火上風(fēng)對(duì)400 t/h煤粉鍋爐內(nèi)燃燒影響的數(shù)值模擬

摘 要：建立了數(shù)學(xué)物理模型，對(duì)400 t/h全尺寸四角切圓煤粉鍋爐內(nèi)燃燒過程進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分析結(jié)果表明：火上風(fēng)的噴入可以大幅度降低NOx排放值，當(dāng)火上風(fēng)風(fēng)率達(dá)到20%時(shí)，NOx可減排21%，并且燃燒效率較高；對(duì)于NOx減排火上風(fēng)噴口高度h最佳值為2 m。計(jì)算分析結(jié)果對(duì)火電廠、大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)自備電廠等實(shí)際鍋爐的燃燒調(diào)整具有較重要的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：火上風(fēng) 全尺寸鍋爐 數(shù)值模擬 NOx排放

中圖分類號(hào)：TK224 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）11（a）-0082-03

CFD是控制與分析燃煤鍋爐有效而經(jīng)濟(jì)的工具[1～4]。煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及氣相流動(dòng)和湍流燃燒、顆粒運(yùn)動(dòng)、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒和輻射換熱[5]等，數(shù)值模擬可以得出不同操作工況下爐膛內(nèi)的溫度和組分濃度分布，進(jìn)而研究燃燒機(jī)理，優(yōu)化燃燒過程，得到低污染、高效率的燃燒參數(shù)。本文利用CFD工具研究了火上風(fēng)（OFA）對(duì)400 t/h煤粉鍋爐內(nèi)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(duì)煤粉鍋爐爐內(nèi)的空氣進(jìn)行合理分布，把空氣進(jìn)行分級(jí)，火上風(fēng)技術(shù)可以有效這一點(diǎn)，使?fàn)t內(nèi)空氣分級(jí)，從而降低NOx的排放，由于火上風(fēng)對(duì)爐內(nèi)燃燒有很大的影響，不同的參數(shù)會(huì)影響NOx的排放，要想得到最優(yōu)的燃燒參數(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行全面而深入的研究，達(dá)到最好的效果。

1 研究對(duì)象

以一臺(tái)容量為400 t/h的四角切圓煤粉鍋爐為研究對(duì)象，爐寬9600 mm，爐深8375 mm，爐高為31800 mm，結(jié)構(gòu)示意圖見圖1（a）。燃燒設(shè)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(jié)構(gòu)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(fēng)速度、溫度以及二次風(fēng)溫度不變，火上風(fēng)風(fēng)量由二次風(fēng)風(fēng)量中分出，火上風(fēng)噴口高度h如圖1（c）所示。

2 數(shù)值模擬方法

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，微分方程的離散采用有限容積法，使用二階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合采用SIMPLE算法。氣相的湍流流動(dòng)選擇Realizable k-ε模型[8]，氣相湍流燃燒采用非預(yù)混燃燒模型，使用Two mixture fraction/PDF模型，選取β-PDF；煤粉顆粒相流動(dòng)采用隨機(jī)軌道方法；揮發(fā)分析出模型為雙競爭反應(yīng)熱解模型；焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型；用P-1輻射模型計(jì)算輻射傳熱；碳黑（soot）的生成選用雙步模型。本文對(duì)NOx的生成采用后處理的方法[9]，湍流對(duì)NOx生成的影響采用溫度和氧濃度的β型概率密度函數(shù)來模擬。數(shù)值模擬方法的有效性論證見文獻(xiàn)[10，11]。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 火上風(fēng)風(fēng)率對(duì)爐內(nèi)燃燒過程的影響

對(duì)表2所列不同火上風(fēng)風(fēng)率的5個(gè)工況進(jìn)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(shù)值模擬的結(jié)果看，火上風(fēng)的噴入可以大幅度降低NOx排放值，隨著火上風(fēng)風(fēng)率的增加，NOx排放值降低，火上風(fēng)風(fēng)率增加使富燃區(qū)內(nèi)過量空氣系數(shù)減小，還原性氣氛增強(qiáng)，有利于還原性氣體HCN和未燃炭粒對(duì)NOx還原分解。燃料燃燼的時(shí)間隨著火上風(fēng)的加入而延長，致使?fàn)t膛內(nèi)高溫點(diǎn)上移，風(fēng)率也越來越大，風(fēng)率的加大使?fàn)t膛出口處火焰溫度不斷升高，熱損失也越大，這會(huì)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(fēng)風(fēng)率的增加先增大后減小，火上風(fēng)風(fēng)率的增加，使富燃區(qū)含氧量與燃盡率顯著降低，隨其進(jìn)一步增加火上風(fēng)風(fēng)速，爐內(nèi)煙氣與火上風(fēng)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(dāng)火上風(fēng)風(fēng)率達(dá)到20%時(shí)，NOx可減排21%，并且此時(shí)的爐膛溫度不低于無火上風(fēng)時(shí)（工況2-1）的爐膛溫度，而且高溫區(qū)域增大，整個(gè)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(duì)爐膛出口后受熱面安全方面的影響較小，火上風(fēng)風(fēng)率進(jìn)一步增加，高溫區(qū)域會(huì)顯著上移而不再增大，這樣，除了會(huì)導(dǎo)致上述不利因素之外，燃燒的不穩(wěn)定性也會(huì)大大提高，并且NOx的減排效果已不特別明顯，通過模擬數(shù)值，對(duì)鍋爐的燃燒調(diào)整具有一定的指導(dǎo)意義。

3.2 火上風(fēng)噴口高度對(duì)爐內(nèi)燃燒過程的影響

對(duì)表3所列不同火上風(fēng)噴口高度的4個(gè)工況進(jìn)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(shù)值模擬的結(jié)果看，隨著火上風(fēng)噴口高度的增加，NOx排放值先降低后有回升，火上風(fēng)噴口高度增加使煤粉在富燃區(qū)的停留時(shí)間增加，使還原性氣體HCN和未燃炭粒大量生成，更充分地對(duì)NOx還原分解；火上風(fēng)噴口高度增加，還會(huì)使富燃區(qū)溫度降低和燃盡區(qū)溫度升高，導(dǎo)致高溫點(diǎn)上移，這樣不利于富燃區(qū)的還原反應(yīng)并會(huì)增加燃盡區(qū)熱力型NOx的生成，因此火上風(fēng)噴口高度對(duì)于NOx減排存在一個(gè)最佳值，本文計(jì)算的h最佳值為2 m，與最佳位置計(jì)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(fēng)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(duì)爐膛出口后受熱面安全方面的影響也較小。計(jì)算結(jié)果表明火上風(fēng)噴口高度的增加，增大了高溫缺氧區(qū)，從而增加了soot排放量；火上風(fēng)噴口高度適當(dāng)?shù)脑黾涌稍龃竺悍酆笃诘男鞫?，從而增加了煤粉在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間，使燃盡率升高UBC降低。

4 結(jié)論

（1）火上風(fēng)的噴入可以大幅度降低NOx排放值；火上風(fēng)風(fēng)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(fēng)風(fēng)率的增加先增大后減小。當(dāng)火上風(fēng)風(fēng)率達(dá)到20%時(shí)，NOx可減排21%，整個(gè)爐膛燃燒情況較好，燃燒效率較高。

（2）對(duì)于NOx減排火上風(fēng)噴口高度h最佳值為2 m。火上風(fēng)噴口高度的增加使?fàn)t膛出口處火焰溫度增高，soot排放量增大，而其適當(dāng)?shù)脑黾涌山档惋w灰含碳量。計(jì)算分析結(jié)果對(duì)火電廠、大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)自備電廠等實(shí)際鍋爐的燃燒調(diào)整具有較重要的意義，在工作中具有較好的指導(dǎo)作用。

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