廣州珠江電力有限公司 關(guān)應(yīng)元

低NOx燃燒技術(shù)可分類分為低NOx燃燒器、空氣分級和燃料分級。數(shù)值模擬已被證明是功能強大且具有成本效益的工程工具。眾多研究表明，利用計算流體動力學(xué)(CFD)能得到可靠的結(jié)果，能既避免昂貴的實驗、又準(zhǔn)確分析鍋爐內(nèi)部的流場，溫度和產(chǎn)物組分分布。改變?nèi)急M風(fēng)作為空氣分級的重要表現(xiàn)形式被許多學(xué)者廣泛研究。

Liu H 等[1]研究了燃盡風(fēng)OFA 比例和風(fēng)口位置對燃燒以及NOx產(chǎn)生的影響，得出燃燒器區(qū)域的溫度和飛灰中的碳含量隨OFA 比的增加而增加，而NOx排放隨OFA 比的增加而減少；Ma，L 等[2]研究了燃盡風(fēng)SOFA 對于煤粉爐運行的影響，得出隨著SOFA 比例從15%增加到20%，NOx排放量大大減少，但粉煤灰中的碳含量略有增加。隨著從20%到30%的進一步增加NOx排放量略有降低，但粉煤灰中的碳含量卻大幅增加。Park HY 等通過改變?nèi)急M風(fēng)SOFA 反切角度減少了爐膛出口熱偏差；王秋紅等[3]通過研究不同燃盡風(fēng)反切角度得出燃盡風(fēng)反切對爐膛下部流場影響甚微，而對上部卻有較大影響。反切角度較小，對流場以及產(chǎn)物分布影響不大，但是反切角度偏大(20°)時爐內(nèi)流場產(chǎn)生紊亂。

1 模擬對象、數(shù)值模型和計算方法

所研究的鍋爐是廣州市珠江電廠的一臺320MW HG1021/18.2-YM3型亞臨界自然循環(huán)四角切圓粉煤鍋爐。鍋爐整體結(jié)構(gòu)示意如圖1(b)所示。煤粉燃燒方式為四角正向切圓燃燒，煤粉從四角按圖1(a)所示角度噴入爐內(nèi)，在爐膛中心形成切圓。燃燒器噴口、風(fēng)速/(m/s)、風(fēng)率（%）分別為一次風(fēng)25/34.5、二次風(fēng)50/36.5、燃盡風(fēng)50/29。燃燒所用煤為神府東勝煙煤，其工業(yè)分析（%）為水分11.69、灰分11、揮發(fā)27.74、固定碳52.57，元素分析(%)C81.62、H4.63、O11.91、N1.16、S0.67、Qnet (kJ/kg)26235.50。

文中設(shè)置了不同的負荷、燃盡風(fēng)反切角以及燃盡風(fēng)風(fēng)率，具體的12個工況的負荷（%）、燃盡風(fēng)比率（%）、燃盡風(fēng)反切角度（°）分別為：100/29/0、8 5/2 9/0、7 5/2 9/0、6 0/2 9/0、5 0/2 9/0、100/24/0、100/19/0、100/34/0、100/29/0、100/29/5、100/29/10、100/29/15。文中的所有配風(fēng)均采用均等配風(fēng)，其中為了更明確地比較各種條件變化對于流場、溫度差、出口參數(shù)的影響，采取控制變量的方式進行模擬，因此取過量空氣系數(shù)均為1.25。

應(yīng)用商業(yè)FLUENT 軟件進行數(shù)值模擬，總體網(wǎng)格數(shù)量在255萬。標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型模擬煤粉爐內(nèi)的氣相湍流流場；爐膛內(nèi)的輻射傳熱計算采用P1模型；控制方程的求解采用Simple 算法；熱交換采用第二類邊界條件，即給定壁面溫度和發(fā)射率。NOx的生成機理較為復(fù)雜，本文采用對NOx的模擬用后處理方法。本文主要考慮熱力型NOx和燃料型NOx，而忽略占比較小的快速型NOx。熱力NOx的可根據(jù)廣義的Zeldovich 機理計算，燃料型NOx根據(jù)De Soete 機理分為揮發(fā)份NOx 和焦炭NOx兩部分。熱解中間產(chǎn)物為HCN，揮發(fā)份中N全部轉(zhuǎn)化為HCN，HCN 可被O2氧化成NO，也可被NO 還原為N2。焦炭中的N 的轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.6。

2 計算結(jié)果和討論

2.1 數(shù)值模擬驗證

設(shè)計工況為本文的工況11，因此對此工況進行分析驗證。該工況下爐膛縱截面和爐膛AB 層風(fēng)口截面溫度場分布如圖2(a)所示。由圖可知，高溫區(qū)主要處在燃燒器區(qū)段，中心高溫范達1800K～2000K，溫度大致呈對稱分布。一次風(fēng)和煤粉劇烈混合燃燒，二次風(fēng)的噴入又加劇了湍動，從而形成高溫旋流區(qū)。煙氣的流動、爐膛的散熱以及屏式過熱器的作用，鍋爐溫度隨高度逐漸降低。爐膛的切圓形成良好，溫度分布較為均勻，且沒有出現(xiàn)貼壁的現(xiàn)象。

燃燒器出口附近的速度矢量較大，帶動周圍的流動，且四角切圓的作用形成旋流，故中心區(qū)域的速度較小。二次風(fēng)和燃盡風(fēng)入射速度為50m/s，因此二次風(fēng)和燃盡風(fēng)截面形成四股高速射流，在上升氣流的帶動下形成切圓。一次風(fēng)的入射速度僅為25m/s，不足以形成高速射流，但由于二次風(fēng)和上升氣流的雙重作用，使得此處的切圓效果仍能保持。速度矢量圖表明爐膛中心是明顯的低速區(qū)。煤粉軌跡圖顯示煤粉從一次風(fēng)口噴出后在爐內(nèi)螺旋上升，部分煤粉擴散到冷灰斗區(qū)域，爐內(nèi)風(fēng)包粉強烈燃燒。由燃燒器溫度、速度矢量場分布可明顯得知切圓的模擬效果好，與實際相符。

其他出口參數(shù)的模擬值與實際電廠運行值對比如表1所示，模擬值與現(xiàn)場試驗值差距較小(＜10%)，因此該模擬模型能較好地模擬煤粉燃燒的流動和傳熱。

表1 模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比

2.2 不同工況下的溫度變化

五種不同負荷下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(a)所示。不同負荷下溫度隨著爐膛高度的分布趨勢大致相似，且隨著負荷的降低，由于給煤量和風(fēng)量均減少爐內(nèi)溫度整體顯著下降，過熱器出口溫度從1044K(滿負荷)下降至928K(50%)，與實際運行及一些相關(guān)的文獻結(jié)果相一致。

四種不同反切角度下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(b)所示。反切角度對于主燃區(qū)和燃盡區(qū)均有降低溫度的作用，這是由于燃盡風(fēng)反切時影響了焦炭與空氣的混合，從而影響了焦炭的完全燃燒。對于爐膛下部的降溫作用小于爐膛上部的作用。當(dāng)反切角度為0°、5°和10°時，溫度沿爐膛高度的變化趨勢一致，而當(dāng)反切角度增加至15°，從主燃區(qū)到燃盡區(qū)有明顯的溫度下降。這表明燃盡風(fēng)的反切角度過大可能破壞了原有的流場和溫度場。

五種不同燃盡風(fēng)比例下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(c)所示。增加燃盡風(fēng)風(fēng)率可顯著提升爐膛上部的煙氣溫度，從35m 到40m 可看到明顯的溫度上升區(qū)。這是因為增加燃盡風(fēng)量，上部未完全燃燒的CO 以及煤粉重新被噴入的過量的空氣充分燃燒，使得溫度上升。這有利于提升過熱器換熱性能，提升主蒸汽和再熱蒸汽的溫度。對主燃區(qū)而言，增加燃盡風(fēng)風(fēng)率主燃區(qū)溫度升高，但從29%的燃盡風(fēng)增加至39%燃盡風(fēng)，溫度變化不明顯，這可能是因為燃盡風(fēng)過大、主燃區(qū)過量空氣系數(shù)過小，燃燒不充分，溫度有降低的趨勢，然而燃盡風(fēng)的減少導(dǎo)致低溫的一次風(fēng)和二次風(fēng)的減少，這會造成溫度的上升，二者作用相抵消，導(dǎo)致變化不明顯。

2.3 不同工況下的O2分布

五種不同負荷、四種不同反切角度、三種不同燃盡風(fēng)比例下,截面平均氧氣體積分數(shù)隨爐膛高度的變化分別如圖4所示。由圖可知，不同條件下氧量隨著高度的變化情況基本一致。空氣在主燃區(qū)被噴入爐膛，氧氣量逐漸上升，隨著與煤粉的劇烈混合燃燒，氧氣逐漸被消耗從而降低。燃盡區(qū)由于大量燃盡風(fēng)的噴入氧氣含量上升，而在主燃區(qū)未完全燃燒的碳以及CO 等被一次風(fēng)完全燃燒，氧氣量再次下降。燃盡風(fēng)角度反切。燃盡風(fēng)比例增加后，主燃區(qū)缺氧程度加深，而燃盡區(qū)富氧程度加深。隨著燃盡風(fēng)比例的增加，爐膛燃盡區(qū)及其上部氧量逐漸上升。而五種不同燃盡風(fēng)比例下(19%、24%、29%、34%、39%)的煤粉燃盡率分別為99.23%、98.66%、97.72%、97.26%、96.68%，因此在該范圍內(nèi)降低燃盡風(fēng)的比例有利于促進煤粉的充分燃燒。

2.4 不同工況下的CO 分布

不同條件下CO 量隨著高度的變化有較大的波動。由于主燃區(qū)在缺氧的條件下進行燃燒，因此CO在主燃區(qū)大量生成，隨著燃盡風(fēng)的補充CO 急劇下降并維持在較低的水平。燃盡風(fēng)的改變對于CO 的分布有明顯的改變，燃盡風(fēng)占比越大，一、二次風(fēng)比例越小，則CO 在主燃區(qū)的濃度越大，而燃盡區(qū)后又下降至低水平。燃盡風(fēng)反切角度越大，靠近燃盡風(fēng)噴口的主燃區(qū)的CO 濃度越高，這是由于反切在一定程度上破壞了煤粉和空氣的充分混合，導(dǎo)致更多CO 產(chǎn)生，這也與氧氣濃度變化規(guī)律相符合。

2.5 出口參數(shù)

各工況下，爐膛出口參數(shù)如表2所示(其中NOx濃度按照6%氧濃度折算)。從表中看出，燃盡率隨著負荷的降低而降低，但降幅較小。過熱器出口煙溫隨著負荷的降有明顯的降低。NOx隨著負荷降低也降低，而出口O2的濃度有一定的上升。燃盡風(fēng)的反切對于降低NOx有明顯的作用，反切15°時NOx從無反切的400mg/m3降低至256mg/m3。這是因為燃盡風(fēng)反切降低了爐膛上部的溫度，導(dǎo)致熱力型NOx減少，同時爐膛由于燃燒不充分生成了較多的CO，對NOx的還原作用也促使NOx減少。然而15°的反切角由于一定程度上對速度場和溫度場有破壞，燃盡率降低至95.55%，出口的O2含量也增加至了4.37%。

表2 不同工況燃燒過程結(jié)果對比

對比滿負荷下改變?nèi)急M風(fēng)比例可看到，爐膛整體燃燒效果比較相似，O2出口濃度、過熱器出口溫度、煤粉燃盡率指標(biāo)排放水平比較接近。但隨著燃盡風(fēng)比例的增大出口NOx仍然呈現(xiàn)出降低的趨勢，這也是由于降低燃盡風(fēng)后，主燃區(qū)形成了富燃料燃燒，大量CO 生成，對NOx進行還原。同時，燃盡風(fēng)比例的增加促使燃盡率有輕微的降低。

綜上，珠江電廠一30MW 低氮燃燒四角切圓煤粉爐的燃燒進行數(shù)值模擬，模擬所得溫度場、速度場、出口參數(shù)均與實際運行吻合較好；增大燃盡風(fēng)反切角度，主燃區(qū)溫度和產(chǎn)物分布變化不大，燃盡區(qū)溫度降低，過熱器出口煙溫下降，NOx排放減少，氧氣和CO 出口濃度增加，煤粉燃盡率減小；增大燃盡風(fēng)風(fēng)率，由于主燃區(qū)O2的減少、主燃區(qū)CO 增加，出口煤粉燃盡率輕微下降，NOx排放減少。