高速燃盡風射流對NOx與CO協同控制的模擬研究

張?健，劉毅成，劉?薇，馬倩慧，白?昊，張忠孝

高速燃盡風射流對NO與CO協同控制的模擬研究

張?健1，劉毅成1，劉?薇1，馬倩慧1，白?昊1，張忠孝2

(1. 上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093；2. 上海交通大學機械與動力工程學院，上海 200240)

針對某75t/h四角切圓煤粉電站鍋爐采用深度空氣分級脫硝后帶來的CO濃度提升問題，提出了高風速燃盡風射流對NO與CO協同控制的方法．使用計算流體力學(CFD)數值模擬方法，研究了該技術的工作原理以及對火焰燃燒特性的影響．研究結果表明：①對傳統空氣分級，燃盡風風率從20%增加到40%時，鍋爐出口NO質量濃度從450mg/m3降低到263mg/m3，同時折煙角處CO質量濃度從15.5mg/m3增加到428.3mg/m3；②采用高速燃盡風，燃盡風風率為40%，風速提高至82m/s，可以保證NO與CO同時有效控制；③高風速對CO燃盡的原因，歸因于在爐內形成一個大回流區，此處有氧濃度高、停留時間長、湍流強度高等特點，這些都促進了CO燃盡，模擬也表明高風速燃盡風噴射不影響爐內煤粉燃燒過程．該新工藝的提出與數值模擬研究，對深度空氣分級脫硝與CO同時控制的工業應用有一定理論指導意義．

空氣分級；數值模擬；燃盡風；NO；CO燃盡

目前我國燃煤發電機組的NO排放應控制低于100mg/m3排放[1]．規定新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值，即在基準氧含量6%條件下，氮、氧化物排放濃度分別不高于50mg/m3[2]．目前很多大型電站已經通過使用選擇性催化還原技術(SCR)實現NO排放控制低于50mg/m3. SCR技術的使用，伴隨著大量噴氨、可能的氨逃逸、后續管道結焦傾向以及經濟性付出等．如何在鍋爐本體控制NO的多種聯合技術中，更加優化每個環節，實現經濟且可靠的脫硝控制，是一個重要課題．

空氣分級技術是很傳統的技術，可以創造還原區域促進NO還原反應發生，一般可降低NO排放20%～30%[3-4]．但是，也會產生一系列的問題，比如爐膛頂部火焰一定超溫，過熱器補水量增加[5]；爐內燃燒推遲，火焰中心上移，爐膛出口的飛灰含碳量增加[6-8]，爐內大量CO未燃盡[9-10]．通過實驗研究，高風速燃盡風(SOFA)對于控制CO燃盡、飛灰含碳量燃盡有一定的作用[11-12]．也有研究通過數值模擬分析高風速燃盡風起作用的原因[12-14]．不過，研究高風速燃盡風的參考文獻較少，理論分析尚不透徹．

本文在考慮深度空氣分級的基礎上，分析了高風速燃盡風系統的設計思路，通過計算流體力學(CFD)模擬先研究了高風速后爐內CO、NO排放的變化，以及對爐內燃燒的煤粉火焰的影響．該研究為電站煤粉鍋爐有效控制NO及CO燃盡有一定的理論指導意義．

1?數值模擬深度空氣分級對CO排放的影響

本文研究對象為某電廠75t/h四角切圓煤粉鍋爐，鍋爐設計煤種為AⅢ煙煤，煤質分析見表1，設計熱效率為90.24%．爐高18.5m，截面尺寸為5392mm×6106mm(深×寬)，正方形π型鍋爐，燃燒器為四角切圓布置．圖1(a)為鍋爐的三維結構布置，以及燃燒器和SOFA的各個噴口位置．圖1(b)為主燃區橫截面網格，鍋爐網格共計約160萬，經過網格的獨立性分析檢驗．

表1?煤質分析

Tab.1?Analysis of coal quality

圖1?鍋爐模型建立與網格劃分

使用Ansys-Fluent 15.0軟件進行CFD模擬．模型選型與工況設置如下：①對氣相湍流計算，采用Realizable-模型；②采用隨機離散相模型(DPM)獲得煤粉顆粒運動；③在歐拉場與顆粒拉格朗日場耦合過程中，每次迭代共跟蹤3840個煤粒子軌跡；④氣相湍流燃燒的模型選用有限反應速率-渦耗散模型；⑤輻射換熱模型使用離散坐標(DO)模型；⑥采用SOFA風率為20%、30%、40%作為模擬工況；⑦NO生成模擬采用后處理方法計算，考慮熱力型NO與燃料型NO的生成．具體的參數設置可參考作者的前期研究[15-17]．

圖2模擬了鍋爐滿負荷工作的鍋爐不同高度處的煙氣溫度與組成．SOFA風率20%時，模擬結果的NO質量濃度為450mg/m3．在實際工程改造前SOFA比例為20%，煙氣中NO質量濃度實測結果為420～450mg/m3，可見模擬與實測對比較好．對于滿負荷工況，在鍋爐折焰角附近的觀火孔內往爐內插入約3m的熱電偶，測試煙氣溫度為980～1008℃，此時鍋爐尾部煙道處的氧化鋯設備測出煙氣氧氣體積分數約3.7%，這些實測數據都與模擬結果有較好的吻合，表明模擬結果合理可靠．

圖2中分別討論了不同空氣分級配置對煙氣溫度、CO體積分數、NO質量濃度在爐內縱高方向的影響規律．圖2(a)為各工況下沿高度方向上的截面平均溫度的變化情況．SOFA風率從20%提高到40%，會讓燃燒器火焰區溫度降低，同時讓火焰拉長，頂部煙氣溫度提高．20%、30%、40%的燃盡風工況下，在折焰角位置的煙氣平均溫度分別為990℃、1004℃、1040℃．過高的燃盡風配比，會造成蒸汽管道一定超溫，增加過熱器中的減溫水水量需求．圖2(b)展示了爐膛出口(折煙角)處的CO體積分數，當SOFA從20%提高到40%，CO體積分數從14.3×10-6(15.5mg/m3)增加到388.8×10-6(428.3mg/m3)．SOFA為40%工況在還原區CO體積分數約為4000×10-6～13000×10-6，明顯高于3000×10-6～10000×10-6(30%燃盡風)和500×10-6～4000×10-6(20%燃盡風)情況．圖2(c)中，SOFA風率從20%增加到40%時，爐膛出口處NO的排放量從450mg/m3下降到263mg/m3，即下降了41.6%，可以實現有效控制．深度空氣分級對于NO降低是有效的，如何同時控制CO的排放是一個重要問題．

圖2?模擬不同燃盡風風率下爐內溫度、CO與NOx分布

2?高風速燃盡風的設計構想

選擇專有的高壓新風模式(見圖3)，即通過某專用的高壓風機，直接提高燃盡風的風速．若直接從大風箱抽風，則會對大風箱的其他配風有不利影響．這里希望有專門的熱風管路實現風速提高，建議設計有專門的高風速SOFA風管路和相關的預熱裝備．通過一定的空氣預熱器預熱，既有一定的高溫預熱，又連接高壓風機，實現高風速SOFA風噴射的目的．

圖3?高速燃盡風工藝設計示意

3?數值模擬分析高風速燃盡風的影響

圖4模擬了高壓風機法控制高風速燃盡風對煙氣溫度及CO、NO排放的影響．圖4(a)可看出在配風30%與40%的兩個工況，在高風速的影響下，SOFA風口以上空間的溫度有一定的下降，不過下降幅度約30℃，控制高風速SOFA對CO和NO的研究結果分別見圖4(b)和(c)．兩個工況的模擬都說明可以有效提高CO燃盡，還原區位置的CO體積分數大降．高風速燃盡風工況的后期NO排放比低風速燃盡風工況的微高，這與還原區上部氧體積分數略提高有關，但是影響不大，可以忽略．

圖5為不同SOFA風速下爐膛截面的煙氣上升速度分布，可以明顯看出提高燃盡風量和提升燃盡風速度，都可以在燃盡風區形成一個“心型”的大回流區，特別是高風速SOFA40%的燃盡風工況．大回流區的直徑約為爐膛長或寬的一半，高度約2m．隨著SOFA風風速的增大，速度的增大使得射流氣流的剛性明顯較強，并且射流擴散情況較好，因而有利于SOFA與主氣流的充分混合．

圖6是對SOFA40%高風速工況的模擬數據，以爐膛中燃燒器1#角與3#角對置噴口的對角線橫截面出圖．分圖6(a)中，燃盡風噴口對角截面的速度分布圖中顯示了燃盡風下部有一定的煙氣回流區，煙氣被高速氣流阻隔在燃盡風下方，這引起了爐膛下方的煤粉顆粒停留時間的增加．分圖6(b)中，爐內的大回流區中氧氣體積分數較高．分圖6(c)中，CO大量在回流區被燃燒．發現CO與焦炭的燃燒主要集中在燃燒器區域和與還原區．燃盡風上部也有一定的焦炭與CO燃燒，但是份額較少．

圖5 不同SOFA風下爐膛截面的煙氣上升速度分布

圖6 SOFA＝40%高風速燃盡風工況的大回流區的特性分析

4?中心回流區附近的煤粉顆粒軌跡分析

圖7是高風速的40%燃盡風工況跟蹤一個角的上下兩個煤粉噴口的煤粉入射軌跡線．分圖7(a)是顆粒經過位置的氧氣體積分數，煤粉僅僅在燃燒器噴口附近和燃盡風噴口附近與更多氧氣接觸，在更多的位置氧氣體積分數都約低于1%．分圖7(b)中，跟蹤顆粒發生的上升速度為正代表顆粒往上運動，為負代表往下運動．可見顆粒幾乎很少進入燃盡區域的大回流區，煤粉都是通過靠近鍋爐壁面的位置進入更上層空間，也就是說回流區中走的不是煤粉，而是帶有CO的煙氣．因為CO在大回流區有更多的停留時間，所以促進了CO的燃盡.

圖7 SOFA＝40%高風速燃盡風工況的顆粒運動軌跡跟蹤

5?高風速對CO與NOx同時控制的討論

對不同SOFA風率的工況模擬結果進行匯總，模擬得到的尾部煙氣組成見表2．提高SOFA風的速度后發現溫度變化并不明顯，CO有明顯降低．SOFA為30%和40%的工況里的CO分別降低了187.5mg/m3和303.2mg/m3．當SOFA風速分別從33.79m/s、41.25m/s增加到64m/s、82m/s時，NO濃度均有小幅度增加，該增加幅度是小的．這里最優工況是40%SOFA且使用高風速，既可以促進NO有效控制，又能實現CO不超標．

ALSTOM公司做了高風速SOFA的相關實驗與模擬研究[12]．圖8是實驗數據，是在一定風速的基礎上(原文沒有介紹)，以倍數的形式提高了SOFA風的速度．2.5倍風速比1.5倍風速工況CO有一定的降低，同時飛灰未燃盡碳含量降低．同時，NO變化較小，高風速對其幾乎沒有變化．這些結論都和本文的研究結果類似．不過，該文獻將CO降低歸結為高風速促進了SOFA風截面的氣流混合，氧氣體積分數均勻．本文不同意該觀點，認為該現象歸因到大回流區的形成．

表2?不同模擬工況下爐膛出口煙氣參數的比較

Tab.2 Comparison of flue gas parameters at the furnace outlet under simulated conditions

圖8 高風速燃盡風對NOx、飛灰含碳量和CO影響的實驗數據[12]

6?結?論

目前我國燃煤發電機組的主要污染物之一就是NO，系統提升機組的NO綜合最優化管控是一個重要課題．本文針對傳統空氣分級引起的爐內大量CO未燃盡問題，提出了高風速燃盡風的工藝設計．并通過CFD數值模擬研究分析了該工藝的特點，探索CO的成因．

(1) 傳統空氣分級，燃盡風風率從20%增加到40%時，鍋爐出口NO質量濃度從450mg/m3降低到263mg/m3，同時折煙角處CO質量濃度從15.5mg/m3增加到428.3mg/m3．

(2) 燃盡風風率為40%，同時風速提高至82m/s，爐膛出口CO及NO質量濃度分別為125.1mg/m3和274.3mg/m3，該工況可以同時控制NO與CO．

(3) 高風速對CO燃盡的原因在于爐內形成一個大回流區，此處由高氧、高停留時間、高湍流強度等特點，都促進了CO燃盡．

［1］ 環境保護部，國家質量監督檢驗檢疫總局. GB13223—2011火電廠大氣污染物排放標準[S]. 北京：中國環境出版社，2012.

Ministry of Environmental Protection，General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. GB13223—2011 Emission Standard of Air Pollutants for Thermal Power Plants[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2012(in Chinese).

［2］ 環境保護部，國家發展和改革委員會，國家能源局. 關于印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》的通知[EB/OL]. http：//www. mee. gov. cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm，2015-12-11.

Ministry of Environmental Protection，National Development and Reform Commission，National Energy Administration. Full Implementation of Ultra-low Emission and Energy-saving Transformation Work Plan for Coal-fired Power Plants[EB/OL]. http://www.mee.gov. cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm，2015-12-11(in Chinese).

［3］ 汪華劍，方慶艷，周懷春，等. 空氣深度分級對低揮發分煤燃燒過程影響的研究[J]. 熱能動力工程，2009，24(6)：777-781.

Wang Huajian，Fang Qingyan，Zhou Huaichun，et al. Study of the influence of the deep air-staged burning on a low-volatile coal combustion process[J].，2009，24(6)：777-781(in Chinese).

［4］ Chen S L，Heap M P，Pershing D W，et al. Influence of coal composition on the fate of volatile and char nitrogen during combustion[J].()，1982，19(1)：1271-1280.

［5］ 曹瑞杰，張?健，畢德貴，等. 130t/h四角切圓煤粉爐低氮燃燒改造的試驗研究及數值模擬分析[J]. 熱能動力工程，2018，33(10)：75-82.

Cao Ruijie，Zhang Jian，Bi Degui，et al. Experimental and numerical investigations on effects of low-NOcombustion in a 130t/h tangentially firing furnace of pulverized coal[J].，2018，33(10)：75-82(in Chinese).

［6］ 周俊虎，趙琛杰，許建華，等. 電站鍋爐空氣分級低NO燃燒技術的應用[J]. 中國電機工程學報，2010，30(23)：19-23.

Zhou Junhu，Zhao Chenjie，Xu Jianhua，et al. Application of air-staged and low NOemission combustion technology in plant boiler[J].，2010，30(23)：19-23(in Chinese).

［7］ 王恩祿，張海燕，羅永浩，等. 低NO燃燒技術及其在我國燃煤電站鍋爐中的應用[J]. 動力工程，2004，24(1)：23-28.

Wang Enlu，Zhang Haiyan，Luo Yonghao，et al. Analysis of low NOcombustion techniques and its application for the coal fired power plants in China[J].，2004，24(1)：23-28(in Chinese).

［8］ Fan Weidong，Lin Zhengchun，Kuang Jinguo，et al. Impact of air staging along furnace height on NOemissions from pulverized coal combustion [J].，2010，91(6)：625-634.

［9］ 周?平，張廣才，嚴曉勇，等. 600MW機組對沖燃煤鍋爐尾部CO濃度偏高的調整試驗[J]. 熱力發電，2014，43(12)：82-88.

Zhou Ping，Zhang Guangcai，Yan Xiaoyong，et al. Operation optimization on high CO emissions of a 600MW unit swirl-opposed firing boiler after low-NOburner retrofitting[J].，2014，43(12)：82-88(in Chinese).

［10］ 夏文靜，衡麗君，何長征，等. 660MW超超臨界燃煤鍋爐降低CO排放的試驗研究[J]. 熱能動力工程，2014，29(1)：58-64.

Xia Wenjing，Heng Lijun，He Changzheng，et al. Experimental study of a 660MW ultra-supercritical opposed combustion coal-fired boiler for reducing CO emissions[J].，2014，29(1)：58-64(in Chinese).

［11］ 張大勇. 高速燃燼風系統在姚孟電廠4號鍋爐上的應用[J]. 陜西電力，2008，36(4)：66-69.

Zhang Dayong. Application of high speed burn-off air system in Yaomeng Power Plant No.4 boiler[J].，2008，36(4)：66-69(in Chinese).

［12］ Richards G H ，Maney C Q ，Borio R W ，et al. Ultra Low NOIntegrated System for NOEmission Control from Coal-Fired Boilers[R]. United States：Alstom Power Inc，2002.

［13］ 曾?芳，劉東曉，王李斌，等. 燃盡風速的改變對鍋爐爐膛內燃燒過程影響的數值模擬[J]. 能源與環境，2014(4)：20-22.

Zeng Fang，Liu Dongxiao，Wang Libin，et al. CFD modelling of influence of SOFA velocity on combustion characteristics in furnace[J].，2014(4)：20-22(in Chinese).

［14］ 白?昊，張?健，郭欣維，等. 煤粉鍋爐中空氣分級與煙氣循環協同調控脫硝的數值模擬研究[J]. 華電技術，2020，42(9)：9-15.

Bai Hao，Zhang Jian，Guo Xinwei，et al. Numerical simulation for synergistic control on denitration in the pulverized coal boiler with air staging and flue gas circulation[J].，2020，42(9)：9-15(in Chinese).

［15］ Zhang Jian，Wang Qunying，Wei Yajuan，et al. Numerical modelling and experimental investigation on the use of brown coal and its beneficiated semicoke for coal blending combustion in a 600MWeutility furnace[J].2015，29(2)：1196-1209.

［16］ Zhang Jian，Dai Baiqian，Meng Ying，et al. Pilot-scale experimental and CFD modeling investigations of oxy-fuel combustion of Victorian brown coal[J].，2015，144：111-120.

［17］ Zhang Jian，Prationo Wirhan，Zhang Lian，et al. Computational fluid dynamics modelling on the air-firing and oxy-fuel combustion of dried Victorian brown coal[J].，2013，27(8)：4258-4269.

Numerical Simulation Research on the Hybrid Control of NOand CO Emissions Through High-Speed SOFA Injecting

Zhang Jian1，Liu Yicheng1，Liu Wei1，Ma Qianhui1，Bai Hao1，Zhang Zhongxiao2

(1. School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The deeper air staging in a furnace helps control NOemission but also results in the increase of CO concentration at the furnace outlet. Therefore，high-speed separated over-fire air(SOFA) injecting is put forward to decrease both NOand CO emissions. A CFD modeling was conducted on a 75t/h tangentially pulverized-coal-fired furnace to clarify its mechanism and its influence on combustion characteristics. The conclusions are as follows. First，with the SOFA ratio is enhanced from 20% to 40%，the NOemission decreases from 450 to 263mg/m3，and the CO concentration rises from 15.5 to 428.3mg/m3at the smoke deflecting corner. Second，in the case of higher-speed SOFA injecting，i.e.，the blowing velocity of 82m/s and SOFA ratio of 40%，the reduction of both NOand CO emissions can be guaranteed. Third，the influence of the new approach on accelerating CO burnout is due to a large reflux zone formed beneath the SOFA layer，with characteristics of a higher oxygen concentration，a longer residence time and a higher turbulence intensity of flue gas. This modeling also shows that the combustion process of pulverized coal is not impacted by higher-speed SOFA injecting. This study gives a new understanding of the control of both NOand CO emissions in industrial applications.

air staging；numerical simulation；separated over-fire air (SOFA)；NO；CO burnout

TK16；X51

A

1006-8740(2021)05-0507-07

10.11715/rskxjs.R202006001

2020-09-03．

國家重點研發計劃資助項目(2018YFB0604202)．

張?健（1978—??），男，博士，講師．

張?健，jzhang66@163.com．

(責任編輯：武立有)