高速燃盡風(fēng)射流對NOx與CO協(xié)同控制的模擬研究

張?健，劉毅成，劉?薇，馬倩慧，白?昊，張忠孝

高速燃盡風(fēng)射流對NO與CO協(xié)同控制的模擬研究

張?健1，劉毅成1，劉?薇1，馬倩慧1，白?昊1，張忠孝2

(1. 上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093；2. 上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，上海 200240)

針對某75t/h四角切圓煤粉電站鍋爐采用深度空氣分級脫硝后帶來的CO濃度提升問題，提出了高風(fēng)速燃盡風(fēng)射流對NO與CO協(xié)同控制的方法．使用計算流體力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬方法，研究了該技術(shù)的工作原理以及對火焰燃燒特性的影響．研究結(jié)果表明：①對傳統(tǒng)空氣分級，燃盡風(fēng)風(fēng)率從20%增加到40%時，鍋爐出口NO質(zhì)量濃度從450mg/m3降低到263mg/m3，同時折煙角處CO質(zhì)量濃度從15.5mg/m3增加到428.3mg/m3；②采用高速燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)風(fēng)率為40%，風(fēng)速提高至82m/s，可以保證NO與CO同時有效控制；③高風(fēng)速對CO燃盡的原因，歸因于在爐內(nèi)形成一個大回流區(qū)，此處有氧濃度高、停留時間長、湍流強度高等特點，這些都促進(jìn)了CO燃盡，模擬也表明高風(fēng)速燃盡風(fēng)噴射不影響爐內(nèi)煤粉燃燒過程．該新工藝的提出與數(shù)值模擬研究，對深度空氣分級脫硝與CO同時控制的工業(yè)應(yīng)用有一定理論指導(dǎo)意義．

空氣分級；數(shù)值模擬；燃盡風(fēng)；NO；CO燃盡

目前我國燃煤發(fā)電機組的NO排放應(yīng)控制低于100mg/m3排放[1]．規(guī)定新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C組排放限值，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，氮、氧化物排放濃度分別不高于50mg/m3[2]．目前很多大型電站已經(jīng)通過使用選擇性催化還原技術(shù)(SCR)實現(xiàn)NO排放控制低于50mg/m3. SCR技術(shù)的使用，伴隨著大量噴氨、可能的氨逃逸、后續(xù)管道結(jié)焦傾向以及經(jīng)濟性付出等．如何在鍋爐本體控制NO的多種聯(lián)合技術(shù)中，更加優(yōu)化每個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)經(jīng)濟且可靠的脫硝控制，是一個重要課題．

空氣分級技術(shù)是很傳統(tǒng)的技術(shù)，可以創(chuàng)造還原區(qū)域促進(jìn)NO還原反應(yīng)發(fā)生，一般可降低NO排放20%～30%[3-4]．但是，也會產(chǎn)生一系列的問題，比如爐膛頂部火焰一定超溫，過熱器補水量增加[5]；爐內(nèi)燃燒推遲，火焰中心上移，爐膛出口的飛灰含碳量增加[6-8]，爐內(nèi)大量CO未燃盡[9-10]．通過實驗研究，高風(fēng)速燃盡風(fēng)(SOFA)對于控制CO燃盡、飛灰含碳量燃盡有一定的作用[11-12]．也有研究通過數(shù)值模擬分析高風(fēng)速燃盡風(fēng)起作用的原因[12-14]．不過，研究高風(fēng)速燃盡風(fēng)的參考文獻(xiàn)較少，理論分析尚不透徹．

本文在考慮深度空氣分級的基礎(chǔ)上，分析了高風(fēng)速燃盡風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計思路，通過計算流體力學(xué)(CFD)模擬先研究了高風(fēng)速后爐內(nèi)CO、NO排放的變化，以及對爐內(nèi)燃燒的煤粉火焰的影響．該研究為電站煤粉鍋爐有效控制NO及CO燃盡有一定的理論指導(dǎo)意義．

1?數(shù)值模擬深度空氣分級對CO排放的影響

本文研究對象為某電廠75t/h四角切圓煤粉鍋爐，鍋爐設(shè)計煤種為AⅢ煙煤，煤質(zhì)分析見表1，設(shè)計熱效率為90.24%．爐高18.5m，截面尺寸為5392mm×6106mm(深×寬)，正方形π型鍋爐，燃燒器為四角切圓布置．圖1(a)為鍋爐的三維結(jié)構(gòu)布置，以及燃燒器和SOFA的各個噴口位置．圖1(b)為主燃區(qū)橫截面網(wǎng)格，鍋爐網(wǎng)格共計約160萬，經(jīng)過網(wǎng)格的獨立性分析檢驗．

表1?煤質(zhì)分析

Tab.1?Analysis of coal quality

圖1?鍋爐模型建立與網(wǎng)格劃分

使用Ansys-Fluent 15.0軟件進(jìn)行CFD模擬．模型選型與工況設(shè)置如下：①對氣相湍流計算，采用Realizable-模型；②采用隨機離散相模型(DPM)獲得煤粉顆粒運動；③在歐拉場與顆粒拉格朗日場耦合過程中，每次迭代共跟蹤3840個煤粒子軌跡；④氣相湍流燃燒的模型選用有限反應(yīng)速率-渦耗散模型；⑤輻射換熱模型使用離散坐標(biāo)(DO)模型；⑥采用SOFA風(fēng)率為20%、30%、40%作為模擬工況；⑦NO生成模擬采用后處理方法計算，考慮熱力型NO與燃料型NO的生成．具體的參數(shù)設(shè)置可參考作者的前期研究[15-17]．

圖2模擬了鍋爐滿負(fù)荷工作的鍋爐不同高度處的煙氣溫度與組成．SOFA風(fēng)率20%時，模擬結(jié)果的NO質(zhì)量濃度為450mg/m3．在實際工程改造前SOFA比例為20%，煙氣中NO質(zhì)量濃度實測結(jié)果為420～450mg/m3，可見模擬與實測對比較好．對于滿負(fù)荷工況，在鍋爐折焰角附近的觀火孔內(nèi)往爐內(nèi)插入約3m的熱電偶，測試煙氣溫度為980～1008℃，此時鍋爐尾部煙道處的氧化鋯設(shè)備測出煙氣氧氣體積分?jǐn)?shù)約3.7%，這些實測數(shù)據(jù)都與模擬結(jié)果有較好的吻合，表明模擬結(jié)果合理可靠．

圖2中分別討論了不同空氣分級配置對煙氣溫度、CO體積分?jǐn)?shù)、NO質(zhì)量濃度在爐內(nèi)縱高方向的影響規(guī)律．圖2(a)為各工況下沿高度方向上的截面平均溫度的變化情況．SOFA風(fēng)率從20%提高到40%，會讓燃燒器火焰區(qū)溫度降低，同時讓火焰拉長，頂部煙氣溫度提高．20%、30%、40%的燃盡風(fēng)工況下，在折焰角位置的煙氣平均溫度分別為990℃、1004℃、1040℃．過高的燃盡風(fēng)配比，會造成蒸汽管道一定超溫，增加過熱器中的減溫水水量需求．圖2(b)展示了爐膛出口(折煙角)處的CO體積分?jǐn)?shù)，當(dāng)SOFA從20%提高到40%，CO體積分?jǐn)?shù)從14.3×10-6(15.5mg/m3)增加到388.8×10-6(428.3mg/m3)．SOFA為40%工況在還原區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)約為4000×10-6～13000×10-6，明顯高于3000×10-6～10000×10-6(30%燃盡風(fēng))和500×10-6～4000×10-6(20%燃盡風(fēng))情況．圖2(c)中，SOFA風(fēng)率從20%增加到40%時，爐膛出口處NO的排放量從450mg/m3下降到263mg/m3，即下降了41.6%，可以實現(xiàn)有效控制．深度空氣分級對于NO降低是有效的，如何同時控制CO的排放是一個重要問題．

圖2?模擬不同燃盡風(fēng)風(fēng)率下爐內(nèi)溫度、CO與NOx分布

2?高風(fēng)速燃盡風(fēng)的設(shè)計構(gòu)想

選擇專有的高壓新風(fēng)模式(見圖3)，即通過某專用的高壓風(fēng)機，直接提高燃盡風(fēng)的風(fēng)速．若直接從大風(fēng)箱抽風(fēng)，則會對大風(fēng)箱的其他配風(fēng)有不利影響．這里希望有專門的熱風(fēng)管路實現(xiàn)風(fēng)速提高，建議設(shè)計有專門的高風(fēng)速SOFA風(fēng)管路和相關(guān)的預(yù)熱裝備．通過一定的空氣預(yù)熱器預(yù)熱，既有一定的高溫預(yù)熱，又連接高壓風(fēng)機，實現(xiàn)高風(fēng)速SOFA風(fēng)噴射的目的．

圖3?高速燃盡風(fēng)工藝設(shè)計示意

3?數(shù)值模擬分析高風(fēng)速燃盡風(fēng)的影響

圖4模擬了高壓風(fēng)機法控制高風(fēng)速燃盡風(fēng)對煙氣溫度及CO、NO排放的影響．圖4(a)可看出在配風(fēng)30%與40%的兩個工況，在高風(fēng)速的影響下，SOFA風(fēng)口以上空間的溫度有一定的下降，不過下降幅度約30℃，控制高風(fēng)速SOFA對CO和NO的研究結(jié)果分別見圖4(b)和(c)．兩個工況的模擬都說明可以有效提高CO燃盡，還原區(qū)位置的CO體積分?jǐn)?shù)大降．高風(fēng)速燃盡風(fēng)工況的后期NO排放比低風(fēng)速燃盡風(fēng)工況的微高，這與還原區(qū)上部氧體積分?jǐn)?shù)略提高有關(guān)，但是影響不大，可以忽略．

圖5為不同SOFA風(fēng)速下爐膛截面的煙氣上升速度分布，可以明顯看出提高燃盡風(fēng)量和提升燃盡風(fēng)速度，都可以在燃盡風(fēng)區(qū)形成一個“心型”的大回流區(qū)，特別是高風(fēng)速SOFA40%的燃盡風(fēng)工況．大回流區(qū)的直徑約為爐膛長或?qū)挼囊话?，高度約2m．隨著SOFA風(fēng)風(fēng)速的增大，速度的增大使得射流氣流的剛性明顯較強，并且射流擴散情況較好，因而有利于SOFA與主氣流的充分混合．

圖6是對SOFA40%高風(fēng)速工況的模擬數(shù)據(jù)，以爐膛中燃燒器1#角與3#角對置噴口的對角線橫截面出圖．分圖6(a)中，燃盡風(fēng)噴口對角截面的速度分布圖中顯示了燃盡風(fēng)下部有一定的煙氣回流區(qū)，煙氣被高速氣流阻隔在燃盡風(fēng)下方，這引起了爐膛下方的煤粉顆粒停留時間的增加．分圖6(b)中，爐內(nèi)的大回流區(qū)中氧氣體積分?jǐn)?shù)較高．分圖6(c)中，CO大量在回流區(qū)被燃燒．發(fā)現(xiàn)CO與焦炭的燃燒主要集中在燃燒器區(qū)域和與還原區(qū)．燃盡風(fēng)上部也有一定的焦炭與CO燃燒，但是份額較少．

圖5 不同SOFA風(fēng)下爐膛截面的煙氣上升速度分布

圖6 SOFA＝40%高風(fēng)速燃盡風(fēng)工況的大回流區(qū)的特性分析

4?中心回流區(qū)附近的煤粉顆粒軌跡分析

圖7是高風(fēng)速的40%燃盡風(fēng)工況跟蹤一個角的上下兩個煤粉噴口的煤粉入射軌跡線．分圖7(a)是顆粒經(jīng)過位置的氧氣體積分?jǐn)?shù)，煤粉僅僅在燃燒器噴口附近和燃盡風(fēng)噴口附近與更多氧氣接觸，在更多的位置氧氣體積分?jǐn)?shù)都約低于1%．分圖7(b)中，跟蹤顆粒發(fā)生的上升速度為正代表顆粒往上運動，為負(fù)代表往下運動．可見顆粒幾乎很少進(jìn)入燃盡區(qū)域的大回流區(qū)，煤粉都是通過靠近鍋爐壁面的位置進(jìn)入更上層空間，也就是說回流區(qū)中走的不是煤粉，而是帶有CO的煙氣．因為CO在大回流區(qū)有更多的停留時間，所以促進(jìn)了CO的燃盡.

圖7 SOFA＝40%高風(fēng)速燃盡風(fēng)工況的顆粒運動軌跡跟蹤

5?高風(fēng)速對CO與NOx同時控制的討論

對不同SOFA風(fēng)率的工況模擬結(jié)果進(jìn)行匯總，模擬得到的尾部煙氣組成見表2．提高SOFA風(fēng)的速度后發(fā)現(xiàn)溫度變化并不明顯，CO有明顯降低．SOFA為30%和40%的工況里的CO分別降低了187.5mg/m3和303.2mg/m3．當(dāng)SOFA風(fēng)速分別從33.79m/s、41.25m/s增加到64m/s、82m/s時，NO濃度均有小幅度增加，該增加幅度是小的．這里最優(yōu)工況是40%SOFA且使用高風(fēng)速，既可以促進(jìn)NO有效控制，又能實現(xiàn)CO不超標(biāo)．

ALSTOM公司做了高風(fēng)速SOFA的相關(guān)實驗與模擬研究[12]．圖8是實驗數(shù)據(jù)，是在一定風(fēng)速的基礎(chǔ)上(原文沒有介紹)，以倍數(shù)的形式提高了SOFA風(fēng)的速度．2.5倍風(fēng)速比1.5倍風(fēng)速工況CO有一定的降低，同時飛灰未燃盡碳含量降低．同時，NO變化較小，高風(fēng)速對其幾乎沒有變化．這些結(jié)論都和本文的研究結(jié)果類似．不過，該文獻(xiàn)將CO降低歸結(jié)為高風(fēng)速促進(jìn)了SOFA風(fēng)截面的氣流混合，氧氣體積分?jǐn)?shù)均勻．本文不同意該觀點，認(rèn)為該現(xiàn)象歸因到大回流區(qū)的形成．

表2?不同模擬工況下爐膛出口煙氣參數(shù)的比較

Tab.2 Comparison of flue gas parameters at the furnace outlet under simulated conditions

圖8 高風(fēng)速燃盡風(fēng)對NOx、飛灰含碳量和CO影響的實驗數(shù)據(jù)[12]

6?結(jié)?論

目前我國燃煤發(fā)電機組的主要污染物之一就是NO，系統(tǒng)提升機組的NO綜合最優(yōu)化管控是一個重要課題．本文針對傳統(tǒng)空氣分級引起的爐內(nèi)大量CO未燃盡問題，提出了高風(fēng)速燃盡風(fēng)的工藝設(shè)計．并通過CFD數(shù)值模擬研究分析了該工藝的特點，探索CO的成因．

(1) 傳統(tǒng)空氣分級，燃盡風(fēng)風(fēng)率從20%增加到40%時，鍋爐出口NO質(zhì)量濃度從450mg/m3降低到263mg/m3，同時折煙角處CO質(zhì)量濃度從15.5mg/m3增加到428.3mg/m3．

(2) 燃盡風(fēng)風(fēng)率為40%，同時風(fēng)速提高至82m/s，爐膛出口CO及NO質(zhì)量濃度分別為125.1mg/m3和274.3mg/m3，該工況可以同時控制NO與CO．

(3) 高風(fēng)速對CO燃盡的原因在于爐內(nèi)形成一個大回流區(qū)，此處由高氧、高停留時間、高湍流強度等特點，都促進(jìn)了CO燃盡．

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Numerical Simulation Research on the Hybrid Control of NOand CO Emissions Through High-Speed SOFA Injecting

Zhang Jian1，Liu Yicheng1，Liu Wei1，Ma Qianhui1，Bai Hao1，Zhang Zhongxiao2

(1. School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The deeper air staging in a furnace helps control NOemission but also results in the increase of CO concentration at the furnace outlet. Therefore，high-speed separated over-fire air(SOFA) injecting is put forward to decrease both NOand CO emissions. A CFD modeling was conducted on a 75t/h tangentially pulverized-coal-fired furnace to clarify its mechanism and its influence on combustion characteristics. The conclusions are as follows. First，with the SOFA ratio is enhanced from 20% to 40%，the NOemission decreases from 450 to 263mg/m3，and the CO concentration rises from 15.5 to 428.3mg/m3at the smoke deflecting corner. Second，in the case of higher-speed SOFA injecting，i.e.，the blowing velocity of 82m/s and SOFA ratio of 40%，the reduction of both NOand CO emissions can be guaranteed. Third，the influence of the new approach on accelerating CO burnout is due to a large reflux zone formed beneath the SOFA layer，with characteristics of a higher oxygen concentration，a longer residence time and a higher turbulence intensity of flue gas. This modeling also shows that the combustion process of pulverized coal is not impacted by higher-speed SOFA injecting. This study gives a new understanding of the control of both NOand CO emissions in industrial applications.

air staging；numerical simulation；separated over-fire air (SOFA)；NO；CO burnout

TK16；X51

A

1006-8740(2021)05-0507-07

10.11715/rskxjs.R202006001

2020-09-03．

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2018YFB0604202)．

張??。?978—??），男，博士，講師．

張?健，jzhang66@163.com．

(責(zé)任編輯：武立有)