1 000MW超超臨界四角切圓塔式鍋爐燃燒器擺角變化對(duì)NOx 排放影響的數(shù)值模擬

齊曉娟，丁歷威，潘國(guó)清，李鳳瑞，李 劍，張 明，熊建國(guó)

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

目前，我國(guó)新投產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)1 000MW超超臨界鍋爐均采用低NOx燃燒系統(tǒng)，通過對(duì)爐內(nèi)燃燒過程的合理組織來降低NOx的生成和排放。由于鍋爐體積龐大，爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒過程非常復(fù)雜，因此數(shù)值模擬已成為研究鍋爐燃燒和污染物排放的一種有效途徑。本文以寧海電廠二期超超臨界鍋爐作為研究對(duì)象，在1 000MW負(fù)荷工況下，維持鍋爐總風(fēng)量、磨組運(yùn)行方式、磨煤機(jī)動(dòng)態(tài)分離器轉(zhuǎn)速及鍋爐配風(fēng)方式不變的情況下，通過改變?nèi)紵鲾[角的不同角度，用數(shù)值模擬的方法來分析燃燒器擺角變化對(duì)爐膛內(nèi)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、氣相組分濃度場(chǎng)以及NOx排放的影響，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致。

1 鍋爐概況

寧海電廠1 000MW超超臨界鍋爐采用單爐膛塔式布置，爐膛寬度為23 160mm，深度為23 160mm，高為118 090mm，寬深比約為1∶1。該鍋爐采用中速磨煤機(jī)一次風(fēng)正壓直吹式制粉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，煤粉燃燒器為四角布置、切向燃燒、擺動(dòng)式燃燒器，煤粉噴嘴的擺動(dòng)范圍為±30°。煤粉燃燒器采用典型的LNTFS燃燒器布置，一共設(shè)有12層一次風(fēng)噴口，四周布置有燃料風(fēng)。燃燒器風(fēng)箱分成獨(dú)立的4組，下面3組風(fēng)箱各有4層一次風(fēng)噴口，對(duì)應(yīng)2臺(tái)磨煤機(jī)，磨煤機(jī)由下至上分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D、E、F磨，投運(yùn)時(shí)，上5臺(tái)磨運(yùn)行，A磨煤機(jī)備用。在每相鄰兩層一次風(fēng)之間布置有一層偏置二次風(fēng)CFS。在上層煤粉燃燒器組頂部布置有1層CCOFA噴口。在整個(gè)煤粉燃燒器組頂部布置有6層分離燃盡風(fēng)SOFA噴口。圖1和圖2分別為燃燒噴口立面布置圖和鍋爐幾何模型，圖3為燃燒噴射角度示意圖。

圖1 鍋爐本體

圖2 燃燒器噴口布置

圖3中一次風(fēng)內(nèi)切圓直徑為3.315m。偏置二次風(fēng)（CFS）與一次風(fēng)之間有22°的角度，偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)氣流把一次風(fēng)煤粉氣流包裹在爐膛中央，形成富燃料區(qū)，在燃燒器區(qū)域及上部四周水冷壁附近則形成富氧區(qū)，這樣的空氣動(dòng)力場(chǎng)組成減少了灰渣在水冷壁上的沉積，并使灰渣松散。由于在水冷壁附近形成氧化性氣氛，可防止或減輕水冷壁的高溫腐蝕和結(jié)焦。

2 網(wǎng)格劃分

為了避免偽擴(kuò)散的產(chǎn)生，盡量使從燃燒器出來的氣流方向與網(wǎng)格線垂直，本文在鍋爐水平截面采用Paving方法生成四面體網(wǎng)格［1］，如圖4所示。以燃燒器為中心呈輻射狀，對(duì)切向流動(dòng)氣流來說，網(wǎng)格線與流動(dòng)方向夾角很小，有效的抑制了計(jì)算偽擴(kuò)散。保證了數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定收斂。鍋爐爐膛根據(jù)己經(jīng)生成的橫截面網(wǎng)格，采用Cooper方法沿著爐膛高度方向生成六面體網(wǎng)格（見圖5）。

圖3 燃燒器噴射角度示意圖

圖4 燃燒器區(qū)域水平截面網(wǎng)格 圖5 爐膛網(wǎng)格

3 數(shù)學(xué)模型

煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒是一個(gè)復(fù)雜的過程，涉及氣相流動(dòng)和湍流燃燒，顆粒運(yùn)動(dòng)，揮發(fā)分析出，焦炭燃燒，輻射換熱等。本文在數(shù)值模擬中：氣固兩相間的湍流計(jì)算采用可實(shí)現(xiàn)k-ε模型［2］；用混合分?jǐn)?shù)—概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒；焦炭燃燒選取擴(kuò)散-動(dòng)力模型；煤液化采用雙方程模型；對(duì)于爐內(nèi)燃燒時(shí)的輻射和對(duì)流換熱采用P1輻射模型；煤粉顆粒的軌跡場(chǎng)采用基于拉格朗日的隨機(jī)顆粒跟蹤方法。

NOx生成模擬用后處理方法計(jì)算。考慮了溫度和氧氣脈動(dòng)對(duì)NOx的生成的影響。根據(jù)NOx的生成機(jī)理［3］，主要考慮了熱力型和燃料型NOx的生成。熱力NOx的可根據(jù)廣義的Zeldovich機(jī)理計(jì)算。燃料型NOx根據(jù)De Soete機(jī)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可以被O2氧化成NO，也可以被NO還原為N2。焦炭中的N直接轉(zhuǎn)化為NO。

4 計(jì)算方法及邊界條件

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算。上述數(shù)學(xué)模型的控制方程采用控制體積法，使用一階差分格式進(jìn)行方程離散，采用SMPLE方法求解N-S方程。

模擬使用的煤種煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析見表1，燃燒器各層噴口風(fēng)量數(shù)據(jù)見表2，燃燒器擺角噴射方向與水平方向的夾角分別為0°，10°，20°，30°。

表1 鍋爐煤種煤質(zhì)工業(yè)分析和元素分析數(shù)據(jù)

表2 燃燒器各層噴口風(fēng)量

5 計(jì)算結(jié)果與分析

5.1 溫度場(chǎng)

圖6為爐膛縱向截面溫度分布圖。圖中顯示4種工況下在爐膛縱向截面上，爐膛燃燒區(qū)域溫度分布比較均勻，最高溫度不超過1800K，局部高溫僅出現(xiàn)在煤粉噴口附近，而這有利于煤粉顆粒的快速加熱和熱解。從整體上看，驗(yàn)證了低NOx同軸燃燒系統(tǒng)（LNTFS）成功實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)高溫控制和溫度的均勻分布，這有助于熱力型NOx生成的控制。4種工況下不同的是，隨著燃燒器擺角的增大，爐膛火焰中心明顯上移。

圖6 爐膛縱向截面溫度分布（K）

圖7為鍋爐一級(jí)過熱器下方監(jiān)測(cè)截面（Y=71.05m）的平均煙溫。從圖中可以看到隨著燃燒器擺角的增大，鍋爐一級(jí)過熱器下方監(jiān)測(cè)截面的平均煙溫逐漸增加。從而使得過熱器總減溫水量也相應(yīng)的呈增大趨勢(shì)，再熱汽溫明顯有好轉(zhuǎn)。

圖7 一級(jí)過熱器下方監(jiān)測(cè)截面的平均煙溫

5.2 組分濃度場(chǎng)

圖8為燃燒器變擺角時(shí)爐膛不同高度截面的平均O2摩爾濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到，在燃燒器區(qū)域，隨著燃燒器擺角的增大，O2濃度增大。至一級(jí)過熱器下方煙溫監(jiān)測(cè)截面（Y=71.05m），其它三種工況的O2濃度均高于工況1。

圖9為燃燒器變擺角時(shí)爐膛不同高度截面的平均CO摩爾濃度沿著爐膛高度方向的變化。從圖中可以看到：隨著燃燒器擺角的增大，NOx還原區(qū)高度減少。

5.3 NO濃度場(chǎng)

圖10為爐膛縱向截面NO濃度分布圖。從

圖8 爐膛截面平均O2摩爾濃度沿著爐膛高度的變化

圖9 爐膛截面平均CO摩爾濃度沿著爐膛高度的變化

圖中可以看到4種工況在爐膛的邊沿區(qū)域NO生成量較多，爐膛的中心區(qū)域生成量很少。而隨著燃燒器擺角的增大，爐膛中心處NO的生成量越來越高。這是因?yàn)椋S著燃燒器擺角的增大，使得煤粉顆粒向爐膛中心靠攏，而爐膛中心氧量很低，因此促進(jìn)了爐膛中心區(qū)域NO的大量生成。在爐膛出口附近，工況4（擺角=30°）的NO平均濃度最高。圖11為省煤器出口監(jiān)測(cè)截面（Y=110.91 m）的平均NO濃度。計(jì)算結(jié)果顯示：在省煤器出口，工況2、工況3和工況4的NO排放量均高于工況1的NO排放量。從數(shù)據(jù)中看到，當(dāng)燃燒器擺角小于20°時(shí)，NO排放量增幅小于6.8%，而當(dāng)燃燒器擺角增大到30°時(shí)，NO排放量增幅達(dá)到了25.7%。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著燃燒器擺角的增大，爐膛火焰中心上移，鍋爐一級(jí)過熱器下方監(jiān)測(cè)截面的平均煙溫逐漸增加。這樣使得過熱器總減溫水量也相應(yīng)的呈增大趨勢(shì)，再熱汽溫會(huì)明顯有所好轉(zhuǎn)。

燃燒器擺角增大后，NO還原區(qū)高度減少，超過一定的角度后，NO排放濃度會(huì)急劇增加。試驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)NO排放濃度隨著擺角的增大急劇上升。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果完全吻合。

圖10 爐膛縱向截面NO濃度分布圖

圖11 一級(jí)過熱器下方監(jiān)測(cè)截面的平均NO濃度

因此，一味地追求再熱汽溫而導(dǎo)致NO排放濃度的大量升高是不可取的。

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