燃盡風豎直擺角對四角切圓鍋爐燃燒及排放特性的影響

任少輝，閆心永，崔 一，陳 宏，張兆超，李躍峰，黃 海，謝 波

(武漢凱迪綠色能源開發運營有限公司，湖北 武漢 430074）

0 引言

目前,空氣分級燃燒技術是一種較成熟且應用廣泛的低氮燃燒技術，能夠有效大幅度降低NOx排放，同時能減少尾氣脫硝成本[1,2]。采用空氣分級燃燒技術時，下爐膛主燃燒區域氧氣濃度相對較低，會生成大量CO形成還原性氣氛，有利于抑制NOx形成；燃盡風從主燃燒區上部送入爐膛，與下爐膛產生的未燃盡的可燃物混合，這促進了燃料的燃盡，提高了燃燒經濟性。燃盡風作為空氣分級燃燒技術中的一個重要組成部分，其布置方式、風率大小以及入射角度等都會對燃燒效率、NOx排放產生不可忽視的影響，同時也會影響上爐膛區域溫度分布和鍋爐的安全穩定運行。針對這些問題，國內許多學者展開了相關研究工作?？准t兵等[3]人對應用于一臺四角切圓煤粉鍋爐上的墻式燃盡風技術進行了研究，結果表明，通過合理配風，鍋爐CO和NOx等未燃盡可燃物體積分數均比常規角式燃盡風工況下低，在降低NOx質量濃度的同時鍋爐效率不變，并且在解決鍋爐兩側汽溫偏差方面具有良好的效果。呂太等[4]研究了燃盡風位置高度對NOx生成的影響，認為綜合爐內各參數變化的比較得出，燃料從主燃區至燃盡區的最佳運行時間約為0.66 s。付忠廣等[5]人在四角切圓煤粉鍋爐上通過數值模擬研究了分離式燃盡風水平反切角度對爐膛出口速度偏差和溫度偏差的影響，表明燃盡風反切對主燃區的燃燒影響很小，但能有效改善煙溫偏差。孫保民等[6]研究燃盡風率對鍋爐燃燒及NOx排放的影響，發現當燃盡風率在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。以上研究針對燃盡風布置方式、燃盡風風率等開展了研究，為進一步研究燃盡風豎直擺角，因此，本文結合現場試驗采用數值模擬方法探究了不同燃盡風豎直擺角對爐內流動、燃燒及NOx排放的影響。

1 鍋爐簡介

模擬對象300 MW四角切圓鍋爐為亞臨界壓力一次中間再熱控制循環汽包爐，單爐膛、平衡通風、固態排渣、全鋼架、全懸吊結構、Π型布置，采用不帶再循環泵的大氣擴容式啟動系統。鍋爐島為露天布置，采用滾筒式球磨機、中間儲倉式熱風送粉的制粉系統，每臺爐配4臺球磨機，鍋爐燃用煤相關煤質分析如表1所示，鍋爐結構建模和網格劃分如圖1所示。

表1 煤質分析Tab.1 Coal quality analysis

Fig.1 Schematic diagram of boiler and grid division

為了研究燃盡風豎直擺角對四角切圓鍋爐燃燒及NOX排放特性的影響，文中設置了燃盡風豎直擺角分別為 0°、-5°和-10°的 3 組工況，其中負號表示豎直向下擺動，0°下運行工況為電廠實際運行工況，在本文中用于模擬驗證。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主要包含：氣固兩相流的，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。

在本文對該鍋爐爐內燃燒的模擬計算中，在模擬氣相湍流時采用標準的k-ε湍流模型；采用PDF模型來模擬氣相燃燒過程；在模擬煤粉顆粒的運動時采用顆粒的隨機軌道模型；采用雙方程平行競爭反應模型來模擬煤的熱解；在模擬焦炭燃燒時采用動力/擴散控制反應速率模型；用DO法模擬輻射傳熱計算；離散方法均設置成一階迎風格式。設定邊界條件時，將一次風、二次風以及燃盡風的邊界條件均設定為速度入口，并根據鍋爐的設計參數來決定其入口的流速和風溫；出口處采用的是壓力出口的邊界條件，根據實際電站鍋爐在引風機作用下爐內呈現負壓的特點，將其壓力參數設置為-50 Pa；將爐膛壁面設置成無滑移的邊界條件，并采用標準的壁面方程，壁面的熱交換則采用第二類邊界條件（溫度邊界條件），通過給定壁面的溫度和輻射率來實現，設置壁面溫度為690 K，設置壁面輻射率為0.6，離散相類型為reflect；其中冷灰斗底部壁面溫度為473 K，輻射率為1，離散相類型為trap。更多模型及設置見參考文獻[7-9]。

3 模擬結果分析與討論

3.1 模擬結果驗證

實際運行中豎直擺角設置為0°，因此為驗證模擬結果的準確性，將豎直擺角為0°的模擬結果與鍋爐實際運行時熱態測量數據對比驗證。模擬與試驗的爐膛出口溫度、出口CO、NOx濃度以及飛灰含碳量對比如表3所示?？梢钥闯?，模擬結果與試驗結果符合性較好，表明所建立的模型、網格以及數學模型能夠合理地預測爐內流動、燃燒及NOx排放特性。

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 變燃盡風豎直擺角對燃燒及NOx排放特性的影響

圖2給出了基本工況(豎直擺角為0°)下速度和溫度分布，可以看出在該低氮燃燒方式下，爐膛內流場和溫度場切圓形成較好。煤粉氣流在一次風噴嘴不遠處著火燃燒并形成穩定火焰，無燃燒刷墻現象。主燃燒區燃燒劇烈，溫度較高；隨著燃盡風噴入，溫度在燃盡風區域有所降低，但隨后由于未燃盡可燃物繼續燃燒放熱，在燃盡區溫度又有所升高。如圖3所示為不同燃盡豎直擺角下縱截面速度分布對比，可以看出當燃盡風下擺角度增大，燃盡風氣流下沖越深，與主燃燒區域氣流接觸越提前；下爐膛主燃區流場基本相似，說明燃盡風豎直擺角對下爐膛流動影響較小。

圖2 基本工況下速度和溫度分布Fig.2 Velocity and temperature distribution of the based case

圖3 不同燃盡豎直擺角下縱截面速度分布Fig.3 Velocity under different over-fired air vertical angles

圖4(a)給出了爐膛寬度中心截面的溫度場分布。從圖中可以看出，隨著一次風燃燒器噴口下擺角度增大，主燃燒器區域溫度變化較小，但下爐膛主燃區上部與燃盡風之間的高溫區面積在逐漸縮小。通過爐膛內溫度隨爐膛高度的變化(圖4(b))中情況可以看出，燃盡風豎直擺角變化時，主燃區溫度曲線變化不大。但對主燃區與燃盡風區域而言(高度為25 m附近)，燃盡風豎直擺角越大，22-25 m區域溫度越低，同時低溫峰值位置越靠下，這主要是燃盡風下傾后對該區域的冷卻效應造成的。當經過一段高度，由于擺角越大在下面高度上補充的氧氣越多，燃燒越劇烈，此時空氣的助燃作用開始比冷卻作用強，所以擺角越大溫度反而越高。最后經過一段高度的燃燒，不同擺角對應的溫度又變得基本相同。

圖4 不同燃盡風豎直擺角下溫度分布Fig.4 Temperature distribution under different over-fired air vertical angles

圖5為不同燃盡風豎直擺角下爐內氧量變化情況。從圖5(a)中看出，不同燃盡風豎直擺角下，爐內氧量的分別情況基本是相似的：在主燃燒區域，過量空氣系數相對較小，氧量保持較低的狀態；在燃盡區，隨著燃盡風噴入，燃盡區域氧量濃度較高。隨著燃盡風豎直擺角的增加，最上層燃燒器與燃盡風之間低氧區域逐漸減小。通過圖5(b)曲線分析也發現，在主燃區，隨著燃盡風下擺角度的增加，不同下擺角度下的平均氧量相差不大。但在主燃區與燃盡風噴嘴之間區域，燃盡風下擺角度越大，氧氣濃度越低；在燃盡風上部區域，隨著未燃盡成分繼續燃燒消耗氧氣，氧量變化情況基本相同。

圖5 不同燃盡風豎直擺角下O2濃度分布Fig.5 O2distribution under different over-fired air vertical angles

圖6給出了不同豎直擺角下CO濃度分布。可以看出，在不同燃盡風豎直下擺角度下，爐內CO濃度的變化情況趨于一致。由于空氣分級燃燒，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，這有利于抑制NOx的生成。主燃區一、二次風的相間分布導致CO濃度出現波動。隨著后面燃盡風的送入，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。對比不同燃盡風豎直擺角，可以看出爐膛內主燃燒器區域CO濃度變化相對較??；但隨著燃盡風下擺角度的增加，燃盡風提前與高溫煙氣接觸，更多氧量提前補充進來，更多的CO被燃燒消耗，使得高CO濃度區域面積有所減小，即還原性區域減小。當高度繼續上升后，CO濃度逐漸降低，最終不同擺角對應的CO濃度相差很小，并保持較低一個相對較低值。

圖6 不同燃盡風豎直擺角下CO濃度分布Fig.6 CO distribution under different over-fired air vertical angles

圖7(a)給出了不同燃盡風豎直擺角下，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、溫度較高、氧含量相對較高，有利于NOx的還原反應比NOx的生成反應要弱。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7(b)，隨著燃盡風豎直擺角的提高，主燃燒區NOx濃度變化不大，但在燃盡區產生的平均NOx濃度在逐漸增加，說明增大燃盡風擺角向下擺角增加不利于減少NOx的生成的。這主要是由于豎直擺角增大，主燃燒區最上層與燃盡風之間還原性區域減小，還原下爐膛已生成的NOx的能力降低。

圖7 不同燃盡風豎直擺角下NO濃度分布Fig.7 NO distribution under different over-fired air vertical angles

圖8是不同燃盡風豎直擺角下的爐膛出口處參數變化規律。從圖中可以看出，隨著燃盡風豎直擺角增加，爐膛出口處的CO濃度和飛灰含碳量有所降低，而NOx排放濃度在有所升高。特別地，隨著燃盡風豎直擺角從0°增加到-5°，CO濃度和飛灰含碳量降低明顯，而NOx有所增。進一步增加燃盡風豎直擺角從-5°到-10°，CO濃度和飛灰含碳量降低幅度較小，而NOx有明顯增大。因此，綜合考慮燃燒經濟性和脫硝成本，建議將燃盡風豎直擺角設置為-5°。

圖8 不同風率下出口參數統計Fig.8 The results of the outlet

4 結語

對某300 MW電廠四角切圓鍋爐不同下擺角度(0°、-5°、-10°)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。實驗結果表明：增加燃盡風下擺角度，可以在一定程度上使下爐膛產生的CO和未燃盡煤粉顆粒提前與燃盡風接觸并混合，延長了其反應時間，這使得CO濃度、飛灰含碳量有所下降；但同時燃盡風下傾也減小了還原性氣氛區域，不利于NOx減排，導致NOx有所增加。綜合考慮燃燒經濟性和脫硝成本，建議將燃盡風豎直擺角設置為-5°能達到高效低NOx目的。