衡麗君,王 亮,何長征

(1.河南城建學院建筑環(huán)境與能源工程系,河南平頂山467036;2.中國聯(lián)合工程公司,浙江杭州310022;3.南京博沃科技有限公司,江蘇南京210001)

鍋爐是一個復雜的多變量系統(tǒng),其NOx生成特性非常復雜,很難用簡單公式進行估算,常需要采用現(xiàn)場測試的方法加以確定,并由試驗結果摸索降低NOx排放的方法?，F(xiàn)場測試工作量大,且多個運行參數(shù)對NOx的生成均有影響,同時某些運行參數(shù)還受運行條件、煤質(zhì)條件的影響,進行現(xiàn)場測試較為困難,在獲取爐內(nèi)各物理量的細節(jié)信息方面具有很大難度,尋求一種既能克服上述弊端又具有實際應用價值的方法顯得尤為重要。

1 鍋爐概況[1]

研究對象為410 t/h固態(tài)排渣煤粉爐鍋爐,爐膛的高、寬、深分別為34.10 m、9.98 m、9.98 m。該爐采用四角布置、直流式燃燒器,爐內(nèi)假想切圓直徑800 mm,配有兩臺鋼球磨煤機、中儲式、干燥劑送粉系統(tǒng)。燃燒器設置三層共12只一次風噴口,其中最下一層是水平濃淡燃燒器,以降低NOX排放量和保證低負荷穩(wěn)定燃燒,設置五層共20只二次風噴口(其下二次噴口兼作油槍配風器)。

2 試驗模型的建立

2.1 爐膛網(wǎng)格的生成[2]

利用Gambit軟件提供的非一致化網(wǎng)格生成技術,對此爐膛進行網(wǎng)格劃分及生成。對于四角切向燃煤鍋爐爐內(nèi)流場,從改進網(wǎng)格劃分的體系入手,使流動方向與網(wǎng)格邊界的夾角遠離45°,流體盡可能以垂直于網(wǎng)格邊界的方向進入微元體,采用這一近流線的數(shù)值模擬思想,將整個爐膛在網(wǎng)格劃分上分成三部分：冷灰斗段、燃燒器段、上爐膛段,使得絕大多數(shù)的網(wǎng)格滿足流體流動方向垂直于網(wǎng)格邊界的方向進入微元體的要求,從而能夠減少數(shù)值偽擴散。但是,基于以往對多臺鍋爐的冷態(tài)空氣動力場的數(shù)值模擬,發(fā)現(xiàn)上述網(wǎng)格系統(tǒng)雖然具有一定的通用性,但仍需針對具體鍋爐的網(wǎng)格進行細化以提高網(wǎng)格的適應性。因此,對該爐進行數(shù)值模擬之前,利用以往的冷態(tài)試驗報告[1]中相關空氣動力場數(shù)據(jù),對燃燒器噴口附近及各物理量劇烈變化的區(qū)域進行了網(wǎng)格加密處理,修正后的網(wǎng)格系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 模型的網(wǎng)格生成

現(xiàn)場冷態(tài)試驗數(shù)據(jù)及爐膛實際結構參數(shù)為Fluent物理、數(shù)值模型提供了結構尺寸及邊界條件,同時以實測氣流速度分布為依據(jù)對Fluent的網(wǎng)格系統(tǒng)進行了完善,使得模擬結果與冷態(tài)性能試驗結果吻合性較好,為進一步的燃燒數(shù)值模擬提供了基礎。

2.2 數(shù)值模型的建立[3]

2.2.1 數(shù)值模型

模擬氣相湍流輸送采用標準k-ε湍流模型,模擬焦炭的燃燒采用動力學/擴散控制反應速率模型,對煤粉揮發(fā)分的釋放采用兩步競爭反應模型,煤粉顆粒的跟蹤采用隨機軌道模型,用混合分數(shù)-概率密度函數(shù)模型模擬氣相湍流燃燒,采用P-1輻射模型計算輻射傳熱,NOx生成與湍流之間耦合的模擬采用較為普遍的有限反應的PDF模型,壓力-速度的耦合采用SIMPLE法求解。

2.2.2 模型邊界條件的設置

數(shù)值模擬計算的邊界條件包括流動變量和熱變量,它是Fluent軟件計算分析關鍵的一部分,將直接影響數(shù)值計算的結果。

⑴入口/出口邊界條件

燃燒器區(qū)域爐膛四角的燃燒器噴口是模型數(shù)值計算的入口邊界,性質(zhì)為速度入口。入口邊界上氣相的速度大小、方向、溫度以及煤粉顆粒的流量、流向、溫度、粒徑等參數(shù)都根據(jù)鍋爐實際的運行參數(shù)進行設定。其中,燃燒器噴口的水力直徑H和湍流強度I分別用下面的公式進行計算：

x為接觸面周長,Rh為水力半徑,Re為入口處雷諾數(shù)。

出口邊界定義為爐膛的出口截面,將其性質(zhì)定義為充分擴展流動,即所有變量在流動方向的梯度為零。

⑵壁面邊界條件

固體壁面上采用無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件。在壁面附近的粘性層中,由于流體的輸運性質(zhì)發(fā)生劇烈變化,需要考慮湍流輸運的減弱和層流輸運的增強對流體輸運特性的影響,為了保證計算的精度,同時又避免壁面附近過細的網(wǎng)格劃分,本文采用成熟的壁面函數(shù)(wall function method)來考慮壁面的影響。另外,對于爐內(nèi)煙氣與水冷壁之間的換熱,是通過設定爐膛壁面的溫度來確定兩者之間的熱交換情況。

⑶顆粒相方程邊界條件

煤粉顆粒由一次風噴口噴入爐膛,假定噴口處顆粒的速度為氣流速度的0.85倍;燃煤量和煤粉粒徑根據(jù)實際運行參數(shù)設定;假定顆粒與壁面之間是彈性碰撞,即顆粒撞上壁面后按鏡面反射回來繼續(xù)跟隨氣流流動;煤質(zhì)成分采用設計煤種成分,或根據(jù)實際運行工況采集的煤樣,進行元素分析及工業(yè)分析;煤粉粒徑采用經(jīng)驗值或?qū)嶋H運行工況采集煤粉樣進行粒徑分析結果。

2.2.3 數(shù)值模型的修正

因燃燒及NOX生成機理的復雜性,故可利用鍋爐易控試驗參數(shù)如氧量、一次風壓、二次配風方式等對NOX生成的影響規(guī)律,即試驗工況中的運行參數(shù)及實測結果與Fluent數(shù)值模擬結果進行對比,并進一步修正數(shù)值模型中的計算因子,使所建數(shù)值模型的準確性和可靠性得以驗證與修正,為研究其它變量對NOX生成的影響提供準確的數(shù)值模型。以該爐優(yōu)化燃燒調(diào)整試驗中變二次風配風方式(依次為縮腰、反塔、均等)試驗的相關運行數(shù)據(jù)及和NOX生成的影響規(guī)律為依據(jù),以驗證數(shù)值模型模擬結果的準確及可靠性。通過對不同配風方式下的煤粉燃燒和NOX生成的模擬,得到爐膛內(nèi)部NOX、溫度及氧量分布的相關信息,如圖2～4所示。數(shù)值模擬結果與燃燒調(diào)整試驗結果匯總?cè)绫?所示。

圖2 不同二次風配風下爐膛NOX分布

圖3 不同二次風配風下爐膛溫度分布

圖4 不同二次風配風下的爐膛O分布

表1 爐膛出口相關參數(shù)試驗與數(shù)值模擬結果對比

由數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗的結果對比分析可知兩者之間的誤差較小,表明了Fluent數(shù)值模型的準確性及可靠性,以此可對某些不具備試驗條件的影響因素(如變煤粉粒徑、變煤種、變負荷等工況)進行了NOx生成特性的模擬研究與預測。

3 變負荷工況下NOx數(shù)值模擬及預測

優(yōu)化燃燒調(diào)整試驗由于受生產(chǎn)調(diào)度限度,不便進行低負荷工況試驗,因此可以通過所建Fluent數(shù)值模型模擬低負荷工況下氧量、一次風壓、二次風配風方式、配粉方式等因素對NOX生成的影響規(guī)律,模擬工況及模擬結果見表2。

鑒于該爐正常運行時其負荷調(diào)整范圍及火電廠大氣污染物的監(jiān)測應在機組運行負荷的75%以上的相關規(guī)定,故將數(shù)值模擬中的負荷值定為340 t/h。

表2 340 t/h負荷工況下數(shù)值模擬參數(shù)及結果

由表2可知,四種因素對NOX排放量影響如下：

⑴一次風壓變化對于NOX排放量影響不大,分析認為負荷的降低導致一次風煤粉濃度和爐膛溫度水平下降,從而制約了一次風壓變化對煤粉燃燒初期NOX生成的影響。

⑵隨運行氧量減小,NOX排放量降低。當氧量從5%降至3%時,其標準NOX排放量降幅約為8.7%,相對其它因素氧量影響最大,且它對爐膛出口溫度影響也最大,可見氧量調(diào)整對于較低負荷下NOX排放量影響較為明顯。

⑶二次風配風方式按均等、反塔、縮腰的順序,其NOX排放量依次減少,其標準NOX排放量最大降幅為4.3%。

⑷配粉方式的變化對于NOX排放量影響較小。

由此可知：氧量、二次風配風方式對NOX排放量影響較大,建議氧量維持在3.0%～4.0%,二次風配風采用反塔配風或縮腰配風,則低負荷運行時NOX排放量將會保持在較為正?；蜉^低的范圍。當煤質(zhì)較好時,由于煤粉易著火、煤粉較易燃盡,氧量可取下限,一次風壓可視著火距離而定(著火太近易燒壞噴嘴),二次風配風采用反塔配風;當煤質(zhì)較差時,由于燃燒特性較差,氧量可取上限、一次風壓取較低值、二次風配風采用縮腰配風;從防止一次風管堵管角度出發(fā),配粉方式可采用均等配粉方式。通過上述優(yōu)化運行參數(shù)可以在保證較高鍋爐效率的基礎上實現(xiàn)降低NOX排放的目的。

4 結束語

利用現(xiàn)場常規(guī)試驗數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行驗證及修正后,所建數(shù)值模型的實用性和針對性進一步提高,數(shù)值模擬結果與爐內(nèi)實際情況更為接近更為可信,能夠幫助工程人員做出準確的定性分析及一定允許誤差范圍內(nèi)的定量分析。利用修正后的FLUENT數(shù)值模型,可以對不具備現(xiàn)場試驗條件及存在較大調(diào)整限制的運行工況(如不同煤質(zhì)、不同煤粉粒徑、較低負荷)進行NOX生成預測,同時,通過數(shù)值模擬得出各相關參數(shù)在爐膛的詳細分布情況,對于準確分析燃燒及NOX生成規(guī)律提供了分析的理論依據(jù),起到了對現(xiàn)場試驗的補充及輔助作用。

[1] 何長征.揚子石化熱電廠9號鍋爐燃燒系統(tǒng)冷、熱態(tài)試驗報告[R].東南大學.2008.

[2] 衡麗君,段坤杰,何長征.220 t/h鍋爐冷態(tài)數(shù)值試驗研究[J].熱能動力工程,2006,21(6)：574-576.

[3] 孫學信.燃煤鍋爐燃燒試驗技術與方法[M].北京：中國電力出版社,2002.

[4] GB 13223-2003,火電廠大氣污染物排放標準[S].