HG-670/13.7-WM15鍋爐低氮燃燒器不同煤粉濃淡比脫硝效果和燃燒特性的數(shù)值模擬

盧洪波，武 帥，劉 暢

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司，安徽 蕪湖 241300)

HG-670/13.7-WM15鍋爐低氮燃燒器不同煤粉濃淡比脫硝效果和燃燒特性的數(shù)值模擬

盧洪波，武 帥1，劉 暢2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.安徽華電蕪湖發(fā)電有限公司，安徽 蕪湖 241300)

針對(duì)某電廠鍋爐氮氧化物排放量超標(biāo)的問(wèn)題，利用前處理軟件Gambit建立爐膛模型，設(shè)置相應(yīng)的邊界條件，利用Fluent軟件對(duì)爐內(nèi)NOx生成進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了煤粉濃淡比對(duì)脫硝效果和燃燒特性的影響。結(jié)果表明：隨著煤粉濃淡比的增大，NOx排放濃度逐漸降低，并且趨于平緩，而飛灰含碳量則隨著煤粉濃淡比的增大呈線性增大，建議合理的煤粉濃淡比為6。

氮氧化物；低氮燃燒器；煤粉濃淡比；飛灰含碳量

由燃煤電廠所排放的氮氧化物(NOx)是大氣的主要污染物之一，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。水平濃淡燃燒技術(shù)是有效脫除NOx的燃燒技術(shù)之一，廣泛應(yīng)用于火電廠脫硝改造項(xiàng)目中。

付忠廣等[1]人模擬了新型水平濃淡燃燒器非化學(xué)當(dāng)量比燃燒，得出了可以降低熱力型NOx的結(jié)論。畢明樹(shù)等[2]人對(duì)一臺(tái)410 t/h的四角切圓煤粉爐水平濃淡燃燒爐內(nèi)NOx的生成及分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，推薦煤粉氣流濃淡比為5左右；當(dāng)與空氣分級(jí)聯(lián)用時(shí)，推薦濃淡比為3到5之間。周秋月等[3]人認(rèn)為隨著濃淡比的增加，NOx的生成量逐漸減少，并趨于緩慢。Daisuke Shimokuri等[4]人研究了預(yù)熱和非預(yù)熱條件下，氧濃度和化學(xué)當(dāng)量比對(duì)燃料型NOx排放量的影響。結(jié)果表明，在非預(yù)熱條件下燃料型NOx濃度極大地依賴于氧濃度和當(dāng)量比，但是在預(yù)熱條件下氧濃度對(duì)NOx濃度的影響可忽略不計(jì)。

本文借助CFD數(shù)值模擬軟件FLUENT 6.3，對(duì)一臺(tái)670 t/h鍋爐在不同負(fù)荷、不同濃淡比下，兩種不同的改造方式爐內(nèi)燃燒過(guò)程以及NOx分布和排放量進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，得出了煤粉濃淡比對(duì)爐膛出口NOx排放濃度及飛灰含碳量的影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象及計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

本文研究對(duì)象為HG-670/13.7-WM15燃煤鍋爐，露天、“倒U”型布置方式，單汽包、單爐膛，采用直流燃燒器，四角切圓布置方式，該燃燒器共有四層一次風(fēng)噴口，一種低氮改造方式是將中間兩層一次風(fēng)噴口由原來(lái)的低阻力直流式燃燒器改造成水平濃淡燃燒器(方案一)；另一種則是將四層一次風(fēng)噴口全部改造成水平濃淡燃燒器(方案二)。爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文研究了三種不同負(fù)荷水平：67%MCR、83%MCR和100%MCR，以及12個(gè)煤粉氣流濃淡比(2～13)。

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 爐膛縱截面網(wǎng)格劃分示意圖

圖3 燃燒器橫截面網(wǎng)格劃分示意圖

1.2 網(wǎng)格劃分及計(jì)算方法

取冷灰斗至爐膛出口為計(jì)算區(qū)域。在燃燒器噴口附近，由于速度、溫度以及壓力等參數(shù)梯度變化極為劇烈，對(duì)燃燒器區(qū)域進(jìn)行局部加密，因此采用分區(qū)劃到網(wǎng)格的方式對(duì)爐膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由下到上將計(jì)算區(qū)域分為五部分：冷灰斗區(qū)域、燃燒器區(qū)域、爐膛中部區(qū)域、折焰角區(qū)域以及爐膛頂部區(qū)域。獨(dú)立對(duì)各區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，區(qū)域之間采用Interior和Interface進(jìn)行連接。為了減小由于離散化引起的偽擴(kuò)散現(xiàn)象[5-7]對(duì)結(jié)果的影響，燃燒器區(qū)域體網(wǎng)格采用六面體(Hex)網(wǎng)格、Cooper方法繪制而成。爐膛縱截面和燃燒器橫截面網(wǎng)格劃分情況如圖2和圖3所示，整個(gè)爐膛網(wǎng)格數(shù)約為120萬(wàn)。

整個(gè)鍋爐模型有三個(gè)主要的邊界條件，燃燒器噴口設(shè)置為速度入口(Velocity-inlet)邊界條件，湍流變量由湍流強(qiáng)度I和水力直徑DH定義[8]。爐膛出口處設(shè)置為壓力出口(Pressure-outlet)邊界條件，爐墻則采用無(wú)滑移壁面(Stationary Wall)邊界條件。

氣相湍流流動(dòng)模型選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，壁面處理采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法。爐膛輻射模型采用P-1模型。氣相湍流燃燒模型采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)(PDF)模型。煤粉顆粒粒徑分布滿足Rosin-Rammler分布。揮發(fā)分析出采用單步反應(yīng)模型，焦炭燃燒采用動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型[9]。壓力-速度耦合采用SIMPLE算法，區(qū)域離散化采用一階迎風(fēng)格式[10]。采用壓力基求解器、隱式格式進(jìn)行求解。

2 計(jì)算結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

2.1 爐膛內(nèi)部NOx分布

圖4和圖5分別為方案一和方案二67%負(fù)荷下?tīng)t膛垂直中截面上NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的等值線圖?？梢钥闯?，隨著煤粉濃淡比的增大，燃燒器區(qū)域NOx質(zhì)量分?jǐn)?shù)的高濃度區(qū)域越來(lái)越小，這說(shuō)明隨著煤粉濃淡比的增大，風(fēng)煤比偏離理論化學(xué)當(dāng)量比的程度增大，有利于形成較為濃厚的還原性氣氛，抑制了NOx的氧化過(guò)程，故而燃燒器區(qū)域的NOx生成量越來(lái)越少。

圖4 方案一爐膛NOx分布云圖

圖5 方案二爐膛NOx分布云圖

2.2 爐膛出口NOx排放濃度

表1列出了方案一和方案二不同濃淡比下?tīng)t膛出口截面的NOx排放濃度。由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著煤粉濃淡比的增大，爐膛出口的NOx排放濃度逐漸降低，而這也驗(yàn)證了由圖4和圖5所得出的結(jié)論。另外，通過(guò)對(duì)比同負(fù)荷下方案一和方案二的NOx排放濃度數(shù)值可以發(fā)現(xiàn)，方案二的脫硝效果要優(yōu)于方案一，這是因?yàn)榉桨付乃幸淮物L(fēng)口全部改造成水平濃淡燃燒器，而方案一只有中間兩層一次風(fēng)口改造成水平濃淡燃燒器。在濃淡分離程度上，方案二要優(yōu)于方案一，因此可以形成更加濃厚的還原性氣氛，能更好地抑制NOx的生成。

表1 爐膛出口截面NOx濃度 mg·m-3

(續(xù))表1

圖6為方案一和方案二不同負(fù)荷水平下?tīng)t膛出口NOx排放濃度的曲線圖。由圖6可以直觀地看出，隨著煤粉濃淡比的增大，爐膛出口NOx排放濃度逐漸降低，但是隨著煤粉濃淡比的進(jìn)一步增大(>6)，爐膛出口NOx排放濃度降低的趨勢(shì)趨于平緩。這說(shuō)明當(dāng)煤粉濃淡比小于等于6時(shí)，脫硝效率比較高；當(dāng)煤粉濃淡比大于6時(shí)，脫硝效率逐漸降低，主要表現(xiàn)在爐膛出口NOx排放濃度不再降低或降低很少，因此不建議煤粉濃淡比大于6，因?yàn)樵贜Ox排放濃度降低極為有限的同時(shí)，過(guò)大的煤粉濃淡比會(huì)加重一次風(fēng)風(fēng)道磨損，極大地降低了鍋爐運(yùn)行的安全性。

圖6 爐膛出口NOx排放濃度曲線圖

2.3 碳轉(zhuǎn)化率及飛灰含碳量

表2列出了方案一和方案二不同濃淡比下?tīng)t膛內(nèi)碳轉(zhuǎn)化率的計(jì)算結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可以看出，在同一負(fù)荷水平下，隨著濃淡比的增大，碳轉(zhuǎn)化率越來(lái)越低。兩種方案相比較來(lái)看，方案二的碳轉(zhuǎn)化率要比方案一低一些?？傮w來(lái)看，碳轉(zhuǎn)化率隨著濃淡分離程度的增大是逐漸減小的。相反，飛灰含碳量隨著濃淡分離程度的增大則會(huì)逐漸增大，具體的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。水平濃淡分離燃燒由于偏離了理論化學(xué)當(dāng)量比，在降低NOx排放濃度的同時(shí)，造成風(fēng)煤混合不均勻，更多的煤粉顆粒來(lái)不及充分燃燒就被吹出爐膛，使得飛灰含碳量呈遞增趨勢(shì)變化。

表2 碳轉(zhuǎn)化率計(jì)算結(jié)果 (%)

表3 飛灰含碳量計(jì)算結(jié)果 (%)

圖7為方案一和方案二不同負(fù)荷水平下飛灰含碳量隨煤粉濃淡比變化關(guān)系。由圖7可以看出，隨著濃淡比的增大，飛灰含碳量幾乎呈線性增大，該結(jié)論與同類型相似容量燃用相似煤種的鍋爐相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)較為接近。與爐膛出口NOx排放濃度不同的是，在圖7的曲線上難以找出一個(gè)點(diǎn)，使得機(jī)械不完全燃燒熱損失的升高幅度呈現(xiàn)變緩的趨勢(shì)。由于NOx排放量和機(jī)械不完全燃燒熱損失隨濃淡比增大而變化的趨勢(shì)相反，因此，既要保證脫硝效率較高，又保證機(jī)械不完全燃燒熱損失盡可能地低。如前所述，由于機(jī)械不完全燃燒熱損失隨煤粉氣流濃淡比的增大呈線性增大趨勢(shì)的變化，從而無(wú)法找到一個(gè)點(diǎn)使得從該點(diǎn)以后的機(jī)械不完全燃燒熱損失不再升高或升高的幅度極其微小，因此濃淡比的合理數(shù)值的確定就僅僅取決于NOx排放量。

圖7 飛灰含碳量變化曲線圖

3 結(jié) 論

(1)該型號(hào)鍋爐共有四層一次風(fēng)噴口，方案一是將中間兩層一次風(fēng)噴口改造成水平濃淡燃燒器，而方案二則是將四層一次風(fēng)噴口全部改造成水平濃淡燃燒器。與方案一相比，方案二能形成更加濃厚的還原性氣氛，在更大程度上抑制了NOx的生成。因此，NOx排放濃度更低一些。

(2)隨著煤粉濃淡比的增大，飛灰含碳量越來(lái)越大，并且呈線性增大，這與爐膛出口NOx排放濃度隨煤粉濃淡比的變化趨勢(shì)相反。由于飛灰含碳量是呈線性方式增大，所以很難確定一個(gè)較為合理的煤粉濃淡比的數(shù)值。因此，煤粉濃淡比的合理數(shù)值可根據(jù)爐膛出口NOx的排放濃度來(lái)確定。

(3)隨著煤粉濃淡比的增大，爐膛出口NOx排放濃度越來(lái)越小，但是隨著煤粉濃淡比的進(jìn)一步增大，NOx排放濃度降低的幅度逐漸平緩。因此，建議煤粉濃淡比為6。

[1] 付忠廣，石黎，段學(xué)農(nóng)，等.低氮改造對(duì)四角切圓鍋爐NOx生成特性的影響[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2015，35(3)：185-190.

[2] 畢明樹(shù)，張叢，周一卉.煤粉濃淡空氣分級(jí)燃燒過(guò)程的數(shù)值模擬[J].動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2010，30(8)：612-616.

[3] 周秋月，朱全利，方彥軍.濃淡偏差直流燃燒器爐內(nèi)燃燒過(guò)程及NOx生成的數(shù)值模擬[J].華中電力，2002，15(6)：5-7.

[4] Daisuke Shimokuri，Shinichi Fukuba，Satoru Ishizuka.Fundamental investigation on the fuel-NOxemission of the oxy-fuel combustion with a tubular flame burner[J].Proceedings of the Combustion Institute，2015，35(3)：3573-3580.

[5] 宋東輝，劉文靜，郭婷婷，等.四角切圓燃燒鍋爐底層燃燒器區(qū)域流場(chǎng)數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，29(4)：64-66.

[6] 王志剛，禚玉群，陳昌和，等.四角切圓鍋爐流場(chǎng)偽擴(kuò)散效應(yīng)網(wǎng)格的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(5)：22-28.

[7] 趙立業(yè)，辛國(guó)華.600MW四角切圓燃燒鍋爐爐內(nèi)過(guò)程的數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，28(6)：48-52.

[8] 于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2008：238-243.

[9] 黃文靜，繆正清，王次成，等.300MW四角切圓煤粉鍋爐低氮燃燒的數(shù)值模擬研究[J].鍋爐技術(shù)，2014，45(3)：39-43.

[10] 潘維，池作和，李戈，等.四角切圓燃燒鍋爐燃燒和污染物排放數(shù)值模擬[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2004，38(6)：761-764.

Numerical Simulation of the Effect of Different Pulverized Coal Bias Ratio on the Denitrification and Combustion Characteristics in Low NOxBurner of HG-670/13.7-WM15 Boiler

Lu Hongbo1，Wu Shuai1，Liu Chang2

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Wuhu of Anhui Huadian Power Generation Co.，Ltd.，Wuhu Anhui 241300)

Aiming at the problem of nitrogen oxide emissions exceeding the standard in a power plant，the model of the furnace was built by using the software Gambit，and the corresponding boundary conditions were set up.The NOxgeneration in the furnace were calculated by using software Fluent.The effect of pulverized coal bias ratio on the denitrification and combustion characteristics was studied.The results show that，with the increase of the pulverized coal bias ratio，NOxemission concentration decreases gradually，and tends to be gentle，but the carbon content of fly ash increases linearly，The authors suggest that the reasonable pulverized coal bias ratio is 6.

Nitrogen oxide；Low NOxburner；Pulverized coal bias ratio；Carbon content of fly ash

2016-11-20

吉林省科技發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)資助項(xiàng)目(20110409)

盧洪波(1968-)，男，博士，教授，主要研究方向：電站鍋爐節(jié)能技術(shù)、高效清潔燃燒技術(shù).

1005-2992(2017)01-0047-06

TK224.1

A

電子郵箱： luhongbo129@163.com(盧洪波)；dy133_ws@163.com(武帥)；bemyself1989@vip.qq.com(劉暢)