燃盡風風率對四角切圓鍋爐燃燒及排放特性的影響

任少輝，李躍峰，馬 侖，黃 海，閆心永，陳 宏，劉雪冬，黃孝文

（1.武漢凱迪綠色能源開發運營有限公司，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢 430074）

0 引言

化石燃料的燃燒，引起了一系列的環境問題，保護環境刻不容緩。氮氧化物作為主要污染物之一，危害嚴重，是酸雨、臭氧破壞以及空氣污染的罪魁禍首。隨著人們對環境問題的重視，火電廠作為主要的NOx排放源，受到了國家日益嚴格的監管。空氣分級燃燒技術能夠有效降低NOx，其與SCR聯用比單獨使用SCR更能節約脫硝成本，因此在降低火電廠氮氧化物生成中得到了廣泛的應用[1-3]。

SOFA風作為空氣分級燃燒技術中的一個重要組成部分，其風率的和擺角會通過影響空氣分級程度，對NOx排放量以及煤粉顆粒燃盡率有較大的影響。目前國內在低NOx燃燒技術領域內取得了很多有意義的成果。鐘亞峰等[4]研究了SOFA風率對某600 MW四角切圓鍋爐NOx生成的影響，研究結果表明：增設燃盡風，能有效降低主燃區溫度，使主燃區產生較強的還原性氛圍，降低NOx的產生。宋景慧等[5]研究了燃盡風量對某電廠對沖燃燒鍋爐NOx排放量的影響，研究結果表明：從NOx排放質量濃度考慮，燃盡風風量占二次風總風量的比例應該控制在23%以上。孫保民等[6]研究了燃盡風率對某800 MW旋流對沖燃煤鍋爐NOx生成特性的影響，研究結果表明：空氣分級燃燒降低NOx排放的同時，不可避免地對燃料的燃盡及出口煙溫產生不利影響。當燃盡風率在15%～20%范圍內變化時，其負面影響相對較小，但在較高燃盡風率下，其負面影響開始凸顯。

本文研究的意義在于:1）通過數值模擬與實驗結合研究了燃盡風風率對四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響；2）研究了如何在降低NOx排放量的同時又能保證鍋爐燃燒的安全性和經濟性。

1 鍋爐本體情況

某300 MW四角切圓鍋爐為亞臨界、自然循環、一次中間再熱、擺動燃燒器調溫、平衡通風、固態排渣、露天布置、全鋼構架、全懸吊結構、Π型布置汽包鍋爐。鍋爐的三維結構簡圖和主燃區燃燒器噴口布置簡圖如圖1所示。表1給出了鍋爐燃煤的煤質分析。

圖1 鍋爐三維結構簡圖Fig.1 Schematic diagramof boiler

圖2 爐膛網格Fig.2 Grid division

表1 煤質分析Tab.1 Coal quality analysis

為了研究不同SOFA風風率對四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響，文中設置了SOFA風風率分別為15%、20%和25%的3組工況，其中SOFA風率為20%的工況為基本工況，具體工況設置見表2。

表2 工況參數Tab.2 Case and parameters

2 數學模型、網格及計算方法

鍋爐爐膛內的煤粉燃燒過程由多個子過程互相耦合而成，主要包含：湍流過程，顆粒相的輸運，煤粉顆粒的熱解和燃燒，氣相反應物參與的均相燃燒反應，輻射和對流傳熱過程，氮氧化物等生成和還原過程等。本文針對四角切圓鍋爐的具體特點，確定了模擬該煤粉鍋爐燃燒過程的三維數學模型:采用Euler方法描述爐內氣相湍流流動，湍流模型選擇了帶旋流修正的κ-ε模型;由于煤粉顆粒占氣相的體積分數小于10%，因此選用離散相模型來描述顆粒相的運動;煤粉在流動的同時還伴隨著揮發份析出和燃燒過程，因此采用雙平行競爭反應模型模擬煤粉揮發份的析出，應用動力/擴散控制燃燒模型模擬焦炭燃燒，基于混合分數-概率密度函數模型模擬氣相湍流燃燒;氣相與固相之間的耦合計算采用計算單元內顆粒源項算法；選用P-1輻射模型來模擬爐內輻射換熱過程。各模型的具體描述見文獻[7-12]。

采用結構化的網格劃分方法，使用六面體網格。為了減少計算過程中的偽擴散，通過合適的網格劃分使得燃燒器出口區域的網格線與流體流動方向基本一致，并將該區域網格加密，以準確模擬此區域物理量的大梯度特性。網格結構如圖2所示，x軸為深度方向，y軸為寬度方向，z軸為高度方向。

在數值模擬計算中，入口邊界條件采用速度入口條件，出口邊界條件采用壓力出口,方程的求解采用逐線迭代法和低松弛因子，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項離散采用PRESTO格式，其他項的離散格式為一階迎風格式[13]。獲得收斂解的判斷標準為:能量方程、輻射傳熱計算的殘差小于10-6，其他方程殘差小于10-3。

3 模擬結果分析與討論

3.1 模擬結果驗證

由于研究對象為某機組實際運行工況，故可以與熱態測量數據相結合來對數值模擬準確性進行驗證。通過表3的數據對比，數值模擬結果與試驗結果(SOFA為20%風率)符合性較好，說明本文所建立的幾何模型、網格劃分和數學模型能夠合理地模擬爐膛內的流動、傳熱以及燃燒過程，可用于對實際鍋爐燃燒及排放過程的模擬。

表3 模擬結果與實際測量結果的對比Tab.3 Comparison of simulated and measured results

3.2 變SOFA風率對燃燒及NOx排放特性的影響

圖3分別展示了在不同SOFA風率下，爐膛寬度中心截面，最下層一次風和最下層二次風橫截面的溫度場分布。從圖4（a）和圖4-b中可以看出，在該種低氮燃燒方式下，爐膛的切圓形成較好，溫度分布比較均勻。隨著SOFA風量的逐漸增加，高溫區溫度逐漸降低，爐膛中心的低溫區開始逐漸擴大，切圓開始增大。這是因為SOFA風量的增加是由部分輔助二次風引入導致。二次風風量的減少使得燃燒器區域煤粉燃燒不完全，燃盡推遲，溫度降低。二次風風量的減少使得氣流射流剛性減弱，氣流易產生偏轉。使得切圓逐漸變大。從爐膛寬度中心截面溫度云圖圖3（c）的變化中可以看出，隨著SOFA風量的逐漸提高，爐膛主燃燒器區域高溫區逐漸減小。這是因為隨著SOFA風量的增加，主燃燒器區域的輔助二次風風量減少，導致爐膛主燃區過量空氣系數進一步減小，燃燒不充分，主燃區溫度下降并產生大量的未燃盡顆粒和CO。

圖3 不同SOFA風率下溫度分布Fig.3 Temperature distribution under different SOFA ratios

圖3（d）展示了變SOFA風率工況下，爐膛內溫度隨爐膛高度的變化情況。從圖中可以看出，不同SOFA風率下，爐內溫度沿爐膛高度變化趨勢基本保持一致。隨著爐膛高度的增加，爐內溫度隨著煤粉的逐漸燃燒開始升高。在主燃燒器區域，由于一次風和二次風的相間布置，該區域的溫度呈現波動上升的情形。在高度約20 m處，溫度下降較為明顯，這是因為SOFA風噴入后，大量空氣進入爐膛與煙氣混合，爐內溫度驟降。但是隨著高度增加，未燃盡碳和主燃區產生的CO開始逐步燃盡，使得爐膛溫度呈現了先上升后下降的趨勢。對比不同SOFA風率下的溫度曲線，可以發現，隨著SOFA風率的增加，主燃區溫度逐漸下降，這是由于二次風的減少導致了主燃區煤粉燃燒不充分，溫度降低。在SOFA風給入之后，隨著SOFA風率的增加，燃盡區爐內溫度依然逐漸下降，這是因為隨著SOFA風量的增加，SOFA風降溫的效果要比其助燃的效果更加明顯。

圖4 不同SOFA風率下O2濃度分布Fig.4 O2distribution under different SOFA ratios

圖4（a）為氧量沿爐膛高度方向的變化情況。從圖4（a）中看出，不同SOFA風率下，氧量的變化情況基本一致。由于SOFA風率較高，在主燃燒器區域，過量空氣系數較小，氧量保持較低的狀態。由于一、二次風的相間分布，該區域的氧量呈現較大幅度的波動。當SOFA風給入之后，大量的空氣進入爐膛，使得爐內氧量驟升，隨著未燃盡焦炭的進一步燃盡，氧氣逐漸被消耗，氧量又開始逐漸降低。隨著SOFA風風率的增加，主燃區的缺氧程度加深，主燃區及其以下部分的氧量被大量消耗，氧量逐漸下降。SOFA風噴入后，大量空氣進入爐膛，隨著SOFA風率的增加，SOFA風噴口以上部分的氧量逐漸上升。

圖5（a）為CO濃度在爐膛寬度中心截面的分布情況，從圖中可以看出，在不同的SOFA風率下，爐內CO分布情況基本一致。由于引入SOFA風，在主燃燒器區域的過量空氣系數較低，煤粉不完全燃燒，產生了大量的CO，呈現出還原性氣氛。隨著SOFA風的給入，CO逐步燃燒轉變為CO2，在燃盡區CO濃度很低。隨著SOFA風量的增加，主燃燒器區域過量空氣系數逐漸減小，煤粉燃燒愈不充分，產生的CO濃度逐漸升高，在圖上可以看到CO濃度較高部分的面積也在逐漸變大。

圖5 不同SOFA風率下CO分布Fig.5 CO distribution under different SOFA ratios

圖5（b）為CO濃度沿爐膛高度方向的變化曲線，從圖中可以看出，在不同SOFA風量工況下，爐內CO濃度的變化情況趨于一致。在爐膛主燃區，CO濃度保持在一個較高的范圍，該區域呈還較強的原性氣氛。主燃區一、二次風的相間分布導致CO濃度出現波動。隨著后面SOFA風的送入，大量空氣被送入爐膛，主燃區生成的CO開始燃燒，CO濃度持續下降。比較不同SOFA風率下的CO濃度變化曲線，可以發現，隨著SOFA風率的增加，CO濃度逐漸升高，這是由于SOFA風量的增加爐膛下部和主燃區的過量空氣系數減小，煤粉顆粒燃燒不充分，產生了更多的CO。這一變化趨勢與爐膛寬度中心截面的CO濃度分布云圖相對應。隨著高度的增加，在SOFA風補充燃燒的作用下CO被迅速消耗生成CO2，所以盡管SOFA風率各有不同，但是上升到一定高度后，不同SOFA風率下的CO濃度基本相同并且都保持在較低水平。

圖6 不同SOFA風率下NO分布Fig.6 NO distribution under different SOFA ratios

圖6（a）給出了不同SOFA風率下，爐膛寬度中心截面NOx濃度的分布云圖。從圖中可以看出，主燃燒器區域，燃燒器噴口處的NOx濃度最大，因為噴口附近燃燒劇烈、氧含量相對較高，NOx的消除反應比NOx的生成反應弱。隨著高度的增加NOx濃度隨之降低，這是因為較小的過量空氣系數導致燃燒不充分，延遲煤粉燃燒，產生了大量的CO，抑制了NOx的生成。對比不同工況下的曲線圖6（b），可以看出，隨著SOFA風率的提高，在整個爐膛范圍內，產生的平均NOx濃度在逐漸減少，說明增大SOFA風率是有利于減少NOx的生成的。

圖7是不同SOFA風率下的爐膛出口處參數變化規律，從圖中可以看出，隨著SOFA風率的增加，爐膛出口處的CO濃度和飛灰含碳量逐漸上升，而NOx排放濃度在逐漸下降。SOFA風率從15%增加到20%時，CO濃度和飛灰含碳量逐漸增加，NOx下降幅度明顯；但SOFA風率從20%增加到25%時，CO濃度和飛灰含碳量的增加較為顯著，但NOx下降幅度較小。綜合考慮燃燒經濟性和脫硝成本，20%SOFA風率較為合理。

4 結論

對某電廠300 MW四角切圓鍋爐不同SOFA風率(15%、20%、25%)對燃燒及排放特性展開了數值模擬研究。數值模擬的結果與現場實際情況吻合比較好，研究結果表明：隨著SOFA風率的增加，爐膛出口處的CO濃度和飛灰含碳量逐漸上升，而NOx排放濃度在逐漸下降；考慮經濟性與排放特性，SOFA風風率20%能達到高效低NOx的目的。

圖7 不同風率下出口參數統計Fig.7 The results of the outlet

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