宋景慧，李兵臣，李德波，周少祥

（1.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州510600；2.東莞中電新能源熱電有限公司，東莞523127；3.華北電力大學(xué) 能源動力與機械工程學(xué)院，北京102206）

在火力發(fā)電中，鍋爐運行好壞與爐內(nèi)空氣動力場情況密切相關(guān)，較好的爐內(nèi)空氣動力場不僅可以保證鍋爐安全可靠地運行，而且還保證了電廠的低NOx排放.旋流燃燒器是影響爐內(nèi)空氣動力場的關(guān)鍵設(shè)備之一，對于對沖燃燒鍋爐，二次風(fēng)風(fēng)量占燃燒器總進風(fēng)量的比例較大，因此對沖燃燒鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)對爐內(nèi)燃燒的影響較大，關(guān)系到鍋爐的運行安全性及NOx排放質(zhì)量濃度.國內(nèi)學(xué)者對爐內(nèi)燃燒進行過一些數(shù)值模擬，并取得了一些成果［1-8］.本文研究的意義在于：如何在降低NOx排放質(zhì)量濃度的同時又能保證鍋爐燃燒的安全性和經(jīng)濟性.

1 模型及計算方法

1.1 模型簡介

所研究的對象為某電廠3 號機組，該機組為660 MW 燃煤機組，鍋爐采用超超臨界參數(shù)和前后對沖燃燒方式，其爐膛高度為63.2 m，爐膛深度為15.5m，爐膛寬度為22.2m，燃用煤質(zhì)為東勝煙煤.旋流燃燒器由中心風(fēng)、一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)組成，其中中心風(fēng)和一次風(fēng)為直流射流，內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)為旋流射流.

在設(shè)計模型時，將爐膛劃分為5個區(qū)域：旋流燃燒器、冷灰斗區(qū)域、燃燒器對應(yīng)的爐膛區(qū)域（以下簡稱燃燒器區(qū)域）、燃燒器上方爐膛區(qū)域和屏式過熱器區(qū)域，整個模型網(wǎng)格總數(shù)為227萬左右.模型坐標(biāo)方向設(shè)定如下：x軸正方向為沿爐膛前墻至后墻方向；y軸正方向為沿爐膛高度方向；z軸正方向為沿爐膛左墻至右墻方向.爐膛模型簡圖見圖1.

圖1 爐膛模型簡圖Fig.1 Schematic diagram of the boiler furnace

1.2 邊界條件設(shè)置

從燃燒器噴射出的煤粉氣流具有高速旋轉(zhuǎn)流動的特性，湍流模型需具有旋流修正的特點，因此選用Realizablek-ε模型.由于煤粉從每一個旋流燃燒器射入爐內(nèi)的條件相同，因此每個燃燒器的煤粉噴射邊界條件相同，煤粉顆粒服從Rosin-rammler分布.

煤粉 燃 燒 主 要 產(chǎn) 生3 種NOx：NO、NO2和N2O，由于NO 占生成量的絕大部分比例，因此筆者所研究的NOx指的是NO.由于NOx的生成情況受爐內(nèi)溫度的影響較大，為了較好地模擬爐內(nèi)溫度場，爐內(nèi)傳熱采用P-1輻射模型，煤粉揮發(fā)分析出的采用兩步競爭析出模型.

2 模型驗證

2.1 溫度模擬結(jié)果驗證

由于所研究的是某機組實際運行工況（這里指BMCR 工況下），故可以采用該機組的熱態(tài)測量數(shù)據(jù)對數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性進行局部驗證.由于爐膛溫度較高，可達2 000 ℃左右，現(xiàn)有的測量技術(shù)手段無法滿足這一測量要求，實際只能測量爐膛出口煙氣溫度.爐膛出口煙氣溫度的實際測量數(shù)據(jù)為1 135 ℃，數(shù)值模擬結(jié)果為1 100 ℃，兩者的誤差范圍在3.1%以內(nèi)，說明該工況下模型的準(zhǔn)確性良好，可以用于進行爐內(nèi)溫度研究.

2.2 NOx 排放質(zhì)量濃度模擬結(jié)果驗證

使用水冷槍對標(biāo)高44m 觀火孔處的NOx排放質(zhì)量濃度進行現(xiàn)場測量，測孔位置見圖2.水冷槍測量深度與觀火孔的距離分別為2m、3m 和4m，測量結(jié)果為水冷槍進入和抽出時的數(shù)據(jù).圖3給出了該標(biāo)高處NOx排放質(zhì)量濃度現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比.由圖3可以看出，NOx排放質(zhì)量濃度模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果較為符合.通過現(xiàn)場測量，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度為346mg／m3，與數(shù)值模擬計算所得NOx排放質(zhì)量濃度356mg／m3較為接近，說明利用數(shù)值模擬方法進行NOx排放質(zhì)量濃度的研究是可行的.

圖2 水冷槍測點位置示意圖Fig.2 Arrangement drawing of measurement points for water lance

圖3 標(biāo)高44m 處NOx 排放質(zhì)量濃度現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果的對比Fig.3 Comparison of NOxconcentration between actual measurements and numerical simulation at level 44m

3 不同工況下爐內(nèi)燃燒的數(shù)值模擬

在實際運行工況的基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例k來調(diào)節(jié)爐內(nèi)煤粉氣流的空氣動力場，使燃料在燃燒器區(qū)域處于“富空氣燃燒”或“富燃料燃燒”階段，通過對爐內(nèi)燃燒情況的變化及NOx排放質(zhì)量濃度的分析，研究二次風(fēng)配風(fēng)對爐內(nèi)燃燒的影響.

二次風(fēng)配風(fēng)進行如下設(shè)計：在爐膛出口過量空氣系數(shù)a和二次風(fēng)總風(fēng)量不變的基礎(chǔ)上，分別減少燃燒器內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的風(fēng)量，減少的風(fēng)量平均增加到燃盡風(fēng)風(fēng)量，使得燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例發(fā)生改變，各工況的詳細參數(shù)見表1.

表1 各工況參數(shù)Tab.1 Parameters under various working conditions

3.1 改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例對爐內(nèi)溫度場的影響

圖4給出了不同工況下z＝9.57m 截面的溫度場.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例的增大，燃燒器內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的風(fēng)量減小，噴入爐內(nèi)的旋轉(zhuǎn)氣流速度降低，使得燃燒器出口總體氣流沖量減小，煤粉不能很好地充滿整個爐膛，爐膛中心煤粉量逐漸減少，爐內(nèi)靠近前后墻區(qū)域的煤粉量逐漸增加，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域在燃燒溫度升高的同時逐漸向前后墻靠近.

圖4 不同工況下z＝9.57m 截面的溫度場Fig.4 Temperature field on section z＝9.57munder various working conditions

圖5給出了不同工況下爐膛水平截面上煙氣平均溫度隨爐膛高度的變化.從圖5可以看出，燃盡風(fēng)截面（即y＝35.4m）前后，爐膛水平截面上煙氣平均溫度各存在一個峰值，峰值位置均位于爐膛高度30～35m 區(qū)域附近，該區(qū)域為爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域.在燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)a由1.05減小到0.78的過程中，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域的位置也發(fā)生相應(yīng)改變，相應(yīng)地出現(xiàn)在y＝31 m、y＝32 m、y＝33 m 和y＝33m 附近的區(qū)域，這說明隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域逐漸向上移動.當(dāng)a＞0.87時，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域隨a的減小而上移；當(dāng)a＜0.87時，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域基本固定，不再隨a的減少而上移.當(dāng)a＞1時，煤粉周圍有充足的O2，有利于進行化學(xué)完全燃燒反應(yīng)，但焦炭的燃燒過程比較緩慢，煤粉從燃燒器出口噴出后需要在爐膛內(nèi)運動一定的距離才能燃盡，故a＝1.05時，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域出現(xiàn)在y＝31 m 附近，即第三排燃燒器上方附近.當(dāng)a＜1時，部分煤粉在燃燒器區(qū)域進行化學(xué)不完全燃燒反應(yīng)，隨著爐膛高度的增加，距離燃盡風(fēng)區(qū)域越近，O2越充足，越有利于煤粉的充分燃燒.當(dāng)a＜0.87時，整個燃燒器區(qū)域嚴(yán)重缺氧，大部分煤粉進行不完全燃燒，只能在進入燃盡風(fēng)區(qū)域后進行充分燃燒.

圖5 不同工況下爐膛水平截面上煙氣平均溫度隨爐膛高度的變化Fig.5 Distribution of average flue gas temperature along furnace height under different working conditions

由圖5還可以看出，在燃盡風(fēng)層后，爐膛水平截面上煙氣平均溫度又出現(xiàn)一個峰值，這是因為煙氣經(jīng)過燃盡風(fēng)層時，燃盡風(fēng)溫度較低，高溫?zé)煔馐艿嚼淇諝獾臄_動造成該區(qū)域的煙氣平均溫度降低，雖然燃盡風(fēng)風(fēng)量補充了焦炭燃燒所需的空氣量，造成煙氣平均溫度上升，但焦炭燃燒使煙氣平均溫度上升的幅度小于冷風(fēng)使煙氣平均溫度下降的幅度，因此在燃盡風(fēng)層（即y＝35.4m）.會出現(xiàn)煙氣平均溫度下降的現(xiàn)象.煙氣經(jīng)過燃盡風(fēng)層后，由于得到充足的O2，未燃盡的焦炭得以繼續(xù)燃燒，煙氣平均溫度在一定程度上得到回升，直到燃燒放熱量小于受熱面吸熱量時，煙氣平均溫度開始緩慢下降，因此燃盡風(fēng)層后的煙氣平均溫度會出現(xiàn)回升的現(xiàn)象.

此外，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐內(nèi)各高度截面上的煙氣平均溫度整體呈下降趨勢.這是因為隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，燃燒器區(qū)域O2供給質(zhì)量濃度逐漸降低，煤粉顆粒不完全燃燒程度逐漸增大，燃燒放熱量逐漸減小，產(chǎn)生的熱量小于水冷壁吸熱量，因此造成煙氣平均溫度下降.煙氣經(jīng)過燃盡風(fēng)層時，燃盡風(fēng)的沖量越大，煙氣平均溫度下降的程度越明顯.

當(dāng)燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例超過0.30時，爐內(nèi)火焰出現(xiàn)分層現(xiàn)象，即在爐膛高度方向上形成2個燃燒高溫區(qū)，從而導(dǎo)致爐膛出口煙氣平均溫度會隨燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例的增大而升高.工況1～工況4對應(yīng)的爐膛出口煙氣平均 溫 度 分 別 為1 089 ℃、1 100 ℃、1 113 ℃和1 119 ℃，隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例的增大，爐膛出口煙氣平均溫度逐漸升高，但與BMCR 原設(shè)計工況相比，變化幅度保持在20 K以內(nèi).

通過對圖4和圖5分析得出，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量對爐內(nèi)溫度場分布的影響較大，對爐膛出口煙氣平均溫度的影響較小.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域開始向上移動，并逐漸靠近前后墻，受熱面與爐內(nèi)最高溫度區(qū)域的距離變短，使得受熱面吸熱量減少，同時受熱面金屬容易發(fā)生結(jié)焦、被燒壞的可能，對鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生影響.

3.2 改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例對爐內(nèi)O2 質(zhì)量濃度分布的影響

圖6給出了不同工況下沿爐膛高度方向不同截面上O2質(zhì)量濃度的分布曲線.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量的增加，沿爐膛高度方向O2質(zhì)量濃度分布趨勢基本不變.在爐膛高度方向y＜32.7m 區(qū)域，O2質(zhì)量濃度隨y值的增加逐漸降低，在32 m 處附近區(qū)域降至最低，這是由于煤粉燃燒需要消耗大量O2，而該區(qū)域O2消耗量遠大于O2供應(yīng)量所致；在32.7m＜y＜35.4m 區(qū)域內(nèi)，O2質(zhì)量濃度隨y值的增加逐漸升高，在y＝35.4 m 處附近區(qū)域升至最高，這是因為該區(qū)域為燃盡風(fēng)區(qū)域，大量的空氣噴入爐內(nèi)，煤粉燃燒耗氧量小于供氧量；在y＞35.4m 區(qū)域，隨著y值的增加，O2質(zhì)量濃度又逐漸下降.

圖6 不同工況下沿爐膛高度方向各截面上O2 質(zhì)量濃度的分布Fig.6 Distribution of O2 mass concentration along furnace height under different working conditions

3.3 改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例對爐內(nèi)NOx 排放質(zhì)量濃度分布的影響

圖7給出了不同工況下z＝9.57 m 截面上NOx排放質(zhì)量濃度分布.圖8給出了不同工況下沿爐膛高度方向不同水平截面上NOx排放質(zhì)量濃度分布.由圖7和圖8可以看出，各工況下沿爐膛高度方向各個截面上NOx排放質(zhì)量濃度的分布趨勢基本一致，主要表現(xiàn)為爐膛燃燒器區(qū)域是NOx的主要生成區(qū)，在第一層燃燒器和第二層燃燒器之間區(qū)域（即y＝22m 附近區(qū)域），NOx排放質(zhì)量濃度較高，然后沿爐膛高度方向NOx排放質(zhì)量濃度逐漸降低，這是由于受到還原氣氛場的影響，一部分生成的NOx被還原.

圖7 不同工況下z＝9.57m 截面上NOx 排放質(zhì)量濃度的分布Fig.7 Distribution of NOxconcentration on section z＝9.57munder different working conditions

圖8 不同工況下沿爐膛高度方向各截面上NOx 排放質(zhì)量濃度的分布Fig.8 Distribution of NOxconcentration along furnace hight under different working conditions

在燃燒器區(qū)域內(nèi)，隨著爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性逐漸增強，O2的消耗量增加，O2質(zhì)量濃度逐漸降低，還原性氣氛增強，導(dǎo)致生成的NOx被還原量增加，各個高度截面上的NOx排放質(zhì)量濃度出現(xiàn)總體下降趨勢，在y＝32m 附近區(qū)域，NOx排放質(zhì)量濃度最低.在燃盡風(fēng)區(qū)域，由于燃盡風(fēng)的補充，未燃盡的焦炭繼續(xù)燃燒生成NOx，且該區(qū)域的還原性氣氛被破壞，燃燒器區(qū)域被還原的NOx一部分被氧化，重新生成NOx，導(dǎo)致隨著爐膛高度的增加，燃盡風(fēng)區(qū)域NOx排放質(zhì)量濃度在一定程度上升高，基本在y＝37m附近區(qū)域出現(xiàn)峰值.當(dāng)y＞37m 時，隨著O2質(zhì)量濃度的降低，未燃盡焦炭的還原能力相對提高，因此NOx排放質(zhì)量濃度逐漸降低.

隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐內(nèi)NOx生成情況變化較大，具體表現(xiàn)為：爐內(nèi)沿高度方向各個截面上的NOx排放質(zhì)量濃度降低.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)由1.05減小為0.78，該區(qū)域由“富空氣燃燒”轉(zhuǎn)變?yōu)椤案蝗剂先紵?，加劇該區(qū)域煤粉顆粒的不完全燃燒程度，延長了煤粉燃盡的距離，因此煤粉在燃燒器區(qū)域生成的NOx排放質(zhì)量濃度會相對降低.同時由于燃燒器區(qū)域還原性氣氛逐漸增強，被還原的NOx量逐漸增多，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域各截面上NOx排放質(zhì)量濃度在a＝0.1時最高，在a＝0.78時最低.雖然隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，被還原的NOx重新被氧化的程度增加，但較小a工況下，總的NOx排放質(zhì)量濃度較低，因此在y＞32.7m 各截面上NOx排放質(zhì)量濃度在a＝0.1時最高，在a＝0.78時最低.

隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐膛出口截面上NOx排放質(zhì)量濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少，分別為562mg／m3、356mg／m3、312 mg／m3和293mg／m3.說明在一定燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例范圍內(nèi)，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量對NOx排放的影響會逐漸減弱.

4 結(jié) 論

（1）總二次風(fēng)風(fēng)量不變，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量對爐內(nèi)溫度場分布的影響較大，對爐膛出口煙氣平均溫度影響較小.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐內(nèi)燃燒中心區(qū)域開始向上移動，并且逐漸靠近前后墻，受熱面與爐內(nèi)最高溫度區(qū)域的距離變短，使得受熱面吸熱量減少，同時受熱面金屬容易發(fā)生結(jié)焦、被燒壞的可能，對鍋爐燃燒的經(jīng)濟性和安全性造成較大的影響.

（2）總二次風(fēng)風(fēng)量不變，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量對爐內(nèi)O2質(zhì)量濃度的影響較大，而爐內(nèi)O2質(zhì)量濃度的變化與NOx排放質(zhì)量濃度的變化規(guī)律相反，說明爐內(nèi)O2質(zhì)量濃度變化對NOx生成具有一定的影響.

（3）總二次風(fēng)風(fēng)量不變，改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量對爐內(nèi)NOx排放質(zhì)量濃度的影響較大.隨著燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量比例的增大，爐膛出口截面上NOx排放質(zhì)量濃度逐漸降低.

（4）從鍋爐安全運行考慮，爐內(nèi)溫度不應(yīng)出現(xiàn)分層現(xiàn)象及受熱面附近區(qū)域不應(yīng)出現(xiàn)局部高溫區(qū)，燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例不能超過0.30.從NOx排放質(zhì)量濃度考慮，降低NOx排放質(zhì)量濃度需要增大燃盡風(fēng)風(fēng)量占二次風(fēng)總風(fēng)量的比例，NOx排放質(zhì)量濃度應(yīng)該低于該燃燒器的設(shè)計值350 mg／m3，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0.23 以上.綜合考慮鍋爐運行的安全性和NOx排放質(zhì)量濃度時，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0.23～0.30.

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