300 MW煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐NOx優化數值模擬

李 偉，王金星，黃江城，王春波

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

300 MW煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐NOx優化數值模擬

李 偉，王金星，黃江城，王春波

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003）

利用Fluent軟件對某鋼廠300 MW煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進行數值模擬，探討了燃燼風配比、高爐煤氣配比、過量空氣系數及運行負荷等因素對爐膛內CO濃度分布及NOx濃度分布的影響規律。研究表明：燃燼風配比增加，燃燒器附近的CO濃度峰值增加且爐膛內部的NOx濃度整體降低；高爐煤氣配比增加，爐膛內部的CO濃度的峰值下降，同時NOx濃度呈整體下降趨勢；隨著過量空氣系數增加，燃燒器上部的CO濃度均有所下降，而NOx濃度逐漸上升；運行工況對爐膛內部CO濃度的分布影響不大，隨著負荷的降低，峰值略有升高，然而NOx濃度分布在燃燒器上部受負荷影響較顯著，隨著負荷下降，NOx濃度逐漸下降。

煤粉；高爐煤氣；混燃鍋爐；NOx；CO；數值模擬

0 引言

隨著鋼鐵工業的發展，生產中的副產煤氣（高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣等）大量增加，這些煤氣約占鋼鐵企業總能耗量的30%～40%［1］。其中焦爐和轉爐煤氣熱值較高可在生產或生活中利用，因此高爐煤氣的回收和利用是鋼鐵企業節能降耗的重要環節。其中高爐煤氣在鋼鐵企業中產量巨大，每煉1 t生鐵約可以得到高爐煤氣3 500 m3。高爐煤氣中可燃成分主要是CO，但是所占比例很小只有20%左右，不可燃成分體積分數高達80%左右。所以高爐煤氣熱值非常低，利用率很低而且燃燒不穩定［2］。因此，如何有效地利用高爐煤氣是目前面臨的節能問題。

高爐煤氣和煤粉在爐內摻燒是一種有效利用途徑［3］。然而由于高爐煤氣的低熱值，混燃鍋爐的燃燒存在燃燒穩定性差、煤粉燃盡困難等問題［4］。目前，國內外學者針對煤粉爐內燃燒進行了模擬［5～10］。對煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐模擬的研究較少，尤其針對煤粉／高爐煤氣混燃爐膛內NOx的分布特性更為罕見［11］。本文利用Fluent軟件對煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進行模擬，以便對爐膛內NOx分布進行分析探討，進而期望對今后研究煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐NOx優化排放提供參考。

1 研究對象

選取某鋼廠300 MW機組煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐為模擬對象。該鍋爐為亞臨界參數、一次中間再熱、自然循環汽包爐，采用四角切圓燃燒方式，設計燃料為煙煤，設計燃燼風配比為10%，摻燒高爐煤氣比例為20%。燃用煤的實驗分析見表1，高爐煤氣成分分析見表2。

鍋爐為單爐膛，燃燒器為四角布置的擺動式燃燒器，切向燃燒，上下擺動的最大角度為±30°。燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為38°和44°，在爐膛中心形成逆時針旋向的兩個直徑不同的假想切圓。為了削弱爐膛出煙氣的旋轉強度，減小四角燃燒引起爐膛出

2 計算方法

表1 煤的實驗分析Tab.1 Experimental analysis of coal

表2 高爐煤氣成分分析Tab.2 Analysis of BFG

出口煙溫偏差，燃燼風室被設計成反切，使其噴嘴出口中心線同主噴嘴中心線成12°的夾角。鍋爐的寬、深為14 048 mm×12 468 mm，高為58 900 mm。鍋爐共布置7層燃燒器噴口，其中上5層為煤粉噴口，下2層為高爐煤氣噴口。鍋爐爐膛構架和燃燒器布置見圖1。

模擬軟件采用Fluent，爐膛網格采用分段劃分，從冷灰斗至爐膛出口劃分為7部分。爐膛截面網格采用Paving方法生成非結構四邊形網格，燃燒器體網格用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網格。Paving方法生成的輻射狀網格線與四角射流的氣流軌跡基本平行，減小了網格線與流線的夾角，降低數值偽擴散［12］。由于燃燒器區域的溫度梯度較高，因此為保證數值計算的精確性，對該區域劃分的網格較密。整個爐膛網格總數約為120萬。

數值計算中湍流流動采用雙方程模型，輻射傳熱采用P-1模型［13］，離散相顆粒軌跡采用隨機跟蹤模型，焦炭燃燒采用動力—擴散限制模型，揮發份熱解采用兩步競相反應模型，氣相湍流燃燒采用混合分數／概率密度函數方法。

熱力型NOx根據廣義的Zeldovich機理計算，燃料型NOx根據DeSoete機理分為揮發份NOx和焦炭NOx兩部分來計算，其中揮發分N占總燃料N的比例為45%～60%［14］。在計算中揮發份N轉化為中間產物HCN，焦炭N直接轉化為NOx。

3 模擬結果及分析

為能整體描述爐膛內部CO和NOx的分布情況，本文CO濃度及NOx濃度所選用的為某一爐膛高度的截面平均濃度。

3.1 燃燼風配比的影響

燃燼風是減小NOx排放的重要參數。選取高爐煤氣摻燒比例為20%，過量空氣系數為1.2，B MCR的運行工況下，分別模擬了燃燼風配比（占總風量的比例）為0%、5%、10%及15%4種工況。CO及NOx隨爐膛高度的分布規律，模擬結果見圖2。

如圖2（a）所示，4種工況下的CO濃度的變化趨勢相近。例如，4種情況最高峰都出現在燃燒器區域，且隨著燃燼風比例的增加CO濃度峰值有所升高。由于燃燒器區域溫度很高，不添加燃燼風時，爐膛氧氣量能夠充足地保證燃料充分燃燒，因此造成CO濃度較小。而隨著燃燼風的添加，減小了燃燒器區域的氧氣量，甚至造成燃燒器區域的缺氧狀態，導致了燃燒緩慢，有助于CO生成，不利于已存在CO迅速氧化。此外，燃燒器上部，隨著爐膛高度升高，CO的截面濃度呈現出減小趨勢，最后到達爐膛出口時已經很小了。

從圖2（b）可以看出，隨著燃燼風比例的增加，NOx的排放量呈下降趨勢。由于是在B MCR工況保持總風量不變的條件下進行的，可能是因為一部分二次風分出來改為燃燼風加在燃燒器上面，減小爐膛下層氧氣量，形成富燃料的還原氣氛，降低了燃燒區域的溫度，減小了熱力型NOx的生成。此外，鍋爐上層氧氣含量也將有所增加，進而降低了上層溫度，從而對NOx的形成也產生了一定的抑制作用。根據多次模擬經驗得出，分出來的燃燼風部分不宜太大。燃燼風過大，可能會將上層的氮進一步氧化成NOx，反而增大NOx的排放，因此對于不同的燃燒爐需要選擇一個合適的燃燼風比例，本爐子在燃燼風為15%的情況下運行NOx的排放最優。

3.2 高爐煤氣配比的影響

煤價的上漲和鋼廠副產品高爐煤氣的難以二次利用使得多數電廠開始嘗試煤粉摻混高爐煤氣進行混燃。在B MCR工況，過量空氣系數為1.2，燃燼風比例為15%的條件下，分別模擬了高爐煤氣摻燒比為0%，10%，20%，30%4種工況。CO及NOx隨爐膛高度的分布規律，模擬結果見圖3。

從圖3（a）可以看出，純燃煤工況的CO濃度最大，約為6%。隨著高爐煤氣摻燒量的增加，CO濃度峰值逐漸下降。比如，摻燒30%高爐煤氣工況降至4%左右。由于高爐煤氣的成分含有20%的CO，這可能是燃燒初期摻燒30%高爐煤氣工況比其他工況的CO濃度高的主要原因。隨著高爐煤氣摻燒比增加，CO濃度的峰值逐漸降低且向右偏移。可能是因為高爐煤氣與空氣易充分混合且相比于煤粉更易燃燒和燃盡。因此，隨著高爐煤氣摻混量的增加，爐膛內燃料更易完全燃燒；而煤粉與空氣混合的充分性較差，致使燃燒不充分，從而CO的峰值較高。此外，高爐煤氣熱值低燃燒緩慢著火推遲導致峰值向右偏移，摻燒比例越大延遲越多。燃料在爐膛出口處均能基本燃盡［15］。

如圖3（b）所示，隨著高爐煤氣摻燒比的增加，爐膛內整體NOx濃度分布明顯降低。例如，當摻燒高爐煤氣量達到30%時，NOx排放量達到225×10－6，相對純煤粉的降低了一半。結合表2，高爐煤氣中的氮元素主要以N2的形式存在，而N2轉化為NOx的過程又相對困難，其可能是造成摻混高爐煤氣NOx濃度分布下降的主要原因。此外，由于高爐煤氣熱值較低，從而燃燒純煤時的爐膛溫度相比于摻混高爐煤氣后要高很多，致使熱力型NOx成倍增加。

3.3 過量空氣系數的影響

過量空氣系數是制約爐膛內燃燼程度的主要因素。在高爐煤氣摻燒比例為20%、燃燼風比例為15%、運行工況為B MCR的情況下，分別對過量空氣系數1，1.1，1.15及1.2共4種工況進行了模擬，其結果見圖4。

如圖4（a）4條CO濃度分布曲線所示，隨著過量空氣系數的增加，爐膛整體的CO濃度分布呈下降趨勢。這是因為，過量空氣的增加使爐膛內的氧量更為充足，從而有助于燃料的充分燃燒，最終表現為爐膛內部整體CO濃度的下降。此外，過量空氣系數是1時爐膛出口CO濃度偏大，說明未能充分燃燒，而其余工況均較小。進而也說明了選擇適當過量空氣系數的必要性。從圖4（b）可以看出，隨著過量空氣系數的增加，爐膛出口NOx濃度排放量逐漸增加。例如，NOx濃度整體分布在過量空氣系數為1.2時最大，過量空氣系數為1時最小。由于過量空氣系數的增加有利于燃料燃燒更充分，進而推測，在選取的過量空氣范圍內，過量空氣系數越大，燃料燃燒越充分，使得爐膛內部的溫度更高，從而促進了熱力型NOx的生成。此外，過量空氣系數的增加，有利于NHi等氣體氧化成NOx，也可能是造成NOx增加的重要因素。由于燃料中的N生成NOx的轉化率隨空氣過量系數的增加呈上升趨勢，因此從降低污染的角度來講，在考慮最佳運行條件的同時，也應考慮過量空氣系數的選擇。

3.4 運行工況的影響

電力需求的波動性決定了運行負荷的可調節性。因此對高爐煤氣比例為20%、燃燼風為15%、過量空氣系數為1.2時，選取不同運行工況（100%B MCR 鍋 爐 最 大 蒸 發 量、85%B MCR、70%B MCR）進行模擬，其結果見圖5。

從圖5（a）可以看出，負荷變化對CO濃度影響不明顯，CO濃度峰值隨運行負荷減小略有上升且均為燃燼風出口附近。推測其原因可能為風量隨著運行負荷增大而增加，從而對CO有一定的稀釋作用，表現為CO濃度下降。如圖5（b）所示。隨著負荷的降低，NOx濃度呈下降趨勢。可能是因為，隨著負荷降低，燃料量有所減少，燃料NOx排放減少，同時爐內溫度有所降低，熱力NOx降低，所以總的氮氧化物減少，表現為NOx濃度分布下降。文獻 ［16］也得到類似結論。

5 結論

通過對某鋼廠300 MW四角切圓煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進行數值模擬，探討了燃燼風配比、高爐煤氣配比、過量空氣系數及運行負荷等因素對爐膛CO分布及NOx分布的影響規律。結果表明：燃燼風比例增加，燃燒器附近的CO濃度峰值增加且爐膛內部的NOx濃度整體降低；高爐煤氣摻混比增加，爐膛內部的CO濃度的峰值下降，同時NOx濃度呈整體下降趨勢；隨著過量空氣系數增加，燃燒器上部的CO濃度均有所下降，而NOx濃度逐漸上升；運行工況對爐膛內部CO濃度的分布影響不大，隨著負荷的降低，峰值略有升高，然而NOx濃度分布在燃燒器上部受負荷影響較顯著，隨著負荷的下降，NOx濃度逐漸下降。

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Numerical Simulation of 300 MWBlast Furnace Gas and Pulverized Coal Blended Combustion Boiler on the Optimizing of NOx

Li Wei，Wang Jinxing，Huang Jiangcheng，Wang Chunbo
（School of Energy Power and Mechanical Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，China）

300 MWblast furnace gas and pulverized coal blended combustion Boiler was numerical simulated by the fluent software.The effects of OFA ratio，blast furnace gas ratio，excess air coefficient and operating duty on CO concentration distribution and NOxconcentration distribution in the furnace cavity were studied.Some results and conclusions were illustrated through some curves.The more OFA ratio，the higher peak value of CO concentration in the burner area and the less NOxconcentration in the whole furnace cavity；The increase of blast furnace gas ratio made the peak value of CO concentration descend and meanwhile made the NOxconcentration decline integrally；The increase of excess air coefficient always can lead to the decreasing of CO concentration over the burner，and give rise to the gradual rising of NOxconcentration.The effect of operating duty on CO concentration distribution of the furnace cavity is tiny.With the operating duty decreases，the peak value rises weakly.Besides，the effect of operating duty on NOxconcentration distribution over the burner is obvious，the NOxconcentration decreases along with the reducing of operating duty.

coal；BFG；blended combustion boiler；NOx；CO；numerical simulation.

TK 229

A

2012－05－23。

教育部新世紀優秀人才支持計劃 （NCET－08－0770）；中央高校基本科研業務費專項 （重點）資金資助項目（11ZG12）。

李偉 （1987-），男，碩士研究生，研究方向為潔凈煤燃燒，E-mail：snzx198748＠126.com。