超临界锅炉低氮燃烧器结构优化

引言:

超临界锅炉凭借高效、节能的优势，已成为我国火力发电的主力设备。然而，传统燃烧方式下，锅炉燃烧过程中产生的大量氮氧化物（NOx）对大气环境造成严重污染，引发酸雨、光化学烟雾等环境问题。因此，开展超临界锅炉低氮燃烧器结构优化研究，对提升火电行业清洁生产水平具有重要意义。

一、超临界锅炉低氮燃烧器工作原理与 NOx 生成机制

1.低氮燃烧器工作原理

超临界锅炉低氮燃烧器主要基于分级燃烧和空气分级技术实现 NOx 减排。分级燃烧是将燃料和空气分阶段送入炉膛：一次风携带煤粉首先进入燃烧区，形成富燃料、低氧的还原环境，抑制热力型NOx 的生成；二次风、三次风在主燃区下游补入，确保燃料充分燃尽，减少未燃尽碳损失。空气分级则通过控制不同喷口的风速和风量，调整燃烧区域的氧气浓度和温度分布，延缓燃烧速度，降低局部高温，从而减少 NOx 的生成。此外，部分低氮燃烧器还采用燃料分级技术，将少量燃料喷入燃尽区，进一步降低 NOx 排放。

2.NOx 生成机制

超临界锅炉燃烧过程中产生的 NOx 主要包括 NO、 NO₂ 和 N₂O ，其中 NO 占比超过 90‰ 。其生成途径主要有以下三种：热力型 NOx：当燃烧温度超过 1500℃时，空气中的氮气 (N₂ ）与氧气 (O₂) ）发生反应生成 NO 热力型 NOx 的生成量与温度呈指数关系，是传统燃烧器 NOx 排放的主要来源之一。燃料型 NOx：燃料中的含氮化合物（如煤中的氮）在燃烧过程中被氧化生成 NO，占 NOx 排放总量的 60%-80% 。通过控制燃烧过程中的氧气浓度，可以有效抑制燃料型 NOx 的生成。快速型 NOx：在富燃料条件下，碳氢燃料与氮气发生反应生成 NO 。快速型 NOx 通常在低负荷或特殊燃料燃烧时产生，在总 NOx 排放中占比较小。

二、现有低氮燃烧器结构存在的问题

1.喷口设计不合理

现有低氮燃烧器的喷口布局往往导致燃料与空气混合不均匀，部分区域出现局部高温或富氧燃烧现象，从而加剧 NOx 的生成。例如，一次风喷口风速过高会使煤粉穿透能力过强，破坏还原区的稳定性；风速过低则容易导致煤粉沉积，造成燃烧不完全。此外，二次风、三次风喷口的角度和位置设计不当，可能引起气流对冲或短路，降低分级燃烧的效果。

2.稳燃性能不足

低氮燃烧技术通过降低氧气浓度和燃烧温度来抑制 NOx 生成，但这也会导致火焰稳定性下降，尤其是在低负荷工况下，容易出现燃烧中断或熄火现象。传统燃烧器的稳燃装置（如钝体、稳燃环）结构较为单一，难以在低氧环境下维持稳定的火焰，限制了锅炉的调峰能力和运行稳定性。

3.磨损与结焦问题突出

超临界锅炉运行压力高、温度波动大，燃烧器喷口长期受到高速气流和煤粉的冲刷，容易出现磨损，缩短设备使用寿命。同时，由于燃烧区域温度分布不均匀，可能导致局部高温结焦，影响锅炉的传热效率，甚至引发安全隐患。此外，现有燃烧器的结构设计在防止结焦方面缺乏有效措施，进一步加剧了结焦问题的严重性。

4.气流组织不佳

燃烧器内部的气流组织对燃烧过程和 ΔNOx 生成有重要影响。不合理的气流组织会导致燃料与空气混合不充分，燃烧过程不稳定，从而增加 NOx 排放。部分燃烧器在设计时未充分考虑气流的流动特性，使得气流在燃烧器内部形成涡流或死区，影响燃烧效率和 NOx 减排效果。

三、低氮燃烧器结构优化方案

1.喷口布局优化

一次风喷口结构改进：将传统的直筒型一次风喷口改为渐扩式结构，出口扩张角设计为 5°-8°。

这种设计可以降低一次风出口风速，延长煤粉在还原区的停留时间，有利于抑制热力型 NOx 的生成。

同时，在喷口内部加装导流叶片，使煤粉均匀分布，避免局部富氧燃烧，提高燃烧的均匀性和稳定性。

二次风与三次风喷口优化：采用错位布置方式，将二次风喷口向主燃区下游偏移 10%-15% ，三次风喷口采用旋流设计，增强气流的扰动和混合效果。通过合理调整二次风、三次风喷口的角度（二次风 30^∘ -45°，三次风 45°-60°），形成阶梯式分级燃烧，优化燃烧区域的氧气浓度分布，延缓燃烧速度，降低 NOx 排放。

2.稳燃装置创新设计

研发新型双通道稳燃器，其结构包括内层的高温烟气回流通道和外层的富燃料气流通道。内层通道通过设置锥形钝体，引导高温烟气回流至燃烧区，提高着火稳定性；外层通道通过精确控制煤粉浓度和风速，形成稳定的着火前沿。这种设计可以有效改善低氧环境下的燃烧稳定性，使锅炉的最低稳燃负荷从 50% 降低至 35% ，显著提升锅炉的调峰能力。

3.抗磨损与防结焦设计

采用碳化钨合金或陶瓷涂层对燃烧器喷口进行表面处理，提高喷口的硬度和耐磨性，延长设备使用寿命。碳化钨合金具有硬度高、耐磨性好的特点，陶瓷涂层则具有耐高温、耐腐蚀的优势，能够有效抵御高速气流和煤粉的冲刷。在燃烧器入口处加装多孔整流板，使进入燃烧器的气流均匀分布，减少局部冲刷磨损。通过数值模拟技术优化燃烧器出口的气流速度场，避免高温烟气对喷口的直接冲刷，进一步降低磨损风险。同时，在燃烧器结构设计中增加防结焦措施，如优化燃烧器壁面形状，减少结焦的可能性。

4.气流组织优化

运用计算流体力学（CFD）技术对燃烧器内部的气流组织进行模拟分析，优化燃烧器的内部结构。通过调整喷口的形状、尺寸和布置方式，改善气流的流动特性，减少涡流和死区的形成，实现燃料与空气的充分混合。同时，合理设计燃烧器的扩口角度和收缩段长度，控制气流的扩散速度和方向，提高燃烧的稳定性和效率，降低 NOx 排放。

四、优化效果验证

1.数值模拟分析

利用 ANSYS Fluent 等计算流体力学软件，对优化前后的低氮燃烧器进行三维数值模拟。模拟工况设定为：一次风风速 25m/s ，二次风风速 45m/s ，过量空气系数 1.15。模拟结果显示，优化后的燃烧器主燃区最高温度从 1650℃降低至 1520‰ ，NOx 排放浓度从 420mg/m³ 下降至 280mg/m³ ，降幅达到33.3%₀ 。同时，燃烧效率从 92.5% 提升至 95.2% ，表明优化后的燃烧器在抑制 NOx 生成的同时，有效提高了燃烧稳定性和效率。

2.工业应用验证

在某 660MW 超临界锅炉上对优化后的低氮燃烧器进行工业应用测试。运行数据表明，优化后锅炉的 NOx 排放浓度稳定在 250-300mg/m³ ，满足国家环保标准要求；飞灰含碳量从 4.2%降低至 3.1% ，表明燃烧效率显著提升。此外，经过一段时间的运行，燃烧器喷口的磨损速率降低了 40% ，有效延长了设备使用寿命，验证了抗磨损设计的有效性。

结论：

通过对超临界锅炉低氮燃烧器喷口布局、稳燃装置、抗磨损结构和气流组织等方面的优化设计，并结合数值模拟和工业应用验证，成功实现了燃烧器 NOx 减排与燃烧效率提升的双重目标。优化后的燃烧器有效抑制了热力型和燃料型 NOx 的生成，同时解决了传统燃烧器稳燃性能不足和磨损严重的问题。未来，随着环保要求的进一步提高，超临界锅炉低氮燃烧器的结构优化仍需不断创新，结合人工智能、大数据等先进技术，实现燃烧器运行参数的动态优化和智能调控，为火电行业的绿色低碳发展提供更强有力的技术支持。

参考文献：

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