W火焰鍋爐低NOx燃燒新系統(tǒng)C風(fēng)風(fēng)率優(yōu)化數(shù)值模擬研究

周安鸝 繆倫奇

(1、汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 汕尾516600 2、廣東紅海灣發(fā)電有限公司,廣東 汕尾516600)

W火焰鍋爐因其特別適用于燃燒如無煙煤、貧煤等揮發(fā)分含量少、活性差的煤而在近年來快速發(fā)展起來。目前W火焰鍋爐主要有:FW（Foster Wheeler）型、B&W（Babcock&Wilcox）型、MBEL（Mitsui Babcock Energy Limited）型，Stein型這四種類型[1]，本文所研究的是一臺FW型W火焰鍋爐。雖然W火焰鍋爐具有下爐膛溫度水平高、煤粉顆粒路徑長、停留時間長等優(yōu)勢，但在實際運行中還是存在一些如NOx排放量較高的問題。根據(jù)中國環(huán)境保護部發(fā)布的最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對燃煤機組NOx的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求在脫銷之后W火焰鍋爐的NOx排放要低于200mg/m3[2]。因此，在飛灰含碳量沒有顯著增加的情況下，對W火焰鍋爐進行一些減少或控制NOx排放的措施是十分必要的。

本文的研究內(nèi)容就是基于這樣一種對飛灰含碳量沒有顯著影響但可以降低近50%的NOx排放量的低NOx燃燒新系統(tǒng)進行的，對該系統(tǒng)C層二次風(fēng)（文中簡稱C風(fēng)）的風(fēng)率進行了優(yōu)化研究，以期對實際運行過程提供參考。

1 鍋爐概況

本文研究對象為一臺采用了低NOx燃燒新系統(tǒng)的600MW FW型W火焰鍋爐。W火焰鍋爐被爐拱分成了上爐膛和下爐膛兩部分，爐拱上對稱布置有雙旋風(fēng)燃燒器。圖1為該低NOx燃燒新系統(tǒng)示意圖，這種新系統(tǒng)主要具有以下特征[3]：（1）將淡煤粉一次風(fēng)噴嘴位置從拱上移動到拱下，并且將72組噴嘴合并為36組；（2）A層二次風(fēng)由原始的環(huán)形噴口變?yōu)閳A形噴口噴入爐膛；（3）原始的D、E層二次風(fēng)合并，通過環(huán)形噴口噴入爐內(nèi)，同時冷卻乏氣風(fēng)噴嘴；（4）原始的F1、F2層二次風(fēng)合并為F層二次風(fēng)；（5）部分二次風(fēng)（約占總風(fēng)率的20%）用來作為分離燃盡風(fēng)（SOFA風(fēng)），并將SOFA風(fēng)布置在上爐膛位置。該鍋爐高50.150 m，上爐膛寬9.906 m，深34.480 m；下爐膛寬16.062 m，深34.480 m。研究中燃用的煤種信息見表1。

圖1 低NOx燃燒新系統(tǒng)

表1 燃用煤種工業(yè)分析和元素分析

2 數(shù)學(xué)模型與計算條件

利用計算流體力學(xué)（CFD）軟件Fluent 6.3.26 對該低NOx燃燒新系統(tǒng)鍋爐爐內(nèi)湍流流動、煤粉顆粒運動、湍流燃燒、輻射傳熱以及NOx生成等過程進行數(shù)值模擬。計算中所采用的模型如下[4-6]：采用可實現(xiàn)k-ε湍流模型對湍流流動進行計算；對氣相湍流燃燒則采用混合分?jǐn)?shù)/PDF模型；采用隨機軌道模型對煤粉顆粒運動進行模擬；采用雙方程競爭模型對煤的熱解過程進行模擬；焦炭燃燒過程則采用動力/擴散控制反應(yīng)速率模型進行模擬；輻射傳熱計算采用P1模型。熱力型NO采用擴展的Zeldovich機理進行計算；燃料型NO采用De Soete模型模擬。

對該鍋爐進行建模后進行分區(qū)域、結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。為了減少計算誤差，對主燃燒區(qū)的網(wǎng)格進行了細(xì)化，并使燃燒器出口區(qū)域的網(wǎng)格方向與爐內(nèi)氣流流動方向一致。對該模型劃分了2.80 ×106、3.26 ×106、3.82 ×106及4.27 ×106這4個不同數(shù)量的網(wǎng)格體系，通過網(wǎng)格獨立性測試后采用了由3.82 ×106個網(wǎng)格組成的網(wǎng)格模型進行模擬研究。研究中以3%的C層二次風(fēng)風(fēng)率為梯度設(shè)置工況，其工況設(shè)置如表2所示。

圖2 鍋爐模型及網(wǎng)格劃分

表2 工況設(shè)置

3 計算結(jié)果及分析

3.1 不同C風(fēng)風(fēng)率下爐內(nèi)流動、燃燒及NO排放特性

圖3為爐膛寬度中心截面上的速度場分布，可以看到：在不同的C風(fēng)風(fēng)率下，爐內(nèi)氣流在下沖一段距離后均轉(zhuǎn)而上行，在主燃燒區(qū)形成兩個回流區(qū)，氣流流動呈明顯的“W”形，說明所建立的模型可以正確反映出該FW型W火焰鍋爐爐內(nèi)的空氣動力特性。但隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，拱上氣流下沖深度逐漸減小，回流區(qū)有所上移，這可能是因為隨著C風(fēng)風(fēng)量的減小，C風(fēng)對煤粉氣流的引射作用減弱造成的。

圖3 速度場

圖4為爐膛寬度中心截面上的溫度場分布，可以看到在爐膛中心截面上爐內(nèi)溫度分布基本對稱，各不同工況下爐內(nèi)最高溫度在1900K左右。但隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，高溫區(qū)域的面積逐漸減小，爐內(nèi)溫度水平降低，主燃燒區(qū)略有下移，火焰充滿度降低。這是因為隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，拱上氣流下沖深度減小，爐拱回流區(qū)減小，部分煤粉停留時間變短，從而使得燃盡率降低，釋放的熱量減少。

圖4 溫度場

圖5為爐膛寬度中心截面上的氧量分布，可以看到：隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，下爐膛主燃燒區(qū)的氧含量逐漸降低，上爐膛氧含量升高，靠近冷灰斗區(qū)域的氧含量略有增加。這是因為隨著C風(fēng)風(fēng)量的減少，對煤粉氣流的托舉作用減弱，導(dǎo)致少量煤粉落入下爐膛燃燒，爐渣也會相應(yīng)有所增加。

圖5 氧量分布

圖6為NO含量沿爐膛高度的變化曲線。可以看到，隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，NO含量逐漸降低。這是因為隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，主燃燒區(qū)的氧含量降低，還原性氣氛增強，因而對NOx還原作用增加；同時，隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小使得空氣分級程度增加，燃燒劇烈程度減弱，爐內(nèi)溫度水平降低，有利于熱力型NOx的降低。

圖6 NO含量沿爐膛高度的變化曲線

3.2 不同C風(fēng)風(fēng)率下爐膛出口燃盡特性

圖7為不同C風(fēng)風(fēng)率下燃盡率的變化曲線。從圖中可以看到，隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小燃盡率不斷降低。這是因為隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，爐內(nèi)回流區(qū)減小，拱上氣流下沖深度減小，部分煤粉停留時間變短，而煤粉的著火距離變長，從而使得燃盡率降低。另一方面由于C風(fēng)風(fēng)率的減小，使得空氣分級程度增加，因而燃盡率降低。

圖7 燃盡率隨C風(fēng)風(fēng)率的變化曲線

4 結(jié)論

本文利用數(shù)值模擬的方法，研究了某低NOx燃燒新系統(tǒng)W火焰鍋爐的C風(fēng)風(fēng)率對燃燒特性及NO排放特性的影響。得到的主要結(jié)論有：

4.1 隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，對煤粉氣流的托舉作用減弱，拱上氣流下沖深度減小，爐內(nèi)燃燒劇烈程度減弱使得溫度水平降低。

4.2 隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小，空氣分級程度增加，主燃燒區(qū)的氧含量降低，還原性氣氛增強；且爐內(nèi)溫度水平降低，均有利于降低NO排放量。

4.3 C風(fēng)風(fēng)率對煤粉燃盡率有較大的影響；隨著C風(fēng)風(fēng)率的降低，爐內(nèi)回流區(qū)減小，部分煤粉停留時間變短，而煤粉的著火距離變長，使得煤粉燃盡率不斷降低。