曾卓雄, 袁 卓, 徐曉東

(上海電力大學(xué) 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

目前燃煤鍋爐深度NOx減排技術(shù)主要包括煙氣循環(huán)、再燃技術(shù)、空氣分級(jí)、低氮燃燒器、選擇性催化還原(Selective Catalytic Reduction,SCR)和選擇性非催化還原(Selective Non-Catalytic Reduction,SNCR)[1]。空氣分級(jí)和低氮燃燒器聯(lián)用是鍋爐最簡(jiǎn)單有效的低氮改造方法,但只有40%～60%的脫硝效率;SNCR技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的爐內(nèi)脫硝技術(shù),但其還原反應(yīng)的溫度窗口狹窄[2]。針對(duì)該問(wèn)題,研究者提出將SNCR技術(shù)向高溫區(qū)域拓展,認(rèn)為空氣分級(jí)和低氮燃燒器聯(lián)用不僅可抑制NOx生成,而且可在主燃區(qū)創(chuàng)造高溫低氧的還原氣氛,在無(wú)氧或有氧條件下,使得NH3只參與還原反應(yīng)而不被氧化[3]。畢德貴等人[4]研究了空氣分級(jí)下主燃區(qū)噴氨還原NOx的影響因素,結(jié)果表明,主燃區(qū)高溫低氧有利于NH3還原NOx。王勇等人[5]開(kāi)展了煤粉爐內(nèi)還原區(qū)噴氨的強(qiáng)化脫硝試驗(yàn),結(jié)果表明,在空氣分級(jí)的基礎(chǔ)上,煙氣攜帶還原抑制劑噴入還原區(qū)可有效提高煤粉爐脫硝率。白昊等人[6]研究了電加熱沉降爐中氨劑在高溫主燃區(qū)對(duì)NOx的還原效果,結(jié)果表明,高溫低氧條件下,氨劑對(duì)NOx的還原效率高且高揮發(fā)分煙煤的脫硝效率大于低揮發(fā)分無(wú)煙煤。林育平等人[7]建立了SNCR反應(yīng)的非等溫實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),研究發(fā)現(xiàn),在1 273～1 323 K 范圍內(nèi),脫硝效率達(dá)到70%以上,在溫度低于1 250 K時(shí),氧氣含量的增加可以提高脫硝效率,在溫度高于1 250 K 時(shí),會(huì)導(dǎo)致脫硝效率降低。林晨等人[8]認(rèn)為,在流化床鍋爐煙氣中噴射混合還原劑脫硝時(shí)反應(yīng)溫度應(yīng)略高于最佳脫硝溫度。過(guò)增元等人[9-10]指出,在一定的速度及溫度梯度下,減小兩者間的夾角是強(qiáng)化傳熱的有效措施。何雅玲等人[11]應(yīng)用場(chǎng)協(xié)同理論分析了速度場(chǎng)與壓力梯度之間的協(xié)同性。

在很多工業(yè)領(lǐng)域,場(chǎng)協(xié)同理論得到了驗(yàn)證和推廣[12-13],但從溫度場(chǎng)與速度場(chǎng)協(xié)同性角度研究鍋爐燃燒傳熱特性的很少。結(jié)合場(chǎng)協(xié)同理論,本文數(shù)值模擬研究了某330 MW四角切圓燃煤鍋爐主燃區(qū)噴尿素前后不同總過(guò)量空氣系數(shù)、不同主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)爐膛燃燒特性及NOx排放的影響。

1 研究對(duì)象

某330 MW亞臨界鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中,鍋爐的寬度、深度、高度分別為14 022 mm,13 640 mm,54 500 mm。

圖1 亞臨界鍋爐結(jié)構(gòu)

在水平方向上采用濃淡分離直流型燃燒器和同心反切燃燒技術(shù)組織燃燒,其中一次風(fēng)順時(shí)針偏置角度為40.5°,二次風(fēng)逆時(shí)針偏置角度為55.0°;燃燒器四角布置,從下至上分層排列,一次風(fēng)共5層噴口,濃淡組合布置,A,B兩層是內(nèi)濃外淡,C,D,E 3層是下濃上淡;二次風(fēng)與一次風(fēng)相間布置,共7層噴口。在主燃區(qū)上部增設(shè)1層緊湊型燃盡風(fēng)(OFA)和4層高位分離燃盡風(fēng)(SOFA)?？紤]鍋爐的尿素噴口改造難度大,選取AA層4個(gè)噴口作為尿素噴口,尿素溶液濃度為10%,隨AA層二次風(fēng)一起射入爐膛。其燃用煤質(zhì)分析如表1所示。

表1 煤質(zhì)分析

2 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

2.1 數(shù)學(xué)模型

場(chǎng)協(xié)同理論從流場(chǎng)和溫度場(chǎng)相互配合的角度重新審視燃煤鍋爐傳熱、傳質(zhì)的物理機(jī)制,不僅可以指導(dǎo)發(fā)展新的傳熱強(qiáng)化技術(shù),而且適合節(jié)能減排和工程應(yīng)用。鄂加強(qiáng)等人[14]指出,在湍流和三維換熱中,場(chǎng)協(xié)同理論同樣適用。燃煤鍋爐穩(wěn)態(tài)燃燒時(shí),爐膛內(nèi)速度矢量與溫度梯度的協(xié)同角β表達(dá)式為[15]

(1)

式中:β——協(xié)同角,取值范圍為0～90°;

U——速度矢量;

T——溫度;

x,y,z——三維正交坐標(biāo)系;

u,v,w——三維正交坐標(biāo)系下的速度分量。

協(xié)同角越小,其溫度場(chǎng)和速度流場(chǎng)的協(xié)同程度越高,沿速度矢量方向傳熱速度越快,溫度升高也越快;反之,其協(xié)同程度越低,沿速度矢量方向傳熱速度越慢,溫度升高也較慢。

鍋爐爐膛內(nèi)存在煤粉燃燒、NOx生成、尿素脫硝等傳熱傳質(zhì)過(guò)程。將煤粉燃燒與尿素液滴破碎、蒸發(fā)進(jìn)行耦合計(jì)算,采用離散相模型計(jì)算顆粒相運(yùn)動(dòng),其中煤粉顆粒類(lèi)型為燃燒,尿素液滴顆粒類(lèi)型為多組分,都遵循Rosin-Rammler粒徑分布;采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型計(jì)算氣相湍流流動(dòng),標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理邊界層網(wǎng)格;采用有限反應(yīng)速率-渦耗散模型計(jì)算氣相湍流燃燒,其中煤粉揮發(fā)通過(guò)8步分解燃燒[16],焦炭燃燒通過(guò)4步表面顆粒燃燒[17],尿素分解為2步反應(yīng)機(jī)理,尿素還原NOx為7步反應(yīng)機(jī)理[18]。揮發(fā)分析出模型為雙方程平行反應(yīng)模型,焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型;輻射傳熱計(jì)算采用P1法;NOx生成模型為后處理模型,只考慮熱力型NOx和燃料型NOx。壓力-速度耦合為SIMPLE算法,對(duì)流項(xiàng)為二階中心差分,擴(kuò)散項(xiàng)為二階迎風(fēng)差分。

2.2 網(wǎng)格劃分與邊界條件

根據(jù)鍋爐實(shí)際尺寸按1∶1比例建模。將鍋爐分成冷灰斗區(qū)、燃燒器區(qū)和爐膛煙道3部分,采用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格對(duì)其進(jìn)行劃分。網(wǎng)格經(jīng)過(guò)無(wú)關(guān)性測(cè)試后,總網(wǎng)格數(shù)為170萬(wàn)。為減少計(jì)算過(guò)程中的偽擴(kuò)散,使網(wǎng)格線方向與流體流動(dòng)方向保持一致,將燃燒器區(qū)劃分成輻射狀網(wǎng)格;考慮到燃燒器噴口附近物理梯度大,對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密處理。

以鍋爐額定負(fù)荷設(shè)計(jì)工況為基礎(chǔ)工況?；A(chǔ)工況下鍋爐采用均等配風(fēng)方式,其中一次風(fēng)投入A,B,C,D層燃燒器,E層燃燒器備用;二次風(fēng)、OFA和SOFA全開(kāi);總過(guò)量空氣系數(shù)α為1.15,總風(fēng)量為313.1 m3/s,總煤量為41.94 kg/s,燃燒器噴口煤粉濃淡比率為6∶4,邊界條件如表2所示。

其他工況風(fēng)量根據(jù)負(fù)荷及過(guò)量空氣系數(shù)在基礎(chǔ)工況上計(jì)算得出,具體如表3所示。其中4種工況負(fù)荷均為100%,φ為主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù),工況間關(guān)系互為對(duì)照組。

表3 其他工況

尿素溶液均等配送,射流偏角為45°,射流速度25 m/s。根據(jù)鍋爐煙道出口NOx濃度計(jì)算所需尿素溶液容量,其噴尿素量按照標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)當(dāng)量比(Normalized Stoichiometric Ratio,NSR)計(jì)算,為

(2)

3 結(jié)果與討論

選取文獻(xiàn)[19]中鍋爐單獨(dú)燃燒高揮發(fā)分煤、滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)爐膛出口(z=50 m)的氧氣體積分?jǐn)?shù)和NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下),與本文中額定負(fù)荷設(shè)計(jì)工況下燃燒高揮發(fā)分煤的模擬結(jié)果做對(duì)比分析,結(jié)果如表4所示。其中,O2體積分?jǐn)?shù)和NOx濃度值的誤差率分別為4.1%和1.4%,均不超過(guò)5%,由此可知,本文的數(shù)值計(jì)算值可以很好地反映鍋爐爐膛內(nèi)的燃燒特征和NOx排放特性。

表4 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

3.1 場(chǎng)協(xié)同及其對(duì)NOx的影響

圖2是鍋爐基礎(chǔ)工況下噴尿素前后一次風(fēng)截面(z=13.97 m)上溫度的分布。

圖2 噴尿素前后一次風(fēng)截面上溫度的分布

由圖2可知:沿著一次風(fēng)噴口方向,溫度逐漸升高,并產(chǎn)生局部高溫區(qū)域;爐膛中心溫度分布較均勻,呈環(huán)狀溫度帶,而一次風(fēng)噴口附近溫度梯度較大。

圖3是噴尿素前后一次風(fēng)截面上速度流場(chǎng)的分布。

圖3 噴尿素前后一次風(fēng)截面上速度流場(chǎng)的分布

一次風(fēng)從爐膛四角射入,形成均勻的環(huán)狀渦流場(chǎng),四面爐墻附近的流線較為稀疏,爐膛中心和一次風(fēng)噴口附近的流線較為勻密。圖4是噴尿素前后一次風(fēng)截面上協(xié)同角的分布。

由圖4可知,與溫度分布、速度流場(chǎng)分布相比,協(xié)同角存在著相似的環(huán)狀分布,沿著氣流流動(dòng)方向協(xié)同角較小,而在氣流的尾部區(qū)域協(xié)同角較大。這是因?yàn)樵谝淮物L(fēng)噴口附近,氣流剛度大,溫度梯度方向與氣流的速度矢量方向協(xié)同一致性較高,所以速度流場(chǎng)和溫度場(chǎng)協(xié)同性較好;而在氣流尾部,氣流剛度減弱,湍動(dòng)能增大,其速度矢量變化極快,與溫度梯度的協(xié)同一致性減低,所以速度流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同性變差。

圖4 噴尿素前后一次風(fēng)截面上協(xié)同角的分布

同時(shí),噴尿素后一次風(fēng)截面上的溫度整體降低了約100 K,且高溫峰值區(qū)域減小;噴尿素后爐膛中心的速度流線由致密變得勻散,這可能是尿素液滴增加了氣流阻力所致;噴尿素后依然存在環(huán)狀的協(xié)同角分布,但最大協(xié)同角值由85°變?yōu)?0°,溫度場(chǎng)與速度流場(chǎng)的協(xié)同性變差。由上述分析可知,與噴尿素前相比,噴尿素后溫度場(chǎng)和速度流場(chǎng)仍然具有協(xié)同性,但協(xié)同程度減弱。

速度、溫度均是影響鍋爐爐膛內(nèi)NOx生成和遷移的主要因素。圖5是噴尿素前后一次風(fēng)截面上NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)分布。

由圖5可知,噴尿素前,在氣流流動(dòng)方向的環(huán)狀區(qū)域內(nèi),NOx濃度值為260～290 mg/m3。在爐墻四周和爐心區(qū)域,NOx濃度值略高,約大于290 mg/m3。噴尿素后,一次風(fēng)截面上最大NOx濃度值低于200 mg/m3,爐膛中心NOx濃度值低至20 mg/m3,高濃度的NOx富集在爐墻附近。在風(fēng)、煤混合氣流的速度流場(chǎng)內(nèi),一次風(fēng)攜帶煤粉從爐膛四角射入,沿著氣流流動(dòng)方向,煤粉一邊旋轉(zhuǎn)切圓分布,一邊熱解揮發(fā)燃燒;在速度流線方向,熱量傳遞最快,溫度升高也最快;在速度流線的垂直方向,熱量傳遞最慢,溫度升高也較慢。所以環(huán)狀的渦流場(chǎng)演化出環(huán)狀的溫度場(chǎng),進(jìn)而促成熱力型NOx沿著環(huán)狀高溫區(qū)域集中生成,同時(shí)切圓形式的速度動(dòng)量不僅有利于NOx與尿素充分混合還原,而且可使生成的NOx旋轉(zhuǎn)離心至爐墻附近富集。

圖5 噴尿素前后一次風(fēng)截面上NOx的濃度分布

3.2 總過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的影響

在不同總過(guò)量空氣系數(shù)α下,爐膛內(nèi)噴尿素前后NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)沿爐膛高度的變化情況如圖6所示。

由圖6可知:噴尿素前,在冷灰斗區(qū)(0～10 m),NOx濃度較高且呈下降趨勢(shì),因?yàn)樵搮^(qū)域氣流不流通;而在12～30 m高度范圍內(nèi),NOx濃度由較小值緩慢增加了50 mg/m3左右,而后小幅上升再下降。這是因?yàn)樵谥魅紖^(qū)(10～22 m)內(nèi)空氣分級(jí)作用明顯,NOx的生成被抑制;而在還原區(qū)(22～26 m)和燃燼區(qū)(26～30 m),分別存在NOx生成與還原反應(yīng)、未燃燼物的二次燃燼、NOx濃度被稀釋等物理化學(xué)過(guò)程。

圖6 不同總過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx濃度的影響

尿素稀溶液隨二次風(fēng)從4個(gè)AA噴口(z=12.7 m)射入爐膛。噴尿素后,在冷灰斗區(qū),NOx濃度幾乎為零,在主燃區(qū)NOx濃度迅速增大;在還原區(qū)和燃燼區(qū),NOx濃度下降趨勢(shì)明顯。原因是尿素溶液射入爐膛,液滴經(jīng)破碎、霧化、蒸發(fā)、升華等過(guò)程,分解出NH3蒸氣和HNCO蒸氣,在爐膛底部促進(jìn)NOx還原;在主燃區(qū)內(nèi),由于氧氣的送入,一定程度上減弱了尿素對(duì)NOx還原反應(yīng)速率,所以NOx濃度迅速增加;同時(shí)還原區(qū)延長(zhǎng)了尿素還原劑在爐膛內(nèi)的停留時(shí)間,有利于NOx與NH3等蒸氣充分混合脫硝;燃燼區(qū)內(nèi)有足量的SOFA,也稀釋了NOx濃度?？傊?與噴尿素前相比,噴尿素后全爐膛內(nèi)的NOx濃度減幅很大,由250 mg/m3以上降至200 mg/m3以下。

不同總過(guò)量空氣系數(shù)α下,噴尿素前后煙道出口NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的變化情況如圖7所示。

圖7 煙道出口NOx濃度的變化情況

由圖7可知,噴尿素前后,α越大,煙道出口NOx濃度也越高。與噴尿素前相比,噴尿素后各工況下的煙道出口NOx濃度均降低了約250 mg/m3?？傊?α和主燃區(qū)噴尿素均可影響爐膛內(nèi)NOx的生成及排放量。

噴尿素后,不同總過(guò)量空氣系數(shù)α下,協(xié)同角的分布如圖8所示。

圖8 協(xié)同角的分布

由圖8可知,在爐膛高度10～15 m范圍內(nèi),協(xié)同角從約82°迅速降低至約70°,原因是煤粉、一次風(fēng)和二次風(fēng)的持續(xù)噴入,在爐膛下部逐漸形成了穩(wěn)定、一致的溫度場(chǎng)和速度流場(chǎng)。在15～30 m范圍內(nèi),協(xié)同角上下波動(dòng),原因是大量的OFA和SOFA送入,使得爐膛內(nèi)傳熱傳質(zhì)極不均勻,造成溫度場(chǎng)和速度流場(chǎng)的協(xié)同性很差。在30 m及以上范圍,協(xié)同角整體呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)?該區(qū)域是爐膛上部,下部來(lái)流攜帶的湍動(dòng)動(dòng)能在該區(qū)域進(jìn)一步釋放,使得溫度分布和速度流場(chǎng)分布不穩(wěn)定,協(xié)同角增大;至40 m近折焰角處,爐膛橫截面突然縮小,速度減緩,高溫?zé)煔庋刂鵂t頂水平煙道向豎直煙道內(nèi)擴(kuò)散,所以在爐頂水平煙道處協(xié)同角越小的區(qū)域,溫度分布和速度分布也越協(xié)同。

3.3 主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx的影響

爐膛內(nèi)主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)φ對(duì)分級(jí)燃燒和噴尿素還原NOx至關(guān)重要,可通過(guò)調(diào)節(jié)SOFA風(fēng)率來(lái)間接調(diào)整主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)變化。沿爐膛高度方向,噴尿素前后不同主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)φ下,NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的變化情況如圖9所示。

圖9 不同主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)對(duì)NOx濃度的影響

由圖9可知:在10～22 m高度范圍內(nèi),與噴尿素前相比,噴尿素后NOx濃度的增長(zhǎng)速率更大;在22～30 m高度范圍內(nèi),部分情況下,噴尿素前NOx濃度略有增加,而多數(shù)情況下,噴尿素后NOx濃度略有下降;在30 m及以上區(qū)域,噴尿素前NOx濃度呈逐漸上升趨勢(shì),而噴尿素后NOx濃度變化不大或呈下降趨勢(shì)。此外,φ越小,NOx濃度整體上也越小,且其降幅逐漸減低。噴尿素后,當(dāng)φ≤0.92時(shí),爐膛內(nèi)NOx濃度≤150 mg/m3且NOx濃度隨φ減小已變化不大,最佳主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)φ是0.92。

噴尿素前后,不同φ下煙道出口NOx濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下)的變化情況如圖10所示。

圖10 煙道出口NOx濃度的變化情況

由圖10可知,噴尿素前后,降低φ可有效減少煙道出口NOx排放量。這是因?yàn)闇p小φ不僅能加深空氣分級(jí)程度,抑制NOx的生成,而且可創(chuàng)造“高溫低氧”氣氛,有利于尿素還原劑對(duì)NOx還原。噴尿素后不同φ下,協(xié)同角的分布如圖11所示。

圖11 協(xié)同角的分布

由圖11可知,沿爐膛高度方向,不同φ對(duì)協(xié)同角的影響與圖8相似,在此不做贅述。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)某四角切圓鍋爐爐膛燃燒流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬,分析了總過(guò)量空氣系數(shù)α、不同主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)φ對(duì)鍋爐NOx排放的影響。研究結(jié)果表明:鍋爐爐膛內(nèi)速度流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的協(xié)同程度越好,溫度上升越快,NOx生成量也越大;環(huán)狀的渦流場(chǎng)可使NOx沿著環(huán)狀的溫度場(chǎng)集中生成,并向爐墻四周富集;主燃區(qū)噴尿素可有效降低爐膛內(nèi)整體NOx濃度;對(duì)比噴尿素前后,NOx濃度隨α減小而變小,φ越小,NOx濃度也越小,主燃區(qū)最佳過(guò)量空氣系數(shù)是0.92。