130t/h切圓鍋爐穩(wěn)燃改造對(duì)NOx生成影響研究

王常葆 唐山開灤熱電有限責(zé)任公司

火電廠是主要的大氣污染源，每年排放出大量的氮氧化合物。近年來，伴隨國(guó)內(nèi)電力行業(yè)的大發(fā)展，煤炭市場(chǎng)出現(xiàn)無法向火電廠供應(yīng)足夠的合格燃煤的問題，致使許多燃煤電廠不得不燃燒低于鍋爐設(shè)計(jì)煤質(zhì)的燃煤，對(duì)電廠鍋爐排放污染物的控制產(chǎn)生了許多負(fù)面的影響。本文針對(duì)熱電聯(lián)產(chǎn)電廠一臺(tái)130t鍋爐在解決其由于結(jié)渣嚴(yán)重引起的安全與經(jīng)濟(jì)問題的同時(shí)，分析改造方案對(duì)氮氧化合物排放產(chǎn)生影響的方案。

1 研究對(duì)象及問題

某電廠130t/h鍋爐采用B＆WB-130/3.82-M型煤粉爐。爐膛尺寸（寬×深）為6336mm×6336mm，爐膛高17500mm。鍋爐采用切圓布置，單爐膛∏型半露天布置、固態(tài)排渣、全鋼架結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、鋼球磨中儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)。單角燃燒器布置2層一次風(fēng)，3層二次風(fēng)和1層燃盡風(fēng)，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)煤種見表1、2、3。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 燃燒器設(shè)計(jì)參數(shù)

表3 設(shè)計(jì)煤質(zhì)

近年來隨著該鍋爐燃煤煤質(zhì)的變化，出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)渣問題。大塊結(jié)渣主要發(fā)生在鋪設(shè)有衛(wèi)燃帶的位置，渣塊大且厚度達(dá)到1m，使得渣塊不能順利地從冷灰斗下方排出，堵塞排渣口，渣越積越多，只能被迫停爐。為防止停爐次數(shù)過多，需要工人到爐前或者零米冷灰斗前捅渣，造成多次燙傷事件的發(fā)生。

2 改造方案及模型建立

2.1 改造方案

針對(duì)衛(wèi)燃帶結(jié)渣嚴(yán)重及低負(fù)荷穩(wěn)燃的問題，現(xiàn)主要采用濃淡燃燒器以及優(yōu)化衛(wèi)燃帶布置，在滿足鍋爐低負(fù)荷穩(wěn)燃的前提下，減少結(jié)渣量。其改造前后衛(wèi)燃帶布置如圖1。

圖1 改造前后衛(wèi)燃帶布置情況

如圖1所示，改造前衛(wèi)燃帶采用整塊布置，不像改造后那樣分區(qū)布置，考慮到雖然減少衛(wèi)燃帶的面積使得爐膛主燃區(qū)整體爐溫有所下降，但鍋爐的低負(fù)荷穩(wěn)燃主要決定因素是煤粉能夠順利的著火，因此沒有減少一層風(fēng)噴口附近的衛(wèi)燃帶面積，使得一次風(fēng)的加熱受影響較少。在一次風(fēng)中主要是下一層的一次風(fēng)最易滅火，可以看到下部衛(wèi)燃帶面積減少很少，而到了主燃區(qū)上部爐溫有所升高，不易出現(xiàn)一次風(fēng)滅火現(xiàn)象，因此此時(shí)衛(wèi)燃帶減少量相對(duì)較多。采用分區(qū)布置能有效避免渣層之間的串聯(lián)形成更大的渣塊，以免出現(xiàn)大渣掉落堵塞冷灰斗。因此可以認(rèn)為以上方案改造后能在不影響著火的情況下減少一部分結(jié)渣的程度以及大渣堵塞冷灰斗的情況發(fā)生。

圖2 擋塊式濃淡燃燒器的結(jié)構(gòu)圖

圖2為擋塊式濃淡燃燒器的結(jié)構(gòu)圖，在降低NOx方面，采用濃淡燃燒器能夠使兩股一次風(fēng)氣流均偏離各自的化學(xué)當(dāng)量比，濃煤粉富燃料貧氧使得氧化產(chǎn)生的NOx得到還原，淡煤粉富氧缺燃料，使得能被氧化的含氮中間產(chǎn)物減少。采用數(shù)值模擬的方式對(duì)擋塊式濃淡燃燒器進(jìn)行了模擬，最終確定燃料的濃淡比達(dá)到1.5∶1。在穩(wěn)燃方面，采用濃淡分離燃燒器，能夠提高濃側(cè)煤粉濃度，有利于著火的穩(wěn)定，減少著火時(shí)間，具有一定的穩(wěn)燃效果，此外通過控制擋塊的上揚(yáng)幅度可以在一定范圍內(nèi)控制煤粉的濃淡比。

2.2 網(wǎng)格劃分

爐膛采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，主燃區(qū)采用輻射狀網(wǎng)格，使得網(wǎng)格線沿著射流方向以減少偽擴(kuò)散。在不影響或者較小影響計(jì)算的情況下，在主燃區(qū)與上爐膛區(qū)域采用interface進(jìn)行處理大大減少了網(wǎng)格數(shù)量。采用了非一致網(wǎng)格技術(shù)以適應(yīng)爐內(nèi)流場(chǎng)梯度的變化。

2.3 數(shù)學(xué)模型

本文利用有限體積法，采用壓力修正三維穩(wěn)態(tài)SIMPLE算法，對(duì)爐內(nèi)兩相流場(chǎng)模擬時(shí)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模擬爐內(nèi)湍流。燃燒模型采用非預(yù)混燃燒模型模擬煤粉燃燒過程中發(fā)生的化學(xué)燃燒反應(yīng)以及各組分的輸運(yùn)。能量方程、動(dòng)量方程、組分方程采用一階迎風(fēng)格式。氣相湍流燃燒采用單混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模擬，通過求解第i個(gè)組分混合分?jǐn)?shù)輸運(yùn)方程，然后根據(jù)預(yù)測(cè)混合分?jǐn)?shù)的分布查詢PDF計(jì)算表來推導(dǎo)出每個(gè)組分的濃度。對(duì)煤粉燃燒過程中的火焰輻射傳熱、氣體與顆粒之間的輻射換熱以及壁面由于輻射而引起的加熱/冷卻以及流體相由輻射引起的熱量源/匯采用P1輻射模型進(jìn)行計(jì)算。焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型，燃燒過程中考慮顆粒輻射傳熱模型。采用隨機(jī)軌道模型追蹤煤粉顆粒，煤粉粒徑服從rosinrammler分布，壓力與速度的耦合采用半隱式格式壓力關(guān)聯(lián)方程算法。采用單方程模型進(jìn)行煤粉熱解反應(yīng)模擬。

2.4 NOx生成模型

考慮到NOx在爐內(nèi)組分中占的比例很小，因此采用后處理的方式計(jì)算NOx的分布。煤粉鍋爐中的NOx主要包含熱力型NOx、燃料型NOx、快速性NOx。其中燃料型NOx的生成相對(duì)比較復(fù)雜，在整個(gè)NOx的含量中占的比重也相對(duì)較高，大概在80%左右。熱力型NOx大概占15%左右，且其與溫度的關(guān)聯(lián)相對(duì)密切。特別是當(dāng)爐膛溫度大于1500～1600℃且富含一定氧的情況下，熱力型NOx的增幅很快。快速型NOx一般占5%左右，其量相對(duì)較小，可以忽略。

NOx的形成機(jī)理對(duì)于NOx的生成影響很大，本文采用Extended Zeldovich鏈鎖反應(yīng)機(jī)理用以描述熱力型NOx的形成。燃料型NOx分為揮發(fā)分中N燃燒產(chǎn)生以及焦炭中的N燃燒產(chǎn)生。揮發(fā)分N的轉(zhuǎn)化采用De’Soete模型，即揮發(fā)分N先轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN，焦炭中的氮直接異相氧化生成NOx。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 溫度分布

圖3 改造前后爐膛截面平均溫度

圖3為改造前后爐膛截面平均溫度，從圖上可以看到，改造后減少了衛(wèi)燃帶的面積，使得主燃區(qū)水冷壁吸熱量有所增加，爐內(nèi)溫度水平有所下降。沿著爐膛高度，溫度由升高再降低，最高溫度大約出現(xiàn)在上一次風(fēng)燃燒器噴口附近，改造前后平均溫度最高截面平均值降幅達(dá)35K左右?？梢钥吹礁脑烨昂鬁囟茸兓厔?shì)基本一致，只是由于吸熱量的增加使得改造后整體溫度值均有所下降，說明衛(wèi)燃帶面積的減少幾乎沒有影響煤粉的燃燒，這也說明該改造方案切實(shí)可行。

3.2 氧濃度分布

圖4 改造前后爐膛截面平均氧濃度

圖4為改造前后爐膛截面平均氧濃度分布，通過分析氧濃度可以分析出爐膛內(nèi)的氧化還原性氣氛，由圖4可以看到改造前后，氧濃度出現(xiàn)最大值在三次風(fēng)噴口截面高度。氧濃度在燃燒器噴口一、二次風(fēng)附近來回波動(dòng)。改造前，由圖3可知，改造前主燃區(qū)溫度值相較于改造后要高，在配風(fēng)方式相同的情況下，高溫促進(jìn)了煤粉的燃燒，可以看到改造前的氧量相較于改造后要低些，但隨著燃燒的進(jìn)行，兩者趨于一致。

3.3 一氧化碳濃度分布

圖5 改造前后爐膛截面平均一氧化碳濃度

改造前后爐膛截面平均一氧化碳濃度分布如圖5所示，由于改造前后鍋爐均采用了空氣分級(jí)，主燃區(qū)一氧化碳濃度含量相對(duì)較高，但可以看到改造前其一氧化碳濃度要略低于改造后，這是由于改造后采用了濃淡燃燒器，使得濃淡煤粉均偏離了化學(xué)當(dāng)量比，使得其風(fēng)粉混合相較改造前要差一些，其次改造前溫度高，能夠在一定程度上促進(jìn)未完全燃燒產(chǎn)物的燃燒。但兩者均隨著三次風(fēng)的噴入，后期煤粉的補(bǔ)燃，一氧化碳濃度下降很快。

圖6 改造前后爐膛截面平均NOx濃度

改造前后爐膛截面平均NOx濃度如圖6所示，由圖6可以看到采用了濃淡分離燃燒器以及減少部分衛(wèi)燃帶面積的改造工況，其NOx濃度沿著爐膛高度均要低于改造前。三次風(fēng)噴入前，爐膛屬于缺氧燃燒，主燃區(qū)的還原性氣氛較濃，可以看到改造前后NOx的濃度水平均比較低，且隨著一二次風(fēng)噴口噴入空氣與煤粉來回波動(dòng)。但隨著三次風(fēng)的噴入，可以看到NOx濃度得到了快速的回升，這主要是由于未完全燃燒煤粉的后期補(bǔ)燃，將殘留在煤粉顆粒中的氮釋放出來。之后，隨著焦炭的異相還原，NOx濃度再次下降，但降幅不是很明顯。改造后NOx濃度從311ppm降到276ppm，降幅為11.25%。

4 結(jié)論

采用數(shù)值模擬的方法對(duì)某130t/h切圓鍋爐去衛(wèi)燃帶以及加濃淡燃燒器改造對(duì)NOx生成的影響進(jìn)行了分析。其結(jié)論如下：

（1）隨著部分衛(wèi)燃帶的去除，改造后溫度有小幅度的降低。

（2）溫度下降使得煤粉燃燒劇烈程度推遲，一氧化碳濃度有所增加。

（3）采用濃淡燃燒器和去除部分衛(wèi)燃帶的方法能夠降低一定幅度的NOx濃度。