800MW旋流對(duì)沖燃燒鍋爐低NOx改造的數(shù)值模擬

段二朋， 孫保民， 郭永紅， 白 濤， 信 晶

（華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

火電廠是大氣污染物NOx的主要排放源［1］.NOx易形成酸雨和光化學(xué)煙霧，并對(duì)人體呼吸系統(tǒng)產(chǎn)生較大危害［2］.我國(guó)對(duì)NOx排放的控制越來(lái)越嚴(yán)格，新的《火電廠大氣污染排放指標(biāo)》已經(jīng)自2012年1月1日開(kāi)始實(shí)施.目前火電廠對(duì)NOx的控制主要分為燃燒過(guò)程控制和燃燒后煙氣脫硝兩大類.其中燃燒過(guò)程控制方法主要有空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)燃燒技術(shù)和低NOx燃燒器技術(shù)［3］.空氣分級(jí)燃燒技術(shù)即燃盡風(fēng)（OFA）技術(shù)是目前使用最普遍的低NOx燃燒技術(shù)［4］，該技術(shù)通過(guò)空氣分級(jí)合理地組織爐內(nèi)的燃燒來(lái)降低NOx排放量.然而組織不合理的空氣分級(jí)燃燒也可能對(duì)燃盡性能和爐膛出口煙溫等產(chǎn)生負(fù)面影響，從而影響機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性.

本文所研究的800MW超臨界鍋爐自投運(yùn)以來(lái)，NOx排放較高一直是一個(gè)較突出的問(wèn)題.針對(duì)這一問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了3種工況，并利用Fluent軟件建立適當(dāng)?shù)奈锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型，在滿負(fù)荷的條件下對(duì)各工況進(jìn)行了數(shù)值模擬.通過(guò)綜合比較各工況溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)，最終確定了既能將NOx排放量控制在期望水平、負(fù)面影響又較小的工況作為擬改造方案，為電廠改造提供了參考.

1 研究對(duì)象及計(jì)算工況

1.1 研究對(duì)象

對(duì)某電廠800MW超臨界一次中間再熱直流鍋 爐 進(jìn) 行 數(shù) 值 模 擬，鍋 爐 型 號(hào) 為 Пп－2650－25－545KT，該鍋爐為矩形單爐膛T型布置，全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣.鍋爐采用旋流燃燒器前后墻對(duì)沖燃燒，前后墻分別布置4層旋流燃燒器，每層6只，全爐共48只，配備8套直吹式制粉系統(tǒng).在具有燃盡風(fēng)的工況下，爐膛上方布置2層燃盡風(fēng)，單側(cè)墻每層6只燃盡風(fēng)噴口.計(jì)算中所用煤種為該電廠實(shí)際燃用煤種，其煤質(zhì)特性見(jiàn)表1.

表1 煤質(zhì)特性Tab.1 Coal quality properties

1.2 計(jì)算工況

針對(duì)該機(jī)組NOx排放量過(guò)高的問(wèn)題，根據(jù)噴口布置情況的不同設(shè)計(jì)了3個(gè)工況，工況1未對(duì)現(xiàn)有燃燒器噴口位置進(jìn)行任何改動(dòng)，即該鍋爐實(shí)際運(yùn)行工況；工況2保留現(xiàn)有燃燒器的同時(shí)，在高于最上層燃燒器7.7m處增設(shè)了燃盡風(fēng)噴口，利用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)降低NOx排放量；工況3同樣增設(shè)了燃盡風(fēng)噴口，為了減輕增設(shè)燃盡風(fēng)帶來(lái)的負(fù)面影響，工況3中主燃區(qū)噴口和燃盡風(fēng)噴口位置都進(jìn)行了下移，主燃區(qū)4層噴口下移4.3m，燃盡風(fēng)噴口下移2m.工況3與工況2相比主燃區(qū)最上層燃燒器和下層燃盡風(fēng)之間的距離由7.7m增加到10m，還原區(qū)有所擴(kuò)大，這可能對(duì)降低NOx排放量產(chǎn)生更好的效果.

2 數(shù)值模擬

2.1 計(jì)算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

對(duì)所研究的鍋爐進(jìn)行全尺寸三維模擬，將鍋爐冷灰斗底部至水平煙道入口之間的區(qū)域作為計(jì)算區(qū)域.合理的網(wǎng)格劃分有助于提高模擬的準(zhǔn)確性和收斂性，為了避免過(guò)多的網(wǎng)格造成計(jì)算壓力，同時(shí)又保證計(jì)算精度，對(duì)主燃區(qū)和燃盡區(qū)這些參數(shù)變化比較劇烈的區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密.另外，在主燃區(qū)旋流燃燒器附近以燃燒器軸線為中心劃分局部輻射網(wǎng)格（圖1），使氣流方向與網(wǎng)格線夾角盡可能小，其合理性在之后的計(jì)算結(jié)果中也得到驗(yàn)證.進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)化驗(yàn)證之后，整個(gè)模型大約劃分了70萬(wàn)網(wǎng)格.

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分Fig.1 Schematic diagram and grid division of the furnace

2.2 邊界條件設(shè)置

在數(shù)值計(jì)算中，設(shè)置燃燒器噴口和燃盡風(fēng)噴口為入口邊界，對(duì)于工況1，燃燒器入口的氣相流動(dòng)速度及方向均按照實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，工況2和工況3取燃盡風(fēng)率為20%，主燃區(qū)燃燒器內(nèi)各層風(fēng)速通過(guò)變化后的風(fēng)率和相應(yīng)的截面積計(jì)算得到.爐膛上部?jī)沙隹诮孛鏋槌隹谶吔?，定義為充分發(fā)展流，即所有變量在流動(dòng)方向梯度為零.為了簡(jiǎn)化傳熱模型，水冷壁設(shè)為定溫條件來(lái)模擬爐內(nèi)煙氣與水冷壁之間的傳熱，壁面條件按無(wú)滑移非滲透性的固定光滑壁面處理.近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)（standard wall function）［5］.

2.3 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

對(duì)鍋爐進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)模擬，利用有限容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散，使用一階迎風(fēng)格式進(jìn)行求解，壓力－速度的耦合采用Simple算法.采用可實(shí)現(xiàn)k－ε雙方程模型（realizable k－ε model）計(jì)算爐內(nèi)湍流流動(dòng)［6］，輻射傳熱選用P1輻射模型.采用隨機(jī)軌道模型來(lái)跟蹤煤粉顆粒，假設(shè)煤粉粒徑服從rosinrammler分布.煤粉燃燒過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)以及各組分的輸運(yùn)采用非預(yù)混燃燒模型，揮發(fā)分熱解選用雙匹配速率模型（the two competing rates model）.氣相湍流燃燒和焦炭燃燒分別選用混合分?jǐn)?shù)－概率密度函數(shù)法（mixture－reaction／PDF）和動(dòng)力／擴(kuò)散控制 燃 燒 模 型 （kinetics／diffusion－limited char combustion model）［7］.

模擬中NOx的生成計(jì)算采用后處理的方法［7］，即在燃燒計(jì)算結(jié)束后進(jìn)行NOx控制方程的求解，這樣燃燒過(guò)程的模擬結(jié)果將直接影響NOx計(jì)算的準(zhǔn)確性.由于燃煤鍋爐中產(chǎn)生的快速型NOx很少，所以只考慮熱力型NOx和燃料型NOx.熱力型NOx生成認(rèn)為遵循擴(kuò)展的Zeldovich鏈鎖反應(yīng)機(jī)制［8］，O和OH自由基均采用部分平衡法.而燃料型NOx中的氮來(lái)源于揮發(fā)分和焦炭中，揮發(fā)分NOx的生成機(jī)理采用 De＇Soete模 型［9－10］，即 認(rèn) 為 揮 發(fā) 分 中 氮 先 轉(zhuǎn)化為HCN，再部分轉(zhuǎn)化為NOx.焦炭中的氮?jiǎng)t認(rèn)為以某種N原子形式氧化成NOx.計(jì)算同時(shí)考慮溫度和組分波動(dòng)對(duì)NOx生成的影響.

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

由于NOx計(jì)算依賴于合理的燃燒模擬，除NOx本身外，溫度、O2和CO體積分?jǐn)?shù)等參數(shù)都需要加以驗(yàn)證.筆者測(cè)量收集了現(xiàn)有鍋爐滿負(fù)荷下相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)工況1模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證.李永華等［11］也對(duì)該鍋爐806MW負(fù)荷下的溫度進(jìn)行了測(cè)量，爐內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在35～40m區(qū)域，且在37m高溫區(qū)域爐溫達(dá)到1 421℃.這與工況1計(jì)算結(jié)果比較吻合，約在標(biāo)高36m處溫度最高，37m截面處平均溫度為1 416℃.此外對(duì)爐膛出口煙氣進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較見(jiàn)表2.由表2可以看出，除了CO體積分?jǐn)?shù)外，計(jì)算結(jié)果的誤差都不超過(guò)5%，由于CO本身體積分?jǐn)?shù)很低，數(shù)值也容易波動(dòng)，認(rèn)為這樣的誤差是可以接受的.

綜上所述，筆者所用的物理模型和數(shù)學(xué)模型能夠?qū)t內(nèi)燃燒及NOx的排放情況進(jìn)行合理模擬，可用于改造工況中的相關(guān)預(yù)測(cè).

表2 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較Tab.2 Comparison between calculated and measured values

3.2 溫度分布

圖2為水平截面平均溫度隨爐膛高度的變化曲線.由圖2可以看出，3個(gè)工況中，隨著爐膛高度的增加，經(jīng)過(guò)主燃區(qū)時(shí)的溫度都大幅升高，然后又逐漸降低.所不同的是工況2和工況3中，在爐膛較高的位置溫度又出現(xiàn)回升，但此處溫度升高的幅度明顯小于主燃區(qū).這是由于工況2和工況3增設(shè)了燃盡風(fēng)，一部分燃料在主燃區(qū)因缺氧而未能燃盡，到達(dá)燃盡區(qū)時(shí)，燃盡風(fēng)的加入使得爐內(nèi)缺氧狀況得到改善，主燃區(qū)未燃盡的燃料在這里繼續(xù)燃燒放熱（后期補(bǔ)燃），使煙氣溫度得到小幅回升.工況3的溫度變化與工況2相比，趨勢(shì)相同，但變化較為提前，這是由于工況3中燃燒器噴口和燃盡風(fēng)噴口都進(jìn)行了下移，相當(dāng)于整個(gè)爐膛內(nèi)的燃燒都向下移動(dòng)，在圖2中表現(xiàn)為工況3的曲線大致上是工況2的曲線向下平移得到的.

圖2 水平截面平均溫度隨爐膛高度的變化Fig.2 Average temperature distribution along furnace height

從局部來(lái)看，3個(gè)工況中平均溫度最高的水平截面均出現(xiàn)在主燃區(qū)最上層燃燒器附近的位置，最上層燃燒器所在水平截面平均溫度分別為1 692 K、1 679K和1 674K.工況1的最高溫度高于其余兩工況，這是由于工況1未設(shè)燃盡風(fēng)，燃燒所需的空氣全部由主燃區(qū)送入，主燃區(qū)氧量充足，更多的燃料得以燃燒并釋放熱量使?fàn)t溫升高.另外在爐膛出口處煙溫由高到低依次為工況2、工況3、工況1，且工況2的煙溫明顯高于工況1和工況3，這一方面是由于煤粉“后期補(bǔ)燃”增加了火焰長(zhǎng)度［4］，另一方面，“后期補(bǔ)燃”產(chǎn)生的這些熱煙氣在爐內(nèi)停留時(shí)間較短，溫度也下降得較少.工況3的燃盡區(qū)低于工況2，燃盡區(qū)產(chǎn)生的高溫?zé)煔庠跔t內(nèi)停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，煙溫下降較多，出口煙溫并未升高過(guò)多.

3.3 CO體積分?jǐn)?shù)

CO體積分?jǐn)?shù)在一定程度上能夠反映爐內(nèi)空間各部分的氧化／還原性氛圍，并有研究［12］表明CO的存在能夠催化煤焦與NOx的反應(yīng).爐膛出口處的CO體積分?jǐn)?shù)還可以為分析機(jī)組的化學(xué)不完全燃燒損失提供一定參考.因此，對(duì)3工況下CO體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度的變化進(jìn)行分析，結(jié)果示于圖3.

圖3 水平截面平均CO體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度的變化Fig.3 Average CO concentration distribution along furnace height

由圖3可知，3個(gè)工況中，CO主要在主燃區(qū)生成，當(dāng)沒(méi)有足夠的氧氣使燃料完全燃燒生成CO2時(shí)，就會(huì)有大量的CO生成.在工況2和工況3中，增設(shè)燃盡風(fēng)使主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)較小，因此產(chǎn)生的CO明顯多于工況1.主燃區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)的升高一方面使主燃區(qū)還原性氣氛增強(qiáng)，有效地抑制爐內(nèi)生成NOx；另一方面CO是有效的NOx還原劑［13］，可以對(duì)已經(jīng)生成的NOx的還原起到催化作用.經(jīng)過(guò)主燃區(qū)后，工況2和工況3的CO體積分?jǐn)?shù)分布曲線類似于溫度分布曲線，會(huì)在燃盡區(qū)出現(xiàn)小幅回升.這個(gè)回升出現(xiàn)在燃盡風(fēng)噴口上方，燃盡風(fēng)的噴入對(duì)CO的稀釋作用比較明顯，即在此處CO體積分?jǐn)?shù)突然減小.隨后燃料的“后期補(bǔ)燃”會(huì)產(chǎn)生少量的CO，到達(dá)爐膛出口時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)明顯高于工況1.工況1、工況2和工況3的爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)分別為57.0×10－6、326.3×10－6和285.8×10－6.

3.4 NOx 體積分?jǐn)?shù)

圖4為3個(gè)工況下沿爐膛高度的NOx分布情況.由圖4可以看出，工況1主燃區(qū)生成的NOx明顯高于工況2和工況3.這是因?yàn)樵鲈O(shè)燃盡風(fēng)使主燃區(qū)的燃料型NOx和熱力型NOx生成量均有所減少.燃料中氮受熱分解而產(chǎn)生的HCN等活潑的中間產(chǎn)物要生成NOx需要較強(qiáng)的氧化性氛圍，而從圖3可以看出，工況2和工況3主燃區(qū)CO明顯高于工況1，即其氧化性氛圍很弱，HCN等與氧結(jié)合的能力不及C、H，不易過(guò)多地轉(zhuǎn)化為NOx，未被氧化的HCN等也會(huì)與NOx反應(yīng)生成N2，這樣就使主燃區(qū)燃料型NOx生成量大大減少；此外，工況2與工況3主燃區(qū)的溫度低于工況1，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，熱力型NOx的生成量與溫度呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系［9］，所以工況2和工況3在主燃區(qū)生成的熱力型NOx也相對(duì)較少.

圖4 水平截面平均NOx體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度的變化Fig.4 Average NOxconcentration distribution along furnace height

工況2和工況3經(jīng)過(guò)主燃區(qū)后，在缺氧的狀況下，一部分生成的NOx被還原，NOx體積分?jǐn)?shù)降低，再加上燃盡風(fēng)的稀釋作用，在燃盡風(fēng)噴口處，工況2和工況3的NOx體積分?jǐn)?shù)均達(dá)到極小值.燃盡風(fēng)噴入后，雖然“后期補(bǔ)燃”在較強(qiáng)的氧化性氛圍中進(jìn)行，但由于這里的溫度并不是很高（圖2），不會(huì)大量生成NOx，之后NOx體積分?jǐn)?shù)逐漸趨于平穩(wěn)，到達(dá)屏底的水平截面時(shí)，工況2和工況3的NOx體積分?jǐn)?shù)達(dá)到相近的水平，并明顯低于工況1.

表3為3個(gè)工況下?tīng)t膛出口的NOx質(zhì)量濃度.由表3可見(jiàn)，增設(shè)燃盡風(fēng)對(duì)降低NOx排放量效果明顯，工況2、工況3的NOx質(zhì)量濃度分別比工況1減少了29.2%和30.8%，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度均降到合理的水平.另外工況3與工況2相比減少了2.2%，這是由于工況3在將燃燒器下移的同時(shí)，還原區(qū)也有所增大，主燃區(qū)生成的NOx在還原區(qū)有更長(zhǎng)的停留時(shí)間，還原比較充分.

表3 爐膛出口NOx質(zhì)量濃度Tab.3 NOxmass concentration at furnace exit

3.5 各工況關(guān)鍵參數(shù)的比較

要解決鍋爐NOx排放過(guò)高的問(wèn)題，首先要考察的因素便是爐膛出口NOx體積分?jǐn)?shù).由于實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐再熱汽溫偏高，為避免投入過(guò)多的事故減溫水而影響機(jī)組的安全性和經(jīng)濟(jì)性，鍋爐屏底區(qū)域溫度不宜過(guò)高，因此還要對(duì)屏底煙氣溫度進(jìn)行考察.此外，增設(shè)燃盡風(fēng)容易影響燃料的燃燒效率，而爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)可以在一定程度上反映燃料的燃燒效率，所以爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)也列入考察范圍.為了得到更直觀的比較，將工況2和工況3下這3個(gè)因素較工況1的變化情況列于表4中（負(fù)值表示減少）.

表4 與工況1關(guān)鍵參數(shù)的比較Tab.4 Comparison of key parameters with mode one

由表4可以看出，工況2和工況3在大大降低NOx排放量的同時(shí)，也對(duì)爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)和屏底煙氣溫度產(chǎn)生了負(fù)面影響.比較工況2與工況3不難發(fā)現(xiàn)，工況3不僅使NOx體積分?jǐn)?shù)降低更多，且對(duì)機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性和安全性的負(fù)面影響都較小，因此根據(jù)模擬結(jié)果，工況3應(yīng)是較為理想的鍋爐改造方案.

4 結(jié) 論

（1）工況1的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合較好，所用的物理模型和數(shù)學(xué)模型可以用于改造工況的相關(guān)預(yù)測(cè).

（2）增設(shè)燃盡風(fēng)降低了主燃區(qū)溫度，并產(chǎn)生較強(qiáng)的還原性氣氛，有利于降低NOx生成量.根據(jù)計(jì)算結(jié)果，工況2和工況3爐膛出口NOx體積分?jǐn)?shù)較工況1分別降低了29.2%和30.8%.

（3）采用空氣分級(jí)燃燒會(huì)造成屏式過(guò)熱器底部煙氣溫度升高，合理控制空氣分級(jí)可以將升溫幅度降低到較低水平，工況3中此溫度值僅升高了0.3%.

（4）增設(shè)燃盡風(fēng)使工況2和工況3爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)明顯升高，造成鍋爐不完全燃燒熱損失有所增大.

（5）為降低NOx排放，建議按工況3進(jìn)行鍋爐改造.

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