300 MW四角切圓鍋爐低負荷下燃燒特性數值模擬研究

江志銘，張 妍，李越勝，邱燕飛，宋長志，劉 虎，鄧 磊，車得福

(1.廣東省特種設備檢測研究院 順德檢測院，廣東 佛山 528300；2.國家工業鍋爐質量監督檢驗中心，廣東 佛山 528300；3.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049)

0 引 言

隨著環保標準提高，電站鍋爐NOx排放量控制日益嚴格。目前，國內外主要通過低氮燃燒和煙氣后處理2類技術進行NOx排放控制。低氮燃燒是通過改變不同燃燒階段燃料和空氣比率來控制NOx排放，由于性價比高，普遍作為低氮控制技術的首選方案。煙氣后處理技術是將燃燒過程中已經生成的NOx通過技術手段還原為無害N2，最常用的方法有選擇性催化還原法(SCR)和非選擇性催化還原法(SNCR)[1-6]。

國內外眾多學者采用數值計算方法對不同爐型[7-14]和燃燒氣氛[15-16]下鍋爐燃燒和組分濃度分布進行研究，發現數值計算可以獲得較可靠的結果。李德波等[12]研究了風速對四角切圓鍋爐的影響，結果表明隨著風速增大，爐膛內和爐膛出口處的平均溫度均下降。同時爐內切圓半徑和切圓中心位置均未發生改變，但切圓最大風速增大。王秋紅等[13]研究不同負荷下爐內燃燒特性的變化情況，結果表明NOx濃度隨負荷的降低而降低。CHOI等[17]通過數值模擬研究了一臺塔式鍋爐的燃燒特性，結果表明，與不采用燃盡風噴口相比，采用燃盡風噴口能很好地降低NOx的生成。低氮改造可以有效降低NOx生成，而對于改造后低負荷下爐內燃燒特性研究有限。

本文以某電廠一臺低氮改造后的300 MW四角切圓煤粉鍋爐為研究對象，進行了60%負荷下氧量擾動、燃盡風量擾動和煤層擾動數值模擬試驗，對低氮改造后不同負荷下鍋爐的燃燒情況進行分析，為該電廠低氮改造效果及不同負荷下運行方式提供參考依據。

1 鍋爐概況

某電廠鍋爐為300 MW亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環、單爐膛、平衡通風、四角切圓燃燒、固態排渣、露天“π”型布置、全鋼架全懸吊結構的燃煤鍋爐。鍋爐爐膛寬14 706.6 mm、深13 743.4 mm、高56 400 mm。鍋爐設計用煤為甘肅華亭煤，煤質分析見表1。

表1 煤種參數

改造前該鍋爐未采用空氣分級燃燒，存在燃燒穩定性差和NOx排放濃度高等問題。為滿足NOx排放標準，燃燒器進行了低氮改造。增加分離式燃盡風(Separated over-fire air,SOFA)噴口，改造后的燃燒器噴嘴能在水平和垂直方向上擺動，具有汽溫調節功能。

改造后鍋爐的三維結構布置如圖1(a)所示。鍋爐原有燃燒器采用一、二次粉噴口相間布置(圖1(b))，保持原有燃燒器的標高不變，在燃燒器的上方設4組可水平和垂直擺動的分離燃盡風，每組2層，改造后的燃燒器噴口布置如圖1(c)所示。改造后的燃燒器從下至上分為3個區，依次為主燃燒器區、主還原區及燃盡區。主燃燒器區為集中氧化還原區，風量占總風量的70%～80%，保證煤粉初期燃燒；在主燃燒器上方合適位置引入適量的燃盡風，占總風量的20%～30%，燃盡風采用多噴口多角度射入；在主燃燒器區與燃盡區之間形成了主還原區。通過縱向三區布置，形成縱向空氣分級，NOx和飛灰都得到一定程度的控制。

圖1 鍋爐結構示意及改造前后燃燒器噴口布置Fig.1 Schematic diagram of boiler structure andlayout of burner nozzle before and after retrofit

數值模擬過程中，燃燒器噴口采用速度入口邊界定義。在60%負荷下，給煤量為88.2 t/h，一次風和二次風的溫度分別為343和623 K，鍋爐出口采用自由流出口邊界定義。爐膛壁面采用標準壁面方程，水冷壁溫度為700 K，發射率為0.8。采用壓力和速度耦合的SIMPLE算法進行求解。60%負荷下該爐內給煤量及風量分配情況見表2。

表2 邊界條件

2 物理模型

由于四角切圓燃燒鍋爐燃燒器區域橫截面為切角四邊形，相鄰結構為四邊形，因此采用分塊劃分完成鍋爐網格劃分。按照爐膛內物理化學反應的特點，將整個爐膛分為冷灰斗區域、燃燒器區域、還原區域、燃盡風區域、尾部煙道區域。因為燃燒器區域布置在切角上的一次風和二次風入口方向與直角坐標的網格邊界的夾角約為45°，直接采用直角坐標系進行數值計算會產生數值偽擴散，影響計算準確性。減少因網格結構造成的偽擴散的根本方法是使流動方向與網格邊界夾角遠離45°，以近似垂直于網格邊界的方向進入計算微元體。

本文采用改進的網格系統，盡可能使速度以垂直于網格邊界的方向進入計算微元體。同時為了適應燃燒器區域和燃盡風區域劇烈的化學反應，對對應網格進行加密，冷灰斗區域和尾部豎井區域采用較稀疏的網格。網格結構如圖2所示。

圖2 爐膛網格結構Fig.2 Grid structure of the furnace

考慮到計算時間和計算精度，對3種不同數量網格的數值模擬結果進行對比。不同網格數量下沿爐膛高度方向截面平均溫度變化趨勢如圖3所示。可知3種網格下，其溫度分布大體一致，最終選擇2 045 208 個網格進行數值模擬計算。

圖3 網格無關性驗證Fig.3 Grid independence verification

3 數學模型

燃燒過程涉及流動、傳熱、化學反應等多個物理化學過程。其中，傳熱過程包括輻射和對流傳熱；燃燒過程包括氣相燃燒和焦炭燃燒。本文中氣相湍流采用標準k-ε模型[5]描述，組分之間的燃燒采用概率密度函數模型模擬[4,11]，煤熱解采用雙方程模型進行模擬，焦炭燃燒采用動力/擴散模型描述，煤粉軌跡采用顆粒隨機軌道模型進行追蹤，爐膛內輻射傳熱計算采用P1法[17]。以上模型被大量學者在不同研究中采用，證明這些模型能夠適用煤粉鍋爐燃燒模擬。

為進行鍋爐低負荷燃燒工況下氧量擾動、燃盡風擾動和煤層擾動試驗，本文結合鍋爐設計運行情況設定數值模擬工況，具體見表3。

表3 數值模擬工況

4 計算結果及分析

4.1 數值模擬與試驗測量結果比較

為了獲得可信的數值模擬結果，本文將數值模擬結果和低氮燃燒器改造后性能測量值進行比較。在滿負荷工況下，過量空氣系數為1.15時，燃盡區4個觀火孔測得平均溫度為1 299 ℃，大屏區溫度1 070 ℃，數值計算得到燃盡區溫度為1 216 ℃，大屏區為950 ℃；其燃盡區溫度的相對偏差為6.3%，大屏區溫度的相對偏差為11.2%。現場測量鍋爐出口NOx排放濃度為173 mg/m3，數值計算NOx排放量為165 mg/m3。數值計算結果和現場測值偏差較小，說明數值計算結果可信。煤粉在鍋爐內燃燒過程中發生復雜的物理化學反應，本文依次對爐內的溫度場和組分濃度場進行介紹，分析不同因素擾動工況。

4.2 不同過量空氣系數工況下爐內燃燒情況

不同過量空氣系數下爐膛內溫度分布如圖4所示，可知3種工況下爐膛內溫度分布情況類似：主燃區燃燒器噴口附近燃燒反應發生最為劇烈，溫度水平最高；沿著爐膛高度方向，爐膛平均溫度隨著高度的增加逐漸升高，燃盡風噴口附近爐膛整體溫度水平達到最高；燃盡風噴入后，爐膛溫度先下降而后隨焦炭顆粒的燃燒放熱又逐漸升高；大屏區，由于水冷壁等的吸熱，爐膛溫度水平隨著高度的增加又逐漸下降。同時，結合爐膛截面平均溫度沿高度方向分布(圖5)可知，隨著過量空氣系數的增加，燃燒器區域溫度水平逐漸增加。這是由于主燃區氧量隨著過量空氣系數的增加而增加，主燃區燃燒更加充分，燃燒反應放熱量更大。燃盡風噴入后，3種工況下爐膛平均溫度水平幾乎一樣。這可能由以下原因造成：① 雖然爐膛出口過量空氣系數越大，主燃區爐膛平均溫度水平越高，但燃盡風噴口噴入爐膛內溫度相對較低的二次風量也越大，加熱二次風所需熱量較大；② 鍋爐燃燒煤種揮發分很高，達到37.66%，屬于極易燃燒和燃盡煤種，燃燒器區域已進行了較充分的燃燒放熱，燃盡區域燃燒反應占很少份額。

圖4 不同過量空氣系數下爐膛中心縱截面溫度分布Fig.4 Temperature distribution along furnaceheight at different excess air ratios

圖5 爐膛截面平均溫度沿高度方向分布Fig.5 Average temperature distributionalong the furnace height

爐膛內主要組分CO、CO2、O2體積分數分布如圖6所示。可知在燃燒器區域及分離燃盡風噴口下部，O2量較少而CO量較大。這是由于鍋爐采用了分級燃燒，在燃燒器區域及分離燃盡風噴口下部區域，過量空氣系數小于1，因此該區域形成了一個強還原性氣氛，燃燒反應不能充分進行，產生大量CO。但隨著過量空氣系數的增加，主燃區氧量逐漸增加，CO生成量減少，隨著過量空氣系數的增加，CO生成量減小，爐膛內燃燒更加充分，爐內高溫區域逐漸擴大，爐膛整體溫度水平升高。O2濃度曲線比較符合整組燃燒器的配風和燃料燃燒情況，表明煤粉主要在燃燒器區域和上爐膛旺盛燃燒，而在燃燒器下部區域，燃燒相對較弱，耗氧量較小。還原區氧濃度降到0.8%左右，達到最低。分離燃盡風投入后，氧濃度明顯增加，隨著焦炭燃盡，氧濃度逐漸下降。不同過量空氣系數下鍋爐出口NOx濃度見表4。NOx的生成與爐膛內的燃燒方式、氧濃度和溫度相關。隨著過量空氣系數的增加，爐膛內的氧濃度增加，同時，主燃區燃燒更加充分，導致主燃區溫度增加，最終使得鍋爐出口NOx排放量隨著過量空氣系數的增加而增加。

圖6 爐膛組分濃度沿高度方向分布Fig.6 Component concentration distributionalong the furnace height

表4 不同過量空氣系數工況下鍋爐出口NOx濃度

4.3 不同燃盡風工況下爐內燃燒情況

不同燃盡風量工況下爐膛縱截面溫度分布如圖7所示，可知燃盡風量越大，主燃區高溫區域面積越小，燃盡區高溫區域面積越大。這是由于分級燃燒后，燃盡風量越大主燃區氧量越少，主燃區燃燒更加不充分，更多的未完全燃燒產物在燃盡區燃燒。沿爐膛軸線高度方向截面上的平均煙氣溫度分布如圖8所示，可在燃燒器區域煙溫很高，在主燃燒器的上部區域達到峰值，表明燃料在此區域燃燒旺盛。同時發現燃盡風量越大，主燃區溫度水平越低，這是由于燃盡風量越大，主燃區助燃空氣量越少，該區域燃燒越不充分，燃燒放熱量越少。

圖7 不同燃盡風量下爐膛縱截面溫度分布Fig.7 Temperature distribution of longitudinalsection at different burnout airs

圖8 爐膛截面平均溫度沿爐膛高度分布Fig.8 Average temperature distributionalong the height direction

不同燃盡風量時爐膛縱截面和沿爐膛高度方向煙氣中組分濃度分布如圖9所示。可知CO濃度隨著燃盡風量的增加而增加；CO2濃度則隨燃盡風量的增加而遞減。這是因為該鍋爐所燃煤種揮發分高，易于燃燒，主燃區燃燒發生的非常劇烈，氧氣消耗量非常大，雖然3種工況下供入主燃區氧量不同，但3種工況下主燃區都處于欠氧燃燒工況，供入的氧氣被快速消耗，造成3種工況剩余氧氣量幾乎相同。隨著燃盡風量的增加，主燃區欠氧程度加劇，燃燒不充分程度加劇，生成CO量增加，CO2量減少。

圖9 爐膛截面平均組分濃度沿爐膛高度分布Fig.9 Average component concentrationdistribution along the furnace height

不同燃盡風量下鍋爐出口NOx濃度見表5。可知NOx排放量隨燃盡風量的增加而降低。這是由于保持總過量空氣系數不變的情況下，隨著燃盡風量增加，主燃區風量減少，煤粉在主燃區燃燒更加不充分，主燃區爐膛內溫度水平降低，從而抑制了熱力型NOx的生成。同時，主燃區形成了富燃欠氧還原性氣氛，還原性物質生成量增加，可以有效降低NOx的生成。

表5 不同燃盡風量工況下鍋爐出口NOx濃度

4.4 不同給煤方式下爐內燃燒情況

燃燒器給煤量變化時爐膛縱截面溫度分布如圖10所示，爐膛橫截面平均溫度沿爐膛高度分布如圖11所示。可知3種工況下爐膛橫截面平均溫度幾乎相同，僅略有差別，這可能是由于該煤種揮發分高，易于燃燒。工況60-d主燃區溫度水平略高于工況60-s和工況60-z，這是由于工況60-d最下層燃燒器給煤量最少，該區域整體溫度水平較低，少量煤粉更易被加熱升溫進而燃燒放熱，且該區域氧量充分，燃燒更易發生；雖然該工況上層燃燒器給煤量最大，但由于該區域爐膛整體溫度水平較高，煤粉進入爐膛后能夠快速升溫燃燒，加熱煙氣提高爐膛溫度水平。工況60-z則相反，下層煤粉噴口給煤量最大，該區域爐膛整體溫度水平較低，大量煤粉升溫較慢，不及工況60-d燃燒劇烈，溫度水平比工況60-d低。工況60-s則由于最上層和最下層燃燒器給煤量較大，下層噴口附近溫度水平接近60-z工況，上層噴口附近溫度水平接近60-d工況。

圖10 燃燒器給煤量變化時爐膛縱截面溫度分布Fig.10 Temperature distribution along furnaceheight with the variation of providing coal

圖11 爐膛橫截面平均溫度沿爐膛高度分布Fig.11 Average temperature distributionalong the height direction

爐膛橫截面組分濃度沿爐膛高度分布如圖12所示，可知3種工況截面平均組分濃度分布情況幾乎一致，僅在下層燃燒器噴口附近略有差別。表現為：下層燃燒器噴口附近，工況60-d剩余氧氣濃度最高，工況60-z剩余氧氣濃度最低；工況60-d生成的CO濃度最低，而工況60-z生成的CO濃度最高，工況60-s介于兩者之間。

圖12 爐膛橫截面組分濃度沿爐膛高度分布Fig.12 Concentrations of species on furnacecross-section along the height direction

燃燒器給煤量變化時鍋爐出口NOx濃度見表6，可知煤粉分布對NOx生成量的影響微弱。在3種不同給煤方式下，其溫度場和組風場比較接近，導致NOx生成量變化不大。這意味著鍋爐實際運行中，如磨煤機和制粉系統運行導致各層燃燒器給煤量不均時，對NOx排放濃度不會產生明顯影響。

表6 燃燒器給煤量變化時鍋爐出口NOx濃度

5 結 論

1)通過數值模擬研究了某電廠300 MW機組鍋爐在60%負荷下的流動、燃燒、傳熱和組分分布情況，以及氧量擾動、燃盡風量擾動和煤層擾動。本文選擇的計算模型經過眾多學者驗證有效，且計算結果和現場實測數據吻合較好，計算結果可信。

2)低負荷下，NOx生成量隨著爐膛出口過量空氣系數的增加而增加。這是由于隨著爐膛出口氧量增加，主燃區送入的氧量增加，爐膛內主燃區煤粉燃燒更加充分和劇烈，爐膛內高溫區域擴大，含氮基團在高溫富氧條件下燃燒更易生成NOx。

3)低負荷下，NOx生成量隨著燃盡風量的增加而降低。這是由于過量空氣系數不變的情況下，隨著燃盡風量增加，主燃區氧量逐漸減少，煤粉在主燃區燃燒更加不充分，主燃區爐膛平均溫度降低，同時還原性物質生成量增加，NOx生成量減少。

4)低負荷下，煤層擾動對爐膛整體溫度水平影響不大，組分濃度變化不大，最終造成NOx生成量變化不大，主要是因為該鍋爐燃燒煤種揮發分特別高，易于點火燃盡。