數值模擬輔助低NO x燃燒調整試驗的研究

夏文靜，何長征，韋紅旗

（東南大學，江蘇 南京210018）

鍋爐是一個多變量系統，其NOx生成特性非常復雜，很難用簡單的公式進行估算，往往需要采用現場測試的方法加以確定，并通過試驗摸索出降低NOx的方法。但是，由于試驗煤質及負荷不能長時間維持在某一穩定狀態下，現場測試難度較大，因此如何輔助、簡化現場試驗顯得尤為重要。影響NOx排放量及鍋爐燃燒的因素大致可以分為2類：一類為可控因素；另一類為不可控因素。對于氧量、一次風壓、二次風配風方式、制粉系統投用方式等運行參數而言，它們均屬于可控因素。然而對于負荷、煤種、煤粉粒徑來說，由于受生產調控、燃料供給、制粉系統運行方式等限制條件影響，在實際運行中不能隨意調整或調整周期較長，因此屬于不可控因素。不可控因素導致現場試驗不能維持較長時間或調整較為困難，但是通過較為完善的NOx生成數值模擬的輔助，可以消除它的限制，以達到簡化試驗的目的。

1 數值模型的建立

利用已有的Fluent燃燒數值模型對爐內NOx生成進行模擬，為了使模型更具針對性及實用性，該模型網格及數值模型均通過現場試驗數據（冷態空氣動力場測試、熱效率性能測試等數據）對其進行檢驗及修正[1]。

1.1 鍋爐對象

研究的鍋爐對象為410 t/h燃煤鍋爐，該爐為單鍋筒、自然循環、集中下降管、Π形布置的固態排渣煤粉爐。該爐采用四角布置、直流式燃燒器，中儲式制粉系統、干燥劑送粉系統，其爐膛尺寸如圖1所示，燃燒器一、二次風噴口間隔布置，其噴口布置如圖2所示。

圖1 爐膛示意圖

圖2 鍋爐燃燒器噴口布置示意圖

1.2 燃燒器及爐膛網格

模擬利用Gambit軟件提供的非一致化網格生成技術，對爐內進行網格劃分及生成。網格劃分時，盡量采用結構化網格，以提高網格質量及模擬效果。對該爐進行數值模擬之前，首先以相關空氣動力場數據為依據，對燃燒器噴口附近及各物理量劇烈變化的區域進行網格加密處理，修正后燃燒器區域網格系統如圖3所示。

圖3 燃燒器區域

1.3 數值模型

數值模型中模擬氣相湍流輸送采用標準k-ε湍流模型，模擬焦炭的燃燒采用動力學/擴散控制反應速率模型，對煤粉揮發分的釋放采用兩步競爭反應模型，煤粉顆粒的跟蹤采用隨機軌道模型，用混合分數—概率密度函數模型模擬氣相湍流燃燒，采用P-1輻射模型計算輻射傳熱，NOx與湍流之間耦合的模擬采用較為普遍的有限反應的PDF模型，壓力—速度的耦合采用SIMPLE法求解。

數值模擬計算是Fluent軟件計算分析中較為關鍵的一環，將直接影響數值計算的結果。其邊界條件包括流動變量和熱變量。模擬之前，通過該爐以往試驗數據為Fluent提供熱態邊界條件和已知參數，并對數值模型進行修正。

2 數值模擬的分析

數值模擬的不可控因素（煤質、負荷及煤粉粒徑分布等）均維持在同一狀態（即穩定狀態）下，分別對氧量、一次風速、二次風配風及配粉方式不同水平下的爐內燃燒進行了模擬，以分析各參數對NOx排放的影響規律及主次，篩選出影響NOx排放的主要因素，用以合理安排及設計試驗工況。

2.1 相關邊界條件的設置

利用修正后的模型，對不同運行參數（氧量、一次風壓、二次配風方式及配粉方式）在不同水平下的爐內燃燒進行了數值模擬。模擬中所用到的煤質數據均取自該爐以往試驗的樣品分析數據，其煤的元素分析如表1所示，煤粉粒徑分布數據如表2及圖4所示，其他邊界條件的設置，可見文獻[2]。

表1 煤種的元素分析

表2 煤粉的粒徑分布相關數據

2.2 數值模擬分析

不同運行參數（氧量、一次風壓、二次配風方式及配粉方式）在不同水平下的爐內燃燒數值模擬結果，如圖5—8所示。

由圖5可知，保持其他因素不變的情況下，當運行氧量在3%～5%內，其NOx隨氧量單調遞增，其NOx排放量由693 mg/m3升高至773 mg/m3，增量為80 mg/m3，升高率為11.5%。分析認為，由于氧量的增加，導致燃燒器區域的溫度水平有所下降，溫度型NOx雖會有下降，但氧量的增加會導致燃料性NOx上升。當運行氧量在3%～5%時，由于燃料性NOx占主導因素，因此，隨著氧量的增長，NOx排放量有所遞增。

圖5 不同運行氧量下的爐膛NO x分布

由圖6可知，保持其他因素不變的情況下，當一次風壓遞增時，其NOx也隨氧量單調遞增，其NOx排放量由649 mg/m3升高至711 mg/m3，增量為62 mg/m3，升高率為9.6%。分析認為，一次風壓的增加，對于爐膛流場及燃燒器區域溫度水平的改變較小，但由于一次風量的增加，提高了一次風粉氣流中的氧濃度，使得燃燒器區域NOx的生成量有所增加，最終導致爐膛出口NOx排放量增加。

由圖7可知,保持其他因素不變的情況下，當采用不同的二次風配風方式時，其NOx排放量由縮腰配風的671 mg/m3升高至均等配風的698 mg/m3，增量為27 mg/m3，升高率為4.0%，因此，二次風配風方式對NOx生成的影響相對較小，分析認為，這主要是燃燒器固有結構所致。

由圖8可知，保持在其他因素不變的情況下，當改變三層一次風燃燒器的配粉方式時，其對NOx排放量的影響及爐膛內的NOx分布影響均不明顯，分析認為，可能是由于三層噴口較近的緣故導致煤粉的分級效果不明顯，因此，對NOx排放量的影響較小。

圖8 不同配粉方式下的爐膛NO x分布

通過數值模擬分析得知，運行氧量、一次風壓對NOx排放影響較大，而二次風配風方式及燃燒器的配粉方式對其影響較小。綜合考慮數值模擬結果及燃燒調整的需要，計劃安排2個主要影響因素（氧量、一次風壓）對NOx生成影響規律的試驗研究。

3 降低鍋爐NO x排放的試驗研究

根據試驗前的預測分析結果可知，該爐二次風配風及給粉機配粉方式對NOx的影響相對較小。因此，從簡化試驗的角度出發，只對運行氧量及一次風壓進行NOx生成及燃燒效率的試驗研究。本次試驗原計劃進行12個工況（4個運行參數、每個運行參數進行3個水平的測試），經簡化后降為6個試驗工況。其后，再對習慣運行方式及推薦運行方式下的運行工況進行對比試驗。

3.1 氧量變化對效率及NO x排放量的影響

試驗中進行了3種不同氧量水平（2.10%，2.90%，3.57%，氧量為爐膛出口運行氧量的修正值）對效率、NOx排放量影響規律的試驗研究，試驗結果如圖9和圖10所示。

圖9 氧量變化對鍋爐效率的影響

圖10 氧量變化對爐膛出口NO x的影響

從圖9和圖10可看出，效率在氧量為2.5%～3.0%達到最高點；NOx排放量隨氧量的增大而增大，升高率為15.2%，可見其變化趨勢及大小與模擬結果（升高率為11.5%）較為吻合。因此，低過量空氣燃燒可以作為一種最簡單地降低NOx排放的方法[3，4]。高負荷運行中，建議運行氧量維持在2.5%～3.0%，煤質較差時可取其上限。

3.2 一次風壓變化對效率及NO x排放量的影響

試驗中進行了3種不同的一次風壓水平（1 786 Pa，1 942 Pa，2 196 Pa，一次風壓為排粉機出口風壓）對效率、NOx排放量影響規律的試驗研究，試驗結果如圖11和圖12所示。

圖11 一次風壓變化對鍋爐效率的影響

圖12 一次風壓變化對爐膛出口NO x的影響

從圖11和圖12可看出，在正常一次風壓下，隨著一次風壓的逐漸增大，鍋爐效率呈現降低趨勢；NOx排放量則隨一次風壓的增大，有較為明顯地增大趨勢，升高率為15.8%，可見其變化趨勢及大小與模擬結果（升高率為9.6%）較為吻合。因此，對于該爐來說，通過在一次風燃燒區域建立富燃料區以降低NOx排放的方法[3]具有較為明顯的效果。高負荷運行中，為保持較高的燃燒效率及較低的NOx排放，建議煤質較差時，一次風壓維持在1 800 Pa左右，而煤質較好時，可適當提高上述風壓，以防止煤粉氣流燒壞噴嘴。

3.3 運行方式的對比

根據現場得出氧量、一次風壓對NOx排放及鍋爐效率的影響規律，結合模擬預測得出相關結論，將低氧、低一次風壓、縮腰二次風配風、正塔式配粉方式定為低NOx優化運行方式。同時，綜合鍋爐運行狀況、生產的安全性及經濟角度出發，推薦低NOx排放優化運行方式，如表3所示。

表3 對比工況相關運行數據及結果

（1）習慣運行方式下，爐膛出口氧量約為3%，該值較為合理。因為從數值模擬及試驗數據可知，當氧量維持在2.5%～3.0%時，即可以保持較高的鍋爐效率，又可以保持較低的NOx排放量。

（2）習慣運行方式下，排粉機出口壓力為2 000 Pa左右，該值略有偏大，但考慮到燃用優質煤時，一次風壓較低會導致噴口高溫變形，因此可適當降低至1 900 Pa左右。

（3）習慣運行方式下，由于該爐滿負荷運行時風量不足，二次風配風調節受限，因此采用“均等”配風方式。推薦運行方式則維持原有配風方式，但是建議在低負荷運行時，采用“縮腰”配風方式。

從上述分析可知，習慣運行方式與低NOx優化運行方式較為接近，習慣運行方式已較為合理。但是，通過推薦優化運行方式，可以在保持鍋爐原有較高熱效率的情況下，使NOx排放量進一步降低13.8%左右，這對降低NOx排放仍有一定效果。

4 結束語

通過試驗研究可知，該爐原有習慣運行方式已較為合理，如果通過進一步優化運行，可以保持鍋爐在原有高熱效率的情況下，使得NOx排放量仍有所降低。

借以數值模擬輔助試驗的設計及安排，可較為有效地簡化試驗工況，較大地降低試驗工作量。同時，利用修正后的FLUENT燃燒模型，還可以對不可控因素（如不同煤質、不同煤粉粒徑、不同負荷）及燃燒設備改造進行爐內燃燒及NOx生成的數值模擬分析。

[1]陳強飛.410 t/h鍋爐高效低NOx排放的試驗研究及數值模擬[D].南京：東南大學，2009.

[2]宋亞強，劉 霞.400 t/h煤粉爐分級燃燒的數值研究[J].鍋爐技術，2004，35（3）：31-34.

[3]毛健雄.煤的清潔燃燒[M].北京：北京科學出版社，1998.

[4]李芳芹，任建興，趙賢兵.燃煤電站鍋爐NOx排放的試驗研究[J].動力工程，2005，25（10）：46-50.