任少輝，李躍峰，馬 侖，黃 海，閆心永，陳 宏，劉雪冬，黃孝文

（1.武漢凱迪綠色能源開發(fā)運(yùn)營(yíng)有限公司，湖北 武漢 430074；2.華中科技大學(xué)煤燃燒國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

0 引言

化石燃料的燃燒，引起了一系列的環(huán)境問題，保護(hù)環(huán)境刻不容緩。氮氧化物作為主要污染物之一，危害嚴(yán)重，是酸雨、臭氧破壞以及空氣污染的罪魁禍?zhǔn)?。隨著人們對(duì)環(huán)境問題的重視，火電廠作為主要的NOx排放源，受到了國(guó)家日益嚴(yán)格的監(jiān)管。空氣分級(jí)燃燒技術(shù)能夠有效降低NOx，其與SCR聯(lián)用比單獨(dú)使用SCR更能節(jié)約脫硝成本，因此在降低火電廠氮氧化物生成中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

SOFA風(fēng)作為空氣分級(jí)燃燒技術(shù)中的一個(gè)重要組成部分，其風(fēng)率的和擺角會(huì)通過影響空氣分級(jí)程度，對(duì)NOx排放量以及煤粉顆粒燃盡率有較大的影響。目前國(guó)內(nèi)在低NOx燃燒技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)取得了很多有意義的成果。鐘亞峰等[4]研究了SOFA風(fēng)率對(duì)某600 MW四角切圓鍋爐NOx生成的影響，研究結(jié)果表明：增設(shè)燃盡風(fēng)，能有效降低主燃區(qū)溫度，使主燃區(qū)產(chǎn)生較強(qiáng)的還原性氛圍，降低NOx的產(chǎn)生。宋景慧等[5]研究了燃盡風(fēng)量對(duì)某電廠對(duì)沖燃燒鍋爐NOx排放量的影響，研究結(jié)果表明：從NOx排放質(zhì)量濃度考慮，燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例應(yīng)該控制在23%以上。孫保民等[6]研究了燃盡風(fēng)率對(duì)某800 MW旋流對(duì)沖燃煤鍋爐NOx生成特性的影響，研究結(jié)果表明：空氣分級(jí)燃燒降低NOx排放的同時(shí)，不可避免地對(duì)燃料的燃盡及出口煙溫產(chǎn)生不利影響。當(dāng)燃盡風(fēng)率在15%～20%范圍內(nèi)變化時(shí)，其負(fù)面影響相對(duì)較小，但在較高燃盡風(fēng)率下，其負(fù)面影響開始凸顯。

本文研究的意義在于:1）通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)合研究了燃盡風(fēng)風(fēng)率對(duì)四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響；2）研究了如何在降低NOx排放量的同時(shí)又能保證鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 鍋爐本體情況

某300 MW四角切圓鍋爐為亞臨界、自然循環(huán)、一次中間再熱、擺動(dòng)燃燒器調(diào)溫、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、Π型布置汽包鍋爐。鍋爐的三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和主燃區(qū)燃燒器噴口布置簡(jiǎn)圖如圖1所示。表1給出了鍋爐燃煤的煤質(zhì)分析。

圖1 鍋爐三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagramof boiler

圖2 爐膛網(wǎng)格Fig.2 Grid division

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Coal quality analysis

為了研究不同SOFA風(fēng)風(fēng)率對(duì)四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響，文中設(shè)置了SOFA風(fēng)風(fēng)率分別為15%、20%和25%的3組工況，其中SOFA風(fēng)率為20%的工況為基本工況，具體工況設(shè)置見表2。

表2 工況參數(shù)Tab.2 Case and parameters

2 數(shù)學(xué)模型、網(wǎng)格及計(jì)算方法

鍋爐爐膛內(nèi)的煤粉燃燒過程由多個(gè)子過程互相耦合而成，主要包含：湍流過程，顆粒相的輸運(yùn)，煤粉顆粒的熱解和燃燒，氣相反應(yīng)物參與的均相燃燒反應(yīng)，輻射和對(duì)流傳熱過程，氮氧化物等生成和還原過程等。本文針對(duì)四角切圓鍋爐的具體特點(diǎn)，確定了模擬該煤粉鍋爐燃燒過程的三維數(shù)學(xué)模型:采用Euler方法描述爐內(nèi)氣相湍流流動(dòng)，湍流模型選擇了帶旋流修正的κ-ε模型;由于煤粉顆粒占?xì)庀嗟捏w積分?jǐn)?shù)小于10%，因此選用離散相模型來描述顆粒相的運(yùn)動(dòng);煤粉在流動(dòng)的同時(shí)還伴隨著揮發(fā)份析出和燃燒過程，因此采用雙平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)份的析出，應(yīng)用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型模擬焦炭燃燒，基于混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型模擬氣相湍流燃燒;氣相與固相之間的耦合計(jì)算采用計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法；選用P-1輻射模型來模擬爐內(nèi)輻射換熱過程。各模型的具體描述見文獻(xiàn)[7-12]。

采用結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分方法，使用六面體網(wǎng)格。為了減少計(jì)算過程中的偽擴(kuò)散，通過合適的網(wǎng)格劃分使得燃燒器出口區(qū)域的網(wǎng)格線與流體流動(dòng)方向基本一致，并將該區(qū)域網(wǎng)格加密，以準(zhǔn)確模擬此區(qū)域物理量的大梯度特性。網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示，x軸為深度方向，y軸為寬度方向，z軸為高度方向。

在數(shù)值模擬計(jì)算中，入口邊界條件采用速度入口條件，出口邊界條件采用壓力出口,方程的求解采用逐線迭代法和低松弛因子，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項(xiàng)離散采用PRESTO格式，其他項(xiàng)的離散格式為一階迎風(fēng)格式[13]。獲得收斂解的判斷標(biāo)準(zhǔn)為:能量方程、輻射傳熱計(jì)算的殘差小于10-6，其他方程殘差小于10-3。

3 模擬結(jié)果分析與討論

3.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

由于研究對(duì)象為某機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，故可以與熱態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合來對(duì)數(shù)值模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。通過表3的數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果(SOFA為20%風(fēng)率)符合性較好，說明本文所建立的幾何模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)學(xué)模型能夠合理地模擬爐膛內(nèi)的流動(dòng)、傳熱以及燃燒過程，可用于對(duì)實(shí)際鍋爐燃燒及排放過程的模擬。

表3 模擬結(jié)果與實(shí)際測(cè)量結(jié)果的對(duì)比Tab.3 Comparison of simulated and measured results

3.2 變SOFA風(fēng)率對(duì)燃燒及NOx排放特性的影響

圖3分別展示了在不同SOFA風(fēng)率下，爐膛寬度中心截面，最下層一次風(fēng)和最下層二次風(fēng)橫截面的溫度場(chǎng)分布。從圖4（a）和圖4-b中可以看出，在該種低氮燃燒方式下，爐膛的切圓形成較好，溫度分布比較均勻。隨著SOFA風(fēng)量的逐漸增加，高溫區(qū)溫度逐漸降低，爐膛中心的低溫區(qū)開始逐漸擴(kuò)大，切圓開始增大。這是因?yàn)镾OFA風(fēng)量的增加是由部分輔助二次風(fēng)引入導(dǎo)致。二次風(fēng)風(fēng)量的減少使得燃燒器區(qū)域煤粉燃燒不完全，燃盡推遲，溫度降低。二次風(fēng)風(fēng)量的減少使得氣流射流剛性減弱，氣流易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。使得切圓逐漸變大。從爐膛寬度中心截面溫度云圖圖3（c）的變化中可以看出，隨著SOFA風(fēng)量的逐漸提高，爐膛主燃燒器區(qū)域高溫區(qū)逐漸減小。這是因?yàn)殡S著SOFA風(fēng)量的增加，主燃燒器區(qū)域的輔助二次風(fēng)風(fēng)量減少，導(dǎo)致爐膛主燃區(qū)過量空氣系數(shù)進(jìn)一步減小，燃燒不充分，主燃區(qū)溫度下降并產(chǎn)生大量的未燃盡顆粒和CO。

圖3 不同SOFA風(fēng)率下溫度分布Fig.3 Temperature distribution under different SOFA ratios

圖3（d）展示了變SOFA風(fēng)率工況下，爐膛內(nèi)溫度隨爐膛高度的變化情況。從圖中可以看出，不同SOFA風(fēng)率下，爐內(nèi)溫度沿爐膛高度變化趨勢(shì)基本保持一致。隨著爐膛高度的增加，爐內(nèi)溫度隨著煤粉的逐漸燃燒開始升高。在主燃燒器區(qū)域，由于一次風(fēng)和二次風(fēng)的相間布置，該區(qū)域的溫度呈現(xiàn)波動(dòng)上升的情形。在高度約20 m處，溫度下降較為明顯，這是因?yàn)镾OFA風(fēng)噴入后，大量空氣進(jìn)入爐膛與煙氣混合，爐內(nèi)溫度驟降。但是隨著高度增加，未燃盡碳和主燃區(qū)產(chǎn)生的CO開始逐步燃盡，使得爐膛溫度呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢(shì)。對(duì)比不同SOFA風(fēng)率下的溫度曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著SOFA風(fēng)率的增加，主燃區(qū)溫度逐漸下降，這是由于二次風(fēng)的減少導(dǎo)致了主燃區(qū)煤粉燃燒不充分，溫度降低。在SOFA風(fēng)給入之后，隨著SOFA風(fēng)率的增加，燃盡區(qū)爐內(nèi)溫度依然逐漸下降，這是因?yàn)殡S著SOFA風(fēng)量的增加，SOFA風(fēng)降溫的效果要比其助燃的效果更加明顯。

圖4 不同SOFA風(fēng)率下O2濃度分布Fig.4 O2distribution under different SOFA ratios

圖4（a）為氧量沿爐膛高度方向的變化情況。從圖4（a）中看出，不同SOFA風(fēng)率下，氧量的變化情況基本一致。由于SOFA風(fēng)率較高，在主燃燒器區(qū)域，過量空氣系數(shù)較小，氧量保持較低的狀態(tài)。由于一、二次風(fēng)的相間分布，該區(qū)域的氧量呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)。當(dāng)SOFA風(fēng)給入之后，大量的空氣進(jìn)入爐膛，使得爐內(nèi)氧量驟升，隨著未燃盡焦炭的進(jìn)一步燃盡，氧氣逐漸被消耗，氧量又開始逐漸降低。隨著SOFA風(fēng)風(fēng)率的增加，主燃區(qū)的缺氧程度加深，主燃區(qū)及其以下部分的氧量被大量消耗，氧量逐漸下降。SOFA風(fēng)噴入后，大量空氣進(jìn)入爐膛，隨著SOFA風(fēng)率的增加，SOFA風(fēng)噴口以上部分的氧量逐漸上升。

圖5（a）為CO濃度在爐膛寬度中心截面的分布情況，從圖中可以看出，在不同的SOFA風(fēng)率下，爐內(nèi)CO分布情況基本一致。由于引入SOFA風(fēng)，在主燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)較低，煤粉不完全燃燒，產(chǎn)生了大量的CO，呈現(xiàn)出還原性氣氛。隨著SOFA風(fēng)的給入，CO逐步燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2，在燃盡區(qū)CO濃度很低。隨著SOFA風(fēng)量的增加，主燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)逐漸減小，煤粉燃燒愈不充分，產(chǎn)生的CO濃度逐漸升高，在圖上可以看到CO濃度較高部分的面積也在逐漸變大。

圖5 不同SOFA風(fēng)率下CO分布Fig.5 CO distribution under different SOFA ratios

圖5（b）為CO濃度沿爐膛高度方向的變化曲線，從圖中可以看出，在不同SOFA風(fēng)量工況下，爐內(nèi)CO濃度的變化情況趨于一致。在爐膛主燃區(qū)，CO濃度保持在一個(gè)較高的范圍，該區(qū)域呈還較強(qiáng)的原性氣氛。主燃區(qū)一、二次風(fēng)的相間分布導(dǎo)致CO濃度出現(xiàn)波動(dòng)。隨著后面SOFA風(fēng)的送入，大量空氣被送入爐膛，主燃區(qū)生成的CO開始燃燒，CO濃度持續(xù)下降。比較不同SOFA風(fēng)率下的CO濃度變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)，隨著SOFA風(fēng)率的增加，CO濃度逐漸升高，這是由于SOFA風(fēng)量的增加爐膛下部和主燃區(qū)的過量空氣系數(shù)減小，煤粉顆粒燃燒不充分，產(chǎn)生了更多的CO。這一變化趨勢(shì)與爐膛寬度中心截面的CO濃度分布云圖相對(duì)應(yīng)。隨著高度的增加，在SOFA風(fēng)補(bǔ)充燃燒的作用下CO被迅速消耗生成CO2，所以盡管SOFA風(fēng)率各有不同，但是上升到一定高度后，不同SOFA風(fēng)率下的CO濃度基本相同并且都保持在較低水平。

圖6 不同SOFA風(fēng)率下NO分布Fig.6 NO distribution under different SOFA ratios

圖6（a）給出了不同SOFA風(fēng)率下，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(qū)域，燃燒器噴口處的NOx濃度最大，因?yàn)閲娍诟浇紵齽×?、氧含量相?duì)較高，NOx的消除反應(yīng)比NOx的生成反應(yīng)弱。隨著高度的增加NOx濃度隨之降低，這是因?yàn)檩^小的過量空氣系數(shù)導(dǎo)致燃燒不充分，延遲煤粉燃燒，產(chǎn)生了大量的CO，抑制了NOx的生成。對(duì)比不同工況下的曲線圖6（b），可以看出，隨著SOFA風(fēng)率的提高，在整個(gè)爐膛范圍內(nèi)，產(chǎn)生的平均NOx濃度在逐漸減少，說明增大SOFA風(fēng)率是有利于減少NOx的生成的。

圖7是不同SOFA風(fēng)率下的爐膛出口處參數(shù)變化規(guī)律，從圖中可以看出，隨著SOFA風(fēng)率的增加，爐膛出口處的CO濃度和飛灰含碳量逐漸上升，而NOx排放濃度在逐漸下降。SOFA風(fēng)率從15%增加到20%時(shí)，CO濃度和飛灰含碳量逐漸增加，NOx下降幅度明顯；但SOFA風(fēng)率從20%增加到25%時(shí)，CO濃度和飛灰含碳量的增加較為顯著，但NOx下降幅度較小。綜合考慮燃燒經(jīng)濟(jì)性和脫硝成本，20%SOFA風(fēng)率較為合理。

4 結(jié)論

對(duì)某電廠300 MW四角切圓鍋爐不同SOFA風(fēng)率(15%、20%、25%)對(duì)燃燒及排放特性展開了數(shù)值模擬研究。數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合比較好，研究結(jié)果表明：隨著SOFA風(fēng)率的增加，爐膛出口處的CO濃度和飛灰含碳量逐漸上升，而NOx排放濃度在逐漸下降；考慮經(jīng)濟(jì)性與排放特性，SOFA風(fēng)風(fēng)率20%能達(dá)到高效低NOx的目的。

圖7 不同風(fēng)率下出口參數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.7 The results of the outlet

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