了7mg/m3。

由以上分析可知，適當(dāng)增大燃燒器水平擺角，能夠改善爐內(nèi)速度場的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致煤粉初期燃燒推遲，但對(duì)NOx的排放影響較小。從機(jī)組低負(fù)荷下安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度出發(fā)，燃燒器水平擺角設(shè)置為15°是推薦的改造方案。

3.3 H2共燃比對(duì)燃燒的影響

為了提高主燃區(qū)煙氣溫度，將H2與煤粉進(jìn)行摻混燃燒，以增強(qiáng)超低負(fù)荷下煤粉燃燒的著火供熱。基于工況5，得到了燃燒器水平擺角為15°時(shí)，不同H2共燃比下底層燃燒器截面的速度和溫度分布如圖6、圖7所示。當(dāng)H2共燃比為5%時(shí)，煤粉氣流形成的切圓直徑呈現(xiàn)出略微的增大，但隨著共燃比的進(jìn)一步增大，切圓直徑朝著縮小的趨勢發(fā)展。此外，摻入H2共燃的情況下，燃燒器截面煙氣最高流速有所提高，速度場均勻性也得到改善。當(dāng)共燃比為15%時(shí)，氣流形成的切圓最為均勻，近壁面處氣流速度也較低。當(dāng)共燃比進(jìn)一步增大至20%，流場均勻性下降，切圓出現(xiàn)一定的畸變。

為了解釋出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因，結(jié)合圖7進(jìn)行分析可知，工況7摻混少量H2共燃，煤粉初期著火條件得到改善，火焰充滿度提高，進(jìn)而導(dǎo)致流場切圓出現(xiàn)一定的膨脹。隨著共燃比從10%增大至20%，H2燃燒產(chǎn)生的大量H2O吸收熱量使火焰的充滿度降低，所以速度場切圓直徑有所減小。摻入H2共燃的情況下，煤粉著火條件得到改善的同時(shí)煙氣最高溫度也有所提高，流動(dòng)阻力降低，進(jìn)而導(dǎo)致截面煙氣流速有所增加，流場均勻性增加，這也有利于改善溫度場并提高燃燒穩(wěn)定性。當(dāng)H2共燃比為15%時(shí)，溫度場分布較為均勻，上游氣流能夠較好地引燃下游氣流，實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下煤粉的穩(wěn)定燃燒。當(dāng)共燃比為20%時(shí)，燃燒產(chǎn)生大量的H2O，起到降低溫度的作用，燃燒條件惡化導(dǎo)致流場均勻性下降。

不同H2共燃比下沿爐膛高度方向的溫度、O2及NOx分布如圖8所示。可見，隨著H2共燃比的增加，爐膛煙氣平均溫度整體呈現(xiàn)升高的趨勢，主燃區(qū)煙氣平均溫度變化較為明顯。這是由于，摻混的H2進(jìn)入爐膛之后迅速燃燒并釋放大量熱量，煤粉著火條件得到改善，在主燃區(qū)釋放的熱量增加，同時(shí)可以看出，共燃比為15%時(shí)，主燃區(qū)煙氣平均溫度取得最大值，最高溫度達(dá)到1592K，相較于不加入H2提高了34K，有益于穩(wěn)定燃燒。當(dāng)共燃比進(jìn)一步增加20%，煙氣平均溫度反而呈現(xiàn)下降趨勢，最高溫度僅為1588K。這和圖7所示的結(jié)果相對(duì)應(yīng)，說明共燃比增大雖然能夠提高主燃區(qū)煙氣平均溫度，但較高的共燃比下，H2燃燒會(huì)產(chǎn)生大量的H2O，反而不利于低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煤粉的穩(wěn)定燃燒。

隨著H2共燃比的增加，NOx排放呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。這是由于加入H2共燃，提升了爐膛溫度，生成的熱力型NOx增加，但另一方面，投入爐內(nèi)的煤量減少，導(dǎo)致燃料型NOx的生成量下降。在共燃比為5%時(shí)，溫度升高對(duì)NOx總排放的影響占主導(dǎo)作用，爐膛上部NOx質(zhì)量濃度為290mg/m3，相較于工況5增加了2mg/m3。隨著共燃比的增大，煤量的減少對(duì)NOx總排放的影響占主導(dǎo)作用，共燃比為15%和20%時(shí)爐膛上部NOx質(zhì)量濃度分別下降了12.8%和21.2%。

為了更進(jìn)一步探究加入H2共燃對(duì)鍋爐排放的影響，對(duì)鍋爐中心截面CO2和H2O的分布情況進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖9、圖10所示。從圖中可見，隨著H2共燃比的增加，爐內(nèi)CO2和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)都呈現(xiàn)單調(diào)的變化趨勢。H2燃燒不產(chǎn)生CO2，共燃比的增大使得投入爐內(nèi)的燃煤量減少，燃燒產(chǎn)生的CO2的摩爾分?jǐn)?shù)減少。當(dāng)共燃比為20%時(shí)，爐膛出口截面CO2的平均摩爾分?jǐn)?shù)為0.112，相較于工況5減少了18.2%。

煙氣中H2O的摩爾分?jǐn)?shù)的變化趨勢和CO2相反，隨著共燃比的增加，爐內(nèi)煙氣中H2O的摩爾分?jǐn)?shù)大幅增加。當(dāng)H2共燃比達(dá)到20%時(shí)，主燃區(qū)H2O摩爾分?jǐn)?shù)的峰值達(dá)到0.18，爐膛出口截面H2O的平均摩爾分?jǐn)?shù)為0.116，相較于工況5增加了20.8%。煙氣中CO2和H2O摩爾分?jǐn)?shù)的變化將導(dǎo)致煙氣的比熱容發(fā)生變化，這也是導(dǎo)致不同共燃比下煙氣溫度分布情況不同的主要原因^［26-27］。煤粉燃燒后，煙氣中的SO3和H2O的摩爾分?jǐn)?shù)是影響低溫腐蝕的關(guān)鍵因素。已有研究表明，煙氣中水蒸氣摩爾分?jǐn)?shù)的提高會(huì)導(dǎo)致煙氣的酸露點(diǎn)溫度升高，因此在煙氣冷卻過程中更容易在設(shè)備表面形成酸性冷凝物，增加了低溫腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)^［28-29］，所以需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行防腐處理。此外，由于H2的存在將會(huì)增加相關(guān)管道設(shè)備發(fā)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)^［30-31］，同時(shí)氫氣燃燒釋放大量熱量可能導(dǎo)致燃燒器附近存在局部高溫區(qū)域，這對(duì)管道設(shè)備抗氫脆性能和燃燒器耐高溫性能提出了更高的要求。

由以上分析可知，加入H2共燃能夠進(jìn)一步提升爐內(nèi)速度場的均勻性，改善煤粉初期的著火條件。同時(shí)，由于投入煤量的減少也能降低CO2和NOx的排放，但H2燃燒產(chǎn)生的H2O在共燃比較高時(shí)對(duì)低負(fù)荷燃燒有不利影響。從提升鍋爐低負(fù)荷燃燒穩(wěn)定性及減少NOx排放的角度出發(fā)，推薦的H2共燃比為15%。

4 結(jié) 論

本文建立了350MW墻式切圓燃煤鍋爐的數(shù)值模擬模型，利用100%、45%負(fù)荷下機(jī)組實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性。同時(shí)，進(jìn)一步對(duì)鍋爐20%負(fù)荷工況進(jìn)行了數(shù)值模擬，著重分析了燃燒器水平擺角和加入H2共燃對(duì)低負(fù)荷下流場分布、燃燒穩(wěn)定性及污染物排放的影響規(guī)律，得出結(jié)論如下。

（1）適當(dāng)增加燃燒器水平擺角能夠改善爐內(nèi)流場，緩解墻式切圓燃煤鍋爐20%負(fù)荷下高速氣流沖刷水冷壁的現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致煤粉初期著火延遲，火焰中心上移。此外，擺角的變化對(duì)NOx的排放影響較小。水平擺角設(shè)置為15°，流場分布較為均勻，主燃區(qū)截面煙氣最高平均溫度取得最大值1559K，是推薦的燃燒器偏斜角度。隨著擺角增大至20°，流場開始變得紊亂，燃燒穩(wěn)定性降低。

（2）加入H2共燃能夠提高爐內(nèi)煙氣溫度水平，改善煤粉著火條件，溫度場的優(yōu)化也提升了流場的均勻性。共燃比為15%，主燃區(qū)煙氣平均溫度取得最大值1592K，相較于不摻混H2提高了34K，有益于低負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒。共燃比增加至20%，燃燒產(chǎn)生的大量H2O對(duì)爐膛起到降溫作用，爐內(nèi)煙氣溫度水平開始下降，不利于煤粉低負(fù)荷穩(wěn)燃。

（3）隨著H2共燃比的增加，NOx排放相較于不加入H2呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢。在共燃比為5%時(shí)，熱力型NOx對(duì)總排放的影響占主導(dǎo)作用，爐膛上部NOx質(zhì)量濃度為290mg/m3，相較于不摻混H2增加了2mg/m3。當(dāng)共燃比大于5%時(shí)，燃料型NOx對(duì)總排放的影響占主導(dǎo)作用，共燃比增加至20%，爐膛上部NOx質(zhì)量濃度下降了21.2%。

（4）加入H2共燃使投入爐內(nèi)的煤量減少，20%共燃比下出口煙氣中CO2排放相較于不加入H2降低了18.2%，但H2O摩爾分?jǐn)?shù)增加了20.8%。鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行排煙溫度較低，加入H2共燃將導(dǎo)致煙氣中H2O摩爾分?jǐn)?shù)提高，進(jìn)而造成低溫受熱面腐蝕的問題，因此需要對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行一定的防腐處理。

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（編輯 杜秀杰）