拱上OFA風(fēng)率對W火焰鍋爐燃燒特性影響數(shù)值模擬研究

朱興營，陳峰，楊彭飛，閆金山

(1.中國航天空氣動力技術(shù)研究院航天神潔(北京)環(huán)?？萍加邢薰?，北京100074; 2.中國華電工程(集團)有限公司，北京100160)

拱上OFA風(fēng)率對W火焰鍋爐燃燒特性影響數(shù)值模擬研究

朱興營1，陳峰1，楊彭飛2，閆金山1

(1.中國航天空氣動力技術(shù)研究院航天神潔(北京)環(huán)保科技有限公司，北京100074; 2.中國華電工程(集團)有限公司，北京100160)

以某電廠1臺660MWFW型W火焰鍋爐為對象，進行了拱上布置OFA爐內(nèi)燃燒及NOx生成特性的數(shù)值模擬研究，模擬結(jié)果表明:當(dāng)OFA風(fēng)率從0%增加到25%時，拱上煤粉氣流下沖深度沒有太大變化，但OFA氣流的穿透深度不斷增加，與上行煙氣的混合程度加強;同時隨著OFA風(fēng)率增加，下爐膛中心高溫區(qū)有一定程度的上移，下爐膛煤粉燃盡率變小，爐膛出口飛灰可燃物含量從4.23%增加到6.79%，增加了2.56%，而出口NOx排放量則從779.5μL/L減少到525.5μL/L，降低幅度為32.6%。綜合考慮OFA風(fēng)率對爐內(nèi)流動和燃燒的影響以及對NOx排放量和鍋爐運行經(jīng)濟性的影響規(guī)律，最佳拱上OFA風(fēng)率為20%。

W火焰鍋爐;拱上燃盡風(fēng);氮氧化物;飛灰可燃物含量;數(shù)值模擬

0 引言

W火焰鍋爐通常燃用揮發(fā)份很低的無煙煤，燃燒過程的NOx控制難度最大，在合理燃燒條件下，形成早期的、強烈的、高溫貧氧燃燒是控制燃燒過程中NOx生成量的關(guān)鍵［1－3］。美國福斯特惠勒公司以空氣分級燃燒為技術(shù)指導(dǎo)思想，提出了一套低NOx改造方案，主要是在上爐膛布置外旋流內(nèi)直流的燃盡風(fēng)(Over Fire Air，簡稱OFA)裝置，該方案能夠較大幅度降低NOx排放量，但是飛灰可燃物含量升高，鍋爐燃燒效率下降［4］。為了實現(xiàn)既有效降低W火焰鍋爐NOx排放量，又維持飛灰可燃物含量在一個較低的水平，本文提出了拱上布置燃盡風(fēng)技術(shù)，方案如下:在爐拱上靠近爐膛中心處布置直流燃盡風(fēng)噴口，燃盡風(fēng)噴口與濃煤粉氣流噴口一一對應(yīng)(見圖1)。部分二次風(fēng)通過燃盡風(fēng)裝置以一定的下傾角度進入爐膛，使得拱下燃燒區(qū)域處貧氧燃燒，減少NOx的生成。該方案增加了OFA噴口中心到屏式過熱器底端的豎直距離，上行煙氣與OFA混合后氣流的燃燒行程變長，煤粉顆粒的燃盡距離增加，同時避免了煙氣較早進入屏式過熱器使得煙氣溫度迅速降低對煤粉燃盡率的影響。

本文以CFD軟件FLUENT為計算平臺［5］，對河北某電廠FW型660MW W火焰鍋爐采用拱上布置燃盡風(fēng)技術(shù)后，不同燃盡風(fēng)率條件下爐內(nèi)燃燒特性和NOx生成特性進行數(shù)值模擬研究。

圖1 拱上布置燃盡風(fēng)方案示意

1 數(shù)值模擬研究

1.1 研究對象

計算對象為FW型660MWeW型火焰煤粉鍋爐，鍋爐為業(yè)臨界、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、自然循環(huán)鍋爐，下爐膛尺寸15.63m×34.34m×19.98m，上爐膛幾何尺寸在為9.525m×34.34m×30.35m，鍋爐下爐膛爐拱與水平方向夾角為25°，冷灰度斜坡與水平方向夾角為55°，鍋爐爐膛底部排渣口寬度為1.29m，如圖1所示。

鍋爐配置36只雙通道葉片式濃淡分離式燃燒器和二次風(fēng)分級配風(fēng)燃燒系統(tǒng)，燃用煤質(zhì)特性如表1所示，煤粉經(jīng)過濃淡分離后與當(dāng)?shù)匾淮物L(fēng)混合形成濃煤粉氣流和淡煤粉氣流，分別由濃煤粉氣流噴口和乏氣噴口送入爐膛，實現(xiàn)煤粉在爐膛內(nèi)的濃淡燃燒。二次風(fēng)包括淡煤粉氣流周界風(fēng)A、濃煤粉氣流周界風(fēng)B及二次風(fēng)C組成的拱上二次風(fēng)和D、E、F層二次風(fēng)組成的拱下二次風(fēng)兩部分，拱下二次風(fēng)噴口結(jié)構(gòu)為狹縫式。A～E層風(fēng)量很小，F(xiàn)層風(fēng)量最大，同時F層二次風(fēng)通過分風(fēng)室傾斜裝置以25°下傾角度噴入。

表1 鍋爐燃用煤種煤質(zhì)參數(shù)(收到基)

1.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

本文選取從冷灰斗底部到爐膛出口之間的區(qū)域為計算域。由于燃燒和進風(fēng)系統(tǒng)在爐膛寬度方向上是沿中心面對稱分布的，因此建立幾何模型時選取半個爐膛，中心面設(shè)置為對稱面。幾何模型按照原鍋爐1∶1比例建立，網(wǎng)格總數(shù)為1420529個。

數(shù)值計算中氣相湍流流動采用可實現(xiàn)的k－ε模型［6］、氣固兩相采用拉格朗日隨機顆粒軌道模型［7］、輻射換熱采用P－1輻射換熱模型、揮發(fā)分析出采用雙方程模型［8］、揮發(fā)分燃燒采用混合分?jǐn)?shù)PDF法、焦炭燃燒采用擴散－動力控制模型、NOx的生成只考慮熱力型NOx和燃料型NOx［9］。

1.3 數(shù)值計算工況安排

本文采用數(shù)值模擬方法研究不同的拱上燃盡風(fēng)風(fēng)率對爐內(nèi)的流場、溫度場以及煙氣成分分布等的影響規(guī)律，并對模擬結(jié)果進行比較分析得到適合該鍋爐的燃盡風(fēng)風(fēng)率，OFA風(fēng)率分別為0%、10%、15%、20%和25%，各工況運行參數(shù)見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 OFA風(fēng)率對燃盡區(qū)流動特性的影響

圖2為不同OFA風(fēng)率條件下OFA區(qū)域速度場分布，當(dāng)OFA風(fēng)率為10%和15%時，OFA氣流沖量小且剛性差，部分氣流與回流區(qū)上邊緣接觸時易被攜帶進入回流區(qū)。當(dāng)OFA風(fēng)率為20%和25%時，OFA氣流沖量和剛性增強，能夠沖入到爐膛中心和上行煙氣發(fā)生混合且避免被拱下回流區(qū)卷吸。

圖2 不同OFA風(fēng)率下燃盡風(fēng)區(qū)域速度場圖

表2 數(shù)值計算各工況運行參數(shù)

圖3為OFA氣流水平速度衰減曲線，其中Vx為OFA噴口中心所在平面水平方向上距爐膛中心為d處水平速度分量，V0為濃煤粉氣流初始風(fēng)速，d0為兩側(cè)OFA噴口間距離(圖1)。從圖中可以看出，隨著OFA風(fēng)率的增大，OFA氣流的穿透深度不斷增加。OFA氣流穿透深度越大，與上行煙氣混合越充分，越有利于煤粉的燃盡，因此從OFA氣流的穿透深度方面考慮，應(yīng)該選擇較大的OFA風(fēng)率。

圖3 不同OFA風(fēng)率下OFA氣流水平速度衰減曲線

2.2 OFA風(fēng)率對爐內(nèi)溫度的影響

圖4為不同OFA風(fēng)率下的爐內(nèi)溫度場分布，各工況條件下在拱下離濃煤粉氣流噴口區(qū)域及爐膛中心存在高溫區(qū)。拱下高溫區(qū)是由于拱上煤粉氣流進入爐膛之后煤粉熱解析出的揮發(fā)分著火釋放出大量的熱量，爐膛中心高溫區(qū)是由于拱上煤粉氣流與拱下F層二次風(fēng)混合后，焦炭發(fā)生劇烈燃燒，釋放大量的熱量。同時可見，加裝OFA裝置后爐膛中心的高溫區(qū)域稍有上移，分析原因是隨著OFA風(fēng)率的增大，拱下F層給入的空氣量減少，下爐膛高溫區(qū)域焦炭劇烈燃燒程度減弱，而在爐膛喉口區(qū)域OFA的給入則為焦炭的繼續(xù)燃燒提供了一部分的氧量，這樣使得高溫區(qū)域向喉口方向移動。

圖5為不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)煙氣平均溫度隨著爐膛高度的變化曲線。對于不同的OFA風(fēng)率其溫度隨著爐膛高度的變化趨勢基本相同，隨著爐膛高度的增加，溫度先是快速升高，之后開始以較小的幅度不斷下降。另外，隨著OFA風(fēng)率的變化，下爐膛整體溫度水平差別不大，上爐膛整體溫度水平則隨著OFA風(fēng)率的增加有增加趨勢。但是煤粉進行燃燒的位置越往上，燃盡距離就越短，燃盡程度越差。因此從保證煤粉顆粒的燃盡程度和穩(wěn)定蒸汽參數(shù)方面考慮，OFA風(fēng)率不宜太大。

圖4 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)溫度場分布(K)

圖5 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)煙溫隨爐膛高度變化曲線

2.3 OFA風(fēng)率對爐內(nèi)氧氣濃度的影響

圖6為不同OFA風(fēng)率下的爐內(nèi)氧氣濃度分布，氧氣濃度最高的區(qū)域在拱上煤粉氣流以及各層分級風(fēng)剛剛進入爐膛的區(qū)域，而在拱下回流區(qū)高溫區(qū)域，氧氣濃度則很低，此處高溫低氧氛圍有利于降低NOx的生成量。OFA氣流從拱上靠近喉口處沖入爐膛與上行煙氣混合進入上爐膛，因此引入OFA之后上爐膛氧氣濃度較未加燃盡風(fēng)時有一定程度的升高，于此同時，爐內(nèi)還原性氣氛的形成是隨著各層氣流的不斷前行和消耗逐漸在氣流下游區(qū)域形成的，即主要發(fā)生在爐膛中心區(qū)域，而爐膛壁面區(qū)域由于拱上淡煤粉氣流和拱下E層、F層二次風(fēng)的給入，氧氣濃度并沒有變化，能夠保證邊壁區(qū)域足量的氧氣濃度和氧化性氣氛，避免引起水冷壁結(jié)渣。

圖7為不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)平均氧氣濃度隨著爐膛高度的變化曲線。從整體氧氣濃度水平方面看，隨著OFA風(fēng)率的增加，下爐膛氧氣濃度水平不斷降低，上爐膛氧氣濃度水平則隨著OFA風(fēng)率的增加而增加，若下爐膛氧氣濃度太低，則不能為煤粉的劇烈燃燒提供足夠的氧氣，會降低煤粉的燃盡程度，降低鍋爐運行的經(jīng)濟性，因此為不嚴(yán)重影響煤粉在下爐膛的劇烈燃燒，拱上OFA風(fēng)率不宜太大。

圖6 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)氧氣濃度分布(%)

圖7 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)氧氣濃度隨爐膛高度變化曲線

2.4 OFA風(fēng)率對爐內(nèi)NOx生成的影響

圖8為不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)NOx濃度分布，各工況條件下拱下高溫區(qū)域NOx濃度比較低。拱下回流區(qū)與F層二次風(fēng)氣流的交界面上是NOx濃度最高的區(qū)域，因為該區(qū)域拱上煤粉氣流與F層二次風(fēng)發(fā)生混合后不久，氧量充分而且煤粉燃燒比較劇烈，生成大量的燃料型NOx。隨著混合氣流在爐膛中心轉(zhuǎn)折向上和不斷上行，NOx不斷生成，但此時NOx濃度并不能達到最大值，這是因為將部分二次風(fēng)通過拱上OFA噴口送入爐膛使得F層風(fēng)量減少，伴隨著煤粉的燃燒，混合氣流中的氧氣不斷被消耗，該區(qū)域很快形成貧氧的還原性氛圍，燃燒生成的NO在還原性氛圍下與焦炭及HCN、NH3等中間產(chǎn)物發(fā)生還原反應(yīng)，使得該區(qū)域NOx濃度降低。同時，隨著OFA風(fēng)率的增加，該區(qū)域還原性氛圍加強，更多的NO發(fā)生還原反應(yīng)，NOx濃度不斷降低。在加裝OFA之后，上行煙氣經(jīng)過喉口位置時由于OFA氣流補充了一定的氧量，會生成一定的NOx，但此時燃料中的N已被大量消耗，同時此處溫度也沒有達到熱力型NOx生成的條件，此處NOx生成量并不大。因此，將部分拱下二次風(fēng)通過位于拱上的OFA噴口給入，能夠使下爐膛形成還原性氛圍，達到降低NOx的生成量的效果。

圖8 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)NO濃度分布(μL/L)

圖9為不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)平均NO濃度隨著爐膛高度的變化曲線。各工況條件下爐膛高度9m以下的區(qū)域即冷灰斗區(qū)域NO濃度很低，在此之后NO濃度則隨著爐膛高度的增加而迅速增加，在OFA風(fēng)率為0%時，爐膛高度為20～25m區(qū)域NO濃度達到最大值，之后隨著爐膛高度的增加NO濃度緩慢降低。在引進燃盡風(fēng)之后的工況條件下，9m到13m之間的區(qū)域NO濃度與未加燃盡風(fēng)時的濃度區(qū)別不大，而在之后的區(qū)域NO濃度則低于未加燃盡風(fēng)時的NO濃度，這是因為引進燃盡風(fēng)后下爐膛形成還原性氣氛，NO發(fā)生還原反應(yīng)，含量降低，同時從圖中可知，隨著OFA風(fēng)率的增加，下爐膛還原性氣氛加強，爐內(nèi)平均NO濃度不斷降低，因此，選擇較大的OFA風(fēng)率有利于降低NO生成量。

圖9 不同OFA風(fēng)率下爐內(nèi)NO濃度隨爐膛高度變化曲線

2.5 不同OFA風(fēng)率下爐膛出口參數(shù)

從前面的分析中看出，增加拱上OFA風(fēng)率，有利于降低爐內(nèi)NOx生成量，而且能夠增加OFA氣流的穿透深度，強化與上行煙氣的混合，但OFA風(fēng)率太大會降低煤粉的燃盡程度，降低鍋爐運行的經(jīng)濟性，因此還需要結(jié)合具體參數(shù)綜合考慮。表3列出了模擬得到的不同OFA條件下爐膛出口的煙氣溫度、氧氣含量、飛灰可燃物含量和NOx的排放量。

表3 不同OFA風(fēng)率條件下爐膛出口參數(shù)

當(dāng)OFA風(fēng)率從0%增加到20%時，NOx排放量從779.5μL/L降低到561.5μL/L，降幅28%;而OFA風(fēng)率從20%增加到25%時，NOx排放量從561.1μL/L降低到525.5μL/L，只降低4.6%，降低幅度明顯減小。于此同時，當(dāng)OFA風(fēng)率從0%增至20%時，飛灰可燃物含量增加1.95%;而從20%增加到25%時，飛灰可燃物含量增長0.61%，增長幅度并無降低，這說明在高OFA風(fēng)率條件下，下爐膛已經(jīng)達到很好的還原性氣氛，此時增加OFA風(fēng)率對降低NO生成量已無特別明顯的效果，而對下爐膛的煤粉燃燒則依然有較大影響。因此，綜合考慮OFA風(fēng)率對爐內(nèi)流動特性和燃燒特性的影響以及對NOx排放量和鍋爐運行經(jīng)濟性的影響規(guī)律，本文確定最佳OFA風(fēng)率為20%。

3 結(jié)語

(1)OFA風(fēng)率變化對拱上煤粉氣流的下沖深度沒有太大影響，但是隨著OFA風(fēng)率的增加，OFA氣流的穿透深度增加，上行煙氣的混合程度加強。

(2)隨著OFA風(fēng)率的增加，下爐膛中心高溫區(qū)有一定程度的上移，上爐膛溫度增加，爐膛出口煙氣溫度也隨之增加，同時使得煤粉燃盡程度變差，飛灰可燃物含量升高，拱上OFA風(fēng)率從0%增加到25%，飛灰可燃物含量增加2.56%。

(3)隨著OFA風(fēng)率的增加，上爐膛氧氣濃度增加，爐膛出口氧氣含量增加，但下爐膛氧氣量減少，還原性氛圍加強，NO生成量減少，爐膛出口NOx排放量降低，拱上OFA風(fēng)率從0%增加到25%，NOx排放量降低508mg/m3。

(4)綜合考慮OFA風(fēng)率對對爐內(nèi)燃燒以及爐膛出口的NOx排放量和飛灰可燃物含量的影響，確定最佳OFA風(fēng)率為20%。

［1］Gross M，Soulard M，Caullet P，et al.Synthesis of faujasite from coal fly ashes under smooth temperature and pressure conditions［J］.Microporous and Mesoporous Materials.2007，6(1):67－76.

［2］李爭起，任楓，劉光奎，等.W火焰鍋爐高效低NOx燃燒技術(shù)［J］.動力工程學(xué)報，2010，30(9):645－651.

［3］王運明.引進型W型火焰鍋爐的技術(shù)特點及運行分析［J］.華中電力，2003，16(4):62－64.

［4］Eberle J S，Garcia－Mallol J A，Simmerman R N.Advanced FW Arch Firing:NOxReduction in Central Power Station［C］.Pittsburgh Coal Conference Pittsburgh，Pennsylvania，US:2002.

［5］王福軍.計算流體動力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［6］Shin T H，Lion W，Shabbir W，et a1.A new k－εeddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows［J］.Computers＆Fluids，1995，24(3):227－238.

［7］周力行.湍流氣粒兩相流動和燃燒的理論與數(shù)值模擬［M］.北京:科學(xué)出版社，1994.

［8］傅維標(biāo)，衛(wèi)景彬.燃燒物理學(xué)基礎(chǔ)［M］.機械工業(yè)出版社，1981.

［9］曹義文.燃煤鍋爐NOx形成機理及其排量控制技術(shù)探討［J］.重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報，2009，14(2):15－18.

Numerical simulation of combustion characteristicsin a down－fired utility boiler withDifferent arch－arranged OFA ratios

In present paper，numerical simulation of combustion characteristics and NOxemissions for a 660MWe FW down－fired boiler with the new OFA arrangement is conducted.The numerical simulation result shows thatas the OFA ratio increases from 0%to 25%，the penetration depth of the arch－injected fuel－rich flow changes little while that of the OFA flow increases，which is favorable for the mix of the OFA and the upflowing gas.Besides，the high temperature zone in the furnace center moves upward，deteriorating the combustion of coal particles in the lower furnace.The carbon content in fly ash increases from 4.23%to 6.79%.However，the NOxemissions in the furnace exit decrease from 779.5μL/L to 525.5μL/L.Therefore，comprehensively considering the effect of the OFA ratio on the flow and combustion characteristics as well as the NOxemissions and carbon content in fly ash of the furnace exit，an OFA ratio of 20%is recommended.

Down－fired boiler;arch－arranged OFA;NOx;carbon content in fly ash;numerical simulation

X701.7

B

1674－8069(2015)05－023－05

2015-03-19;

2015-05-21

朱興營(1988-)，男，山東泰安人，碩士，工程師，主要從事燃燒及污染物控制方面的研究設(shè)計工作。E－mail:zhuxyhit@ 163.com