煤粉濃淡空氣分級燃燒過程的數值模擬

畢明樹, 張 叢, 周一卉

(大連理工大學化工機械學院,大連116012)

煤粉作為一次能源,其清潔、高效燃燒一直是科 研人員研究的熱點.燃煤鍋爐是煤粉利用的主要方式,其排放的污染物主要由NO x、CO和固體粒子(包括未燃燒和部分燃燒)等組成.目前,燃煤鍋爐存在NO x排放超標和飛灰含碳量高等環境污染問題.以降低排放為主的低NO x燃燒技術主要包括低過量空氣系數燃燒、空氣分級燃燒、濃淡燃燒及煤粉再燃等.由于煤粉濃淡燃燒依賴于燃燒器的結構,因此大多研究限于實際改造工況和單個燃燒器的結構,而對煤粉濃淡燃燒爐膛的研究較少.濃淡燃燒技術[1]是利用濃淡偏差燃燒器在爐膛一次風入口調節煤粉和空氣分布,形成遠離化學當量比的燃燒條件,從而降低NO x的生成.針對1臺400 t/h的四角切圓煤粉燃燒鍋爐,筆者在空氣分級燃燒技術[2-3]的基礎上提出了濃淡燃燒改造,并借助Fluent 6.3軟件對改造前后鍋爐的燃燒狀況進行了數值模擬,為電廠實施鍋爐設計和改造提供了理論依據.

1 研究對象與網格劃分

1.1 研究對象

本文模擬研究的對象為400 t/h四角切圓燃煤鍋爐爐膛,其爐膛結構和尺寸見圖1.從圖1可知：常規燃燒指燃盡風(OFA)噴口不開啟;濃淡燃燒改造其3層一次風噴口,保證燃燒器噴口大小,噴口個數和高度均不變,中間加隔板,濃淡兩側噴口大小均等,切圓內側為濃側噴口.表1為煤的工業分析和元素分析,表2為煤質的物理參數.煤粉粒徑按照Rosin-Ramm ler方法分布,R200為2%,R90為22%.

圖1 爐膛結構和尺寸示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic of the 400 t/h tangentially fired boiler and its dimensions

表1 煤的工業分析和元素分析Tab.1 Proximateand u ltimateanalysis of the coal

表2 煤質的物理參數Tab.2 Physica l parameters of the coa l

1.2 網格劃分

在非燃燒器區域的橫截面上,采用標準四邊形網格.圖2為燃燒器的截面網格,從圖2可知：在燃燒器區域,采用圖2所示的燃燒器截面網格劃分形式,使網格疏密趨向和劃分方向均與煤粉空氣從四角噴入的方向相一致,盡量減少“偽擴散”[4]所造成的計算誤差;在燃燒器區域,對網格進行了局部加密.圖3為爐膛的網格,爐膛的整體網格數約為12萬個.

圖2 燃燒器的截面網格Fig.2 Sectionm eshes of bu rners

圖3 爐膛的網格Fig.3 M eshes of the furnace

2 數學模型與計算方法

2.1 數學模型

在數值模擬中,氣相的湍流流動選擇Realizab le k-ε數學模型;氣相湍流燃燒采用單混合分數概率密度函數模型,選取β-PDF模型;煤粉顆粒相流動采用隨機軌道方法;揮發分析出模型為雙競爭反應熱解模型;焦炭燃燒采用動力/擴散控制燃燒模型;采用P-1輻射模型計算輻射傳熱.在煤粉濃淡入射過程中,忽略煤粉空氣在燃燒器中二次分布不均勻的影響.采用濃、淡兩個入口,以面入射的方式實現.

2.2 NO x和煤煙模型

采用后處理的方法對NO x和煤煙的生成進行了數值模擬[4-5].煤煙的生成采用雙步反應模型,燃料為C(s),氧化劑為O2.NO x的生成來自3種型式：熱力型、快速型和燃料型.對熱力型NOx采用擴展Zeldovich機理,中間產物[O]、[OH]均采用部分平衡模型;對于快速型NO x,燃料組分為C(s);對于燃料型NOx,揮發分中的氮首先轉化為中間產物HCN,然后部分HCN轉化為NO,焦炭中的氮直接轉化為NO.湍流對NO x生成的影響可采用溫度和氧濃度的β型概率密度函數進行模擬.

2.3 數值計算方法

采用穩態計算和有限容積法離散方程,并使用二階迎風格式進行三維數值模擬.對壓力與速度的耦合則采用Sim ple算法,并采用 TDMA法求解代數方程組.

入口條件按速度入口取值,固相以面入射方式給出流速、質量流量和溫度.進口處湍流動能k取進口處平均動能的3%,湍流動能耗散率根據進口處的k值和進口特征長度計算得出.出口條件按壓力出口條件取值,壁面邊界條件取無滑移條件,對于流體近壁區域則采用壁面函數法.

3 結果與分析

3.1 模擬工況

本文模擬的爐膛燃燒參數依據實際工況,模擬原工況下一次風速為27m/s,采用二次風等配風方式,風速為45m/s;空氣分級工況下OFA風率為總風量的20%,風速為36 m/s,一次風速為27 m/s,二次風為均等配風,風速為36m/s.表3為不同濃淡比工況下的煤粉燃燒參數.

表3 不同濃淡比工況下的煤粉濃淡燃燒參數Tab.3 Combustion parameters at pulverized coal bias m ode for different rich/lean ratios

3.2 煤粉濃淡比對燃燒效果的影響

圖4為在無燃盡風時,煤粉濃淡比對NO x和煤煙生成量的影響.從圖4可以看出：隨著一次風濃淡兩側煤粉濃淡比的增大,NO x生成量下降趨勢較明顯;當濃淡比大于5時,下降趨勢變緩.隨著煤粉濃淡比的增大,煤煙生成量增加,當煤粉濃淡比大于5時,進一步加大煤粉濃淡比使煤煙生成量急劇增加.總之,僅采用煤粉濃淡燃燒對煤煙的生成量影響較小.在前期,煤煙生成量增幅較小,原因是在無OFA時二次風率較大,二次風口距離一次風口較近,燃燒器區域氧氣較充足;而當煤粉濃淡比過大、局部煤粉濃度過高時,高溫低氧燃燒會導致煤煙的大量生成[6].

圖4 無OFA時煤粉濃淡比對NO x和煤煙生成量的影響Fig.4 Influence of rich/lean ratio on emission of NO x and soot,withou t overfired air

圖5為在空氣分級燃燒下煤粉濃淡比對NOx和煤煙生成的影響.從圖5可知：隨著煤粉濃淡比的增加,NO x的生成量隨之減小,當煤粉濃淡比大于5時NOx排放趨勢較為平緩,這與無燃盡風噴口時得到的結論基本一致;煤煙生成量隨著濃淡比的增加先減少后增加,但在煤粉濃淡比大于5后,煤煙生成量急劇增加,比不采用煤粉濃淡燃燒時的生成量還大.

圖5 在空氣分級燃燒下的煤粉濃淡比對NO x和煤煙生成的影響Fig.5 Influence of rich/lean ratio on em ission of NO x and soot,at air-staged combustionm ode

3.3 煤粉濃淡與空氣分級燃燒過程的溫度對比

圖6～圖8中(a)、(b)、(c)、(d)依次代表常規燃燒、煤粉濃淡燃燒(濃淡比為5)、空氣分級燃燒(燃盡風風量為20%)和煤粉濃淡空氣分級燃燒(濃淡比為5、OFA風量為 20%)4種工況.圖6給出了各工況下爐膛中心截面的溫度場分布.由圖6可知,與常規燃燒相比,采用煤粉濃淡燃燒時的爐膛最高溫度略有下降,但爐內高溫區域增大,溫差縮小,爐膛出口溫度比原工況有所升高.這是因為濃淡燃燒推遲了煤粉的燃盡時間,因而導致高溫區域上移.僅采用空氣分級燃燒時,爐膛內最高溫度比前2種工況低,其原因是分級燃燒將部分氧量送到燃盡風口,使主燃燒區域氧量減少而導致燃燒不充分.采用煤粉濃淡結合空氣分級燃燒后,爐膛內高溫范圍比前3種工況都大,爐內的最高溫度比前3種工況都低,對NOx的生成起到了一定的抑制作用,其爐膛出口的煙溫最高,其原因為：OFA的噴入補充了氧氣,使未燃煤粉得到再次完全燃燒放出熱量.

圖6 各工況下的溫度對比(單位：K)Fig.6 Comparison of temperatu re profiles under various w orking conditions(unit：K)

3.4 煤粉濃淡與空氣分級燃燒過程中的NO x排放對比

圖7為各工況下爐膛中心截面NOx生成量的對比.與原工況相比,煤粉濃淡、空氣分級及兩者聯用使NO x排放量分別降低了 15.8%、17.7%和27.6%.與圖6的溫度場對比可看出：爐膛中心溫度的最高值對應NO x濃度的最大值,爐內的溫度水平對NO x的生成影響很大.采用煤粉濃淡空氣分級燃燒后,爐膛中心的最高溫度與NOx濃度的最大值均有所下降,NO x的高濃度范圍也有所縮小.這是因為空氣分級使燃燒器區域處于富燃貧氧條件,煤粉濃淡使局部的空氣和煤粉處于富燃貧氧條件,這兩者使煤粉在貧氧環境下析出還原性組分HCN和NH i,對NO x有一定的還原作用,因而抑制了NO x的生成.由于燃燒器區域及燃燒器下部區域的氧量較少,因此NOx的生成量也隨之減少,而燃燒器區域上部燃盡風的噴入極大地降低了NO x的生成濃度.

圖7 各工況下爐膛中心截面NO x生成量的對比(單位：m g/m3)Fig.7 Comparison of em ission profilesof NO x on cen tral section in fu rnace under various w orking conditions(unit：mg/m 3)

3.5 煤粉濃淡與空氣分級燃燒過程中的煤煙濃度對比

圖8為各工況下爐膛中心截面煤煙生成量的對比.由圖8可以看出：與原工況相比,在僅采用煤粉濃淡或空氣分級燃燒時,煤煙最大濃度分別提高了6.1%和4.3%;而采用兩者聯用時,煤煙濃度卻降低了7.1%.僅采用空氣分級燃燒的煤煙高濃度范圍擴大較多,但其最大濃度值卻有所降低,這是因為煤煙生成于高溫低氧環境中,采用空氣分級之后,燃燒器下部處于低氧狀態且溫度較高,煤煙生成濃度也較高,燃燒器上部由于二次風及OFA的噴入補充了氧氣,隨著煤粉的燃盡,該處成為爐膛的最高溫度區,所以煤煙生成量也達到最大.在兩者聯用工況下,煤煙的高濃度區域較大,但優于僅采用空氣分級燃燒工況,這是因為：①爐溫整體低于空氣分級燃燒工況;②空氣分級、煤粉濃淡造成的低氧環境使煤煙的生成集中在爐膛中、下部,而在爐膛出口的濃度較低.

4 結 論

(1)采用煤粉濃淡燃燒時,最佳煤粉濃淡比為5,而煤粉濃淡空氣分級燃燒時的最佳煤粉濃淡比為3～5.

(2)僅采用煤粉濃淡燃燒時,隨著濃淡比的增大,NO x的生成量減少,煤煙的生成量增加;在大于最佳濃淡比之后,隨著濃淡比的增大,NO x生成量減少的趨勢變緩.聯合空氣分級燃燒之后,濃淡比對NO x的影響規律與僅采用煤粉濃淡燃燒工況的相同,煤煙生成量隨著濃淡比的增大先增加后減少,OFA的噴入使煤煙生成量急劇增加.

(3)空氣分級降低了主燃燒區域的氧量,而煤粉濃淡形成了局部富燃貧氧條件,兩者推遲了煤粉的燃盡,在主燃燒器區域形成還原性氣氛,導致爐內的最高溫度降低,進而抑制了NO x和煤煙的生成.

(4)僅采用空氣分級或煤粉濃淡任一種方式,均使NO x生成量減少,同時使煤煙生成量增加.采用兩種方式聯用可同時減少NO x和煤煙的生成量,其中NO x生成量的最大降幅可達27.6%.

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