1 000MW超超臨界四角切圓塔式鍋爐燃燒器擺角變化對NOx 排放影響的數值模擬

齊曉娟，丁歷威，潘國清，李鳳瑞，李 劍，張 明，熊建國

（國網浙江省電力公司電力科學研究院，杭州 310014）

目前，我國新投產的國產1 000MW超超臨界鍋爐均采用低NOx燃燒系統，通過對爐內燃燒過程的合理組織來降低NOx的生成和排放。由于鍋爐體積龐大，爐內流動、燃燒過程非常復雜，因此數值模擬已成為研究鍋爐燃燒和污染物排放的一種有效途徑。本文以寧海電廠二期超超臨界鍋爐作為研究對象，在1 000MW負荷工況下，維持鍋爐總風量、磨組運行方式、磨煤機動態分離器轉速及鍋爐配風方式不變的情況下，通過改變燃燒器擺角的不同角度，用數值模擬的方法來分析燃燒器擺角變化對爐膛內溫度場、速度場、氣相組分濃度場以及NOx排放的影響，并與試驗結果進行對比，數值模擬結果與試驗結果一致。

1 鍋爐概況

寧海電廠1 000MW超超臨界鍋爐采用單爐膛塔式布置，爐膛寬度為23 160mm，深度為23 160mm，高為118 090mm，寬深比約為1∶1。該鍋爐采用中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統設計，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動式燃燒器，煤粉噴嘴的擺動范圍為±30°。煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設有12層一次風噴口，四周布置有燃料風。燃燒器風箱分成獨立的4組，下面3組風箱各有4層一次風噴口，對應2臺磨煤機，磨煤機由下至上分別對應A、B、C、D、E、F磨，投運時，上5臺磨運行，A磨煤機備用。在每相鄰兩層一次風之間布置有一層偏置二次風CFS。在上層煤粉燃燒器組頂部布置有1層CCOFA噴口。在整個煤粉燃燒器組頂部布置有6層分離燃盡風SOFA噴口。圖1和圖2分別為燃燒噴口立面布置圖和鍋爐幾何模型，圖3為燃燒噴射角度示意圖。

圖1 鍋爐本體

圖2 燃燒器噴口布置

圖3中一次風內切圓直徑為3.315m。偏置二次風（CFS）與一次風之間有22°的角度，偏轉的二次風氣流把一次風煤粉氣流包裹在爐膛中央，形成富燃料區，在燃燒器區域及上部四周水冷壁附近則形成富氧區，這樣的空氣動力場組成減少了灰渣在水冷壁上的沉積，并使灰渣松散。由于在水冷壁附近形成氧化性氣氛，可防止或減輕水冷壁的高溫腐蝕和結焦。

2 網格劃分

為了避免偽擴散的產生，盡量使從燃燒器出來的氣流方向與網格線垂直，本文在鍋爐水平截面采用Paving方法生成四面體網格［1］，如圖4所示。以燃燒器為中心呈輻射狀，對切向流動氣流來說，網格線與流動方向夾角很小，有效的抑制了計算偽擴散。保證了數值計算的穩定收斂。鍋爐爐膛根據己經生成的橫截面網格，采用Cooper方法沿著爐膛高度方向生成六面體網格（見圖5）。

圖3 燃燒器噴射角度示意圖

圖4 燃燒器區域水平截面網格 圖5 爐膛網格

3 數學模型

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，輻射換熱等。本文在數值模擬中：氣固兩相間的湍流計算采用可實現k-ε模型［2］；用混合分數—概率密度函數模擬氣相湍流燃燒；焦炭燃燒選取擴散-動力模型；煤液化采用雙方程模型；對于爐內燃燒時的輻射和對流換熱采用P1輻射模型；煤粉顆粒的軌跡場采用基于拉格朗日的隨機顆粒跟蹤方法。

NOx生成模擬用后處理方法計算?？紤]了溫度和氧氣脈動對NOx的生成的影響。根據NOx的生成機理［3］，主要考慮了熱力型和燃料型NOx的生成。熱力NOx的可根據廣義的Zeldovich機理計算。燃料型NOx根據De Soete機理分為揮發份NOx和焦炭NOx兩部分。熱解中間產物為HCN，揮發份中N全部轉化為HCN，HCN可以被O2氧化成NO，也可以被NO還原為N2。焦炭中的N直接轉化為NO。

4 計算方法及邊界條件

數值模擬采用三維穩態計算。上述數學模型的控制方程采用控制體積法，使用一階差分格式進行方程離散，采用SMPLE方法求解N-S方程。

模擬使用的煤種煤質工業分析和元素分析見表1，燃燒器各層噴口風量數據見表2，燃燒器擺角噴射方向與水平方向的夾角分別為0°，10°，20°，30°。

表1 鍋爐煤種煤質工業分析和元素分析數據

表2 燃燒器各層噴口風量

5 計算結果與分析

5.1 溫度場

圖6為爐膛縱向截面溫度分布圖。圖中顯示4種工況下在爐膛縱向截面上，爐膛燃燒區域溫度分布比較均勻，最高溫度不超過1800K，局部高溫僅出現在煤粉噴口附近，而這有利于煤粉顆粒的快速加熱和熱解。從整體上看，驗證了低NOx同軸燃燒系統（LNTFS）成功實現了爐內高溫控制和溫度的均勻分布，這有助于熱力型NOx生成的控制。4種工況下不同的是，隨著燃燒器擺角的增大，爐膛火焰中心明顯上移。

圖6 爐膛縱向截面溫度分布（K）

圖7為鍋爐一級過熱器下方監測截面（Y=71.05m）的平均煙溫。從圖中可以看到隨著燃燒器擺角的增大，鍋爐一級過熱器下方監測截面的平均煙溫逐漸增加。從而使得過熱器總減溫水量也相應的呈增大趨勢，再熱汽溫明顯有好轉。

圖7 一級過熱器下方監測截面的平均煙溫

5.2 組分濃度場

圖8為燃燒器變擺角時爐膛不同高度截面的平均O2摩爾濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到，在燃燒器區域，隨著燃燒器擺角的增大，O2濃度增大。至一級過熱器下方煙溫監測截面（Y=71.05m），其它三種工況的O2濃度均高于工況1。

圖9為燃燒器變擺角時爐膛不同高度截面的平均CO摩爾濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到：隨著燃燒器擺角的增大，NOx還原區高度減少。

5.3 NO濃度場

圖10為爐膛縱向截面NO濃度分布圖。從

圖8 爐膛截面平均O2摩爾濃度沿著爐膛高度的變化

圖9 爐膛截面平均CO摩爾濃度沿著爐膛高度的變化

圖中可以看到4種工況在爐膛的邊沿區域NO生成量較多，爐膛的中心區域生成量很少。而隨著燃燒器擺角的增大，爐膛中心處NO的生成量越來越高。這是因為，隨著燃燒器擺角的增大，使得煤粉顆粒向爐膛中心靠攏，而爐膛中心氧量很低，因此促進了爐膛中心區域NO的大量生成。在爐膛出口附近，工況4（擺角=30°）的NO平均濃度最高。圖11為省煤器出口監測截面（Y=110.91 m）的平均NO濃度。計算結果顯示：在省煤器出口，工況2、工況3和工況4的NO排放量均高于工況1的NO排放量。從數據中看到，當燃燒器擺角小于20°時，NO排放量增幅小于6.8%，而當燃燒器擺角增大到30°時，NO排放量增幅達到了25.7%。

6 結語

隨著燃燒器擺角的增大，爐膛火焰中心上移，鍋爐一級過熱器下方監測截面的平均煙溫逐漸增加。這樣使得過熱器總減溫水量也相應的呈增大趨勢，再熱汽溫會明顯有所好轉。

燃燒器擺角增大后，NO還原區高度減少，超過一定的角度后，NO排放濃度會急劇增加。試驗時也發現NO排放濃度隨著擺角的增大急劇上升。數值模擬結果與試驗結果完全吻合。

圖10 爐膛縱向截面NO濃度分布圖

圖11 一級過熱器下方監測截面的平均NO濃度

因此，一味地追求再熱汽溫而導致NO排放濃度的大量升高是不可取的。

［1］ 潘 維，池作和，斯東坡，等.四角切圓燃燒鍋爐爐膛網格生成方法的研究［J］.動力工程，2005，25（3）：359-363.PAN Wei，CHI Zuo-he，SI Dong-bo，et al.Study on mesh pattern generation of tangentially fired furnaces［J］.Power Engineering，2005，25（3）：359-363.

［2］ 潘 維，池作和，李戈，等.四角切圓燃燒鍋爐燃燒和污染物排放數值模擬［J］.浙江大學學報（工學版），2004，38（6）：761-764.PAN Wei，CHI Zuo-he，LI Ge，et al.Numerical simulation of combustion and nitrogen oxides generation process in tangentially fired furnace［J］.Journal of Zhejiang University（Engineering Science），2004，38（6）：761-764.

［3］ 李振中，馮兆興，王 陽，等.煤粉雙級垂直濃淡燃燒降低NOx排放及穩燃技術的研究［J］.中國電機工程學報，2003，23（11）：184-188.LI Zhen-zhong，FENG Zhao-xing，WANG Yang，et al.Study on a dual vertical dense／lean combustion of pulverized coal in order to decrease nox emission and stabilize combustion［J］.Proceedings of the CSEE，2003，23（11）：184-188.