燃燒器濃淡比對(duì)燃煤鍋爐NOx濃度分布的影響

高建強(qiáng)，蔚 冉，陳志斌

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003）

0 引言

以降低 NOx排放為目的的爐內(nèi)燃燒優(yōu)化技術(shù)，主要包括空氣分級(jí)燃燒、濃淡燃燒及煤粉再燃等[1]。目前，四角切圓燃燒鍋爐廣泛采用水平濃淡燃燒技術(shù)來(lái)優(yōu)化爐內(nèi)燃燒[2]，即通過(guò)將火焰穩(wěn)定在噴嘴出口一定距離內(nèi)，使揮發(fā)分在富燃料氣氛下燃燒，以有效降低NOx濃度[3]。

目前，一些學(xué)者針對(duì)四角切圓燃燒鍋爐如何降低NOx排放濃度進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]以提高鍋爐熱效率和降低NOx排放濃度為目的進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果綜合反映了鍋爐的各個(gè)運(yùn)行工況下NOx排放濃度以及鍋爐熱效率對(duì)排放濃度的影響。文獻(xiàn)[5]通過(guò)進(jìn)行一次風(fēng)及煤粉細(xì)度調(diào)整、燃盡風(fēng)運(yùn)行及配風(fēng)調(diào)整、二次風(fēng)配風(fēng)調(diào)整和運(yùn)行體積濃度的調(diào)整實(shí)驗(yàn)，對(duì)NOx排放規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[6]在350 kW熱態(tài)中試爐上開(kāi)展熱態(tài)實(shí)驗(yàn)研究，研究了不同濃淡比對(duì)四角切圓鍋爐 NOx生成規(guī)律的影響，發(fā)現(xiàn)：濃側(cè)射流著火燃燒均優(yōu)于淡側(cè)；隨著濃淡比的增加，NOx質(zhì)量濃度大幅降低，進(jìn)而可得出合適濃淡比。對(duì)于此類實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)涉及多個(gè)工況時(shí)，存在實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高等問(wèn)題[7]。

采用數(shù)值模擬方法對(duì)爐膛內(nèi)燃燒過(guò)程進(jìn)行計(jì)算逐漸成為研究鍋爐爐膛燃燒的主流方法。文獻(xiàn)[8]以四角切圓煤粉鍋爐為對(duì)象，通過(guò)數(shù)值模擬方法研究了BMCR工況下，改變濃淡比對(duì)NOx生成情況的影響。文獻(xiàn)[9]研究了四角切圓鍋爐低氮改造后不同負(fù)荷下的NOx分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著負(fù)荷的降低，爐膛出口 NOx濃度降低。文獻(xiàn)[10]采用數(shù)值模擬方法對(duì)300 MW四角切圓煤粉鍋爐進(jìn)行了燃燒器改造，預(yù)測(cè)了爐內(nèi)NOx生成情況。文獻(xiàn)[11]將雙通道燃燒器改造為水平濃淡燃燒器并加裝燃盡風(fēng)，并以此為背景研究了SOFA風(fēng)率和 SOFA風(fēng)射流角度等參數(shù)對(duì)鍋爐燃燒狀況及NOx排放的影響。文獻(xiàn)[12]針對(duì)水平濃淡燃燒器，通過(guò)將煤粉氣流分離以改變著火特性，分析了擋塊位置、煤粉氣流粒徑及風(fēng)速等參數(shù)與NOx生成的關(guān)系。

隨著可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)，燃煤機(jī)組面臨著繁重的調(diào)峰任務(wù)[13]，深度調(diào)峰運(yùn)行逐漸成為燃煤機(jī)組常態(tài)化運(yùn)行方式。鍋爐機(jī)組在低負(fù)荷下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，爐內(nèi)燃燒必須克服煤粉燃燒穩(wěn)定性差、熱負(fù)荷分布不均、燃燒效率降低、NOx排放濃度高等一系列問(wèn)題。

目前，針對(duì)燃燒器濃淡比變化對(duì)NOx排放濃度的影響的研究工作主要都集中在鍋爐高負(fù)荷工況，缺少低負(fù)荷工況的相關(guān)研究。為此，本文以某300 MW四角切圓鍋爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬方法，通過(guò)改變?nèi)紵鳚獾龋骄康拓?fù)荷工況下?tīng)t膛NOx排放濃度的變化規(guī)律。

1 鍋爐對(duì)象特性概述

本文的研究對(duì)象為燃煤鍋爐：1 025 t/h、亞臨界壓力、一次中間再熱、自然循環(huán)、四角切圓，總體為“π”型布置，如圖1所示。鍋爐燃燒器為直流擺動(dòng)式，有5層一次風(fēng)噴口，采用水平濃淡燃燒器。鍋爐一、二次風(fēng)間隔布置，有12層二次風(fēng)噴口，在主燃燒器頂部設(shè)置2層緊湊式燃盡風(fēng)。煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)尺寸Fig. 1 Structural dimensions of the boiler

表1 煤質(zhì)分析Tab. 1 Coal quality analysis %

2 計(jì)算模型設(shè)置

2.1 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型模擬氣相湍流流動(dòng)；采用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)分的熱解過(guò)程；焦炭燃燒過(guò)程的模擬，采用動(dòng)力-擴(kuò)散模型；氣相湍流燃燒過(guò)程的模擬，采用混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)模型；采用P1模型計(jì)算爐內(nèi)對(duì)流和輻射換熱。采用隨機(jī)軌道模型追蹤煤粉顆粒軌跡；采用SIMPLER算法求解N-S方程，并采用后處理方法對(duì)NOx的生成進(jìn)行模擬。

鍋爐爐膛燃燒產(chǎn)生的NOx主要有燃料型、快速型和熱力型3類[14]。快速型NOx的生成量?jī)H占氮氧化物總量的5%左右，可忽略不計(jì)；因此需要考慮的是燃料型和熱力型NOx的生成[15]。

根據(jù) De-Soete機(jī)理，燃料型 NOx分為焦炭NOx和揮發(fā)分 NOx[16]。焦炭中的 N 直接轉(zhuǎn)化為NO；而揮發(fā)分中的N全部轉(zhuǎn)化HCN。

對(duì)于熱力型NOx，可根據(jù)廣義的Zeldovich機(jī)理進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[17]。為研究爐膛溫度和氧氣脈動(dòng)對(duì)燃燒的影響，采用后處理方法對(duì)NOx的生成進(jìn)行模擬。在爐膛燃燒過(guò)程產(chǎn)生的NOx含量中，NO占絕大部分，所以通過(guò)降低 NO的生成可以有效減少爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生的NOx。

本文在求解過(guò)程中，設(shè)定NO和HCN計(jì)算殘差小于10-8，其余各項(xiàng)計(jì)算殘差小于10-6。

在計(jì)算過(guò)程中，采用穩(wěn)態(tài)計(jì)算和有限容積法離散方程；使用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行三維數(shù)值模擬；對(duì)壓力與速度的耦合則采用Simple算法求解；采用TDMA法求解代數(shù)方程組。

爐膛入口邊界條件采用速度入口邊界條件。設(shè)定煤粉顆粒及空氣噴入爐膛時(shí)有一定的噴射角度。中心風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)也采用速度入口邊界條件。

爐膛出口邊界條件采用壓力邊界條件。在水平煙道折焰角正上方，靜壓設(shè)定為-40 Pa。爐膛壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程模擬。水冷壁壁面邊界條件設(shè)定為無(wú)速度滑移和無(wú)湍流流動(dòng)[18]。

針對(duì)30%負(fù)荷、40%負(fù)荷、50%負(fù)荷工況，以不同燃燒器濃淡比作為研究對(duì)象，采用 FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。對(duì)于本文算例，鍋爐在低負(fù)荷范圍運(yùn)行時(shí)，燃燒器只需投運(yùn)3層即可，故投用A、C、E這3層燃燒器。為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮燃燒器濃淡比的影響，將所有燃燒器濃淡比設(shè)置為單一燃燒器濃淡比；其他運(yùn)行參數(shù)均為鍋爐最大連續(xù)出力工況（BMCR）下的設(shè)定值。定義燃燒器濃淡比定義為μ，爐膛水平截面平均 NOx濃度為φcs(NOx)，爐膛出口平均NOx濃度為φout(NOx)，爐膛出口平均O2濃度為φout(O2)，爐膛出口平均CO濃度為φout(CO)。計(jì)算工況如表2所示。

表2 計(jì)算工況表Tab. 2 Calculation condition table

2.2 網(wǎng)格劃分

根據(jù)鍋爐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為冷灰斗、主燃燒區(qū)和爐膛上部燃盡區(qū)。冷灰斗和爐膛上部燃盡區(qū)域形狀規(guī)則，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；燃燒器區(qū)域噴口數(shù)量較多，生成非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。對(duì)于主燃區(qū)，燃燒器采用四角布置方式，爐膛中心處形成的流場(chǎng)較為復(fù)雜，且燃燒器噴口處容易產(chǎn)生偽擴(kuò)散；因此對(duì)燃燒器噴口網(wǎng)格進(jìn)行局部加密處理。

具體網(wǎng)格劃分過(guò)程為：對(duì)主燃區(qū)的底面進(jìn)行邊網(wǎng)格劃分，對(duì)每條邊的兩端進(jìn)行加密處理后采用Pave方法生成面網(wǎng)格，以減少偽擴(kuò)散的產(chǎn)生；對(duì)燃燒器噴口處進(jìn)行加密處理，生成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；以燃燒器垂直區(qū)域網(wǎng)格底面為基礎(chǔ)，運(yùn)用Cooper方法生成六面體網(wǎng)格；對(duì)爐膛上部燃盡區(qū)域，因其形狀規(guī)則、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接采用Map方式生成六面體網(wǎng)格；對(duì)冷灰斗和折焰角區(qū)域，因其為斜面結(jié)構(gòu)，故采用六面體/楔形（Hex/Wedge）網(wǎng)格形式利用 Cooper方法生成體網(wǎng)格。

計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格生成結(jié)果如圖2所示。

圖2 爐膛模型網(wǎng)格劃分Fig. 2 Furnace model meshing

為驗(yàn)證網(wǎng)格精度是否滿足計(jì)算要求，進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢查。分別在網(wǎng)格數(shù)為100萬(wàn)、130萬(wàn)、160萬(wàn)、180萬(wàn)的情況下進(jìn)行模擬，結(jié)果如表3所示。對(duì)比模擬結(jié)果可知，網(wǎng)格數(shù)量為130萬(wàn)以上時(shí)，爐膛出口煙溫計(jì)算結(jié)果十分接近；這說(shuō)明網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)130萬(wàn)后，網(wǎng)格數(shù)量的增加對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不大，故最終確定整體網(wǎng)格數(shù)量為130萬(wàn)。

表3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證結(jié)果Tab. 3 Grid independence verification results

3 結(jié)果與分析

3.1 低負(fù)荷下濃淡比對(duì)NOx濃度的影響

由圖 3可見(jiàn)，不同工況下φcs(NOx)沿爐膛高度方向的變化趨勢(shì)基本一致；故以 40%負(fù)荷工況下φcs(NOx)隨爐膛高度的變化為例進(jìn)行研究。在40%負(fù)荷下，φcs(NOx)隨爐膛高度的增加整體呈降低趨勢(shì)。在主燃區(qū)的煤粉燃燒過(guò)程中，燃燒器噴口處平均NOx濃度較大；隨著煤粉的燃燒，氧氣量減少，主燃區(qū)呈缺氧狀態(tài)，NOx濃度降低：因此，在主燃區(qū)，φcs(NOx)隨著爐膛高度的增加顯著降低。

圖3 爐膛水平截面平均NOx濃度隨爐膛高度變化曲線Fig. 3 Variation curve of average NOx concentration in horizontal section of furnace with furnace height

在燃盡風(fēng)區(qū)，于爐膛高度29 m和35.6 m處，CCOFA風(fēng)和SOFA風(fēng)的噴入使得O2濃度提高。在該區(qū)域，未燃盡煤粉處于富氧燃燒狀態(tài)，O2濃度越高，NOx生成速率越大，NOx濃度有所增加；隨著O2的耗盡，NOx濃度逐漸降低。

3.2 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證計(jì)算模型及結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)工況1中φout(NOx)、φout(O2)和φout(CO)的計(jì)算及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表4所示。

表4 工況1計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab. 4 Comparison between calculation and test results in case 1

由表4可知，工況1中φout(NOx)、φout(O2)和φout(CO)的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)量級(jí)一致且較為吻合，這說(shuō)明此次計(jì)算所選模型及邊界條件基本合理。

3.3 燃燒器濃淡比的取值

燃燒器濃淡比的變化將導(dǎo)致?tīng)t膛出口煙氣參數(shù)發(fā)生變化。為保證機(jī)組環(huán)保經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需要選取合理的燃燒器濃淡比。

隨著濃淡比的增加，煤粉濃度增大，揮發(fā)分濃度增加，煤粉氣流的著火熱需求增加。當(dāng)濃淡比增加至一定值時(shí)，富燃料狀態(tài)使煤粉在開(kāi)始著火階段處于缺氧狀態(tài)，揮發(fā)分生成的一部分 NOx被還原，NOx濃度呈降低趨勢(shì)。但是，濃淡比也不是越高越好：濃淡比過(guò)高時(shí)，煤粉中的揮發(fā)分無(wú)法充分燃燒，火焰無(wú)法正常傳播，這將導(dǎo)致著火不穩(wěn)定并產(chǎn)生大量煤煙。此外，濃淡比過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致φout(O2)和φout(CO)的增加，從而增加鍋爐熱損失以及送、引風(fēng)機(jī)電耗，進(jìn)而對(duì)鍋爐運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性產(chǎn)生不利影響。

水平濃淡燃燒器的合理濃淡比：在鍋爐經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行且燃燒環(huán)保性最優(yōu)的條件下，使得φout(O2)和φout(CO)較低，且 NOx的生成也得到抑制的濃淡比。

爐膛出口平均NOx濃度隨濃淡比變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 爐膛出口平均NOx濃度隨濃淡比變化曲線Fig. 4 Variation curve of average NOx concentration at furnace outlet with concentration ratio

由圖 4可見(jiàn)，在 30%負(fù)荷下，φout(NOx)隨著濃淡比的增大略有降低，燃燒器濃淡比為3.0（工況7）較燃燒器濃淡比為1.8（工況1）時(shí)的NOx排放濃度降低了 4.56%；在 40%負(fù)荷下，NOx排放濃度隨著燃燒器濃淡比的增大而有所降低，燃燒器濃淡比為 3.0（工況 14）較燃燒器濃淡比為1.8（工況8）時(shí)的NOx排放濃度降低了9.97%；在 50%負(fù)荷下，φout(NOx)隨著燃燒器濃淡比的增大明顯降低，燃燒器濃淡比為3.0（工況21）比燃燒器濃淡比為 1.8（工況 15）時(shí)的φout(NOx)減少了19.75%。

因此，鍋爐負(fù)荷一定而燃燒器濃淡比增大時(shí)，NOx排放濃度降低；燃燒器濃淡比一定而負(fù)荷增加時(shí)，NOx排放濃度降低，由此可見(jiàn)增大燃燒器濃淡比能有效抑制NOx的排放。

由圖4可知，在30%～50%負(fù)荷范圍內(nèi)，濃淡比為1.8～3.0時(shí)，φout(NOx)均呈降低趨勢(shì)；因此，還要通過(guò)分析φout(O2)和φout(CO)的變化趨勢(shì)來(lái)確定合理的燃燒器濃淡比。

圖5所示為不同負(fù)荷下，爐膛出口煙氣參數(shù)隨燃燒器濃淡比變化的曲線。

圖5 不同負(fù)荷下?tīng)t膛出口O2濃度、CO濃度隨燃燒器濃淡比的變化曲線Fig. 5 Variation curves of O2 concentration and CO concentration at furnace outlet with burner concentration ratio under different loads

由圖5可知，在30%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比由1.8增加到2.4時(shí)，φout(O2)減小，φout(CO)稍有增加；燃燒器濃淡比由2.4增加到3.0時(shí)，φout(O2)緩慢增加，φout(CO)快速增加：因此，該負(fù)荷下燃燒器濃淡比應(yīng)在1.8～2.4之間選取。在40%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比由1.8增加到2.4時(shí)，φout(O2)則有較大幅度的減小，φout(CO)呈緩慢增加趨勢(shì)；燃燒器濃淡比由2.4增加到3.0時(shí)，φout(O2)和φout(CO)增加幅度較大：因此，該負(fù)荷下宜選取燃燒器濃淡比為2.4。在50%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比由1.8增加到2.4時(shí)，φout(O2)和φout(CO)隨濃淡比的增加而上升；燃燒器濃淡比由2.4增加到3.0時(shí)，φout(O2)和φout(CO)隨濃淡比的增加均呈降低趨勢(shì)。

為進(jìn)一步確定燃燒器濃淡比增加時(shí)，φout(O2)和φout(CO)隨著濃淡比的變化趨勢(shì)，對(duì)燃燒器濃淡比為2.6～3.6時(shí)φout(O2)和φout(CO)的變化規(guī)律進(jìn)行研究。圖6為濃淡比為2.6～3.6時(shí)，50%負(fù)荷下?tīng)t膛出口O2濃度、CO濃度隨燃燒器濃淡比的變化曲線。由圖6可知，在此范圍內(nèi)，隨著濃淡比的提高，φout(O2)和φout(CO)均先減小后增大，最小值出現(xiàn)在濃淡比為3.0時(shí)的工況：因此，50%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比應(yīng)選取最大值3.0。

圖6 50%負(fù)荷下?tīng)t膛出口O2濃度、CO濃度隨燃燒器濃淡比的變化曲線Fig. 6 The variation curve of O2 and CO concentrations at furnace outlet with burner concentration ratio under 50% load

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬方法，研究了某300 MW四角切圓鍋爐在低負(fù)荷工況下燃燒器濃淡比的變化對(duì)NOx濃度分布影響。

（1）鍋爐負(fù)荷一定時(shí)，對(duì)于不同濃淡比，平均 NOx濃度沿爐膛高度方向的變化趨勢(shì)基本一致。在主燃區(qū)，NOx濃度隨著爐膛高度的增加顯著降低；而在燃盡風(fēng)區(qū)，NOx濃度先增加后降低：沿爐膛高度方向爐膛水平截面平均NOx濃度呈下降趨勢(shì)。

（2）當(dāng)鍋爐負(fù)荷一定而燃燒器濃淡比增大時(shí)，爐膛出口NOx排放濃度降低；當(dāng)燃燒器濃淡比一定而負(fù)荷增大時(shí)，爐膛出口NOx排放濃度降低：增大燃燒器濃淡比及在30%～50%負(fù)荷范圍內(nèi)增大負(fù)荷均能有效抑制NOx的排放。

（3）鍋爐的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)行參數(shù)：在30%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比為1.8～2.4；40%負(fù)荷下，燃燒器濃淡比為2.4；50%負(fù)荷下燃燒器濃淡比為3.0。