660 MW超超臨界旋流對沖燃煤鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx分布影響的數(shù)值模擬

倪煜，李德波

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)公司，北京市100120;2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州市510060)

660 MW超超臨界旋流對沖燃煤鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx分布影響的數(shù)值模擬

倪煜1，李德波2

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)公司，北京市100120;2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣州市510060)

為了研究二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx生成的影響，針對某電廠660 MW超超臨界旋流燃煤鍋爐，利用Ansys軟件數(shù)值模擬研究了二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx生成規(guī)律。數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)際情況較吻合，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的有效性，主要結(jié)論有:爐膛燃燒器區(qū)域是NOx的主要生成區(qū);在第1層和第2層燃燒器之間區(qū)域NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低;隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐內(nèi)高度方向各個截面的NOx平均濃度降低;隨著燃盡風(fēng)量增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少。

超超臨界機(jī)組;前后墻對沖;二次風(fēng)配風(fēng);NOx分布;數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國火力發(fā)電事業(yè)快速發(fā)展，國內(nèi)投產(chǎn)了一大批超臨界和超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組。由于四角切圓鍋爐殘余旋轉(zhuǎn)給過熱器和再熱器受熱面溫度偏差控制帶來非常大的挑戰(zhàn)和困難，尤其對于超臨界和超超臨界機(jī)組，這種偏差對溫度的影響更加明顯，因此采用旋流燃燒器組織爐內(nèi)空氣動力場逐漸成為超臨界和超超臨界機(jī)組首選的燃燒器方式［1-3］。

高小濤等［4-9］采用現(xiàn)場燃燒調(diào)整試驗方法，進(jìn)行了氧量、燃燒結(jié)構(gòu)參數(shù)等因素對鍋爐NOx排放特性影響的研究，結(jié)果表明通過對主要因素的控制，可以顯著降低鍋爐NOx排放濃度。高正陽等［10］對1 000 MW超超臨界機(jī)組雙切圓鍋爐的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，劉建全等［11-12］采用數(shù)值模擬方法對1 000 MW超超臨界對沖旋流燃燒鍋爐NOx生成規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明數(shù)值模擬手段能夠較好模擬NOx生成規(guī)律。

本文利用Ansys Fluent 14.0軟件，對某電廠660 MW對沖燃煤鍋爐二次風(fēng)配風(fēng)方式對NOx生成進(jìn)行數(shù)值模擬研究，將部分模擬結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析;以此為基礎(chǔ)，研究鍋爐的安全性、經(jīng)濟(jì)性和NOx排放量之間的關(guān)系。

1 鍋爐設(shè)備

本文以某電廠DG2060/26.15-II2型鍋爐為研究對象。該電廠裝設(shè)了2臺660 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，鍋爐為超超臨界參數(shù)、變壓直流爐，采用對沖燃燒方式(旋流式燃燒器)、固體排渣、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天布置、全鋼構(gòu)架、全懸吊、π型結(jié)構(gòu)。鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)見表1。

2 燃燒器

該電廠旋流燃燒器采用東方鍋爐廠自行開發(fā)設(shè)計的外濃內(nèi)淡型低NOx旋流煤粉燃燒器(DBC-OPCC)，組織對沖燃燒。煤粉燃燒器將燃燒用空氣分為4個部分:一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、外二次風(fēng)(三次風(fēng))和中心風(fēng)。燃燒器的結(jié)構(gòu)見圖1。內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)布置有軸向旋流器，外二次風(fēng)風(fēng)道內(nèi)布置有切向旋流器。內(nèi)二次風(fēng)軸向葉片角度為60°，外二次風(fēng)切向葉片角度為45°。為了進(jìn)一步降低NOx的排放量，在煤粉燃燒器上方設(shè)置了燃燼風(fēng)以及側(cè)燃燼風(fēng)。旋流燃燒器采用前后墻對沖燃燒方式布置，總共有36只旋流燃燒器分3層布置在前、后墻上，每層有6只旋流煤粉燃燒器。在前、后墻旋流燃燒器的上方各布置了1層燃燼風(fēng)，其中每層設(shè)2只側(cè)燃燼風(fēng)噴口、6只燃燼風(fēng)噴口。

3 旋流燃燒器燒損熱態(tài)數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分

整個模型網(wǎng)格總數(shù)為227萬個左右，根據(jù)模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用單獨(dú)劃分網(wǎng)格的方法，將爐膛劃分為5個區(qū)域，分別為:旋流燃燒器、冷灰斗區(qū)域、燃燒器區(qū)域、燃燒器上方區(qū)域和屏式過熱器區(qū)域。在劃分的過程中，模型均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，旋流燃燒器和爐膛燃燒器區(qū)域被適當(dāng)加密。為了提高計算的精度，每個燃燒器出口與爐膛的連接面設(shè)置為interface，防止2個面的網(wǎng)格質(zhì)量和網(wǎng)格形狀差異較大而引起誤差。

由于旋流燃燒器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，劃分網(wǎng)格時將中心風(fēng)，一次風(fēng)，內(nèi)、外二次風(fēng)通道單獨(dú)劃分。冷灰斗區(qū)域?qū)t內(nèi)流場的流動及煤粉燃燒影響較小，因此該區(qū)域網(wǎng)格較為疏松。燃燒器區(qū)域是煤粉燃燒的主要區(qū)域，且與旋流燃燒器連接，連接部分網(wǎng)格差異不宜太大，因此燃燒器區(qū)域采用兩端密中間疏的網(wǎng)格形式。鍋爐簡圖和第1層燃燒器水平截面網(wǎng)格分別見圖2。模型坐標(biāo)方向的設(shè)定通過圖2可以看出，x軸正方向為沿爐膛前墻至后墻方向，y軸正方向為沿爐膛高度方向，z軸正方向為沿爐膛左墻至右墻方向。由于本文所有的數(shù)值模擬都是在圖2基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此本文所有的坐標(biāo)方向都是統(tǒng)一的。

3.2 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計算，Simple算法。湍流模型采用了帶旋流修正的Realizable k～ε模型;用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒;用P-1輻射模型計算輻射傳熱;采用雙平行競爭反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)份的析出;焦炭燃燒采用動力/擴(kuò)散控制燃燒模型;煤粉顆粒跟蹤采用隨即軌道方法。動量方程、能量方程、k方程、ε方程均采用二階迎風(fēng)格式離散。在邊界條件的處理上，燃燒器進(jìn)口速度采用現(xiàn)場冷態(tài)試驗結(jié)果給定，采用近壁函數(shù)法處理近壁區(qū)域方程的過渡計算。

3.3 燃燒器的風(fēng)溫和風(fēng)速

數(shù)值模擬中燃燒器的風(fēng)溫和風(fēng)速見表2。

3.4 數(shù)值模擬工況

本文計算了該電廠習(xí)慣運(yùn)行工況下的燃燒過程。在額定負(fù)荷下，投入C、D、E、A、F層燃燒器，B層燃燒器備用。燃燒器區(qū)域的過量空氣系數(shù)為0.94，一次風(fēng)總量為137 kg/s，燃燼風(fēng)總量為111.2 kg/s，二次風(fēng)總量(不含燃燼風(fēng))總量為385.6 kg/s，實(shí)際給煤量為254.66 t/h。在本文的數(shù)值模擬中，燃燒器、燃燼風(fēng)和側(cè)燃燼風(fēng)的入口邊界條件采用速度進(jìn)口條件，入口速度和溫度根據(jù)電廠習(xí)慣運(yùn)行工況參數(shù)給定，其主要目的是為了盡可能地模擬實(shí)際運(yùn)行工況下爐內(nèi)燃燒場的規(guī)律。出口邊界條件采用壓力出口。煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布，最小直徑為4 μm，最大顆粒直徑為246 μm，平均顆粒直徑為51μm，分布指數(shù)為1.15，煤粉細(xì)度為23%。

4 模擬結(jié)果分析與討論

在鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(boiler maximum continuous rating，BMCR)設(shè)計工況基礎(chǔ)上，通過改變?nèi)急M風(fēng)量占總二次風(fēng)量的比例，調(diào)節(jié)爐內(nèi)煤粉氣流的空氣動力場，使燃料處于“富氧燃燒”或“富燃料燃燒”階段，通過對爐內(nèi)燃燒情況的變化分析，以及NOx的生成和排放情況，研究爐內(nèi)速度場、溫度場對爐內(nèi)燃燒的影響，為實(shí)現(xiàn)低NOx排放技術(shù)改造提供理論依據(jù)。

本文在原設(shè)計工況的基礎(chǔ)上進(jìn)行如下改造:在爐膛出口過量空氣系數(shù)、總二次風(fēng)量、二次風(fēng)旋流強(qiáng)度不變的基礎(chǔ)上，分別減少燃燒器內(nèi)、外二次風(fēng)風(fēng)量，減少的風(fēng)量平均增加到燃盡風(fēng)的風(fēng)量，使得燃盡風(fēng)量占總二次風(fēng)量的比例發(fā)生改變。本文設(shè)定了4種工況，詳細(xì)參數(shù)見表3。

4.1 數(shù)值模擬結(jié)果與熱力計算對比

由于本文的研究對象為某機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況，故可以將熱態(tài)測量數(shù)據(jù)結(jié)合，對數(shù)值模擬準(zhǔn)確性進(jìn)行驗證。由于爐膛溫度較高，超超臨界鍋爐爐內(nèi)溫度可達(dá)到2 000 K左右，現(xiàn)有的技術(shù)手段無法滿足這一測量要求，實(shí)際測量只能測量爐膛出口以后的溫度。對比結(jié)果如表4。

通過數(shù)據(jù)對比，數(shù)值模擬結(jié)果的誤差范圍在3.1%以內(nèi)，說明BMCR工況下該鍋爐模型的準(zhǔn)確性良好，可以用于課題的研究。

4.2 改變?nèi)急M風(fēng)風(fēng)量配比對O2濃度分布的影響

圖3是不同工況下爐高度方向不同截面O2濃度分布曲線。隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐膛高度方向O2濃度分布趨勢基本不變。在爐膛高度方向y＜32.7 m以下區(qū)域，O2濃度隨y值的增加逐漸降低，在y=32 m處附近區(qū)域降至最低。這是由于煤粉燃燒需要消耗大量O2，O2消耗量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于O2供應(yīng)量。在32.7 m＜y＜35.4 m區(qū)域內(nèi)，O2濃度隨y值的增加逐漸增大，在y=35.4 m處附近區(qū)域升至最高。這是因為該區(qū)域為燃盡風(fēng)區(qū)域，大量的空氣噴入爐內(nèi)，煤粉燃燒耗氧量小于供氧量。在y＞35.4 m區(qū)域，隨著y值的增加O2，O2濃度逐漸下降。

在20 m＜y＜55 m區(qū)域內(nèi)，O2濃度值出現(xiàn)了4個峰值，這是因為峰值截面是燃燒器出口中心截面，燃燒器區(qū)和燃盡風(fēng)區(qū)的空氣都是由燃燒器提供，這幾個截面處供氧量大于耗氧量，因此氧濃度較高。

4.3 燃盡風(fēng)風(fēng)量配比對NOx濃度分布的影響

圖4是不同工況下爐膛左右墻中心截面NOx濃度分布圖，圖5是不同工況下爐高不同截面NOx濃度分布曲線。由圖4、5可以看出:各工況下，沿爐膛高度方向的各個截面NOx平均濃度分布趨勢基本一致。主要表現(xiàn)在爐膛燃燒器區(qū)域是NOx的主要生成區(qū)，在第1層和第2層燃燒器之間區(qū)域(即y=22 m附近區(qū)域)NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低，這是由于還原氣氛場的影響，一部分生成的NOx被還原。

由圖3、4可得出，O2和NOx濃度分布趨勢基本一致，主要表現(xiàn)為隨著O2濃度的降低，NOx濃度也隨之降低。說明隨著O2濃度的降低，爐內(nèi)還原性氣氛增強(qiáng)，使得NOx濃度降低。但在燃燒器出口中心截面上，O2濃度與NOx濃度趨勢剛好相反，主要是因為燃燒器是爐內(nèi)空氣的入口，空氣的供應(yīng)量大于NOx的生成量。

在燃燒器區(qū)域內(nèi)，隨著爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定性逐漸增強(qiáng)，O2的消耗增加，O2濃度逐漸降低，還原性氣氛增強(qiáng)，導(dǎo)致生成的NOx被還原量增加，各個高度截面的NOx平均濃度出現(xiàn)總體下降趨勢，在y=32 m左右區(qū)域NOx平均濃度最低。在燃盡風(fēng)區(qū)域，由于燃盡風(fēng)的補(bǔ)充，未燃盡的焦炭繼續(xù)燃燒并生成NOx，且該區(qū)域的還原場被破壞，在燃燒器區(qū)被還原的NOx一部分被氧化，重新生成NOx，導(dǎo)致燃盡風(fēng)區(qū)域隨爐膛高度增加，NOx平均生成量在一定程度上增加，基本在y=37 m區(qū)域附近出現(xiàn)峰值。當(dāng)y＞37 m時，隨著O2濃度的降低，未燃盡焦炭的還原能力相對提高，因此NOx生成量逐漸降低。

隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐內(nèi)NOx生成情況變化較大，具體表現(xiàn)在:隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐內(nèi)高度方向各個截面的NOx平均濃度降低。隨著燃盡風(fēng)量增加，燃燒器區(qū)域過量空氣系數(shù)由1.05降為0.78，該區(qū)域由富氧燃燒轉(zhuǎn)變?yōu)楦蝗剂先紵觿≡搮^(qū)域煤粉顆粒的不完全燃燒程度，延長了煤粉燃盡的距離，因此煤粉在燃燒器區(qū)域生成的NOx會相對減少。同時由于燃燒器區(qū)域還原性氣氛逐漸增多，被還原的NOx量逐漸增多，導(dǎo)致燃燒器區(qū)域各截面處NOx平均濃度，在燃盡風(fēng)量占總二次風(fēng)量的比值a=0.1時最高，在a=0.78時最低。雖然隨著燃盡風(fēng)比例的增加，被還原的NOx重新被氧化的程度增加，但在a較低工況下，總的NOx生成量較少，因此在y＞32.7 m各截面處NOx平均濃度，在a=0.1時最高，在a=0.78時最低。

圖6是不同工況下爐膛出口截面NOx的平均濃度曲線，隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少，分別為0.056 2%、0.035 6%、0.031 2%和0.029 3%。說明在一定燃盡風(fēng)量比例范圍內(nèi)，改變?nèi)急M風(fēng)量對NOx排放影響會逐漸降低。

5 結(jié)論

(1)通過比較數(shù)值模擬得到的爐膛出口煙溫與現(xiàn)場實(shí)際測量的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)誤差在3.1%以內(nèi)，說明BMCR工況下該鍋爐數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性良好。

(2)爐膛燃燒器區(qū)域是NOx的主要生成區(qū)，在第1層和第2層燃燒器之間區(qū)域(即y=22 m附近區(qū)域)NOx濃度較高，然后沿爐高方向NOx濃度逐漸降低。

(3)隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐內(nèi)高度方向各個截面的NOx平均濃度降低。

(4)隨著燃盡風(fēng)量的增加，爐膛出口截面NOx濃度逐漸降低，但下降量逐漸減少。

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(編輯:蔣毅恒)

Numerical Simulation of Second Air Distribution Influence on Concentration of NOxDistribution for Swirl Opposed Wall Firing Pulverized Coal Boiler in 660 MW Ultra Supercritical Unit

NI Yu1，LI Debo2
(1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510060，China)

In order to investigate the influence of second air distribution on NOxformation，this paper numerically simulated the NOxformation rule by using Ansys for the swirl pulverized coal boiler in a 660 MW ultra-supercritical power plant.The numerical results agree well with actual conditions，which verify the effectiveness of the numerical simulation results.The main results are summarized as follows:the burner in furnace is the mainly region of NOxformation;the concentration of NOxbetween the first layer and second layer of combustion zone is higher;the concentration of NOxdecreases along the furnace height;with the increasing of burnout-air，the mean concentration of NOxat each cross-section zone decreases along the height of boiler，and the mean concentration of NOxat the burner outlet decreases，but the decreasing rate is more and more slow.

ultrasupercriticalunit;opposedwallfiring;secondaryairdistribution;NOxdistribution; numerical simulation

TK 223

A

1000－7229(2014)01－0109－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.021［HT］

2013-07-01

2013-09-04

倪煜(1983)，男，博士，主要從事能源清潔利用技術(shù)、新能源技術(shù)及節(jié)能環(huán)保技術(shù)研究，E-mail:yni@cpecc.net;

李德波(1984)，男，博士，主要從事煤粉燃燒污染物控制、大規(guī)模并行計算方法和程序開發(fā)等方面的研究，E-mail:ldbyx@126.com。