660 MW火電機組低氮燃燒優化及數值模擬研究

王 匡，白 倩

(1.榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000； 2.子洲縣工貿局，陜西 子洲 718400)

火力發電是我國消耗煤炭資源最多的行業，現階段我國電力供應仍然以火力發電為主，火力發電占全國總供電量的70%以上[1-2]。然而，以煤炭為原料的火力發電也存在硫、氮、煙塵等污染物的排放問題[3]，硫、氮等排放物也是形成光化學污染和酸雨的主要原因，電力企業有必要從技術層面加以改進，以減少電力生產對生態環境生成的污染。根據GB 13223—2011《火力發電廠大氣污染物排放標準》，燃煤鍋爐煙氣中NOx和SO2濃度不得高于200 mg/m3，部分型號較舊的火電機組需要通過適當的改造才能達到這一排放標準[4-5]。閆東海等[6]采用數值模擬的方法對600 MW機組四角切圓燃燒煤粉鍋爐燃盡風率、燃盡風高以及燃燒器的布置策略進行分析，并重點探究組分分布、溫度、分布、燃燒速度對NOx濃度的影響，經實驗研究發現，空氣分組燃燒技術能夠實現針對主燃區O2濃度的控制，進而降低NOx最終排放量，但對于鍋爐效率和煤粉燃盡率也會產生一定的影響。因此，本次研究采用空氣分級燃燒技術與數值模擬相結合的方法，改善爐內組分分布，深入分析660 MW火電機組鍋爐NOx生成量與各項運行參數之間的關系，進而提出具體的改善措施，在不影響煤炭燃燒效率的情況下降低鍋爐NOx原始排放量。

1 鍋爐幾何模型及網格劃分

此次研究針對660 MW火電機組所采用的亞臨界CFB鍋爐實施低氮燃燒分析，該鍋爐的主要特點為單爐膛、無外置換熱器、大布風板結構、3個分離器非對稱分布于后墻，其整體結構如圖1所示[7-8]。本次研究利用SolidWorks軟件針對鍋爐爐膛部分建立三維幾何模型，設置X方向為爐深，頂部深度和底部深度分別為9.8 m和4.7 m；Z方向為爐寬，共27 m，Y方向為爐高，共41.15 m。一次風入口位于爐膛下部，二次風入口位于前、后墻表面，給煤口位于前墻下部，進入爐膛的煤炭燃燒首先被一、二次風流化，大粒徑物料經分離處理后于分離器底部口排出，分離出來的物料在流化風的作用下經由返料口進入爐膛，最后從位于后墻上部的出口排出，爐膛具體尺寸如圖2所示。

圖1 CFB鍋爐整體示意

圖2 爐膛具體尺寸

此次研究通過ICEM軟件針對660 MW火電機組CFB鍋爐的三維模型實施網格劃分處理，爐膛模型上、下部分別采用四面體和六面體的劃分模式，在此基礎上對兩種網格的連接面實施耦合處理。對比分析爐膛出口在不同網格數下的煙氣溫度，得到如圖3所示的分析結果，發現爐膛出口溫度受網格數的影響較小，且在網格數超過112萬后，爐膛出口溫度穩定在1 456 K左右，因此將網格數量設定為112萬個，最終的爐膛網格劃分結果如圖4所示。

圖3 爐膛出口溫度隨網格數量的變化情況

圖4 爐膛網格劃分結果

2 模擬邊界條件

研究對660 MW火電機組CFB鍋爐的滿負荷狀態實施模擬，模擬計算所采用的燃燒由褐煤、泥煤及煤矸石混合組成，具體參數如下：Qnet.ar為12.38 MJ/kg；Vdaf為42.9%；Mar為12%；Aar為44.42%；Sar為0.65%；Oar為6.31%；Har為1.97%；Car為34.14%。

將該狀態下的實際運行參數設定為邊界條件，具體參數如下：一次風速2 m/s，一次風溫545 K、壓力12.7 kPa，二次風速40 m/s，二次風溫545 K、壓力8.5 kPa；二次風向傾斜角度水平向下30°，給煤量64.4 kg/s，給煤密度2 000 kg/m3，給煤直徑1.5 mm，石灰石粒徑1.5 mm，初始床高800 mm，壁面溫度973 K，出口壓力-50 Pa，鈣硫比2.0，循環倍率27%。

3 模擬分析

此次研究分別建立了3種不同的鍋爐運行工況，并對各工況下爐膛內的燃燒情況進行模擬，將模擬結果與初始工況(上、下二次風入射角度同為水平向下30°，一、二次風配風比1∶1，上、下二次風配風比1∶1)進行對比。3種預設工況如下：①調整一、二次風配風比。分別將一、二次風配風比設定為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，監測爐膛出口的NOx濃度值，進而獲取合理的一、二次風配風比。②調整上、下二次風配風比。分別將上、下次風配風比設定為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，監測爐膛出口的NOx濃度值，進而獲取合理的上、下次風配風比。③調整上、下二次風入射角度。分別將上、下二次風入射角度設定為上下二次風同為水平向上30°、上下二次風同為水平0°、上下二次風同為水平向下30°、上下二次風入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°、上下二次風入射角度分別為水平向下30°和水平向上30°，監測爐膛出口的NOx濃度值，進而獲取合理的上、下二次風入射角度。

4 結果分析

4.1 NOx生成量與一、二次風配風比之間的關系

各一、二次風配風比條件下660 MW火電機組CFB鍋爐爐內NO濃度云圖如圖5所示，NO濃度沿爐膛高度方向如圖6所示。

圖5 各一、二次風配風比下爐內NO濃度

圖6 各一、二次風配風比下爐內NO濃度隨爐膛高度的變化情況

經模擬分析發現，爐膛內NO濃度變化趨勢在各參數條件下基本相同，整體趨勢均體現出降—升—降的特點。出現該狀況的原因主要在于，位于爐膛下部的氮元素與氧氣發生還原反應并產生N2氣體，進而降低爐膛下部NO濃度[9]。然而在上二次風將空氣注入爐內的過程中，燃料中的氮元素又與新進O2發生反應并產生NO，進而增加爐內NO濃度；而爐膛上部區域的NO濃度低于爐膛下部，且會與CO發生還原反應，進而降低NO濃度[10-12]。根據模擬結果可知，爐膛出口處NO濃度在一、二次風配風比為1∶2的情況下達到最低水平。爐膛下部空氣在一次風占比增大的情況下無法滲透，位于爐膛下部的氮化合物未參與反應，致使氮元素無法轉換為N2，進入爐膛上部區域后，燃料與空氣的接觸更加充分，在氮化反應的作用下，燃燒中的氮元素被轉化為NO，進而增加爐膛出口NO濃度[13]。而在二次風占比過大的情況下，貫穿整個爐膛的二次風又會替換一部分位于爐膛下部的還原性氣氛，致使NO還原反應受到抑制，增加爐膛出口NO濃度[14]。

綜上所述，對于660 MW火電機組CFB鍋爐來說，在一、二次風配風比例為1∶2的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為139.52 mg/m3。同時爐膛出口煙氣溫度約為1325.5K，爐內最高溫度約為1 566.4 K，均位于合理區間，爐內燃燒狀況正常。

4.2 NOx生成量與上、下二次風配風比的關系

各上、下二次風配風比條件下660 MW火電機組CFB鍋爐爐內NO濃度云圖如圖7所示，NO濃度沿爐膛高度方向如圖8所示。經模擬分析發現，在上、下二次風比為2∶1的情況下，爐內NO濃度達到最低水平。在上、下二次風比小于2∶1的情況下，下二次風占比增加，進而增加爐膛下部氧氣，縮減還原性氣氛空間，控制NO的還原反應，最終提升爐內NO濃度[15-16]。在上、下二次風比為2∶1的情況下，上二次風占比增加，貫穿整個爐膛的上二次風會將空氣擠壓至爐膛下部，弱化爐膛下部還原性氣氛，致使爐內整體NO濃度增加。過強的上二次風還會對固體顆粒的流化狀態造成影響，致使燃燒效率下降[17-18]。

圖7 各上、下二次風配風比下爐內NO濃度

圖8 各上、下二次風配風比下爐內NO濃度隨爐膛高度的變化情況

綜上所述，對于660 MW火電機組CFB鍋爐來說，在上、下二次風配風比例為2∶1的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為120.7 mg/m3。同時爐膛出口煙氣溫度約為1 297 K，爐內最高溫度約為1 574 K，均位于合理區間，爐內燃燒狀況正常。

4.3 NOx生成量與上、下二次風入射角度的關系

各二次風射入角度條件下660 MW火電機組CFB鍋爐爐內NO濃度云圖如圖9所示，NO濃度沿爐膛高度方向變化情況如圖10所示。經模擬分析發現，爐膛出口NO濃度與爐內還原區大小成反比，當上下二次風入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°時，爐膛出口 NO 濃度達到最低水平，當上下二次風入射角度分別為水平向下30°和水平向上30°時，爐膛出口 NO 濃度最高。出現該狀況的原因主要在于，當上下二次風入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°時，爐膛內還原區范圍最大，NO更加容易被轉換為N2，進而降低爐膛出口NO濃度[19-20]。

圖9 各二次風射入角度下爐內NO濃度

圖10 各二次風射入角度下爐內NO濃度隨爐膛高度的變化情況

綜上所述，對于660 MW火電機組CFB鍋爐來說，在上、下二次風入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為95.33mg/m3。同時爐膛出口煙氣溫度約為1 279 K，爐內最高溫度約為1 554 K，均位于合理區間，爐內燃燒狀況正常。

5 結論

660 MW火電機組CFB鍋爐在正常運行的情況下，分級燃燒的最佳參數為上、下二次風入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°，上、下二次風配風比例2∶1，一、二次風配風比例1∶2，該狀況下爐膛出口溫度1 279 K，爐內最高溫度1 554 K，爐膛出口NO濃度為95.33 mg/m3，原始工況下爐膛出口NO濃度為144.08 mg/m3，新工況爐膛出口NO濃度下降約33.84%。