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(1.國核電站運(yùn)行服務(wù)技術(shù)公司,上海 200233; 2.上海理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200093)

電站燃煤鍋爐氮氧化物(NOx)的排放是大氣的主要污染源之一,近些年受到了越來越多的關(guān)注.目前我國的熱電廠仍然有一些中小容量的機(jī)組在役,而這些中小機(jī)組的NOx排放普遍較高,又無法簡單移植大容量高參數(shù)機(jī)組的低NOx燃燒技術(shù)[1-3].因此研究中小機(jī)組的NOx減排方案具有重要的實(shí)際意義.目前針對采用了濃淡煤粉燃燒技術(shù)的200 MW四角切圓燃燒鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)公開發(fā)表的研究成果較少.范賢振等[4]對不同負(fù)荷下鍋爐爐內(nèi)的流動(dòng)、傳熱及燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬,較為準(zhǔn)確地獲得了不同負(fù)荷下爐內(nèi)煙氣組分的分布.潘維等[5-6]以鎮(zhèn)海電廠一臺(tái)鍋爐為對象,分別對當(dāng)采用分級(jí)燃燒和超細(xì)煤粉分再燃技術(shù)時(shí)爐內(nèi)燃燒和NOx生成情況進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,對于該鍋爐超細(xì)煤粉再燃技術(shù)更有利于降低NOx生成量.邢菲等[7]對一臺(tái)低NOx改造后的鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進(jìn)行了研究,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好.

但是在實(shí)際四角切圓鍋爐的數(shù)值計(jì)算中不僅要研究燃燒特性的影響,還要考慮到由非線性現(xiàn)象引起的非對稱因素.王慧等[8]以四角切圓鍋爐抽象出的二維模型為基礎(chǔ),探究了在這種對稱結(jié)構(gòu)中不同Re數(shù)下出現(xiàn)非對稱現(xiàn)象的機(jī)理.Yang等[9]在二維模型的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析了三維模型中對稱結(jié)構(gòu)出現(xiàn)非對稱熱偏差的機(jī)理,并提出通過改變?nèi)紵髌D(zhuǎn)角度來減小熱偏差的方法.本文參考上述思想,對國內(nèi)某熱電廠200 MW四角切圓濃淡煤粉燃燒鍋爐爐膛內(nèi)燃燒過程及NOx生成情況進(jìn)行了數(shù)值研究,提出通過改變?nèi)紵鳚獾燃爸魅紖^(qū)配風(fēng)方式來降低NOx的技術(shù)措施,可為同類型鍋爐實(shí)際運(yùn)行時(shí)降低NOx排放提供參考.

1 研究對象及網(wǎng)格劃分

某熱電廠1#爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-670/140-YM14型超高壓大容量鍋爐,配200 MW汽輪發(fā)電機(jī)組.該鍋爐呈“П”布置,采用單汽包、單段蒸發(fā)、大口徑集中下降管、自然循環(huán)方式,平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣,配有4套鋼球磨煤機(jī)中間儲(chǔ)倉式制粉系統(tǒng),采用制粉乏氣送粉.鍋爐爐膛高度38.5 m,爐膛橫截面尺寸13.66 m×11.66 m.鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)和煤質(zhì)特性見表1和表2.

表1 鍋爐的設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design perameters of the boiler

表2 燃煤元素分析及工業(yè)分析Tab.2 Ultimate and proximate analysis of coal %

鍋爐每組燃燒器的一、四層采用直流式水平濃淡煤粉燃燒器,二、三層采用雙通道燃燒器.每組燃燒器設(shè)有四層煤粉噴嘴,一、二次風(fēng)相間布置,均等配風(fēng),按四角布置、雙切圓燃燒,B,D角形成直徑為600 mm的切圓,A,C角形成直徑為1 200 mm的切圓,如圖1所示.現(xiàn)燃燒器噴口布置如圖2所示(見下頁).

圖1 一次風(fēng)水平切圓布置圖Fig.1 Primary air of horizontal tangential circle

本文取爐膛冷灰斗底部至鍋爐高溫過熱器前的區(qū)域作為計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分時(shí),將整個(gè)計(jì)算域分割為冷灰斗區(qū)、主燃區(qū)和后燃燒區(qū)3個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格劃分.此外,考慮到主燃區(qū)流場變化比較劇烈,又對主燃區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密.為了獲得較為精確的模擬結(jié)果并兼顧計(jì)算效率,本文計(jì)算前對多套網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證,最終采用130萬網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算.

圖2 燃燒器布置圖Fig.2 Burners arrangement

2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

采用商業(yè)CFD軟件作為模擬計(jì)算平臺(tái),數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)模型計(jì)算.由于切圓爐內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)上升,故氣相湍流模型采用對旋流有較好修正的Realizablek-ε模型,用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒,煤粉顆粒的跟蹤采用隨機(jī)軌道模型并考慮氣相湍流瞬時(shí)波動(dòng)對顆粒軌跡的影響.采用P1輻射模型計(jì)算爐內(nèi)的輻射傳熱.煤粉揮發(fā)分的析出采用單步反應(yīng)模型,焦炭的燃燒使用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型.控制方程的求解采用SIMPLE算法、QUICK差分格式.

NOx生成的模擬采用后處理的方法,由于燃煤鍋爐快速型NOx生成量非常小,可忽略不計(jì),故只考慮熱力型NOx和燃料型NOx的生成.熱力型NOx根據(jù)廣義的Zeldovich機(jī)理計(jì)算,燃料型NOx的形成可分為揮發(fā)分NOx和焦炭NOx.假定揮發(fā)分熱解中間產(chǎn)物為90%的HCN與10%的NH3,HCN可被O2氧化成NO,也可被NO還原成N2,焦炭中的N全部轉(zhuǎn)化為NO.整個(gè)NOx計(jì)算過程中考慮湍流流場溫度的脈動(dòng)以及氧原子的脈動(dòng)對NOx生成的影響.

2.2 邊界條件

模擬計(jì)算工況均在200 MW負(fù)荷下,燃燒器所有一、二次風(fēng)噴嘴均設(shè)置為速度入口,爐膛出口設(shè)為壓力出口,爐膛壁面設(shè)為無滑移邊界條件,并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給定壁面溫度680 K.煤粉直徑分布遵循Rosin-Rammler分布,最小直徑為30 μm,最大直徑為300 μm,平均直徑為70 μm.

位于一、四層的水平濃淡燃燒器利用煤粉彎管的離心力作用將一次風(fēng)中的煤粉分為濃淡兩股.一次風(fēng)通道被沿水平方向分割成左右兩個(gè)濃度不同的通道,兩個(gè)通道中煤粉濃度的比例稱為濃淡比.為全面獲得不同濃淡比下燃燒和NOx排放的特性,本文分別對包括設(shè)計(jì)工況在內(nèi)的共計(jì)6個(gè)濃淡比工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算,各工況詳細(xì)入口參數(shù)如表3所示,其中工況3為鍋爐最大連續(xù)出力(BMCR)工況的邊界條件.

表3 計(jì)算工況表Tab.3 Calculation conditions

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 設(shè)計(jì)工況的模擬

a.計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證.

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性,本節(jié)取設(shè)計(jì)工況3的計(jì)算結(jié)果與鍋爐運(yùn)行記錄值進(jìn)行比較.表4分別給出了爐膛出口各項(xiàng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值的比較,可得各項(xiàng)誤差均在5%以內(nèi),基本能夠證明本文所用的數(shù)值方法與計(jì)算結(jié)果是可靠的.

表4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與運(yùn)行記錄值的比較Tab.4 Comparison between simulation results and operational records

b.速度分布.

圖3顯示了爐膛不同高度橫截面的速度分布,由下至上分別為一層一次風(fēng)截面、四層一次風(fēng)截面、爐膛出口截面以及水平煙道截面.觀察一、四層一次風(fēng)截面可知在爐膛中心處是低速旋轉(zhuǎn)區(qū),氣流切圓大小大于設(shè)計(jì)值,但未過于貼壁,沒有對爐膛水冷壁進(jìn)行沖刷.由于本文所模擬的鍋爐并未加裝消旋二次風(fēng),因而在爐膛出口截面,氣流仍存在殘余旋轉(zhuǎn),至使氣流在進(jìn)入水平煙道后出現(xiàn)速度偏差.

圖3 爐膛不同高度截面的速度分布圖Fig.3 Velocity distribution on cross-section along the height of furnace

c.溫度分布.

圖4給出了鍋爐爐膛內(nèi)的溫度分布圖與煤粉顆粒濃度圖,其中截面1為爐膛對角線截面,截面2為第一層燃燒器橫截面.

從圖4(a)可看出,爐膛的高溫區(qū)主要集中在一次風(fēng)噴嘴附近,火焰中心在爐膛主燃區(qū)中上游處.二、三層的雙通道燃燒器,由于中間存在較大的突擴(kuò)空間,能夠卷吸大量的爐膛高溫?zé)煔?其著火明顯提前于一、四層的水平濃淡燃燒器,數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)符合,再次證明了本文計(jì)算結(jié)果的正確性.

圖4(b)顯示了第一層煤粉噴嘴截面的顆粒濃度場,從圖中可看出向火側(cè)的煤粉濃度明顯大于背火側(cè),燃燒器在水平方向?qū)崿F(xiàn)了濃淡分離燃燒,結(jié)合圖4(c)的溫度分布,可見向火側(cè)煤粉率先著火燃燒,再引燃背火側(cè)的煤粉,淡煤粉氣流在燃燒中心與爐膛壁面間形成一道屏障,能有效減少水冷壁面的高溫腐蝕.

圖4 爐膛溫度分布圖Fig.4 Temperature field in furnace

d.煙氣組分分布.

圖5(見下頁)為爐膛對角截面NOx濃度分布,從圖中可看出NOx濃度最大處位于爐膛第二、三層雙通道燃燒器之間的區(qū)域.結(jié)合圖6的O2濃度分布圖,可以發(fā)現(xiàn)在BMCR工況下,雙通道燃燒器出口一直處于富氧燃燒狀態(tài),使得燃燒反應(yīng)處于氧化性氣氛中,降低了NOx減排效果.而一、四層燃燒器由于采用了水平濃淡分離燃燒,其NOx生成量明顯低于雙通道燃燒器.在整個(gè)爐膛中,由于未加裝SOFA風(fēng)噴口,使得整個(gè)主燃區(qū)的空氣過量系數(shù)較大,造成爐膛出口處NOx濃度偏高,為647 mg/m3.

由以上分析可見,本文的數(shù)值結(jié)果與所能獲得的電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)基本是吻合的,驗(yàn)證了本文數(shù)值方法與計(jì)算結(jié)果的可靠性.同時(shí)由流場、溫度場、及生成物組分場的分析可見,濃淡燃燒器的煤粉濃淡比,會(huì)影響鍋爐爐膛內(nèi)NOx的生成和分布特性.如果濃淡比分配不合理,使燃燒處于氧化環(huán)境中,不利于抑制NOx的生成.

圖5 爐膛NOx分布圖Fig.5 NOx distribution in furnace

3.2 濃淡比對爐內(nèi)燃燒及NOx排放的影響

為進(jìn)一步獲得爐膛燃燒及NOx排放規(guī)律,本節(jié)在上節(jié)基礎(chǔ)上進(jìn)一步針對一、四層的水平濃淡燃燒器研究了不同水平煤粉濃淡比對鍋爐爐內(nèi)燃燒及NOx排放特性的影響.

圖7所示為不同濃淡比下爐膛出口處NOx濃度(干態(tài),6%O2),從圖中可看出隨著濃淡比的提高,出口NOx濃度并非隨之線性降低,而是先減小后增大,最小值出現(xiàn)在濃淡比為5∶1的工況,與設(shè)計(jì)工況(即濃淡比為3∶1工況)相比減少了14 mg/m3,為633 mg/m3.盡管濃淡比優(yōu)化后的NOx生成量有所降低,但結(jié)合3.1節(jié)對爐膛主燃區(qū)組分分布的分析可知,二、三層雙通道燃燒器出口附近氧量偏高,使得燃燒一直處于富氧燃燒狀態(tài),也是NOx生成量過大的主要因素.因此本文在最優(yōu)濃淡比的基礎(chǔ)上對主燃區(qū)的配風(fēng)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化,即在保證總二次風(fēng)量不變的前提下增加頂部、底部二次風(fēng)風(fēng)量,減小爐膛中間雙通道燃燒器出口的助燃空氣比例,整體配風(fēng)形成“縮腰”狀態(tài),如表5所示.

圖6 爐膛O2分布圖Fig.6 O2 distribution in furnace

圖7 不同濃淡比下爐膛出口處NOx濃度(干態(tài),6% O2)Fig.7 NOx concentration at furnace outlet in different rich/lean ratios (dry,6% O2)

表5 優(yōu)化前后結(jié)果對比Tab.5 Results before and after optimization

優(yōu)化后中間主燃燒區(qū)域處于負(fù)氧燃燒狀態(tài),在一定程度上抑制了NOx的生成,因此最終計(jì)算結(jié)果中縮腰配風(fēng)工況的NOx排放量比均等配風(fēng)工況降低了32.7 mg/m3.雖然總體排放量有所降低,但依舊不能達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn),因此該爐如果短期內(nèi)不能淘汰,本文建議采用分級(jí)燃燒技術(shù)進(jìn)行繼續(xù)改進(jìn)[10].

4 結(jié) 論

通過對某熱電廠200 MW切圓燃煤鍋爐設(shè)計(jì)工況及不同濃淡比下爐內(nèi)燃燒和NOx排放情況進(jìn)行的數(shù)值計(jì)算可得出結(jié)論如下:

a.BMCR工況下,主燃區(qū)處于氧化性反應(yīng)氣氛,鍋爐整體NOx排放濃度偏高,達(dá)到了647 mg/m3.

b.改變一、四層水平濃淡燃燒器煤粉濃淡比,能夠在一定程度上降低爐膛出口NOx的生成量.隨著濃淡比的增加,NOx的生成量先減小后增大,其中最小值出現(xiàn)在濃淡比為5∶1的工況.

c.數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明,在最優(yōu)濃淡比工況的基礎(chǔ)上采用“縮腰型”配風(fēng),通過減小爐膛中間雙通道燃燒器出口的助燃空氣比例,可將爐膛出口NOx的生成量降低至601.3 mg/m3.

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