火上風對400 t/h煤粉鍋爐內燃燒影響的數值模擬

摘 要：建立了數學物理模型，對400 t/h全尺寸四角切圓煤粉鍋爐內燃燒過程進行三維數值模擬。分析結果表明：火上風的噴入可以大幅度降低NOx排放值，當火上風風率達到20%時，NOx可減排21%，并且燃燒效率較高；對于NOx減排火上風噴口高度h最佳值為2 m。計算分析結果對火電廠、大型鋼鐵聯合企業自備電廠等實際鍋爐的燃燒調整具有較重要的指導意義。

關鍵詞：火上風 全尺寸鍋爐 數值模擬 NOx排放

中圖分類號：TK224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2012）11（a）-0082-03

CFD是控制與分析燃煤鍋爐有效而經濟的工具[1～4]。煤粉在爐膛內的燃燒是一個復雜的過程，涉及氣相流動和湍流燃燒、顆粒運動、揮發分析出、焦炭燃燒和輻射換熱[5]等，數值模擬可以得出不同操作工況下爐膛內的溫度和組分濃度分布，進而研究燃燒機理，優化燃燒過程，得到低污染、高效率的燃燒參數。本文利用CFD工具研究了火上風（OFA）對400 t/h煤粉鍋爐內燃燒和污染物（NOx，soot等）排放的影響。

研究表明[6，7]，有效降低NOx的排放，可以通過對煤粉鍋爐爐內的空氣進行合理分布，把空氣進行分級，火上風技術可以有效這一點，使爐內空氣分級，從而降低NOx的排放，由于火上風對爐內燃燒有很大的影響，不同的參數會影響NOx的排放，要想得到最優的燃燒參數，必須對其進行全面而深入的研究，達到最好的效果。

1 研究對象

以一臺容量為400 t/h的四角切圓煤粉鍋爐為研究對象，爐寬9600 mm，爐深8375 mm，爐高為31800 mm，結構示意圖見圖1（a）。燃燒設備采用四角切向燃燒布置，1#、3#和2#、4#假想切圓直徑分別為Φ800 mm和Φ200 mm，見圖1（b）。燃燒器噴嘴為8層布置，具體布置結構見圖1（c）所示。燃料特性見表1。

在本文的研究工況中，一次風速度、溫度以及二次風溫度不變，火上風風量由二次風風量中分出，火上風噴口高度h如圖1（c）所示。

2 數值模擬方法

數值模擬采用三維穩態計算，微分方程的離散采用有限容積法，使用二階迎風格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。氣相的湍流流動選擇Realizable k-ε模型[8]，氣相湍流燃燒采用非預混燃燒模型，使用Two mixture fraction/PDF模型，選取β-PDF；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；用P-1輻射模型計算輻射傳熱；碳黑（soot）的生成選用雙步模型。本文對NOx的生成采用后處理的方法[9]，湍流對NOx生成的影響采用溫度和氧濃度的β型概率密度函數來模擬。數值模擬方法的有效性論證見文獻[10，11]。

3 模擬結果分析

3.1 火上風風率對爐內燃燒過程的影響

對表2所列不同火上風風率的5個工況進行了模擬比較，圖2為不同工況下的爐膛出口溫度和NOx濃度（6%含氧量）平均值，圖3為不同工況下爐膛出口飛灰含碳量（UBC）和soot濃度（6%含氧量）平均值。

從數值模擬的結果看，火上風的噴入可以大幅度降低NOx排放值，隨著火上風風率的增加，NOx排放值降低，火上風風率增加使富燃區內過量空氣系數減小，還原性氣氛增強，有利于還原性氣體HCN和未燃炭粒對NOx還原分解。燃料燃燼的時間隨著火上風的加入而延長，致使爐膛內高溫點上移，風率也越來越大，風率的加大使爐膛出口處火焰溫度不斷升高，熱損失也越大，這會帶來爐膛出口后受熱面安全問題。從圖3可以看出，UBC與soot排放水平較低，排放量隨著火上風風率的增加先增大后減小，火上風風率的增加，使富燃區含氧量與燃盡率顯著降低，隨其進一步增加火上風風速，爐內煙氣與火上風的混合均勻度提高，增加了后期燃盡率使UBC與soot排放量降低。當火上風風率達到20%時，NOx可減排21%，并且此時的爐膛溫度不低于無火上風時（工況2-1）的爐膛溫度，而且高溫區域增大，整個爐膛燃燒情況較好，燃燒效率較高，出口煙氣溫度較工況2-1升高22 K，這一較小的煙氣溫升對爐膛出口后受熱面安全方面的影響較小，火上風風率進一步增加，高溫區域會顯著上移而不再增大，這樣，除了會導致上述不利因素之外，燃燒的不穩定性也會大大提高，并且NOx的減排效果已不特別明顯，通過模擬數值，對鍋爐的燃燒調整具有一定的指導意義。

3.2 火上風噴口高度對爐內燃燒過程的影響

對表3所列不同火上風噴口高度的4個工況進行了模擬比較，圖4為不同工況下的爐膛出口溫度平均值和NOx濃度（6%含氧量）平均值，圖5為不同工況下爐膛出口飛灰含碳量和soot濃度（6%含氧量）平均值。

從數值模擬的結果看，隨著火上風噴口高度的增加，NOx排放值先降低后有回升，火上風噴口高度增加使煤粉在富燃區的停留時間增加，使還原性氣體HCN和未燃炭粒大量生成，更充分地對NOx還原分解；火上風噴口高度增加，還會使富燃區溫度降低和燃盡區溫度升高，導致高溫點上移，這樣不利于富燃區的還原反應并會增加燃盡區熱力型NOx的生成，因此火上風噴口高度對于NOx減排存在一個最佳值，本文計算的h最佳值為2 m，與最佳位置計算公式[12]：H=1.5（Vdaf/10）0.5所得值相符。從圖中還可以看出，隨著火上風噴口高度的增加，爐膛出口處火焰溫度增大幅度較小，即熱損失增加幅度較小，對爐膛出口后受熱面安全方面的影響也較小。計算結果表明火上風噴口高度的增加，增大了高溫缺氧區，從而增加了soot排放量；火上風噴口高度適當的增加可增大煤粉后期的旋流度，從而增加了煤粉在爐膛內的停留時間，使燃盡率升高UBC降低。

4 結論

（1）火上風的噴入可以大幅度降低NOx排放值；火上風風率的增加使NOx排放濃度降低，爐膛出口處火焰溫度增高；爐膛出口飛灰含碳量與soot排放量隨火上風風率的增加先增大后減小。當火上風風率達到20%時，NOx可減排21%，整個爐膛燃燒情況較好，燃燒效率較高。

（2）對于NOx減排火上風噴口高度h最佳值為2 m。火上風噴口高度的增加使爐膛出口處火焰溫度增高，soot排放量增大，而其適當的增加可降低飛灰含碳量。計算分析結果對火電廠、大型鋼鐵聯合企業自備電廠等實際鍋爐的燃燒調整具有較重要的意義，在工作中具有較好的指導作用。

參考文獻

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