數(shù)值模擬輔助低NO x燃燒調(diào)整試驗的研究

夏文靜，何長征，韋紅旗

（東南大學(xué)，江蘇 南京210018）

鍋爐是一個多變量系統(tǒng)，其NOx生成特性非常復(fù)雜，很難用簡單的公式進(jìn)行估算，往往需要采用現(xiàn)場測試的方法加以確定，并通過試驗摸索出降低NOx的方法。但是，由于試驗煤質(zhì)及負(fù)荷不能長時間維持在某一穩(wěn)定狀態(tài)下，現(xiàn)場測試難度較大，因此如何輔助、簡化現(xiàn)場試驗顯得尤為重要。影響NOx排放量及鍋爐燃燒的因素大致可以分為2類：一類為可控因素；另一類為不可控因素。對于氧量、一次風(fēng)壓、二次風(fēng)配風(fēng)方式、制粉系統(tǒng)投用方式等運行參數(shù)而言，它們均屬于可控因素。然而對于負(fù)荷、煤種、煤粉粒徑來說，由于受生產(chǎn)調(diào)控、燃料供給、制粉系統(tǒng)運行方式等限制條件影響，在實際運行中不能隨意調(diào)整或調(diào)整周期較長，因此屬于不可控因素。不可控因素導(dǎo)致現(xiàn)場試驗不能維持較長時間或調(diào)整較為困難，但是通過較為完善的NOx生成數(shù)值模擬的輔助，可以消除它的限制，以達(dá)到簡化試驗的目的。

1 數(shù)值模型的建立

利用已有的Fluent燃燒數(shù)值模型對爐內(nèi)NOx生成進(jìn)行模擬，為了使模型更具針對性及實用性，該模型網(wǎng)格及數(shù)值模型均通過現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)（冷態(tài)空氣動力場測試、熱效率性能測試等數(shù)據(jù)）對其進(jìn)行檢驗及修正[1]。

1.1 鍋爐對象

研究的鍋爐對象為410 t/h燃煤鍋爐，該爐為單鍋筒、自然循環(huán)、集中下降管、Π形布置的固態(tài)排渣煤粉爐。該爐采用四角布置、直流式燃燒器，中儲式制粉系統(tǒng)、干燥劑送粉系統(tǒng)，其爐膛尺寸如圖1所示，燃燒器一、二次風(fēng)噴口間隔布置，其噴口布置如圖2所示。

圖1 爐膛示意圖

圖2 鍋爐燃燒器噴口布置示意圖

1.2 燃燒器及爐膛網(wǎng)格

模擬利用Gambit軟件提供的非一致化網(wǎng)格生成技術(shù)，對爐內(nèi)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及生成。網(wǎng)格劃分時，盡量采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，以提高網(wǎng)格質(zhì)量及模擬效果。對該爐進(jìn)行數(shù)值模擬之前，首先以相關(guān)空氣動力場數(shù)據(jù)為依據(jù)，對燃燒器噴口附近及各物理量劇烈變化的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，修正后燃燒器區(qū)域網(wǎng)格系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 燃燒器區(qū)域

1.3 數(shù)值模型

數(shù)值模型中模擬氣相湍流輸送采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，模擬焦炭的燃燒采用動力學(xué)/擴散控制反應(yīng)速率模型，對煤粉揮發(fā)分的釋放采用兩步競爭反應(yīng)模型，煤粉顆粒的跟蹤采用隨機軌道模型，用混合分?jǐn)?shù)—概率密度函數(shù)模型模擬氣相湍流燃燒，采用P-1輻射模型計算輻射傳熱，NOx與湍流之間耦合的模擬采用較為普遍的有限反應(yīng)的PDF模型，壓力—速度的耦合采用SIMPLE法求解。

數(shù)值模擬計算是Fluent軟件計算分析中較為關(guān)鍵的一環(huán)，將直接影響數(shù)值計算的結(jié)果。其邊界條件包括流動變量和熱變量。模擬之前，通過該爐以往試驗數(shù)據(jù)為Fluent提供熱態(tài)邊界條件和已知參數(shù)，并對數(shù)值模型進(jìn)行修正。

2 數(shù)值模擬的分析

數(shù)值模擬的不可控因素（煤質(zhì)、負(fù)荷及煤粉粒徑分布等）均維持在同一狀態(tài)（即穩(wěn)定狀態(tài)）下，分別對氧量、一次風(fēng)速、二次風(fēng)配風(fēng)及配粉方式不同水平下的爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了模擬，以分析各參數(shù)對NOx排放的影響規(guī)律及主次，篩選出影響NOx排放的主要因素，用以合理安排及設(shè)計試驗工況。

2.1 相關(guān)邊界條件的設(shè)置

利用修正后的模型，對不同運行參數(shù)（氧量、一次風(fēng)壓、二次配風(fēng)方式及配粉方式）在不同水平下的爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬中所用到的煤質(zhì)數(shù)據(jù)均取自該爐以往試驗的樣品分析數(shù)據(jù)，其煤的元素分析如表1所示，煤粉粒徑分布數(shù)據(jù)如表2及圖4所示，其他邊界條件的設(shè)置，可見文獻(xiàn)[2]。

表1 煤種的元素分析

表2 煤粉的粒徑分布相關(guān)數(shù)據(jù)

2.2 數(shù)值模擬分析

不同運行參數(shù)（氧量、一次風(fēng)壓、二次配風(fēng)方式及配粉方式）在不同水平下的爐內(nèi)燃燒數(shù)值模擬結(jié)果，如圖5—8所示。

由圖5可知，保持其他因素不變的情況下，當(dāng)運行氧量在3%～5%內(nèi)，其NOx隨氧量單調(diào)遞增，其NOx排放量由693 mg/m3升高至773 mg/m3，增量為80 mg/m3，升高率為11.5%。分析認(rèn)為，由于氧量的增加，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域的溫度水平有所下降，溫度型NOx雖會有下降，但氧量的增加會導(dǎo)致燃料性NOx上升。當(dāng)運行氧量在3%～5%時，由于燃料性NOx占主導(dǎo)因素，因此，隨著氧量的增長，NOx排放量有所遞增。

圖5 不同運行氧量下的爐膛NO x分布

由圖6可知，保持其他因素不變的情況下，當(dāng)一次風(fēng)壓遞增時，其NOx也隨氧量單調(diào)遞增，其NOx排放量由649 mg/m3升高至711 mg/m3，增量為62 mg/m3，升高率為9.6%。分析認(rèn)為，一次風(fēng)壓的增加，對于爐膛流場及燃燒器區(qū)域溫度水平的改變較小，但由于一次風(fēng)量的增加，提高了一次風(fēng)粉氣流中的氧濃度，使得燃燒器區(qū)域NOx的生成量有所增加，最終導(dǎo)致爐膛出口NOx排放量增加。

由圖7可知,保持其他因素不變的情況下，當(dāng)采用不同的二次風(fēng)配風(fēng)方式時，其NOx排放量由縮腰配風(fēng)的671 mg/m3升高至均等配風(fēng)的698 mg/m3，增量為27 mg/m3，升高率為4.0%，因此，二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx生成的影響相對較小，分析認(rèn)為，這主要是燃燒器固有結(jié)構(gòu)所致。

由圖8可知，保持在其他因素不變的情況下，當(dāng)改變?nèi)龑右淮物L(fēng)燃燒器的配粉方式時，其對NOx排放量的影響及爐膛內(nèi)的NOx分布影響均不明顯，分析認(rèn)為，可能是由于三層噴口較近的緣故導(dǎo)致煤粉的分級效果不明顯，因此，對NOx排放量的影響較小。

圖8 不同配粉方式下的爐膛NO x分布

通過數(shù)值模擬分析得知，運行氧量、一次風(fēng)壓對NOx排放影響較大，而二次風(fēng)配風(fēng)方式及燃燒器的配粉方式對其影響較小。綜合考慮數(shù)值模擬結(jié)果及燃燒調(diào)整的需要，計劃安排2個主要影響因素（氧量、一次風(fēng)壓）對NOx生成影響規(guī)律的試驗研究。

3 降低鍋爐NO x排放的試驗研究

根據(jù)試驗前的預(yù)測分析結(jié)果可知，該爐二次風(fēng)配風(fēng)及給粉機配粉方式對NOx的影響相對較小。因此，從簡化試驗的角度出發(fā)，只對運行氧量及一次風(fēng)壓進(jìn)行NOx生成及燃燒效率的試驗研究。本次試驗原計劃進(jìn)行12個工況（4個運行參數(shù)、每個運行參數(shù)進(jìn)行3個水平的測試），經(jīng)簡化后降為6個試驗工況。其后，再對習(xí)慣運行方式及推薦運行方式下的運行工況進(jìn)行對比試驗。

3.1 氧量變化對效率及NO x排放量的影響

試驗中進(jìn)行了3種不同氧量水平（2.10%，2.90%，3.57%，氧量為爐膛出口運行氧量的修正值）對效率、NOx排放量影響規(guī)律的試驗研究，試驗結(jié)果如圖9和圖10所示。

圖9 氧量變化對鍋爐效率的影響

圖10 氧量變化對爐膛出口NO x的影響

從圖9和圖10可看出，效率在氧量為2.5%～3.0%達(dá)到最高點；NOx排放量隨氧量的增大而增大，升高率為15.2%，可見其變化趨勢及大小與模擬結(jié)果（升高率為11.5%）較為吻合。因此，低過量空氣燃燒可以作為一種最簡單地降低NOx排放的方法[3，4]。高負(fù)荷運行中，建議運行氧量維持在2.5%～3.0%，煤質(zhì)較差時可取其上限。

3.2 一次風(fēng)壓變化對效率及NO x排放量的影響

試驗中進(jìn)行了3種不同的一次風(fēng)壓水平（1 786 Pa，1 942 Pa，2 196 Pa，一次風(fēng)壓為排粉機出口風(fēng)壓）對效率、NOx排放量影響規(guī)律的試驗研究，試驗結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖11 一次風(fēng)壓變化對鍋爐效率的影響

圖12 一次風(fēng)壓變化對爐膛出口NO x的影響

從圖11和圖12可看出，在正常一次風(fēng)壓下，隨著一次風(fēng)壓的逐漸增大，鍋爐效率呈現(xiàn)降低趨勢；NOx排放量則隨一次風(fēng)壓的增大，有較為明顯地增大趨勢，升高率為15.8%，可見其變化趨勢及大小與模擬結(jié)果（升高率為9.6%）較為吻合。因此，對于該爐來說，通過在一次風(fēng)燃燒區(qū)域建立富燃料區(qū)以降低NOx排放的方法[3]具有較為明顯的效果。高負(fù)荷運行中，為保持較高的燃燒效率及較低的NOx排放，建議煤質(zhì)較差時，一次風(fēng)壓維持在1 800 Pa左右，而煤質(zhì)較好時，可適當(dāng)提高上述風(fēng)壓，以防止煤粉氣流燒壞噴嘴。

3.3 運行方式的對比

根據(jù)現(xiàn)場得出氧量、一次風(fēng)壓對NOx排放及鍋爐效率的影響規(guī)律，結(jié)合模擬預(yù)測得出相關(guān)結(jié)論，將低氧、低一次風(fēng)壓、縮腰二次風(fēng)配風(fēng)、正塔式配粉方式定為低NOx優(yōu)化運行方式。同時，綜合鍋爐運行狀況、生產(chǎn)的安全性及經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，推薦低NOx排放優(yōu)化運行方式，如表3所示。

表3 對比工況相關(guān)運行數(shù)據(jù)及結(jié)果

（1）習(xí)慣運行方式下，爐膛出口氧量約為3%，該值較為合理。因為從數(shù)值模擬及試驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氧量維持在2.5%～3.0%時，即可以保持較高的鍋爐效率，又可以保持較低的NOx排放量。

（2）習(xí)慣運行方式下，排粉機出口壓力為2 000 Pa左右，該值略有偏大，但考慮到燃用優(yōu)質(zhì)煤時，一次風(fēng)壓較低會導(dǎo)致噴口高溫變形，因此可適當(dāng)降低至1 900 Pa左右。

（3）習(xí)慣運行方式下，由于該爐滿負(fù)荷運行時風(fēng)量不足，二次風(fēng)配風(fēng)調(diào)節(jié)受限，因此采用“均等”配風(fēng)方式。推薦運行方式則維持原有配風(fēng)方式，但是建議在低負(fù)荷運行時，采用“縮腰”配風(fēng)方式。

從上述分析可知，習(xí)慣運行方式與低NOx優(yōu)化運行方式較為接近，習(xí)慣運行方式已較為合理。但是，通過推薦優(yōu)化運行方式，可以在保持鍋爐原有較高熱效率的情況下，使NOx排放量進(jìn)一步降低13.8%左右，這對降低NOx排放仍有一定效果。

4 結(jié)束語

通過試驗研究可知，該爐原有習(xí)慣運行方式已較為合理，如果通過進(jìn)一步優(yōu)化運行，可以保持鍋爐在原有高熱效率的情況下，使得NOx排放量仍有所降低。

借以數(shù)值模擬輔助試驗的設(shè)計及安排，可較為有效地簡化試驗工況，較大地降低試驗工作量。同時，利用修正后的FLUENT燃燒模型，還可以對不可控因素（如不同煤質(zhì)、不同煤粉粒徑、不同負(fù)荷）及燃燒設(shè)備改造進(jìn)行爐內(nèi)燃燒及NOx生成的數(shù)值模擬分析。

[1]陳強飛.410 t/h鍋爐高效低NOx排放的試驗研究及數(shù)值模擬[D].南京：東南大學(xué)，2009.

[2]宋亞強，劉 霞.400 t/h煤粉爐分級燃燒的數(shù)值研究[J].鍋爐技術(shù)，2004，35（3）：31-34.

[3]毛健雄.煤的清潔燃燒[M].北京：北京科學(xué)出版社，1998.

[4]李芳芹，任建興，趙賢兵.燃煤電站鍋爐NOx排放的試驗研究[J].動力工程，2005，25（10）：46-50.