660 MW超超臨界旋流對沖燃煤鍋爐二次風配風方式對NOx分布影響的數值模擬

倪煜，李德波

(1.中國電力工程顧問集團公司，北京市100120;2.廣東電網公司電力科學研究院，廣州市510060)

660 MW超超臨界旋流對沖燃煤鍋爐二次風配風方式對NOx分布影響的數值模擬

倪煜1，李德波2

(1.中國電力工程顧問集團公司，北京市100120;2.廣東電網公司電力科學研究院，廣州市510060)

為了研究二次風配風方式對NOx生成的影響，針對某電廠660 MW超超臨界旋流燃煤鍋爐，利用Ansys軟件數值模擬研究了二次風配風方式對NOx生成規律。數值模擬的結果與現場實際情況較吻合，驗證了數值模擬結果的有效性，主要結論有:爐膛燃燒器區域是NOx的主要生成區;在第1層和第2層燃燒器之間區域NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低;隨著燃盡風量的增加，爐內高度方向各個截面的NOx平均濃度降低;隨著燃盡風量增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少。

超超臨界機組;前后墻對沖;二次風配風;NOx分布;數值模擬

0 引言

隨著我國火力發電事業快速發展，國內投產了一大批超臨界和超超臨界燃煤發電機組。由于四角切圓鍋爐殘余旋轉給過熱器和再熱器受熱面溫度偏差控制帶來非常大的挑戰和困難，尤其對于超臨界和超超臨界機組，這種偏差對溫度的影響更加明顯，因此采用旋流燃燒器組織爐內空氣動力場逐漸成為超臨界和超超臨界機組首選的燃燒器方式［1-3］。

高小濤等［4-9］采用現場燃燒調整試驗方法，進行了氧量、燃燒結構參數等因素對鍋爐NOx排放特性影響的研究，結果表明通過對主要因素的控制，可以顯著降低鍋爐NOx排放濃度。高正陽等［10］對1 000 MW超超臨界機組雙切圓鍋爐的燃燒過程進行了數值模擬研究，劉建全等［11-12］采用數值模擬方法對1 000 MW超超臨界對沖旋流燃燒鍋爐NOx生成規律進行了研究，研究結果表明數值模擬手段能夠較好模擬NOx生成規律。

本文利用Ansys Fluent 14.0軟件，對某電廠660 MW對沖燃煤鍋爐二次風配風方式對NOx生成進行數值模擬研究，將部分模擬結果與實際數據進行對比分析;以此為基礎，研究鍋爐的安全性、經濟性和NOx排放量之間的關系。

1 鍋爐設備

本文以某電廠DG2060/26.15-II2型鍋爐為研究對象。該電廠裝設了2臺660 MW汽輪發電機組，鍋爐為超超臨界參數、變壓直流爐，采用對沖燃燒方式(旋流式燃燒器)、固體排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風、露天布置、全鋼構架、全懸吊、π型結構。鍋爐主要運行參數見表1。

2 燃燒器

該電廠旋流燃燒器采用東方鍋爐廠自行開發設計的外濃內淡型低NOx旋流煤粉燃燒器(DBC-OPCC)，組織對沖燃燒。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為4個部分:一次風、內二次風、外二次風(三次風)和中心風。燃燒器的結構見圖1。內二次風風道內布置有軸向旋流器，外二次風風道內布置有切向旋流器。內二次風軸向葉片角度為60°，外二次風切向葉片角度為45°。為了進一步降低NOx的排放量，在煤粉燃燒器上方設置了燃燼風以及側燃燼風。旋流燃燒器采用前后墻對沖燃燒方式布置，總共有36只旋流燃燒器分3層布置在前、后墻上，每層有6只旋流煤粉燃燒器。在前、后墻旋流燃燒器的上方各布置了1層燃燼風，其中每層設2只側燃燼風噴口、6只燃燼風噴口。

3 旋流燃燒器燒損熱態數值模擬

3.1 網格劃分

整個模型網格總數為227萬個左右，根據模型的結構特點，采用單獨劃分網格的方法，將爐膛劃分為5個區域，分別為:旋流燃燒器、冷灰斗區域、燃燒器區域、燃燒器上方區域和屏式過熱器區域。在劃分的過程中，模型均采用結構化網格，旋流燃燒器和爐膛燃燒器區域被適當加密。為了提高計算的精度，每個燃燒器出口與爐膛的連接面設置為interface，防止2個面的網格質量和網格形狀差異較大而引起誤差。

由于旋流燃燒器結構較為復雜，劃分網格時將中心風，一次風，內、外二次風通道單獨劃分。冷灰斗區域對爐內流場的流動及煤粉燃燒影響較小，因此該區域網格較為疏松。燃燒器區域是煤粉燃燒的主要區域，且與旋流燃燒器連接，連接部分網格差異不宜太大，因此燃燒器區域采用兩端密中間疏的網格形式。鍋爐簡圖和第1層燃燒器水平截面網格分別見圖2。模型坐標方向的設定通過圖2可以看出，x軸正方向為沿爐膛前墻至后墻方向，y軸正方向為沿爐膛高度方向，z軸正方向為沿爐膛左墻至右墻方向。由于本文所有的數值模擬都是在圖2基礎上進行的，因此本文所有的坐標方向都是統一的。

3.2 數學模型

數值模擬采用三維穩態計算，Simple算法。湍流模型采用了帶旋流修正的Realizable k～ε模型;用混合分數-概率密度函數模擬氣相湍流燃燒;用P-1輻射模型計算輻射傳熱;采用雙平行競爭反應模型模擬煤粉揮發份的析出;焦炭燃燒采用動力/擴散控制燃燒模型;煤粉顆粒跟蹤采用隨即軌道方法。動量方程、能量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風格式離散。在邊界條件的處理上，燃燒器進口速度采用現場冷態試驗結果給定，采用近壁函數法處理近壁區域方程的過渡計算。

3.3 燃燒器的風溫和風速

數值模擬中燃燒器的風溫和風速見表2。

3.4 數值模擬工況

本文計算了該電廠習慣運行工況下的燃燒過程。在額定負荷下，投入C、D、E、A、F層燃燒器，B層燃燒器備用。燃燒器區域的過量空氣系數為0.94，一次風總量為137 kg/s，燃燼風總量為111.2 kg/s，二次風總量(不含燃燼風)總量為385.6 kg/s，實際給煤量為254.66 t/h。在本文的數值模擬中，燃燒器、燃燼風和側燃燼風的入口邊界條件采用速度進口條件，入口速度和溫度根據電廠習慣運行工況參數給定，其主要目的是為了盡可能地模擬實際運行工況下爐內燃燒場的規律。出口邊界條件采用壓力出口。煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布，最小直徑為4 μm，最大顆粒直徑為246 μm，平均顆粒直徑為51μm，分布指數為1.15，煤粉細度為23%。

4 模擬結果分析與討論

在鍋爐最大連續蒸發量(boiler maximum continuous rating，BMCR)設計工況基礎上，通過改變燃盡風量占總二次風量的比例，調節爐內煤粉氣流的空氣動力場，使燃料處于“富氧燃燒”或“富燃料燃燒”階段，通過對爐內燃燒情況的變化分析，以及NOx的生成和排放情況，研究爐內速度場、溫度場對爐內燃燒的影響，為實現低NOx排放技術改造提供理論依據。

本文在原設計工況的基礎上進行如下改造:在爐膛出口過量空氣系數、總二次風量、二次風旋流強度不變的基礎上，分別減少燃燒器內、外二次風風量，減少的風量平均增加到燃盡風的風量，使得燃盡風量占總二次風量的比例發生改變。本文設定了4種工況，詳細參數見表3。

4.1 數值模擬結果與熱力計算對比

由于本文的研究對象為某機組實際運行工況，故可以將熱態測量數據結合，對數值模擬準確性進行驗證。由于爐膛溫度較高，超超臨界鍋爐爐內溫度可達到2 000 K左右，現有的技術手段無法滿足這一測量要求，實際測量只能測量爐膛出口以后的溫度。對比結果如表4。

通過數據對比，數值模擬結果的誤差范圍在3.1%以內，說明BMCR工況下該鍋爐模型的準確性良好，可以用于課題的研究。

4.2 改變燃盡風風量配比對O2濃度分布的影響

圖3是不同工況下爐高度方向不同截面O2濃度分布曲線。隨著燃盡風量的增加，爐膛高度方向O2濃度分布趨勢基本不變。在爐膛高度方向y＜32.7 m以下區域，O2濃度隨y值的增加逐漸降低，在y=32 m處附近區域降至最低。這是由于煤粉燃燒需要消耗大量O2，O2消耗量遠遠大于O2供應量。在32.7 m＜y＜35.4 m區域內，O2濃度隨y值的增加逐漸增大，在y=35.4 m處附近區域升至最高。這是因為該區域為燃盡風區域，大量的空氣噴入爐內，煤粉燃燒耗氧量小于供氧量。在y＞35.4 m區域，隨著y值的增加O2，O2濃度逐漸下降。

在20 m＜y＜55 m區域內，O2濃度值出現了4個峰值，這是因為峰值截面是燃燒器出口中心截面，燃燒器區和燃盡風區的空氣都是由燃燒器提供，這幾個截面處供氧量大于耗氧量，因此氧濃度較高。

4.3 燃盡風風量配比對NOx濃度分布的影響

圖4是不同工況下爐膛左右墻中心截面NOx濃度分布圖，圖5是不同工況下爐高不同截面NOx濃度分布曲線。由圖4、5可以看出:各工況下，沿爐膛高度方向的各個截面NOx平均濃度分布趨勢基本一致。主要表現在爐膛燃燒器區域是NOx的主要生成區，在第1層和第2層燃燒器之間區域(即y=22 m附近區域)NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低，這是由于還原氣氛場的影響，一部分生成的NOx被還原。

由圖3、4可得出，O2和NOx濃度分布趨勢基本一致，主要表現為隨著O2濃度的降低，NOx濃度也隨之降低。說明隨著O2濃度的降低，爐內還原性氣氛增強，使得NOx濃度降低。但在燃燒器出口中心截面上，O2濃度與NOx濃度趨勢剛好相反，主要是因為燃燒器是爐內空氣的入口，空氣的供應量大于NOx的生成量。

在燃燒器區域內，隨著爐內燃燒穩定性逐漸增強，O2的消耗增加，O2濃度逐漸降低，還原性氣氛增強，導致生成的NOx被還原量增加，各個高度截面的NOx平均濃度出現總體下降趨勢，在y=32 m左右區域NOx平均濃度最低。在燃盡風區域，由于燃盡風的補充，未燃盡的焦炭繼續燃燒并生成NOx，且該區域的還原場被破壞，在燃燒器區被還原的NOx一部分被氧化，重新生成NOx，導致燃盡風區域隨爐膛高度增加，NOx平均生成量在一定程度上增加，基本在y=37 m區域附近出現峰值。當y＞37 m時，隨著O2濃度的降低，未燃盡焦炭的還原能力相對提高，因此NOx生成量逐漸降低。

隨著燃盡風量的增加，爐內NOx生成情況變化較大，具體表現在:隨著燃盡風量的增加，爐內高度方向各個截面的NOx平均濃度降低。隨著燃盡風量增加，燃燒器區域過量空氣系數由1.05降為0.78，該區域由富氧燃燒轉變為富燃料燃燒，加劇該區域煤粉顆粒的不完全燃燒程度，延長了煤粉燃盡的距離，因此煤粉在燃燒器區域生成的NOx會相對減少。同時由于燃燒器區域還原性氣氛逐漸增多，被還原的NOx量逐漸增多，導致燃燒器區域各截面處NOx平均濃度，在燃盡風量占總二次風量的比值a=0.1時最高，在a=0.78時最低。雖然隨著燃盡風比例的增加，被還原的NOx重新被氧化的程度增加，但在a較低工況下，總的NOx生成量較少，因此在y＞32.7 m各截面處NOx平均濃度，在a=0.1時最高，在a=0.78時最低。

圖6是不同工況下爐膛出口截面NOx的平均濃度曲線，隨著燃盡風量的增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少，分別為0.056 2%、0.035 6%、0.031 2%和0.029 3%。說明在一定燃盡風量比例范圍內，改變燃盡風量對NOx排放影響會逐漸降低。

5 結論

(1)通過比較數值模擬得到的爐膛出口煙溫與現場實際測量的結果，發現誤差在3.1%以內，說明BMCR工況下該鍋爐數值模擬結果的準確性良好。

(2)爐膛燃燒器區域是NOx的主要生成區，在第1層和第2層燃燒器之間區域(即y=22 m附近區域)NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低。

(3)隨著燃盡風量的增加，爐內高度方向各個截面的NOx平均濃度降低。

(4)隨著燃盡風量的增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少。

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(編輯:蔣毅恒)

Numerical Simulation of Second Air Distribution Influence on Concentration of NOxDistribution for Swirl Opposed Wall Firing Pulverized Coal Boiler in 660 MW Ultra Supercritical Unit

NI Yu1，LI Debo2
(1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510060，China)

In order to investigate the influence of second air distribution on NOxformation，this paper numerically simulated the NOxformation rule by using Ansys for the swirl pulverized coal boiler in a 660 MW ultra-supercritical power plant.The numerical results agree well with actual conditions，which verify the effectiveness of the numerical simulation results.The main results are summarized as follows:the burner in furnace is the mainly region of NOxformation;the concentration of NOxbetween the first layer and second layer of combustion zone is higher;the concentration of NOxdecreases along the furnace height;with the increasing of burnout-air，the mean concentration of NOxat each cross-section zone decreases along the height of boiler，and the mean concentration of NOxat the burner outlet decreases，but the decreasing rate is more and more slow.

ultrasupercriticalunit;opposedwallfiring;secondaryairdistribution;NOxdistribution; numerical simulation

TK 223

A

1000－7229(2014)01－0109－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.021［HT］

2013-07-01

2013-09-04

倪煜(1983)，男，博士，主要從事能源清潔利用技術、新能源技術及節能環保技術研究，E-mail:yni@cpecc.net;

李德波(1984)，男，博士，主要從事煤粉燃燒污染物控制、大規模并行計算方法和程序開發等方面的研究，E-mail:ldbyx@126.com。