深度空氣分級對旋風(fēng)燃燒鍋爐NOx釋放影響研究

王為術(shù),王 涵,唐遙義,王飛躍

(華北水利水電大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,河南 鄭州 450045)

新疆準東高堿煤儲量近4 000億t[1]。準東高堿煤具有燃燒性能好、揮發(fā)分高等優(yōu)點。但因其堿金屬含量高,導(dǎo)致在電站運行過程中易出現(xiàn)受熱面沾污與過熱器超溫等問題[2-5]。旋風(fēng)燃燒具有旋流強度大,燃燒溫度高等優(yōu)點。旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐耦合了旋風(fēng)燃燒與液態(tài)排渣的特點,直接將熔融的富集堿金屬的煤灰排出爐膛,解決了長期以來只能摻燒高堿煤發(fā)電的難題[6]。空氣分級燃燒技術(shù)通過分級補入的燃盡風(fēng)降低了燃燒溫度,有效抑制了鍋爐中生成的NOx,具有十分廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。國內(nèi)外學(xué)者通過現(xiàn)場實驗的方法來研究空氣分級燃燒對NOx釋放的影響。張曉輝[10]對兩種不同的鍋爐機組進行立體分級燃燒鍋爐工業(yè)試驗,NOx排放濃度較大程度降低,最低可控制至 250 mg/m3左右。楊建成[11]針對某 600 MW鍋爐采用了濃淡分離燃燒器及分離式燃盡風(fēng)布置耦合使用的方法,對鍋爐進行了合理改造并進行工業(yè)試驗,結(jié)果表明燃盡風(fēng)比例的提高與出口氧量的降低對抑制NOx的排放具有一定影響。李慧[12]自行設(shè)計搭建了一維滴管爐系統(tǒng)進行了空氣分級對比實驗,探究了多種影響因素對NOx排放規(guī)律的研究,結(jié)果表明分級燃燒可以有效降低NOx濃度,脫硝率可高達80%。受限于研究成本與研究限制,很多學(xué)者采用數(shù)值模擬研究的方法進行研究。彭丹[13]針對某循環(huán)流化床鍋爐進行空氣分級數(shù)值模擬研究并對比現(xiàn)場實驗,發(fā)現(xiàn)改造后的二次風(fēng)可有效降低NOx濃度,但爐膛溫度也會隨之降低。呂當振[14]等針對某600 MW亞臨界鍋爐,數(shù)值研究了空氣分級燃燒技術(shù)對NOx排放的影響。劉帥[15]針對某電廠站四角切圓鍋爐,采用數(shù)值模擬的方法研究了不同燃盡風(fēng)布置方案對NOx排放特性的影響,確定了最佳燃盡風(fēng)布置方案。王為術(shù)[16]數(shù)值研究了整體過量空氣系數(shù)變化對旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐的影響,過量空氣系數(shù)為1.15時,出口NOx濃度最低。

不同空氣分級方案對純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒及NOx釋放具有重大影響。本文根據(jù)團隊研究結(jié)論,針對純?nèi)夹L(fēng)液態(tài)排渣鍋爐,基于Fluent 2020R2軟件,研究了過量空氣系數(shù)為1.15時深度空氣分級對旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒及NOx排放特性的影響,以期為工業(yè)示范鍋爐運行優(yōu)化提供理論支持。

1 數(shù)值模擬模型及計算方法

1.1 研究對象

論文研究對象為新型旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐,采用旋風(fēng)燃燒可以有效提高燃燒過程中的溫度,同時采用液態(tài)排渣的方法可以有效捕捉熔融灰渣中的堿金屬。將原有的旋流燃燒器替換為新型旋風(fēng)燃燒器,單只旋風(fēng)燃燒器的旋流角度及熱負荷與原始燃燒器保持一致。新型旋風(fēng)燃燒器為多層絕熱結(jié)構(gòu),均使用耐高溫材料,以期弱化熱輻射傳熱對出口煙溫及捕渣室溫度的影響。同時為實現(xiàn)空氣深度分級燃燒,減少鍋爐燃燒過程中NOx的生成,在熔渣室右側(cè)區(qū)域上部開設(shè)燃盡風(fēng)I噴口,在左側(cè)燃盡室區(qū)域共布置8個燃盡風(fēng)Ⅱ、Ⅲ噴口從而實現(xiàn)深度空氣分級燃燒。使用煤種參數(shù)見表1。

表1 燃料特性

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐整體呈左右對稱結(jié)構(gòu),在保證計算精度的前提下采用對稱部分進行計算。根據(jù)鍋爐實際尺寸構(gòu)建1∶1液態(tài)排渣鍋爐幾何模型,鍋爐整體幾何模型如圖1(a)。在鍋爐燃盡室上方布置有兩排8只液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒器,布置方式為雙列逆向,布置方式如圖1(b)所示。旋流方向相反布置可強化了爐膛中氣流與煤粉混合程度,提高煤粉燃盡率,提升鍋爐總效率。

圖1 幾何模型與燃燒器布置形式

為優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu),提高計算精度。使用ICEM軟件將旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐劃分為不同區(qū)域,對不同網(wǎng)格區(qū)域分別采取不同劃分方法。旋風(fēng)燃燒器氣流高速旋轉(zhuǎn),湍流強度較大強烈混合,導(dǎo)致旋風(fēng)燃燒器模型較其他區(qū)域更為復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分可以更準確模擬復(fù)雜燃燒反應(yīng)過程;熔渣室區(qū)域和燃盡室區(qū)域形狀較為規(guī)則選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分;因豎直煙道區(qū)域形狀比較規(guī)則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法對該區(qū)域進行劃分,網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.3 計算方法及模型選擇

燃燒過程中煙氣的旋流強度大且有局部渦流選用RNGk-ε可較好預(yù)測;煤粉顆粒的運動選用拉格朗日隨機軌道模型;輻射傳熱采用P-1輻射模型;爐內(nèi)燃燒則選用PDF非預(yù)混燃燒模型,煤粉燃燒選用兩步競爭模型模擬;對于燃燒過程中生成NOx,主要考慮燃料型NOx和熱力型NOx[17-18]。

空氣分級燃燒主要受過量空氣系數(shù)、燃盡風(fēng)率和燃盡溫度等影響。選定過量空氣系數(shù)為1.15,數(shù)值研究深度空氣分級對爐內(nèi)燃燒及NOx釋放特性的影響。其中工況1～工況3主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.85,工況4、工況5主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.9,工況6主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.95。工況設(shè)置詳見表2。

表2 模擬工況匯總 kg/s

1.4 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

對網(wǎng)格依次進行加密,選取網(wǎng)格數(shù)量分別為430萬、550萬、620萬、690萬、7 300萬,設(shè)置相同的邊界條件,進行迭代計算,以鍋爐出口溫度和鍋爐出口NOx濃度作為計算標準,進行無關(guān)性驗證,結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗

從圖3中可以看出,網(wǎng)格1、網(wǎng)格2與加密之后其他網(wǎng)格存在明顯差異,難以滿足計算精度的要求,網(wǎng)格三的差異已較小,但仍存在一定差異。網(wǎng)格4與網(wǎng)格5,雖然網(wǎng)格尺寸減小,密度加大,但模擬結(jié)果已基本無差距。因此選取方案4進行網(wǎng)格劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 爐內(nèi)溫度分布特性

圖4中給出了深度空氣分級工況下燃燒過程中沿?zé)煔饬鲃臃较蚱骄鶞囟确植肌Ｓ蓤D4可知,不同深度空氣分級工況下爐膛內(nèi)氣體溫度變化規(guī)律一致,爐內(nèi)燃燒整體較好,溫度分布合理。一、二次風(fēng)在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)發(fā)生強烈擾動迅速混合發(fā)生劇烈燃燒該區(qū)域溫度迅速上升,在燃盡風(fēng)I入口前達到峰值 1 973.6 K。隨后分級補入的常溫燃盡風(fēng)會稀釋煙氣為目的導(dǎo)致截面平均溫度稍有降低,而后煤粉中未燃盡的焦炭顆粒與補入的三次風(fēng)混合均勻充分燃燒,該區(qū)域溫度再次升高,在豎直煙道區(qū)域溫度趨于穩(wěn)定。工況1～工況3主燃區(qū)過量空氣系數(shù)為0.85低于工況4～工況6,因此在主燃區(qū)溫度較低。隨后因補入的燃盡風(fēng)風(fēng)量存在差異,在燃盡室區(qū)域溫度變化趨勢發(fā)生改變,燃盡風(fēng)風(fēng)量越大,爐膛截面平均溫度越低,爐膛出口最低溫度為1 375.45 K。對比現(xiàn)場運行數(shù)據(jù),鍋爐爐膛出口溫度為 1 405.63 K,與模擬結(jié)果爐膛出口最大差值為 57.45 K,誤差為 4.05%,可以驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。

圖4 不同工況下沿?zé)煔饬鞒虦囟确植?/p>

2.2 爐內(nèi)各組分分布特性

圖5～圖7中給出了不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐沿?zé)煔饬鞒谭较騉2、CO2與CO質(zhì)量分數(shù)分布。從圖5～圖7中可以看出,各組分分布規(guī)律具有一致性,在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域O2質(zhì)量分數(shù)快速下降,這是由于在燃燒初期消耗了大量的O2,同時生成了大量的CO2與CO,兩者質(zhì)量分數(shù)隨之升高。燃盡室區(qū)域所有工況下O2質(zhì)量分數(shù)小幅升高,這是由于分級送入的三次風(fēng)的補入,同時也導(dǎo)致CO和CO2質(zhì)量分數(shù)下降,但由于補充的風(fēng)量的差異導(dǎo)致變化速率不同。在熔渣室右側(cè)區(qū)域,此處為富氧區(qū)域,CO會與O2繼續(xù)反應(yīng)生成CO2導(dǎo)致該區(qū)域CO2質(zhì)量分數(shù)略有上升,CO與O2質(zhì)量分數(shù)則呈現(xiàn)相反趨勢。CO質(zhì)量分數(shù)在旋風(fēng)燃燒器出口區(qū)域迅速下降,其主要原因是由旋風(fēng)燃燒器過度至燃盡室區(qū)域時,煙氣在此區(qū)域流動范圍大幅增大,從而使得CO質(zhì)量分數(shù)較大程度下降。在燃盡室區(qū)域,旋風(fēng)燃燒器的布置方式強化了煙氣與未燃盡焦炭顆粒混合程度,提高了煤粉燃盡率,起到強化燃燒的作用,故此區(qū)域CO和CO2質(zhì)量分數(shù)仍保持升高趨勢。當煙氣流經(jīng)熔渣室左側(cè)與左側(cè)燃盡室區(qū)域到達豎直煙道區(qū)域時,各組分質(zhì)量分數(shù)基本保持穩(wěn)定。通入燃盡風(fēng)比例越高,局部O2質(zhì)量分數(shù)上升速率越高,CO與CO2質(zhì)量分數(shù)隨后也會升高。

圖5 不同工況下沿?zé)煔饬鞒蘋2質(zhì)量分數(shù)分布

圖6 不同工況下沿?zé)煔饬鞒藽O質(zhì)量分數(shù)分布

圖7 不同工況下沿?zé)煔饬鞒藽O2質(zhì)量分數(shù)分布

2.3 爐內(nèi)NOx濃度分布特性

圖8給出了各工況旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒過程中NOx質(zhì)量濃度分布。由圖8中可以得知,工況1～工況6爐膛內(nèi)NOx質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本相同,在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域,處于燃燒初始階段時,爐內(nèi)O2較為充足,燃燒初期煤粉會有揮發(fā)分大量析出,旋風(fēng)燃燒器內(nèi)溫度驟升,大量消耗O2,在此區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)強氧化性氣氛,熱力型NOx與燃料型NOx在此區(qū)域大量生成。至主燃區(qū)出口處升至最高,NOx質(zhì)量濃度迅速上升至 992.41 mg/m3,當煙氣從旋風(fēng)燃燒器區(qū)域流經(jīng)燃盡室時,由于通流面積的突增,NOx質(zhì)量濃度在此區(qū)域下降。當煙氣流經(jīng)燃盡風(fēng)I入口區(qū)域時,燃盡風(fēng)的補入有助于煤粉中未燃盡的焦炭顆粒完全燃盡,同時溫度較低的燃盡風(fēng)會稀釋該區(qū)域煙氣溫度,該區(qū)域CO質(zhì)量分數(shù)上升,O2質(zhì)量分數(shù)下降,NOx在該還原性氣氛下被還原,此區(qū)域NOx質(zhì)量濃度故呈下降趨勢。隨后煙氣流經(jīng)熔渣室區(qū)域,剩余部分CO繼續(xù)還原NOx,最后到達豎直煙道區(qū)域趨于穩(wěn)定。由圖8中還可知,工況1鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度最低,這是由于工況1中燃盡風(fēng)II和燃盡風(fēng)III的風(fēng)量占比最高,可有效稀釋燃燒溫度,抑制熱力型NOx的生成。在鍋爐出口處,不同工況下NOx濃度分別為391.14、407.25、428.35、451.21、466.39、471.73 mg/m3。工況1對比原始無空氣分級條件下鍋爐出口NOx濃度降低了42.15%。

圖8 不同工況下沿?zé)煔饬鞒蘊Ox濃度分布

3 結(jié) 論

(1)深度空氣分級顯著影響旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒特性,優(yōu)化不同空氣分級方案可有效降低爐膛NOx排放。

(2)不同深度空氣分級方案下,鍋爐內(nèi)溫度分布規(guī)律一致。隨著深度空氣分級程度加深,燃盡風(fēng)比例增加,爐膛出口溫度從1 495.46 K下降至1 367.68 K。工況1～工況6爐內(nèi)各組分分布規(guī)律一致,由于燃盡風(fēng)的補入,O2質(zhì)量分數(shù)隨著燃盡風(fēng)的補入會略有上升,最后趨于穩(wěn)定;CO變化趨勢呈現(xiàn)兩個先上升后下降趨勢最后趨于穩(wěn)定;CO2變化趨勢與O2相反。

(3)在所研究各深度空氣分級工況中,選定主燃區(qū)最佳過量空氣系數(shù)為0.85,三層燃盡風(fēng)最佳風(fēng)量比例為0.15、0.1、0.05。此時鍋爐內(nèi)部溫度分布合理,鍋爐出口NOx濃度最低為391.14 mg/m3。綜合考慮爐內(nèi)溫度分布與爐膛出口NOx濃度,采用深度空氣分級燃燒技術(shù)可有效降低NOx排放。