不同燃盡風風量對爐內燃燒影響的數值模擬

宋景慧，李兵臣，李德波，周少祥

（1.廣東電網公司電力科學研究院，廣州510600；2.東莞中電新能源熱電有限公司，東莞523127；3.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京102206）

在火力發電中，鍋爐運行好壞與爐內空氣動力場情況密切相關，較好的爐內空氣動力場不僅可以保證鍋爐安全可靠地運行，而且還保證了電廠的低NOx排放.旋流燃燒器是影響爐內空氣動力場的關鍵設備之一，對于對沖燃燒鍋爐，二次風風量占燃燒器總進風量的比例較大，因此對沖燃燒鍋爐二次風配風對爐內燃燒的影響較大，關系到鍋爐的運行安全性及NOx排放質量濃度.國內學者對爐內燃燒進行過一些數值模擬，并取得了一些成果［1-8］.本文研究的意義在于：如何在降低NOx排放質量濃度的同時又能保證鍋爐燃燒的安全性和經濟性.

1 模型及計算方法

1.1 模型簡介

所研究的對象為某電廠3 號機組，該機組為660 MW 燃煤機組，鍋爐采用超超臨界參數和前后對沖燃燒方式，其爐膛高度為63.2 m，爐膛深度為15.5m，爐膛寬度為22.2m，燃用煤質為東勝煙煤.旋流燃燒器由中心風、一次風、內二次風和外二次風組成，其中中心風和一次風為直流射流，內二次風和外二次風為旋流射流.

在設計模型時，將爐膛劃分為5個區域：旋流燃燒器、冷灰斗區域、燃燒器對應的爐膛區域（以下簡稱燃燒器區域）、燃燒器上方爐膛區域和屏式過熱器區域，整個模型網格總數為227萬左右.模型坐標方向設定如下：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.爐膛模型簡圖見圖1.

圖1 爐膛模型簡圖Fig.1 Schematic diagram of the boiler furnace

1.2 邊界條件設置

從燃燒器噴射出的煤粉氣流具有高速旋轉流動的特性，湍流模型需具有旋流修正的特點，因此選用Realizablek-ε模型.由于煤粉從每一個旋流燃燒器射入爐內的條件相同，因此每個燃燒器的煤粉噴射邊界條件相同，煤粉顆粒服從Rosin-rammler分布.

煤粉 燃 燒 主 要 產 生3 種NOx：NO、NO2和N2O，由于NO 占生成量的絕大部分比例，因此筆者所研究的NOx指的是NO.由于NOx的生成情況受爐內溫度的影響較大，為了較好地模擬爐內溫度場，爐內傳熱采用P-1輻射模型，煤粉揮發分析出的采用兩步競爭析出模型.

2 模型驗證

2.1 溫度模擬結果驗證

由于所研究的是某機組實際運行工況（這里指BMCR 工況下），故可以采用該機組的熱態測量數據對數值模擬結果的準確性進行局部驗證.由于爐膛溫度較高，可達2 000 ℃左右，現有的測量技術手段無法滿足這一測量要求，實際只能測量爐膛出口煙氣溫度.爐膛出口煙氣溫度的實際測量數據為1 135 ℃，數值模擬結果為1 100 ℃，兩者的誤差范圍在3.1%以內，說明該工況下模型的準確性良好，可以用于進行爐內溫度研究.

2.2 NOx 排放質量濃度模擬結果驗證

使用水冷槍對標高44m 觀火孔處的NOx排放質量濃度進行現場測量，測孔位置見圖2.水冷槍測量深度與觀火孔的距離分別為2m、3m 和4m，測量結果為水冷槍進入和抽出時的數據.圖3給出了該標高處NOx排放質量濃度現場測量數據與數值模擬結果的對比.由圖3可以看出，NOx排放質量濃度模擬結果與實際測量結果較為符合.通過現場測量，爐膛出口NOx排放質量濃度為346mg／m3，與數值模擬計算所得NOx排放質量濃度356mg／m3較為接近，說明利用數值模擬方法進行NOx排放質量濃度的研究是可行的.

圖2 水冷槍測點位置示意圖Fig.2 Arrangement drawing of measurement points for water lance

圖3 標高44m 處NOx 排放質量濃度現場測量數據與數值模擬結果的對比Fig.3 Comparison of NOxconcentration between actual measurements and numerical simulation at level 44m

3 不同工況下爐內燃燒的數值模擬

在實際運行工況的基礎上，通過改變燃盡風風量占二次風總風量的比例k來調節爐內煤粉氣流的空氣動力場，使燃料在燃燒器區域處于“富空氣燃燒”或“富燃料燃燒”階段，通過對爐內燃燒情況的變化及NOx排放質量濃度的分析，研究二次風配風對爐內燃燒的影響.

二次風配風進行如下設計：在爐膛出口過量空氣系數a和二次風總風量不變的基礎上，分別減少燃燒器內二次風和外二次風的風量，減少的風量平均增加到燃盡風風量，使得燃盡風風量占二次風總風量的比例發生改變，各工況的詳細參數見表1.

表1 各工況參數Tab.1 Parameters under various working conditions

3.1 改變燃盡風風量占二次風總風量的比例對爐內溫度場的影響

圖4給出了不同工況下z＝9.57m 截面的溫度場.隨著燃盡風風量占二次風總風量的比例的增大，燃燒器內二次風和外二次風的風量減小，噴入爐內的旋轉氣流速度降低，使得燃燒器出口總體氣流沖量減小，煤粉不能很好地充滿整個爐膛，爐膛中心煤粉量逐漸減少，爐內靠近前后墻區域的煤粉量逐漸增加，爐內燃燒中心區域在燃燒溫度升高的同時逐漸向前后墻靠近.

圖4 不同工況下z＝9.57m 截面的溫度場Fig.4 Temperature field on section z＝9.57munder various working conditions

圖5給出了不同工況下爐膛水平截面上煙氣平均溫度隨爐膛高度的變化.從圖5可以看出，燃盡風截面（即y＝35.4m）前后，爐膛水平截面上煙氣平均溫度各存在一個峰值，峰值位置均位于爐膛高度30～35m 區域附近，該區域為爐內燃燒中心區域.在燃燒器區域過量空氣系數a由1.05減小到0.78的過程中，爐內燃燒中心區域的位置也發生相應改變，相應地出現在y＝31 m、y＝32 m、y＝33 m 和y＝33m 附近的區域，這說明隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐內燃燒中心區域逐漸向上移動.當a＞0.87時，爐內燃燒中心區域隨a的減小而上移；當a＜0.87時，爐內燃燒中心區域基本固定，不再隨a的減少而上移.當a＞1時，煤粉周圍有充足的O2，有利于進行化學完全燃燒反應，但焦炭的燃燒過程比較緩慢，煤粉從燃燒器出口噴出后需要在爐膛內運動一定的距離才能燃盡，故a＝1.05時，爐內燃燒中心區域出現在y＝31 m 附近，即第三排燃燒器上方附近.當a＜1時，部分煤粉在燃燒器區域進行化學不完全燃燒反應，隨著爐膛高度的增加，距離燃盡風區域越近，O2越充足，越有利于煤粉的充分燃燒.當a＜0.87時，整個燃燒器區域嚴重缺氧，大部分煤粉進行不完全燃燒，只能在進入燃盡風區域后進行充分燃燒.

圖5 不同工況下爐膛水平截面上煙氣平均溫度隨爐膛高度的變化Fig.5 Distribution of average flue gas temperature along furnace height under different working conditions

由圖5還可以看出，在燃盡風層后，爐膛水平截面上煙氣平均溫度又出現一個峰值，這是因為煙氣經過燃盡風層時，燃盡風溫度較低，高溫煙氣受到冷空氣的擾動造成該區域的煙氣平均溫度降低，雖然燃盡風風量補充了焦炭燃燒所需的空氣量，造成煙氣平均溫度上升，但焦炭燃燒使煙氣平均溫度上升的幅度小于冷風使煙氣平均溫度下降的幅度，因此在燃盡風層（即y＝35.4m）.會出現煙氣平均溫度下降的現象.煙氣經過燃盡風層后，由于得到充足的O2，未燃盡的焦炭得以繼續燃燒，煙氣平均溫度在一定程度上得到回升，直到燃燒放熱量小于受熱面吸熱量時，煙氣平均溫度開始緩慢下降，因此燃盡風層后的煙氣平均溫度會出現回升的現象.

此外，隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐內各高度截面上的煙氣平均溫度整體呈下降趨勢.這是因為隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，燃燒器區域O2供給質量濃度逐漸降低，煤粉顆粒不完全燃燒程度逐漸增大，燃燒放熱量逐漸減小，產生的熱量小于水冷壁吸熱量，因此造成煙氣平均溫度下降.煙氣經過燃盡風層時，燃盡風的沖量越大，煙氣平均溫度下降的程度越明顯.

當燃盡風風量占二次風總風量的比例超過0.30時，爐內火焰出現分層現象，即在爐膛高度方向上形成2個燃燒高溫區，從而導致爐膛出口煙氣平均溫度會隨燃盡風風量占二次風總風量的比例的增大而升高.工況1～工況4對應的爐膛出口煙氣平均 溫 度 分 別 為1 089 ℃、1 100 ℃、1 113 ℃和1 119 ℃，隨著燃盡風風量占二次風總風量的比例的增大，爐膛出口煙氣平均溫度逐漸升高，但與BMCR 原設計工況相比，變化幅度保持在20 K以內.

通過對圖4和圖5分析得出，改變燃盡風風量對爐內溫度場分布的影響較大，對爐膛出口煙氣平均溫度的影響較小.隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐內燃燒中心區域開始向上移動，并逐漸靠近前后墻，受熱面與爐內最高溫度區域的距離變短，使得受熱面吸熱量減少，同時受熱面金屬容易發生結焦、被燒壞的可能，對鍋爐燃燒的經濟性和安全性產生影響.

3.2 改變燃盡風風量占二次風總風量的比例對爐內O2 質量濃度分布的影響

圖6給出了不同工況下沿爐膛高度方向不同截面上O2質量濃度的分布曲線.隨著燃盡風風量的增加，沿爐膛高度方向O2質量濃度分布趨勢基本不變.在爐膛高度方向y＜32.7m 區域，O2質量濃度隨y值的增加逐漸降低，在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，而該區域O2消耗量遠大于O2供應量所致；在32.7m＜y＜35.4m 區域內，O2質量濃度隨y值的增加逐漸升高，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＞35.4m 區域，隨著y值的增加，O2質量濃度又逐漸下降.

圖6 不同工況下沿爐膛高度方向各截面上O2 質量濃度的分布Fig.6 Distribution of O2 mass concentration along furnace height under different working conditions

3.3 改變燃盡風風量占二次風總風量的比例對爐內NOx 排放質量濃度分布的影響

圖7給出了不同工況下z＝9.57 m 截面上NOx排放質量濃度分布.圖8給出了不同工況下沿爐膛高度方向不同水平截面上NOx排放質量濃度分布.由圖7和圖8可以看出，各工況下沿爐膛高度方向各個截面上NOx排放質量濃度的分布趨勢基本一致，主要表現為爐膛燃燒器區域是NOx的主要生成區，在第一層燃燒器和第二層燃燒器之間區域（即y＝22m 附近區域），NOx排放質量濃度較高，然后沿爐膛高度方向NOx排放質量濃度逐漸降低，這是由于受到還原氣氛場的影響，一部分生成的NOx被還原.

圖7 不同工況下z＝9.57m 截面上NOx 排放質量濃度的分布Fig.7 Distribution of NOxconcentration on section z＝9.57munder different working conditions

圖8 不同工況下沿爐膛高度方向各截面上NOx 排放質量濃度的分布Fig.8 Distribution of NOxconcentration along furnace hight under different working conditions

在燃燒器區域內，隨著爐內燃燒穩定性逐漸增強，O2的消耗量增加，O2質量濃度逐漸降低，還原性氣氛增強，導致生成的NOx被還原量增加，各個高度截面上的NOx排放質量濃度出現總體下降趨勢，在y＝32m 附近區域，NOx排放質量濃度最低.在燃盡風區域，由于燃盡風的補充，未燃盡的焦炭繼續燃燒生成NOx，且該區域的還原性氣氛被破壞，燃燒器區域被還原的NOx一部分被氧化，重新生成NOx，導致隨著爐膛高度的增加，燃盡風區域NOx排放質量濃度在一定程度上升高，基本在y＝37m附近區域出現峰值.當y＞37m 時，隨著O2質量濃度的降低，未燃盡焦炭的還原能力相對提高，因此NOx排放質量濃度逐漸降低.

隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐內NOx生成情況變化較大，具體表現為：爐內沿高度方向各個截面上的NOx排放質量濃度降低.隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，燃燒器區域過量空氣系數由1.05減小為0.78，該區域由“富空氣燃燒”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排放質量濃度會相對降低.同時由于燃燒器區域還原性氣氛逐漸增強，被還原的NOx量逐漸增多，導致燃燒器區域各截面上NOx排放質量濃度在a＝0.1時最高，在a＝0.78時最低.雖然隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，被還原的NOx重新被氧化的程度增加，但較小a工況下，總的NOx排放質量濃度較低，因此在y＞32.7m 各截面上NOx排放質量濃度在a＝0.1時最高，在a＝0.78時最低.

隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐膛出口截面上NOx排放質量濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少，分別為562mg／m3、356mg／m3、312 mg／m3和293mg／m3.說明在一定燃盡風風量占二次風總風量比例范圍內，改變燃盡風風量對NOx排放的影響會逐漸減弱.

4 結 論

（1）總二次風風量不變，改變燃盡風風量對爐內溫度場分布的影響較大，對爐膛出口煙氣平均溫度影響較小.隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐內燃燒中心區域開始向上移動，并且逐漸靠近前后墻，受熱面與爐內最高溫度區域的距離變短，使得受熱面吸熱量減少，同時受熱面金屬容易發生結焦、被燒壞的可能，對鍋爐燃燒的經濟性和安全性造成較大的影響.

（2）總二次風風量不變，改變燃盡風風量對爐內O2質量濃度的影響較大，而爐內O2質量濃度的變化與NOx排放質量濃度的變化規律相反，說明爐內O2質量濃度變化對NOx生成具有一定的影響.

（3）總二次風風量不變，改變燃盡風風量對爐內NOx排放質量濃度的影響較大.隨著燃盡風風量占二次風總風量比例的增大，爐膛出口截面上NOx排放質量濃度逐漸降低.

（4）從鍋爐安全運行考慮，爐內溫度不應出現分層現象及受熱面附近區域不應出現局部高溫區，燃盡風風量占二次風總風量的比例不能超過0.30.從NOx排放質量濃度考慮，降低NOx排放質量濃度需要增大燃盡風風量占二次風總風量的比例，NOx排放質量濃度應該低于該燃燒器的設計值350 mg／m3，燃盡風風量占二次風總風量的比例應該控制在0.23 以上.綜合考慮鍋爐運行的安全性和NOx排放質量濃度時，燃盡風風量占二次風總風量的比例應該控制在0.23～0.30.

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