孔紅兵， 楊章寧， 謝 佳， 但家瑜，張山鷹， 何 維， 劉泰生

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731； 2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

切圓煤粉鍋爐墻式燃盡風(fēng)技術(shù)的研究與應(yīng)用

孔紅兵1,2， 楊章寧1,2， 謝 佳1,2， 但家瑜1,2，張山鷹1,2， 何 維1,2， 劉泰生1,2

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 611731； 2.東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上應(yīng)用墻式燃盡風(fēng)技術(shù)，研究了該技術(shù)對NOx和CO體積分?jǐn)?shù)以及鍋爐效率、汽溫偏差的影響，并將通過改進(jìn)模型所得的NOx質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值進(jìn)行對比.結(jié)果表明：采用墻式燃盡風(fēng)技術(shù)，通過合理配風(fēng)，鍋爐NOx和CO等未燃盡可燃物體積分?jǐn)?shù)均比常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況下低，在降低NOx質(zhì)量濃度的同時鍋爐效率不變，并且在解決鍋爐兩側(cè)汽溫偏差方面具有良好的效果.

煤粉鍋爐； 空氣分級； 墻式燃盡風(fēng)； NOx

目前空氣分級燃燒技術(shù)是一種較成熟且應(yīng)用最廣泛的降低NOx排放量的燃燒技術(shù)[1-4]，利用該技術(shù)將空氣分為2個階段送入爐膛，先將其中一部分空氣與燃料混合送入爐膛中，使燃料在富燃料條件下燃燒，可以降低燃燒溫度，從而降低熱力型NOx生成量；在燃燒中期，部分NOx又被還原，在燃燒后期再將另外一部分空氣送入爐膛中，使?fàn)t膛中的可燃物充分燃燒，此時燃燒溫度不高，因此NOx生成量也低，從而使總的NOx生成量很低.而且基于該技術(shù)演變出了很多其他類型的空氣分級燃燒技術(shù)，如更大程度的空氣深度分級、徑向空氣分級、軸向空氣分級以及兩者相結(jié)合的多種空氣分級燃燒技術(shù)[5].由于采用空氣分級，爐膛主燃燒區(qū)域氧量不足，會產(chǎn)生大量的CO及未燃盡的焦炭等可燃物，而后期通入的燃盡風(fēng)(OFA)雖然可以明顯降低未燃盡可燃物的含量，但噴入爐內(nèi)的空氣不能到達(dá)所有區(qū)域，還有一部分可燃物直接離開燃盡區(qū)域，未能充分燃盡.在大量的現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，低NOx排放會導(dǎo)致未燃盡碳含量高且燃燒效率低，NOx排放量控制得越低，未燃盡碳將大大增加，特別是CO排放量大幅上升，鍋爐效率會降低，這種以犧牲鍋爐效率來換取低NOx排放量是不可取的.筆者采用的墻式燃盡風(fēng)技術(shù)根據(jù)爐膛上部燃盡區(qū)域未燃盡可燃物的分布區(qū)域，將燃盡風(fēng)布置在四周水冷壁上，沿著特定方向?qū)⒉糠挚諝馔ㄈ胛慈急M可燃物區(qū)域使其充分燃燒，并考慮可調(diào)覆蓋范圍.

筆者采用基于改進(jìn)焦炭模型及NOx模型的數(shù)值計(jì)算方法研究了墻式燃盡風(fēng)技術(shù)對降低NOx排放量的效果，并在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上應(yīng)用該技術(shù)，分析了NOx質(zhì)量濃度、CO等未燃盡可燃物體積分?jǐn)?shù)、鍋爐效率和鍋爐兩側(cè)汽溫偏差的變化.

1 墻式燃盡風(fēng)技術(shù)

1.1 墻式燃盡風(fēng)技術(shù)

墻式燃盡風(fēng)技術(shù)可與東方鍋爐股份有限公司先進(jìn)的四角切圓低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行完美結(jié)合，如水平濃淡煤粉燃燒器結(jié)合濃相大反吹，燃盡風(fēng)采用“1+2”模式布置，即1層低位燃盡風(fēng)、2層高位燃盡風(fēng)方案，墻式燃盡風(fēng)技術(shù)與“1+2”模式的不同之處在于墻式燃盡風(fēng)將最上層燃盡風(fēng)布置在四周水冷壁上進(jìn)行配風(fēng).

所研究的鍋爐為亞臨界參數(shù)、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)п型鍋爐，煤質(zhì)分析見表1.

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析

燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒器，燃燒器噴口上下擺動可改變火焰中心的位置，以調(diào)節(jié)再熱汽溫.每角燃燒器分為上、中、下3組，共布置15層噴口，5層一次風(fēng)(A、B、C、D、E)噴口，3層角式燃盡風(fēng)(OFA-1、OFA-2、OFA-3)噴口，1層墻式燃盡風(fēng)(OFA-4)噴口以及7層二次風(fēng)(AA、AB、BC、CC、CD、DE、EE)噴口.一次風(fēng)噴口及二次風(fēng)噴口能上下擺動30°，燃盡風(fēng)噴口能上下擺動15°，墻式燃盡風(fēng)噴口能水平左右各擺動15°.其中角式燃盡風(fēng)噴口采用反切布置，可以消除煙氣旋轉(zhuǎn)，減少鍋爐兩側(cè)汽溫偏差.燃燒器噴口及燃盡風(fēng)噴口布置如圖1所示.

墻式燃盡風(fēng)作為降低NOx和CO排放量的重要調(diào)節(jié)手段，其擺動角度需根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際調(diào)整后確定.墻式燃盡風(fēng)與角式燃盡風(fēng)也可以進(jìn)行組合投運(yùn).

1.2 建立模型

在研究墻式燃盡風(fēng)時，仍然保留常規(guī)角式第3層燃盡風(fēng)噴口以進(jìn)行對比.全爐膛采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，燃燒器區(qū)域保證網(wǎng)格與燃燒器出口氣流方向平行，有利于減少偽擴(kuò)散的產(chǎn)生[6].同時在主燃燒區(qū)域以及噴口區(qū)域采用網(wǎng)格細(xì)化處理，以提高計(jì)算精度.

1.3 計(jì)算方法及計(jì)算模型

采用Simple算法對壓力-速度耦合進(jìn)行求解，采用標(biāo)準(zhǔn)離散方式求解壓力，組分、速度和動量等采用二階迎風(fēng)方式求解.采用非預(yù)混燃燒模型模擬煤粉氣流燃燒，氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)(PDF)模型.煤粉燃燒過程中各相輻射傳熱采用P1輻射模型進(jìn)行計(jì)算[7-8].

在焦炭反應(yīng)模型改進(jìn)方面，筆者與合作單位清華大學(xué)在Fluent 缺省的焦炭燃燒反應(yīng)/擴(kuò)散聯(lián)合控制模型的基礎(chǔ)上加入了對高溫?zé)崾Щ瞵F(xiàn)象和灰分抑制作用的定量描述，同時考慮了焦炭氣化反應(yīng)，建立了一個新的焦炭燃燒模型，并通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)的方式在Fluent 平臺上予以實(shí)現(xiàn).與Fluent中缺省的聯(lián)合控制模型相比，新的焦炭燃燒模型可以在整個燃燒過程中準(zhǔn)確預(yù)測焦炭轉(zhuǎn)化率[9].

圖1 燃燒器和燃盡風(fēng)噴口布置圖

在NOx生成與還原模型改進(jìn)方面，筆者與清華大學(xué)對Fluent缺省模型進(jìn)行修改，通過一系列反應(yīng)機(jī)理和計(jì)算方法準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測氣相中碳?xì)浠衔飳Ox的還原速率，從而準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測NOx的生成量.同樣建立了一個新的NOx生成模型，并通過編寫UDF的方式在Fluent平臺上予以實(shí)現(xiàn).

1.4 計(jì)算工況

墻式燃盡風(fēng)的研究主要涉及墻式燃盡風(fēng)的布置位置及配風(fēng)方式，同時考慮到需要與常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況進(jìn)行對比，因此計(jì)算工況設(shè)定如表2所示.

表2 數(shù)值模擬計(jì)算工況

工況1主要是研究墻式燃盡風(fēng)的布置位置，通過不設(shè)燃盡風(fēng)，根據(jù)爐膛中O2的消耗程度在特定層高補(bǔ)充燃盡風(fēng)，同時分析未燃盡可燃物的分布區(qū)域，從而設(shè)定墻式燃盡風(fēng)的噴口位置.工況2和工況3對比研究墻式燃盡風(fēng)與常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況下的NOx體積分率.工況4研究墻式燃盡風(fēng)的配風(fēng)方式對燃燒以及NOx和CO排放量的影響，由于工況4中所有燃盡風(fēng)噴口全開，風(fēng)速要略低，但為保證燃盡風(fēng)風(fēng)速的剛性和穿透力，風(fēng)速不能太低，應(yīng)取一個合適值，因此其燃盡風(fēng)風(fēng)率略高于其他工況.

1.5 計(jì)算結(jié)果與分析

1.5.1 墻式燃盡風(fēng)高度布置位置分析

鍋爐燃盡風(fēng)的布置采用多級燃盡風(fēng)技術(shù)，空氣根據(jù)煤粉氣流燃燒過程中對O2體積分?jǐn)?shù)的需求合理供應(yīng)，保證每個階段O2都能很好地與煤顆粒反應(yīng)，且無多余空氣用于生成NOx，同時在還原區(qū)使NOx盡可能多的被還原，因此OFA-1的送入位置就顯得尤為重要.

圖2和圖3給出了不同爐膛高度下溫度以及NOx、CO和O2體積分?jǐn)?shù)的變化.由圖2和圖3可以看出，在燃燒器區(qū)域溫度總體趨勢是逐步升高的，而O2體積分?jǐn)?shù)是逐漸降低的.由于中、下2組噴口有一定的間距，NOx在這2組燃燒器之間被還原，NOx體積分?jǐn)?shù)略有下降；而在中組噴口之后，爐膛溫度逐漸降低，NOx在后續(xù)還原區(qū)內(nèi)持續(xù)被還原，NOx體積分?jǐn)?shù)一直降低.由于工況1未通入燃盡風(fēng)，燃盡區(qū)域未有再次燃燒現(xiàn)象，溫度持續(xù)降低，NOx體積分?jǐn)?shù)基本上也以相同的還原速率持續(xù)下降，一直到屏式過熱器底部還未出現(xiàn)減緩階段，因此從降低NOx體積分?jǐn)?shù)方面考慮通入OFA-1是不現(xiàn)實(shí)的.在爐膛高度30～34 m區(qū)域，CO體積分?jǐn)?shù)基本持平，說明此區(qū)域CO生成量與消耗量基本相同，由于CO生成和消耗都需要O2，因此O2體積分?jǐn)?shù)急劇下降.而在爐膛高度34 m之后，CO體積分?jǐn)?shù)開始明顯下降，而O2體積分?jǐn)?shù)下降緩慢，說明該區(qū)域爐膛中的O2差不多被消耗殆盡，CO體積分?jǐn)?shù)下降；因此在此高度通入OFA-1較為合理，而后續(xù)的OFA-2和OFA-3則根據(jù)已有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)在相應(yīng)的爐膛高度送入即可，其中墻式燃盡風(fēng)OFA-4與OFA-3的噴口布置高度相同.空氣階段性的供給既保證焦炭有足夠的時間與O2反應(yīng)，又可防止高過量空氣系數(shù)下NOx重新生成.

圖2 工況1不同爐膛高度下溫度及NOx和CO體積分?jǐn)?shù)的變化

圖3 工況1不同爐膛高度下O2體積分?jǐn)?shù)的變化

1.5.2 墻式燃盡風(fēng)噴口水平布置位置分析

墻式燃盡風(fēng)的作用主要是降低未燃盡可燃物含量，提高煤粉燃盡度，使鍋爐在NOx排放量及鍋爐效率上獲得綜合效果，因此墻式燃盡風(fēng)噴口的布置需要根據(jù)可燃物的分布區(qū)域來進(jìn)行判斷.圖4和圖5分別給出了工況1燃盡區(qū)域CO和未燃盡可燃物體積分?jǐn)?shù)的分布.由圖4和圖5可知，未燃盡可燃物有一部分集中在爐膛中央.因此，墻式燃盡風(fēng)噴口水平布置位置在四周水冷壁上(見圖6).

圖4 工況1燃盡區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)的分布

圖5 工況1燃盡區(qū)域未燃盡可燃物體積分?jǐn)?shù)的分布

圖6 墻式燃盡風(fēng)噴口布置示意圖

1.5.3 墻式燃盡風(fēng)的配風(fēng)方式分析

墻式燃盡風(fēng)的配風(fēng)按照工況2～工況4的邊界條件分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖7～圖10和表3.

由圖7和圖8可以看出，工況2～工況4的燃燒工況都接近，切圓大小大致相同，溫度也接近.其主要原因是主燃燒區(qū)域風(fēng)量差不多，工況4由于燃盡風(fēng)風(fēng)率略高，主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)略低，在燃燒前期溫度比工況2和工況3略低，而在后期燃盡區(qū)域因過量空氣系數(shù)略高，燃燒更好，溫度也略高.

由圖9可以看出，3個工況下NOx體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度方向的分布趨勢相同，在燃燒器區(qū)域一直升高，在2組燃燒器區(qū)間略有降低，之后繼續(xù)升高，隨后在還原區(qū)內(nèi)大量NOx被還原,其體積分?jǐn)?shù)急劇下降，在燃盡風(fēng)區(qū)域由于燃盡風(fēng)的通入，再次發(fā)生燃燒,NOx體積分?jǐn)?shù)再次升高，最后降低直至平穩(wěn).其中工況4的NOx體積分?jǐn)?shù)最低，主要是因?yàn)楣r4的燃盡風(fēng)風(fēng)率比工況2和工況3略高，在主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)略小，溫度比工況2和工況3低，因此NOx體積分?jǐn)?shù)也略低.

圖7 不同工況下中間層一次風(fēng)風(fēng)速分布

圖8 不同工況下沿爐膛高度方向的溫度變化

由圖10可以看出，工況3的煙溫分布比工況2更加均勻，說明工況3在鍋爐兩側(cè)汽溫偏差方面比工況2好；而工況4的煙溫分布比工況3要差一些，主要可能是因?yàn)槿急M風(fēng)噴口全開，燃盡風(fēng)風(fēng)速比工況3略低，導(dǎo)致反切消旋效果受到影響，但反切消旋效果仍比工況2略好.

圖9 不同工況下沿爐膛高度方向的NOx體積分?jǐn)?shù)變化

單位:K

表3 主要計(jì)算結(jié)果

由表3可以看出，與工況2相比，工況3的出口O2體積分?jǐn)?shù)較低，且其CO和NOx體積分?jǐn)?shù)也較低，煤粉燃燒強(qiáng)度較好；與工況2相比，工況4的CO和NOx體積分?jǐn)?shù)以及出口O2體積分?jǐn)?shù)均較低.

綜上所述，墻式燃盡風(fēng)技術(shù)相對于常規(guī)角式燃盡風(fēng)具有較大優(yōu)勢.

2 墻式燃盡風(fēng)技術(shù)的工程應(yīng)用

將墻式燃盡風(fēng)技術(shù)應(yīng)用在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上，該鍋爐在設(shè)計(jì)制造時仍保留原角式布置的3層燃盡風(fēng)噴口以進(jìn)行對比，另外在四周水冷壁上布置1層墻式燃盡風(fēng)噴口，現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況如下所述.

2.1 NOx排放情況

鍋爐運(yùn)行時，分別按照工況2～工況4設(shè)定方案，對不同燃盡風(fēng)風(fēng)門擋板開度進(jìn)行調(diào)試，NOx質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值的對比如圖11所示.由圖11可以看出，NOx質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值相差不大，兩者誤差在10%以內(nèi).從實(shí)際運(yùn)行情況來看，開啟墻式燃盡風(fēng)工況下的NOx質(zhì)量濃度都要比開啟常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況下要低.

圖11 不同工況下NOx質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值的對比

2.2 鍋爐效率情況

采用空氣分級燃燒時，開啟和關(guān)閉墻式燃盡風(fēng)工況下的燃盡風(fēng)風(fēng)率是一樣的，在主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)也一樣，燃燒強(qiáng)度基本沒什么變化.而墻式燃盡風(fēng)工況下的NOx質(zhì)量濃度低于常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況，這主要是因?yàn)槿急M風(fēng)從水冷壁四周進(jìn)入爐膛改變了流場，加強(qiáng)了煙風(fēng)的混合，且墻式燃盡風(fēng)從水冷壁四周射入爐膛，本身覆蓋范圍就比角式燃盡風(fēng)覆蓋范圍廣，同時墻式燃盡風(fēng)采用反切布置，提升了煙氣整體的混合強(qiáng)度.綜合試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算可知，與常規(guī)角式燃盡風(fēng)工況相比，開啟墻式燃盡風(fēng)工況下(包括工況3和工況4)，鍋爐效率基本接近，并沒有因NOx質(zhì)量濃度的降低而下降.

2.3 鍋爐汽溫偏差情況

切圓煤粉鍋爐普遍存在汽溫偏差較大的問題，如果汽溫偏差過大，會嚴(yán)重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.目前，解決切圓煤粉鍋爐汽溫偏差較大比較有效的措施之一是消旋，采用消旋風(fēng)消除煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)來減少鍋爐兩側(cè)汽溫偏差[10-11].墻式燃盡風(fēng)的布置本身采用反切布置，且可以左右水平擺動，布置在水冷壁四面墻中心附近，而此處是爐膛主旋轉(zhuǎn)氣流最弱的地方，在此處噴入墻式燃盡風(fēng)，氣流受鍋爐主氣流順帶的影響大大減弱，有足夠的剛性來抵抗主旋轉(zhuǎn)氣流，可以大幅度消除煙氣旋轉(zhuǎn).實(shí)際運(yùn)行時，鍋爐高溫過熱器兩側(cè)汽溫偏差在1 K左右波動，兩側(cè)減溫水量也較小，兩側(cè)金屬壁溫偏差在27 K以內(nèi)，因此墻式燃盡風(fēng)在解決汽溫偏差方面效果良好.

3 結(jié) 論

(1) 采用新的焦炭燃燒模型和NOx生成模型所得NOx質(zhì)量濃度計(jì)算值與實(shí)際值較接近，兩者誤差在10%以內(nèi).

(2) 墻式燃盡風(fēng)在降低NOx質(zhì)量濃度上比常規(guī)角式燃盡風(fēng)具有良好的優(yōu)勢，且在降低NOx質(zhì)量濃度同時CO等未燃盡可燃物體積分?jǐn)?shù)也降低，并且可使鍋爐效率不降低，甚至略有提高.

(3) 采用墻式燃盡風(fēng)可以更好地消除煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，以解決切圓煤粉鍋爐汽溫偏差問題，比常規(guī)角式燃盡風(fēng)反切布置更加有效.

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ResearchandApplicationofWallArrangementOFATechnologyinTangentially-firedBoilers

KONGHongbing1,2,YANGZhangning1,2,XIEJia1,2,DANJiayu1,2,ZHANGShanying1,2,HEWei1,2,LIUTaisheng1,2
(1. Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 611731, China; 2. Dongfang Boiler Group Co., Ltd., DBC, Zigong 643001, Sichuan Province, China)

A wall arrangement over fire air (OFA) technology developed by DBC was applied in a 330 MW tangentially-fired pulverized coal boiler. Based on the comparison between actual operation data and the results calculated with an improved model, the effects of wall arrangement OFA technology on following parameters were studied, such as the NOxemission, CO emission, boiler efficiency and the steam temperature deviation, etc. Results show that through reasonable air distribution, the NOxemission, CO emission and the concentration of other unburned fuel particles with OFA in wall arrangement are lower than that of conventional corner arrangement, while the boiler efficiency is kept unchanged, which has also good effects in eliminating the temperature deviation on both sides of the boiler.

pulverized coal boiler; air-staged combustion; wall arrangement over fire air; NOx

2016-12-26

2017-01-09

孔紅兵(1984-)，男，湖北咸寧人，工程師，碩士，研究方向?yàn)殡娬惧仩t燃燒系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì).電話(Tel．)：028-83626632；E-mail：hb_kong@163.com．

1674-7607(2017)12-0950-06

TK227.1

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470.30