低氮改造對四角切圓鍋爐NOx生成特性的影響

付忠廣，　石　黎，　段學農，　朱光明，　呂當振

(1．華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京 102206；2．國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

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低氮改造對四角切圓鍋爐NOx生成特性的影響

付忠廣1，石黎1，段學農2，朱光明2，呂當振2

(1．華北電力大學 電站設備狀態監測與控制教育部重點實驗室，北京 102206；2．國網湖南省電力公司電力科學研究院，長沙 410007)

對某300 MW四角切圓鍋爐低氮改造前后NOx的生成特性進行了數值計算，分析了低氮改造對NOx生成特性的影響.結果表明：原有雙通道自穩燃型燃燒器穩燃腔的設計明顯加速了熱力型NOx的生成；新型水平濃淡燃燒器濃側和淡側煤粉均處于偏離化學當量比條件下燃燒，噴口附近火焰溫度明顯降低，有利于控制熱力型NOx的生成，缺氧燃燒降低了煤粉的燃燒效率，冷灰斗區域及三次風以上區域燃料型NOx的生成速率有所增大.

四角切圓鍋爐； NOx生成特性； 空氣分級燃燒； 水平濃淡燃燒器

NOx是形成酸雨和光化學煙霧的主要物質，對生態環境和人類健康帶來極大危害[1]，控制火電行業NOx排放是當務之急[2].

我國電站鍋爐采用的低NOx燃燒系統大多以空氣分級燃燒技術為特征，排放的NOx質量濃度較高.將水平濃淡燃燒與空氣分級燃燒技術和尾部煙氣凈化裝置相結合，這是電站鍋爐低氮改造的主要技術手段[3-6].對水平濃淡燃燒與空氣分級燃燒技術相結合的數值研究相對較少，畢明樹等[7-9]研究了煤粉濃縮比Rc、煤粉量和速度差Δv等因素對四角切圓鍋爐NOx質量濃度分布的影響，由于爐內某處NOx質量濃度明顯受到上游累積作用的影響，這種分析方法不夠直觀，相比而言，采用NOx生成速率進行分析更為合理[10-11].Choeng等[11]以爐膛對角線作為特征直線，得到了NOx生成速率的變化規律，由于一次風粉氣流明顯受到二次風的動量攜帶而發生偏轉，這種方法無法真正反映燃燒過程中NOx的生成規律，因此采用燃燒器噴口中心位置流線作為特征曲線最為合理.

目前，尚未見到以燃燒器噴口中心位置流線作為特征曲線，采用NOx生成速率的分析方法來研究四角切圓鍋爐NOx生成特性的報道，筆者在這方面開展了一些研究工作，測量了四角切圓鍋爐冷態空氣動力場特性以及煙氣中NOx和CO等污染物質量濃度，驗證了計算結果的合理性，詳細分析了溫度場、O2體積分數和燃燒器結構等因素對NOx生成特性的影響，為有效利用空氣分級燃燒技術、控制NOx排放量提供參考.

1　鍋爐簡介

所研究的某300 MW四角切圓鍋爐爐膛截面寬度為12 808 mm、深度為12 802 mm，爐膛下部4個切角處各布置一組直流燃燒器，每組燃燒器包含5 層一次風噴嘴，其中下兩層為固定式雙通道自穩燃型燃燒器，上三層為擺動式WR(Wide Rang)型燃燒器，燃燒器的組合主要是為了穩定低揮發分煤種的燃燒，對于控制NOx排放的效果有限.

低NOx燃燒系統改造設計綜合應用了濃淡燃燒技術與空氣分級燃燒技術，5 層燃燒器均采用新型水平濃淡燃燒器，再增設爐內還原區，在三次風上方增設3 層分離燃盡風(SOFA)噴嘴.水平濃淡燃燒器的濃淡兩股風粉混合物分別由向火側和背火側切向噴入爐膛，有助于改善火焰的穩定性，提高著火性能，防止高溫腐蝕和結渣，可有效抑制燃料型NOx和熱力型NOx的生成[4-6].

2　數學模型和計算方法

2.1網格劃分

數學模型的精確性和網格劃分的合理性直接影響計算結果的準確性[11-12].在建模過程中，保留一次風噴嘴和穩燃腔等結構；燃燒器平面的垂線與下游水冷壁的夾角均為42°，以減少偽擴散[11]；二次風與三次風噴口之間設置有爐膛漏風噴口，模擬5%爐膛漏風量的影響[12-14]；采用無厚度壁面模擬分隔屏和后屏過熱器對流動及傳熱的影響，壁面溫度設為788 K[13]；采用多孔介質模型模擬末級過熱器和再熱器對煙氣流動及傳熱過程的影響[12，15].對改造前后模型進行了網格無關性驗證，由于燃燒器區域網格較密，改造前后的網格總數分別為206萬和201萬，燃燒器噴口截面的網格劃分如圖1所示，其中x為爐膛深度方向，z為爐膛寬度方向.

(a)改造前(b)改造后

圖1改造前后燃燒器噴口截面的網格劃分

Fig.1Meshing of the burner nozzle before and after retrofit

2.2邊界條件

一次風、二次風和三次風的入口截面定義為速度入口邊界，水平煙道出口截面定義為壓力出口，壓力為-80 Pa，電廠實際入爐煤主要由低熱值劣質煤、混合貧瘦煤和優質煙煤按照一定質量比例摻混而成，煤質分析如表1所示.實際運行時，過量空氣系數α為1.25，煤耗為163.7 t/h.

表1　煤質分析

2.3數學模型

所采用的數學模型[11-13,15-16]見表2.首先計算得到一定收斂程度的冷態流場，再進行熱態計算[12]，以每20 步為一個計算周期，計算顆粒相與氣相之間的相互作用[15].

表2　數學模型

3　結果與分析

3.1模擬結果驗證

冷態試驗時，維持二次風箱風壓為1 100 Pa左右，在C層噴口截面搭設金屬十字架，沿長度和寬度方向各設置26 個測點，通過TESTO-400風速儀測定各測點的風速.圖2給出了改造后縮腰配風時測量層(即C層燃燒器中心截面)風速計算值與測量值的比較.由圖2可知，風速計算值與測量值吻合較好，切圓基本位于爐膛正中央，切圓直徑約為7.0 m，表明計算結果精度較高，數學模型的選擇及網格劃分能夠滿足分析的需要.

圖2　縮腰配風時測量層的風速分布(單位：m/s)

Fig.2Velocity distribution at measuring layer under constricted air distribution(unit: m/s)

熱態試驗時，按照等截面、網格法的原則在兩側空氣預熱器入口和出口煙道處設置煙氣測點，通過MSI EURO煙氣分析儀進行取樣.表3給出了改造后水平濃淡燃燒參數計算值與測量值的比較.由表3可知，改造后NOx總質量濃度計算值為575.4 mg/m3，與測量值吻合較好，其中燃料型NOx和熱力型NOx的質量濃度分別為540.2 mg/m3和35.2 mg/m3，相比于改造前，分別下降了6.9%和15.0%，改造后NOx質量濃度的控制效果明顯.

表3水平濃淡燃燒參數計算值與測量值的比較

Tab.3Comparison of bias combustion parameters between calculated and measured data

mg/m3

3.2改造前后煙氣溫度沿流動方向的變化規律

熱力型NOx的生成量與溫度、在高溫區停留時間和O2分壓有關，而燃料型NOx的生成量則與O2體積分數以及煤粉與空氣的混合過程緊密相關[3-6].選取改造前后A層燃燒器2號噴口截面中心處的流線作為特征曲線(見圖3)，研究流動方向上煙氣溫度和O2體積分數對HCN和NOx生成速率等參數的影響.

(a)改造前

(b)改造后

圖4給出了改造前后向火側和背火側煙氣溫度沿流動方向的變化.由圖4可知，改造前后向火側煤粉氣流穩定燃燒距離均小于0.5 m，符合電廠實際運行情況[3-6].改造前后煙氣溫度的分布規律明顯不同：改造前，煙氣最高溫度位于噴口附近，爐膛中心區域的煙氣溫度則相對較低；改造后，煙氣最高溫度有所降低，煙氣溫度分布更加均勻.改造前，向火側和背火側煙氣最高溫度與噴口的距離大致相等，背火側煙氣最高溫度略高，接近1 700 K，爐膛中心區域的煙氣溫度沿流動方向明顯下降.改造后，向火側(即濃側)煤粉首先著火，距離噴口1.0 m處形成了第一個溫度峰值，接近1 500 K，可燃物在爐膛中心區域繼續燃燒并釋放熱量，煙氣溫度進一步升高，接近1 750 K；背火側(即淡側)煤粉濃度低，著火熱大，著火距離接近1.0 m.

(a)向火側(b)背火側

圖4向火側和背火側煙氣溫度沿流動方向的變化

Fig.4Flue gas temperature changes at fire facing and unexposed surface along flow direction

3.3改造前后O2體積分數沿流動方向的變化規律

圖5給出了改造前后向火側和背火側O2體積分數沿流動方向的變化.由圖5可知，煤粉著火后，O2體積分數迅速降低，其最低值位置對應煙氣溫度第一個峰值的位置.改造前，向火側和背火側的O2體積分數在距離噴口約0.8 m處達到最低值1.5%，隨后向火側O2體積分數迅速回升，背火側O2體積分數維持最低值直至離噴口距離近1.0 m后才開始迅速上升.對比圖4和圖5可知，背火側溫度較高，可燃物燃燒劇烈，O2消耗更快，因而O2體積分數更低.改造后，向火側煤粉著火后處于缺氧燃燒狀態的時間明顯延長，背火側煤粉著火距離明顯延長，接近1.0 m.較高的O2體積分數有利于在水冷壁附近區域形成氧化性氣氛，提高了灰熔融溫度，阻止燃燒的煤粉顆粒直接沖刷水冷壁[3-6].

3.4改造前后HCN和NOx生成速率沿流動方向的變化規律

圖6給出了改造前后HCN生成速率沿流動方向的變化.由圖6可知，改造前，HCN的生成區域主要位于噴口附近，爐膛中心區域HCN生成速率出現負值.HCN生成速率峰值位置對應煙氣溫度第一個峰值及O2體積分數最低值位置；改造后，向火側HCN生成速率的峰值最大，背火側HCN的氧化速率最大，這說明煤粉濃度直接影響HCN的生成過程，而O2體積分數則影響HCN的氧化過程.

(a)向火側(b)背火側

圖5　向火側和背火側O2體積分數沿流動方向的變化

圖6向火側和背火側HCN生成速率沿流動方向的變化

Fig.6HCN formation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

圖7給出了改造前后向火側和背火側燃料型NOx生成速率沿流動方向的變化.由圖7可知，NOx生成速率的峰值位置對應煙氣溫度第一個峰值、O2體積分數最低值及HCN生成速率峰值位置.改造前，向火側煤粉燃燒初期供氧充足，HCN迅速被氧化成NOx，隨著O2大量消耗，NOx生成速率迅速降低，部分區域的NOx被還原為N2，爐膛中心區域的O2體積分數有所回升，HCN繼續氧化生成NOx，由于該區域HCN和O2的體積分數相對較小，NOx的生成速率也相對較小.改造后，向火側煤粉處于缺氧燃燒，火焰最高溫度較低，噴口附近NOx生成速率明顯降低，爐膛中心區域的NOx生成量有所增大；背火側NOx生成速率峰值明顯大于向火側，這是由于HCN氧化速率迅速增大而造成的.

(a)向火側(b)背火側

圖7向火側和背火側燃料型NOx生成速率沿流動方向的變化

Fig.7Fuel NOxformation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

圖8給出了改造前后向火側和背火側熱力型NOx生成速率沿流動方向的變化.由圖8可知，熱力型NOx的生成區域主要位于噴口附近，改造前，噴口附近火焰溫度超過1 500 ℃，背火側最高溫度更高，熱力型NOx生成速率相對更大.改造后，向火側和背火側煤粉均處于偏離化學當量比下燃燒，噴口附近火焰溫度遠低于1 500 ℃，幾乎看不到熱力型NOx的生成.

(a)向火側(b)背火側

圖8向火側和背火側熱力型NOx生成速率沿流動方向的變化

Fig.8Thermal NOxformation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

3.5NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化規律

圖9給出了NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化，其中PA表示一次風區域，TA表示三次風區域.由圖9可知，改造前后燃燒器及三次風區域NOx的生成速率較大，其他區域則相對較小，燃料型NOx的生成速率明顯大于熱力型NOx.在燃燒器區域，一般而言，隨著爐膛高度的升高，截面溫度有所上升，高溫區范圍擴大[15]，熱力型NOx的生成速率會有所增大.由圖9還可知，改造前，熱力型NOx生成速率顯然違反這一規律，這說明燃燒器的結構設計加速了熱力型NOx的生成.改造后，燃燒器區域NOx的生成速率明顯減小，而冷灰斗區域和三次風以上區域則相反，這說明缺氧燃燒使得煤粉的燃燒效率有所降低，部分未燃盡的可燃物在這些區域繼續燃燒，所產生的部分HCN被氧化生成NOx.下二層水平濃淡燃燒器區域NOx生成速率的減小幅度相對較小，依然有較大的改進空間.

(a)燃料型NOx(b)熱力型NOx

圖9NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化

Fig.9Fuel and thermal NOxformation rate along furnace height

圖10給出了改造前后燃燒器區域燃料型NOx和熱力型NOx生成區域的分布.由圖10可知，燃料型NOx生成區域靠近噴口，而還原區域則靠近爐膛中心區域.改造前，雙通道自穩燃型燃燒器穩燃腔的設計顯然加快了熱力型NOx的生成.改造后，燃料型和熱力型NOx生成速率均有所減小.改造設計中，適當縮小了穩燃腔的體積，兼顧了穩燃和控制NOx排放的要求.

(a)10-4kg·mol/(m3·s)(b)10-5kg·mol/(m3·s)(c)10-5kg·mol/(m3·s)

圖10燃燒器區域NOx生成速率等速面

Fig.10Isovelocity surface of NOxformation rate in burner area

4　結　論

(1)燃燒系統直接影響四角切圓鍋爐煤粉的燃燒及組分濃度場分布，進而影響燃料型NOx和熱力型NOx的生成.

(2)雙通道自穩燃型燃燒器穩燃腔的設計顯然不利于控制熱力型NOx的生成.水平濃淡燃燒器濃淡側煤粉處于偏離化學當量比條件下燃燒，噴口附近火焰溫度低于1 500 ℃，有利于控制熱力型NOx的生成，濃側煤粉著火后處于缺氧燃燒狀態的距離明顯延長，還原區域的范圍有所擴大，也有利于降低燃料型NOx的排放量.缺氧燃燒使得煤粉的燃燒效率有所降低，冷灰斗區域和三次風以上區域燃料型NOx的生成速率有所增大.

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Effects of Low-NOxRetrofit on NOxFormation in a Tangentially-fired Boiler

FUZhongguang1,SHILi1,DUANXuenong2,ZHUGuangming2,LüDangzhen2

(1.MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute, Changsha 410007, China)

Numerical simulation was conducted to NOxformation characteristics in a 300 MW tangentially-fired boiler before and after low-NOxretrofit, so as to analyze the effects of low-NOxretrofit on the NOxformation characteristics. Results show that the design of stabilized combustion cavity in the original dual-channel self-stabling burner obviously increases its thermal NOxemission. The combustion of both dense and dilute pulverized coal-air mixture flow in the new horizontal bias burner is under the condition deviating from the chemical equivalent ratio, which lowers the flue gas temperature around burners and compresses the emission of thermal NOx. Rare oxygen combustion also reduces the combustion efficiency, and increases the production of fuel NOxin cold ash hopper and in upper furnace area above tertiary air flow.

tangentially-fired boiler; NOxformation characteristic; air staged combustion; horizontal bias burner

A學科分類號：470.30

2014-05-21

2014-07-10

中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2014ZZD04，2014XS17)

付忠廣(1963-)，男，河北邢臺人，教授，博士，研究方向為：電站機組運行優化、潔凈煤發電等. 電話(Tel.)：010-61772361；

E-mail：fzg@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2015)03-0185-06

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