李劍寧，　熊顯巍，　施鴻飛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

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超臨界塔式爐燃盡風(fēng)對(duì)NOx生成的影響

李劍寧，熊顯巍，施鴻飛

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院，上海 200240)

摘要：以某670 MW超臨界塔式爐鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況為基準(zhǔn)模型，對(duì)八角單切圓煤粉爐的分級(jí)燃燒進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了不同燃盡風(fēng)率下NOx的生成及分布特性，分析了NOx的排放規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較.結(jié)果表明：當(dāng)燃盡風(fēng)率由0.040增大至0.207時(shí)，爐內(nèi)峰值溫度降低80 K，出口NOx質(zhì)量濃度從535 mg/m3降低到373 mg/m3，說(shuō)明燃盡風(fēng)率變化對(duì)NOx的影響較大；綜合比較O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)和溫度，實(shí)際運(yùn)行中燃盡風(fēng)率不宜超過(guò)0.2.

關(guān)鍵詞：超臨界塔式爐； 燃盡風(fēng)率； NOx； 數(shù)值模擬

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭資源消耗量持續(xù)增長(zhǎng)，尤其是電力需求所占份額最大.且由燃煤機(jī)組燃燒污染物的排放而造成的環(huán)境破壞日益突出，這已成為嚴(yán)峻的社會(huì)問(wèn)題，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，因此必須加大電廠燃煤污染物排放處理的力度.電廠燃煤排放的污染物亟待得到有效控制，繼硫化物之后，近年來(lái)氮氧化物(NOx)也成為普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，根據(jù)GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》[1]，燃煤鍋爐的NOx排放量限值從2003年規(guī)定的450 mg/m3降到最新要求的100 mg/m3.

鍋爐燃燒NOx的生成量與煤種、燃燒系統(tǒng)、爐膛結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)等因素密切相關(guān)，結(jié)合不同煤種，通過(guò)先進(jìn)的低NOx燃燒技術(shù)或低NOx燃燒器，能顯著降低鍋爐NOx的排放量.國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者對(duì)影響NOx生成的因素進(jìn)行了很多研究[2-3]，并取得了一定的技術(shù)成果，其中關(guān)注最多的爐型是四角切圓鍋爐[4-5]和單爐膛雙切圓鍋爐[6].筆者以某670 MW燃燒褐煤的八角單切圓塔式爐為研究對(duì)象，研究了燃盡風(fēng)率對(duì)NOx生成和分布特性的影響，探討了不同燃盡風(fēng)率下NOx的排放規(guī)律，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而達(dá)到指導(dǎo)運(yùn)行的目的.

1計(jì)算模型

研究對(duì)象為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動(dòng)系統(tǒng)的直流鍋爐，采用單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、塔式緊身封閉布置.鍋爐配8臺(tái)風(fēng)扇磨煤機(jī)，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下6臺(tái)磨煤機(jī)運(yùn)行，2臺(tái)磨煤機(jī)備用.每臺(tái)磨煤機(jī)供應(yīng)一角燃燒器，每角有5組燃燒器，分為上、中、下3組，其中下組和中組燃燒器各有2層燃燒器，上組燃燒器有1層燃燒器.上組燃燒器由5個(gè)風(fēng)室組成，即上端部風(fēng)室2個(gè)、中間空氣風(fēng)室1個(gè)、煤粉風(fēng)室1個(gè)和油風(fēng)室1個(gè).中組燃燒器由7個(gè)風(fēng)室組成，即上端部風(fēng)室1個(gè)、中間空氣風(fēng)室2個(gè)、煤粉風(fēng)室2個(gè)、油風(fēng)室1個(gè)和下端部風(fēng)室1個(gè).下組燃燒器也由7個(gè)風(fēng)室組成，即上端部風(fēng)室1個(gè)、中間空氣風(fēng)室2個(gè)、煤粉風(fēng)室2個(gè)、油風(fēng)室1個(gè)和下端部風(fēng)室1個(gè).分離燃盡風(fēng)(SOFA)燃燒器由4個(gè)相同大小的空氣風(fēng)室疊加組成，其中油風(fēng)室中間布置有帶穩(wěn)燃葉輪的噴嘴.爐膛每面水冷壁與2臺(tái)磨煤機(jī)相配，故每面墻上各布置2組燃燒器，形成“八角”小直徑單切圓燃燒，爐膛截面尺寸為212 273 mm×212 273 mm，高度為73 300 mm.燃燒器布置如圖1所示.

煤的元素分析和工業(yè)分析如表1所示.電廠實(shí)際運(yùn)行6臺(tái)磨煤機(jī)，保持3個(gè)工況下的一次風(fēng)率不變，各工況下配風(fēng)參數(shù)見(jiàn)表2.

(a)

(b)

參數(shù)工業(yè)分析元素分析w(Vdaf)/%w(Mar)/%w(Aar)/%w(Car)/%w(Har)/%w(Oar)/%w(Nar)/%w(Sar)/%Qnet,ar/(kJ·kg-1)數(shù)值44.2532.809.4943.212.6211.140.570.1715.75

表2　不同工況下的配風(fēng)參數(shù)

2網(wǎng)格劃分及數(shù)學(xué)模型

使用CFD前處理軟件Gambit對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，按照1∶1比例建模，選取爐膛下部冷灰斗到屏式過(guò)熱器底部為計(jì)算域，考慮到塔式爐無(wú)折焰角，爐膛結(jié)構(gòu)規(guī)整，在處理過(guò)程中全部采用結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，并對(duì)燃燒器和燃盡風(fēng)區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理(見(jiàn)圖2)，最終網(wǎng)格數(shù)量為903 000.

(a)燃燒器區(qū)域(b)爐膛

圖2燃燒器區(qū)域和爐膛網(wǎng)格劃分

Fig.2Grid division of burners and boiler

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)算法，采用有限容積法(FVM)來(lái)離散微分方程，對(duì)控制方程求解采用Simple算法，其余模型選取[7]見(jiàn)表3.一次風(fēng)和二次風(fēng)均采用速度入口邊界條件，入口風(fēng)速和風(fēng)溫根據(jù)給定參數(shù)設(shè)置，對(duì)燃盡風(fēng)也采用速度入口邊界條件.出口采用壓力出口邊界條件，壓力設(shè)為-50 Pa.爐膛采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)(standard wall function)和無(wú)滑移邊界條件.壁面熱交換選擇第一類(lèi)邊界條件，即溫度邊界條件，給定壁面溫度670 K，壁面內(nèi)部輻射率為0.8[8].

表3　數(shù)學(xué)模型

根據(jù)NOx生成原因?qū)ζ溽娙『筇幚矸椒ǎ簾崃π蚇Ox的主要影響因素是溫度，其中熱力型NOx一般占15%；燃料型NOx的主要影響因素是過(guò)量空氣系數(shù)，一般燃料型NOx占75%～80%；快速型NOx約占5%.筆者只考慮熱力型NOx和燃料型NOx，熱力型NOx采用Extended Zeldovich機(jī)理，根據(jù)文獻(xiàn)[8]當(dāng)溫度，在1 500 ℃以上時(shí)，N2與O2生成NO的平衡常數(shù)很大，NO分壓增大且隨著溫度升高而增大.同時(shí)，溫度升高，NO2大量分解為NO.燃料型NOx采用De Soete機(jī)理，分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx2部分，焦炭N直接轉(zhuǎn)化為NO，揮發(fā)分N先轉(zhuǎn)化為HCN，HCN遇氧繼續(xù)氧化生成NO，NO遇焦炭被還原成N2[9]，轉(zhuǎn)化形式如圖3所示.在實(shí)際模擬過(guò)程中，將焦炭N與揮發(fā)分N的比例確定為1∶4[10].

圖3　NOx轉(zhuǎn)化模型

3計(jì)算結(jié)果及分析

3.1不同燃盡風(fēng)率下的爐膛溫度分布

圖4和圖5分別給出了不同燃盡風(fēng)率下下層燃燒器溫度分布云圖和沿爐膛高度方向上的溫度分布.從圖4可以看出，煤粉在爐膛中心區(qū)域燃燒放熱，在工況1中，主燃區(qū)溫度能夠保持相對(duì)較高的水平，保證了燃燒的充分合理與實(shí)際運(yùn)行的可靠.而隨著燃盡風(fēng)率的減小，中心區(qū)域燃燒溫度整體提高，這是因?yàn)橹魅紖^(qū)二次風(fēng)量增大，煤粉燃燒提前且燃燒充分導(dǎo)致整體平均溫度升高.

從圖5可以看出，沿爐膛高度方向上截面平均溫度呈現(xiàn)起伏變化，30～45 m的區(qū)域?yàn)闊煔飧邷貐^(qū)，此區(qū)域?yàn)橹魅紖^(qū)的燃燒器區(qū)域，一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入爐膛，與鄰近噴入的二次風(fēng)混合，使煤粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)開(kāi)始燃燒，釋放熱量，爐膛溫度處于高溫狀態(tài)，大部分焦炭在主燃區(qū)燃盡，另外一部分隨旋轉(zhuǎn)氣流向爐膛上方運(yùn)動(dòng)且不斷燃燒，當(dāng)進(jìn)入SOFA區(qū)域時(shí)，焦炭在氧氣過(guò)量的情況下繼續(xù)燃燒，完成最后的放熱.在46～50 m處，爐膛溫度大幅下降，這是因?yàn)樵谶@個(gè)高度處，噴入SOFA后對(duì)高溫?zé)煔庑纬衫鋮s作用，并對(duì)爐膛上部屏式過(guò)熱器輻射放熱，其冷卻所帶走的熱量遠(yuǎn)大于此區(qū)域處未燃盡焦炭燃燒釋放的熱量，因此SOFA噴口區(qū)域及其以上區(qū)域的溫度并沒(méi)有升高，而是隨著焦炭的燃盡逐漸下降.在50 m以上區(qū)域的溫度略有上升，這是因?yàn)闊煔鉀_過(guò)SOFA區(qū)域后，未燃盡殘留焦炭與氧氣結(jié)合繼續(xù)釋放熱量，同時(shí)CO也逐漸燃燒且完全放熱，使截面平均溫度有小幅的升高.

對(duì)比不同燃盡風(fēng)率下的溫度可知，當(dāng)燃盡風(fēng)率增大時(shí)，爐膛截面平均溫度和峰值溫度均有所下降，峰值溫度降低80 K；當(dāng)燃盡風(fēng)率由0.040增大至0.122時(shí)，爐膛截面平均溫度和峰值溫度均大幅下降，這對(duì)爐內(nèi)NOx的生成有直接影響，所以從控制NOx排放的角度考慮，實(shí)際操作中燃盡風(fēng)率不宜過(guò)小.

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

圖5　沿爐膛高度方向上的溫度分布

3.2不同燃盡風(fēng)率下的O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖6給出了不同燃盡風(fēng)率下沿爐膛高度方向上O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布.從圖6可以看出，隨著燃盡風(fēng)率的減小，爐膛下部燃燒器區(qū)域O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，使得煤粉在高過(guò)量空氣系數(shù)下進(jìn)行燃燒，加速了煤粉與空氣的混合與反應(yīng)，大大加快了燃料中N與O的結(jié)合，增大了燃料型NOx的轉(zhuǎn)化率，同時(shí)在氧化性氣氛中抑制了NOx經(jīng)過(guò)均相反應(yīng)分解的途徑(見(jiàn)圖3).從圖6還可以看出，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在23 m、31 m、38 m和46 m處最小，這些高度基本為燃燒器的布置高度附近，在這些位置處煤粉燃燒消耗大量O2，使O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到低點(diǎn)；而后在46 m以上區(qū)域，由于SOFA的進(jìn)入，且未燃盡碳消耗的氧量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)充的空氣量，所以O(shè)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一個(gè)極值.

圖6　沿爐膛高度方向上O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的分布

3.3不同燃盡風(fēng)率下的NOx質(zhì)量濃度分布

圖7給出了不同燃盡風(fēng)率下沿爐膛高度方向上的NOx質(zhì)量濃度分布.從圖7可以看出，不同燃盡風(fēng)率下，沿爐膛高度方向上的NOx質(zhì)量濃度分布具有大致相同的變化趨勢(shì)，在20～45 m區(qū)域，NOx質(zhì)量濃度整體上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這是因?yàn)槊悍墼谥魅紖^(qū)燃燒放熱，溫度升高，二次風(fēng)噴入大量空氣，熱力型NOx和燃料型NOx在此區(qū)域開(kāi)始大量生成.另外，在高溫區(qū)NOx質(zhì)量濃度分布呈現(xiàn)波浪形分布，這主要是由于在二次風(fēng)噴口所在截面上總會(huì)有大量的低溫空氣噴入，二次風(fēng)低溫抑制了NOx的生成，同時(shí)一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入，在噴口處形成還原性氣氛，使NOx生成量下降[11].然后煤粉燃燒放熱導(dǎo)致溫度升高，燃料型NOx和熱力型NOx又大量生成，形成起伏趨勢(shì).在46 m處左右，NOx質(zhì)量濃度出現(xiàn)一個(gè)低點(diǎn)，這是因?yàn)榇藭r(shí)煤粉氣流到達(dá)燃盡區(qū)，燃盡風(fēng)的加入使得沿爐膛高度方向上的溫度明顯下降，同時(shí)CO在此處形成還原性氣氛，經(jīng)過(guò)溫度與CO的共同作用，NOx質(zhì)量濃度出現(xiàn)小幅下降.

圖7　沿爐膛高度方向上的NOx質(zhì)量濃度

在燃盡風(fēng)率從0.040增大到0.207的過(guò)程中，出口NOx質(zhì)量濃度分別為535 mg/m3、432 mg/m3和373 mg/m3，降幅逐漸減小，這說(shuō)明在總風(fēng)量不變的情況下，通過(guò)改變?nèi)急M風(fēng)量降低NOx質(zhì)量濃度的效果在減弱.同時(shí)，燃盡風(fēng)率增大導(dǎo)致主燃區(qū)由“富空氣燃燒”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案蝗剂先紵?，加劇了主燃區(qū)燃料的不完全燃燒程度，影響爐膛燃燒放熱出力，實(shí)際運(yùn)行中建議燃盡風(fēng)率不宜超過(guò)0.2.

圖8給出了沿爐膛高度方向上燃料型NOx和熱力型NOx的生成速率分布.從圖8可以看出，燃料型NOx和熱力型NOx在22～50 m區(qū)域大量生成；在55 m處以上區(qū)域，燃料型NOx生成速率逐漸下降，而熱力型NOx生成速率已經(jīng)基本為0，這是因?yàn)檫@些位置處的煙氣溫度已低于熱力型NOx生成需要的溫度，所以不再生成熱力型NOx.在22～45 m處，燃盡風(fēng)率為0.207時(shí)，沿爐膛高度方向上燃料型NOx和熱力型NOx的生成速率皆低于燃盡風(fēng)率為0.040時(shí)燃料型NOx和熱力型NOx的生成速率，這是因?yàn)樵诖藚^(qū)域?yàn)楦蝗剂先紵?，還原性氣氛下碳對(duì)生成的NOx產(chǎn)生抑制，使燃料型NOx生成速率下降；而對(duì)應(yīng)位置高度的工況1的截面平均溫度要低于工況3，從而使熱力型NOx生成速率降低.

(a)燃料型NOx生成速率

(b)熱力型NOx生成速率

4結(jié)論

(1)在總風(fēng)量不變的情況下，不同燃盡風(fēng)率下?tīng)t膛截面平均溫度變化趨勢(shì)一致，但隨著燃盡風(fēng)率的增大，爐膛截面平均溫度和峰值溫度均有所下降，NOx質(zhì)量濃度降低.

(2)在鍋爐總風(fēng)量不變的情況下，燃燒器區(qū)域O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著燃盡風(fēng)率的增大而減小，還原性氣氛增強(qiáng)，有效地抑制了NOx生成.

(3)燃盡風(fēng)率增大，燃燒器區(qū)域熱力型NOx和燃料型NOx的生成速率受到抑制，使出口NOx質(zhì)量濃度下降.

(4)從溫度和NOx質(zhì)量濃度降幅的角度分析，燃盡風(fēng)率增大到一定程度后，NOx質(zhì)量濃度降幅有限；而燃盡風(fēng)率過(guò)小會(huì)導(dǎo)致?tīng)t膛溫度過(guò)高，NOx生成量劇增.綜合考慮燃燒及NOx排放量的影響，實(shí)際運(yùn)行中建議燃盡風(fēng)率不超過(guò)0.2.

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Effects of SOFA Ratio on NOxGeneration Characteristics in a Supercritical Tower Boiler

LIJianning,XIONGXianwei,SHIHongfei

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：Taking a 670 MW supercritical tower boiler under BMCR condition as the benchmark model, numerical simulations were implemented on staged combustion of the eight-corner single-tangential firing boiler, so as to study the generation, distribution and emission characteristics of NOx at different SOFA ratios, and to compare the simulation data with actual measurements. Results show that when the SOFA ratio is raised from 0.040 to 0.207, the peak temperature in furnace would be reduced by 80 K, and the outlet NOx concentration would be reduced from 535 mg/m3 to 373 mg/m3, indicating obvious effects of SOFA ratio on the NOx emission. By comprehensively considering the oxygen and temperature factors, it is recommended to keep the SOFA ratio no more than 0.2 in actual operation.

Key words：supercritical tower boiler; SOFA ratio; NOx; numerical simulation

收稿日期：2015-07-24

修訂日期：2015-09-11

作者簡(jiǎn)介：李劍寧(1990-)，男，山西晉中人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娬惧仩t性能計(jì)算與分析. 電話(Tel．)：18317001565；

文章編號(hào)：1674-7607(2016)07-0513-06中圖分類(lèi)號(hào)：TK229

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A學(xué)科分類(lèi)號(hào)：470.30

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