再燃鍋爐燃用不同煤種燃燒特性分析

＊張小桃 劉昊明

（華北水利水電大學 河南 450011）

電站鍋爐燃燒導致的NOx排放是目前造成大氣污染的主要原因，再燃技術是一種低成本的NOx減排技術[1]。

顧瑋倫等[2,3]對不同生物質再燃比研究發現生物質揮發分含量越高，其再燃脫硝效率越高，最佳脫硝溫度在900℃左右，最佳過量空氣系數約為0.8。Pallars等[4]研究了生物質不同粒徑對爐膛燃燒的影響，發現生物質粒徑越小，燃盡性越好。Carlin等[5]使用牛糞作為再燃燃料，發現再燃燃燒可以減少NOx排放量，會導致煙氣飛灰量增大。劉春元等[6-8]發現焦油的還原性對溫度影響，爐膛燃燒溫度升高，NOx還原效率增加，生物質氣噴口位置越高，NO體積分數越低。張小桃等[9,10]通過改變再燃區過量空氣系數和再燃噴口傾斜角度，發現當再燃區過量空氣系數在0.7～0.8，再燃噴口傾斜角度向下15°時，再燃降氮效果最好。

我國煤炭消耗量巨大，電廠運行有時出現煤炭供應不足的現象，鍋爐時常會燃用非設計煤種，或采用混煤再燃的燃燒方式，這有時會導致鍋爐燃燒效率偏低[11]。Baek等[12-14]研究發現摻混方式對灰分有較大的影響，不同煤種的點火穩定性差異不大，均具有較好的點火性能，燃用貧煤或無煙煤會比燃用煙煤的鍋爐的排煙溫度更高。

再燃技術是鍋爐改造中有效減排的措施，但將再燃技術應用到燃用非設計煤種的鍋爐的相關資料較少。本文選取淮南煤、東勝煤、小龍潭煤三種燃料在600MW燃煤鍋爐進行研究，選用楊木（氣）作為再燃燃料，利用Fluent軟件搭建燃燒模型，對比分析純煤、生物質固體再燃、生物質氣再燃對鍋爐燃燒過程及燃燒產物的影響。

1.燃煤鍋爐燃燒過程及理論

（1）燃煤鍋爐結構。以600MW四角切圓鍋爐為研究對象，設計煤種為淮南煙煤。鍋爐爐膛寬18.5m，深16.4m，高64.4m。鍋爐的三維模型如圖1所示。

圖1 鍋爐三維模型

（2）數值模擬方法。爐內燃燒過程是一種復雜的化學物理過程，涉及到流動，傳熱以及化學反應等過程。本文湍流模型采用Realizable k-ε模型來模擬湍流燃燒過程中的旋流的邊界層流動問題，煤粉的燃燒主要由加熱、揮發分析出及焦炭燃燒三個階段組成，對揮發分析出過程選用雙方程模型對其模擬。

焦炭燃燒模型采用動力/擴散控制反應速率模型。擴散反應速率為：

式中，D0為燃料擴散速率，kg/(m2·s)；dp為煤粉直徑，m；C1為擴散速率常數，m2/s。Tp為煤粉溫度，K；T∞為環境溫度，K。

燃燒速率如下式所示：

式中，mp為煤粉顆粒質量；p0x為煤粉顆粒周圍的氧氣分壓；R為氣體常數，8.314J/(mol·K)。

化學反應速率常數：

式中，A1取 1.0 × 106s?1，e取7.4×107J/kmol。

Fluent中計算NOx的生成由于反應生成的NOx量很小，計算NOx模型常在穩態收斂后采用后處理的方法來實現使用后處理方法計算時，熱力型NOx的產生采用Zeldovich機制，主要影響因素是溫度。燃料型NOx生成過程極為復雜，本文采用總體反應速率模型，只需對中間產物HCN和NO的控制方程進行求解。文中假設煤揮發分中的N是以HCN和NH3的形式釋放出來被氧化而生成NO，而焦炭中的N則直接反應生成NO。

（3）邊界條件。一二次風采用速度入口邊界條件，出口設置為壓力出口邊界，壁面采用標準壁面方程，定義壁面溫度按區域設定，其中，主燃區壁面溫度設定為1000K，燃燒區上下區域為800K，壁面輻射率設定為0.8。固體燃料的工業分析和元素分析如表1所示。楊木再燃氣的成分表見表2。

表1 煤的工業分析和元素分析（收到基）

表2 楊木再燃氣成分參數

再燃工況設定保持輸入爐膛的總熱量保持不變，生物質固體再燃工況設定輸入爐膛的生物質固體的總質量流量為40t/h，生物質氣再燃工況設定生物質氣由40t/h生物質消耗率的氣化爐制備并通入爐膛。

模擬工況分：工況1，淮南煤純煤工況；工況2，淮南煤再燃楊木氣工況；工況3，淮南煤再燃楊木固體工況；工況4，東勝煤純煤工況；工況5，東勝煤再燃楊木氣工況；工況6，東勝煤再燃楊木固體工況；工況7，小龍潭煤純煤工況；工況8，小龍潭煤再燃楊木氣工況；工況9，小龍潭煤再燃楊木固體工況。各個工況的噴口初始速度參數表如表3。

表3 不同工況下噴口速度初始參數表

為方便本文描述，引入NOx減排率的概念：

式中，ì為NOx減排率；C1為純煤工況的NOx爐膛出口質量濃度，mg·m-3；C1為對應再燃工況的NOx爐膛出口質量濃度，mg·m-3。

2.模擬結果及分析

(1)模型驗證

模擬采用ICEM軟件對鍋爐進行全尺寸建模，生成結構化網格；同時，為了提高模擬精度，對主燃燒區進行網格加密處理。其中主燃區截面網格截面圖如圖2。

圖2 主燃區網格截面圖

表4為燃用淮南煤時爐膛出口數值模擬與實際結果的特征參數比較，可以發現模擬工況數據與實驗工況數據雖存在一定的偏差，但尚在可以接受的范圍內，說明模擬所采用的模型有一定的可靠性。

表4 爐膛出口參數仿真結果與實際結果比較

(2)結果分析

各工況爐內不同燃燒方式條件下沿著爐膛高度的平均溫度如圖3所示。

圖3 爐膛各水平截面溫度分布

在圖3中，對比不同煤種燃燒溫度可以發現，主燃區階段，燃用小龍潭煤的溫度低于燃用淮南煤和東勝煤，這是因為小龍潭煤揮發分要比其余煤種要高，固定碳含量較少，小龍潭煤低位發熱量最低，且小龍潭煤水分含量較大，燃燒初期因為揮發分和水蒸汽的析出均吸收大量的熱量，使主燃區下部溫度較低，在燃燒區上部大部分水蒸氣已析出，在二次風補入下揮發分和焦炭迅速燃燒而使溫度快速上升，燃用小龍潭煤揮發分含量較高，燃盡性更好，因此溫度迅速升高；從圖中觀察可以發現，燃燒小龍潭煤時固體再燃的爐膛出口溫度與純煤燃燒的出口溫度差值較大，而燃燒東勝煤的差值較小，但對整體爐膛而言，再燃并不會對原工況造成很大影響。

各工況爐內不同燃燒方式條件下沿著爐膛高度的氣體組分體積分數變化如圖4所示。

圖4 沿爐膛高度煙氣各體積分數分布

從圖4（a）可知，CO濃度變化在主燃燒區最明顯，這是由于煤粉剛進入鍋爐時主燃區呈富燃料區的狀態，燃燒產生大量CO，固體再燃工況下再燃區楊木固體燃燒處于不完全燃燒狀態，生成了大量的CO，使再燃區呈還原性氣氛，固體再燃是由楊木固體經過不完全燃燒而形成的，由于生物質揮發分析出生成CO是一個過程，因此圖中也可以看出固體再燃在再燃區的高濃度CO區域比氣體再燃更長。對比不同煤種的燃燒工況，東勝煤和淮南煤在爐膛出口的CO濃度要高于小龍潭煤，其可能是由于東勝煤和淮南煤的固定碳的含量高于小龍潭煤，且小龍潭煤的揮發分較高，燃盡性更好，因此CO濃度較低。

從圖4（b）可知，對比不同煤種的燃燒工況，由于煤粉自身含水率變化較大，雖然H2O體積分數整體變化趨勢大致相同，但是各個煤粉燃燒的H2O體積分數的變化區間相差較大，小龍潭煤的水分含量最大，且元素分析中H的含量也較高，因此，H2O濃度整體偏大，同時這也使得再燃造成的爐膛出口H2O體積分數變化對小龍潭煤的影響最小。

從圖5和圖6可以看出，生物質（氣）再燃的NOx減排效果明顯，對比不同煤種的純煤工況，東勝煤的出口NOx濃度最低，小龍潭煤的出口NOx濃度最高。不同煤種的再燃工況的減排效果也略有不同。其中，淮南煤固體再燃略優于氣體再燃；燃用東勝煤時再燃的減排效果略有下降，這是因為NOx濃度降低后，NOx還原反應方向向負反應方向偏移，導致再燃的減排效果降低；盡管燃用小龍潭煤會使進入再燃區前會有一個較高濃度的NOx環境，NOx還原效率應該增大，但是其NOx減排率反而減小，這主要是因為小龍潭煤的燃燒使爐膛環境有較高的H2O濃度，較低濃度的H2O濃度可以促進NOx的還原，但是較高的H2O濃度抑制了NOx的還原[15]，使再燃的NOx減排效果下降，此外，H2O濃度抑制作用對固體再燃的影響比氣體再燃大，因此楊木氣再燃的減排率也略優于楊木固體再燃。

圖5 爐膛出口NOx質量濃度

圖6 各煤種不同再燃方式的減排率

3.結論

（1）三種燃料在保持燃料量穩定的條件下，均能維持爐膛內穩定的燃燒。額定負荷下，淮南煤和東勝煤爐膛出口溫度相差不大，小龍潭煤的爐膛出口溫度要高于淮南煤。

（2）純煤工況下，爐膛燃燒區組分場變化趨勢大致相同。其中，煤粉的揮發分越高，煤粉的著火點越低，CO體積分數越低。再燃燃料的加入會導致再燃區的不完全燃燒，從而使CO體積分數升高。

（3）純煤條件下，東勝煤的出口NOx質量濃度最低，小龍潭煤的出口NOx質量濃度最高。再燃燃燒能有效降低爐膛出口氮氧化物的排放，但是在不同煤種之間的再燃效果有所不同，較高的H2O濃度抑制會NOx的還原，燃用淮南煤的再燃減排率最高，而小龍潭煤再燃減排率最低。