低NOx空氣分級燃燒技術研究

胡廣濤　焦亮亮　周丹丹　翟盼盼

（榆林學院能源與工程學院，陜西 榆林 719000）

低NOx空氣分級燃燒技術研究

胡廣濤焦亮亮周丹丹翟盼盼

（榆林學院能源與工程學院，陜西 榆林 719000）

本文主要利用FLUENT流體計算軟件對一臺300MW的煤粉鍋爐進行了燃燒模擬研究，對鍋爐采用常規燃燒和空氣分級燃燒時的燃燒狀況進行了模擬計算，結果表明空氣分級燃燒時的爐膛的整體溫度明顯下降，NOx濃度降低，主燃區氧濃度降低，說明該燃燒方法為理想的低NOx燃燒方式。

低NOx；燃燒技術

近年來我國的環保壓力越來越大，而火電廠污染物的排放則為主要的污染物來源之一，我國一次能源又主要依賴于煤炭，所以火電廠的污染物控制技術對我國的環保起到關鍵作用。氮氧化物則是煤炭燃燒的產物之一，它能夠引發酸雨和光化學煙霧。因此，采取什么樣的技術來減少氮氧化物的生成是現階段研究的熱點。目前我國電廠煤粉鍋爐一般采用的燃燒方式為四角切圓燃燒，這種燃燒方式風粉混合均勻，燃燒效率較高，燃料適應性較廣，是現階段我國電廠燃燒方式中應用最廣泛、最成熟的技術。

1　NOx生成的機理及低NOx燃燒技術

1.1NOx的生成機理

NOx一般指的是NO和NO2，也包括N2O、N2O3等。在煤燃燒過程中，按照NOx中N元素的來源可將其分為熱力型NOx、燃料型NOx和快速性NOx［1］。NOx主要有兩種生成途徑：一是煤中的氮化物在高溫火焰中發生熱分解，并進一步氧化生成NOx；二是提供燃燒時所用的空氣中的氮氣，在高溫下與氧氣發生的化合作用生成的NOx。

1.2低NOx燃燒技術

目前，國內外降低NOx的控制技術主要有低NOx燃燒器、空氣分級燃燒、燃料再燃技術、煙氣脫硝技術等。本文主要研究空氣分級燃燒技術。

空氣分級的基本原理為［2］：在富燃料區域中，燃料在缺氧的情況下燃燒，其燃燒溫度和燃燒速度均降低，熱力型NOx減少，與此同時，燃料中所釋放的含氮中間產物HCN和NH3等會將一部分的NO還原成N2，從而抑制燃料型NOx的生成。在燃盡區，燃料在富氧條件下燃盡，不可避免的讓一部分殘留氮在燃盡區的富氧條件下氧化生成NOx，但在燃盡區域的火焰溫度較低，NOx生成量有限。因此，在空氣分級的條件下生成的NOx總量降低。

爐內空氣分級燃燒的實現形式主要有以下幾種［3-5］：

1.2.1同軸燃燒技術（CFS）。同軸燃燒技術也叫徑向空氣分級技術。該技術是將二次風向外偏轉一定的角度，形成與一次風同軸但直徑較大的切圓。二次風向外偏轉之后，煤粉氣流噴口處推遲了一次風與二次風的初期混合，在一次風區形成了缺氧燃燒，從而達到空氣分級，降低NOx排放的目的。

1.2.2煤粉濃淡燃燒技術。煤粉濃淡燃燒技術是將均勻的一次風煤粉刻意分成兩股濃度不同的煤粉氣流，使進入爐膛的一部分燃料缺氧燃燒，即處于富燃料燃燒；另外的一部分在空氣過量的條件下燃燒，即富空氣燃燒。

1.2.3沿爐膛高度的空氣分級。沿爐膛高度的空氣分級技術是在爐膛下部燃燒的整個區域內形成欠氧燃燒，大概80%的理論空氣量從爐膛下部燃燒器送入，使送入的風量小于送入燃料所需要的空氣量，進行富燃料燃燒。因為氧氣的不足，可以使燃料型NOx降低，與此同時，燃燒區火焰溫度的峰值也比較低，局部氧濃度較低，使熱力型NOx的生成反應速率降低。剩余的20%空氣量在燃燒器上部的燃盡風噴口噴入，快速與剩余燃料產物混合燃燒，保證完全燃燒。

2　研究對象與網格劃分

本文以某電廠的300MW四角切圓煤粉鍋爐進行數值模擬，爐膛網格結構如圖3-1所示，鍋爐的長度、寬度和高度分別為14.95m，14.95m和56.306m。煤粉燃燒器噴口中，一次風從下往上用a、b、c、d表示，二次風從下往上用A、B、C、D表示，E、F、G為燃盡風噴嘴。

圖1　爐膛網格結構示意圖

本文采用的是三維網格單元類型中的Tet/Hybrid，即在所指的區域內，網格的劃分主要以四面體網格為主，在燃燒器和個別區域包含錐形、楔形和六面體網格。三維網格的劃分方法上使用的是Tgrid，即在遠離邊界處生成六面體網格，在邊界處生成四面體網格［6］。

3　數學模型與計算方法

本文采用有限體積法離散方程，并采用SIMPLE算法求解控制方程。黏性模型采用標準k-ε模型的改進Realizable k-ε模型，輻射模型運用了P-1模型，組分模型應用了Species Transport模型，同時在離散相模型中使用了Interaction with Continuous Phase（兩相干擾）。本文采用的煤種為神府煤，因此在fluent中采用了系統中的高揮發分煤，且在NOx生成中，只模擬了熱力型NOx和燃料型NOx。NOx機理分為焦炭NOx和揮發分NOx兩部分，焦炭中的氮直接轉化為一氧化氮，揮發分氮首先轉化為HCN，HCN既能被氧化為NO，也能被NO還原為N2。計算時，首先給鍋爐進行點火，再計算燃燒和輻射換熱，最后進行循環迭代，當能量方程和連續性方程在殘差圖上變化平穩后，燃燒過程的計算收斂。

4　結果與分析

本文模擬的爐膛參數工況分為二種，工況一：爐膛內部沒有加入燃盡風，其中一次風吹角為35°，風速為23m/s，二次風吹角為25°，采用均等配風；工況二：爐膛上部加入了燃盡風，燃盡風風率為20%，風速為40m/s，一次風和二次風吹角與工況一相同。

4.1空氣分級燃燒與常規燃燒的溫度對比

圖2和圖3分別是常規燃燒和空氣分級燃燒時的爐膛溫度分布圖，由圖可知主燃區為爐膛內溫度最高的區域，隨后沿爐膛高度方向爐內溫度逐漸降低。加入燃盡風后，主燃區爐膛截面溫度明顯低于常規燃燒方式。加入燃盡風后燃盡風噴口附近溫度降低幅度較改造前大，這主要是由于噴入的燃盡風溫度較煙氣溫度低，與煙氣混合后使煙氣整體溫度降低，這也進一步抑制了燃盡過程中NOx的生成。由于主燃區內氧量降低，未燃盡的煤粉將在主燃區上方待氧量補充后繼續燃盡，使得煤粉的燃盡時間延長，爐膛上方也因有部分煤粉的繼續燃盡而溫度略有升高。

圖2　常規燃燒爐膛溫度分布圖

圖3　空氣分級燃燒爐膛溫度分布圖

4.2空氣分級燃燒與常規燃燒的NOx排放對比

圖4為常規燃燒時的NOx分布圖，圖5為空氣分級燃燒下的NOx分布圖。與常規燃燒相比，爐膛燃燒器區域的NOx濃度比采用空氣分級燃燒后的NOx降低了約22.8%，同時NOx濃度高的區域面積也進一步降低。這是由于采用空氣分級燃燒后使得燃燒器區域處于燃料過量而氧氣少量的還原性燃燒，且HCN和NHi等還原性組分增加，對NOx有還原性作用，同時燃燒的局部高溫減小使熱力型NOx和燃料型NOx進一步減少。

圖4　常規燃燒時NOx濃度分布圖

圖5　空氣分級燃燒時NOx濃度分布圖

4.3空氣分級燃燒與常規燃燒的爐膛氧濃度對比

圖6是氧濃度隨爐膛高度的分布圖，在爐膛的主燃區15-22m中爐膛的氧濃度在空氣分級燃燒時比常規燃燒低，這使得爐膛在主區的燃燒為欠氧燃燒，局部燃燒溫度低，能夠減小熱力型NOx和燃料型NOx，同時使主燃區為還原性氛圍，能夠使HCN等過渡產物還原NOx為N2，從而抑制NOx的生成。當采用空氣分級燃燒時在主燃區上方由于燃盡風的噴入使該區域的氧濃度比常規燃燒時略有升高，隨著爐膛的高度進一步增加，兩種燃燒方式都趨于燃盡階段，氧濃度進一步降低趨于平衡。

5　結論

（1）兩種燃燒方式的主燃燒器區一、二次風采用同向切圓，由模擬結果可知在常規燃燒工況下，爐膛的NOx濃度整體水平較高，爐膛溫度也較高，且NOx的分布主要集中在溫度較高的主燃燒區。

圖6　空氣分級燃燒分布圖

（2）采用空氣分級燃燒技術后，抽取總風量的20%作為燃盡風，爐膛的主燃區變為欠氧燃燒，造成主燃區的還原性氛圍，且使爐膛主燃區的局部高溫區域溫度變低，從抑制NOx生成和還原NOx為N2兩方面使得爐膛整體NOx濃度明顯下降，相比常規燃燒方式NOx降低了約22.8%，說明空氣分級燃燒達到了降低NOx的目的。

（3）模擬的兩種工況中二次風偏轉25°，一次風偏轉35°。這樣做的目的使得主燃區在水平方向上形成空氣分級燃燒，能夠推遲空氣和燃料的混合，降低主燃區的溫度峰值，有利于抑制熱力型NOx和燃料型NOx的生成，同時也能夠在一次風和水冷壁之間形成一層冷風膜，防止水冷壁腐蝕、爆管和結渣等問題的發生。

（4）對比空氣分級燃燒和常規燃燒的氧濃度分布得出，在主燃區中前者氧濃度比后者低，使主燃區發生欠氧燃燒，但在燃盡風噴口位置高度的氧濃度要比后者高，發生的是過氧燃燒，屬于燃盡階段，但燃燒的溫度降低，NOx的生成受到限制。

［1］車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐［M］.西安：西安交通大學出版社，2008：56-89.

［2］毛健雄.煤的清潔燃燒［M］.北京：科學出版社，2005：66-98.

［3］朱懿灝.空氣分級低NOx燃燒技術在電廠的工程應用［D］.北京：清華大學，2013.

［4］何佩鰲.我國燃煤電廠NOx控制和潔凈燃燒技術［J］.電站系統工程，1993（1）：36-48.

［5］董利.爐內空氣分級低NOx燃燒技術［J］.電站系統工程，2003，19（6）：47-49.

［6］李代力.基于SOFA風改造的300MW煤粉鍋爐燃燒優化數值模擬研究［D］.杭州：浙江大學，2012.

Research on low NOx Air Staged Combustion Technology

Hu Guangtao Jiao Liangliang Zhou DandanZhai Panpan
（School of Energy and Engineering，Yulin University，Yulin Shanxi 719000）

This paper mainly carries out a combustion simulation study on a 300MW pulverized coal boilerby us?ingFLUENT fluid calculation software，the combustion conditionsof the boiler using conventional combustion and air stagedcombustionand are calculated.The results show that the overall temperature of air staged combustionfur?nace decreased significantly，NOx concentration decreased and oxygen concentrationof main combustion zone re?duced，indicating that the combustion method is an ideal low NOx combustion mode.

low NOx；combustion technology

TK227

A

1003-5168（2015）05-0106-3

2015-4-20

胡廣濤（1987.10-），男，助教，碩士，研究方向：能源利用及節能技術。