低氮改造對四角切圓鍋爐NOx生成特性的影響

付忠廣，　石　黎，　段學(xué)農(nóng)，　朱光明，　呂當(dāng)振

(1．華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京 102206；2．國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007)

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低氮改造對四角切圓鍋爐NOx生成特性的影響

付忠廣1，石黎1，段學(xué)農(nóng)2，朱光明2，呂當(dāng)振2

(1．華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京 102206；2．國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，長沙 410007)

對某300 MW四角切圓鍋爐低氮改造前后NOx的生成特性進(jìn)行了數(shù)值計算，分析了低氮改造對NOx生成特性的影響.結(jié)果表明：原有雙通道自穩(wěn)燃型燃燒器穩(wěn)燃腔的設(shè)計明顯加速了熱力型NOx的生成；新型水平濃淡燃燒器濃側(cè)和淡側(cè)煤粉均處于偏離化學(xué)當(dāng)量比條件下燃燒，噴口附近火焰溫度明顯降低，有利于控制熱力型NOx的生成，缺氧燃燒降低了煤粉的燃燒效率，冷灰斗區(qū)域及三次風(fēng)以上區(qū)域燃料型NOx的生成速率有所增大.

四角切圓鍋爐； NOx生成特性； 空氣分級燃燒； 水平濃淡燃燒器

NOx是形成酸雨和光化學(xué)煙霧的主要物質(zhì)，對生態(tài)環(huán)境和人類健康帶來極大危害[1]，控制火電行業(yè)NOx排放是當(dāng)務(wù)之急[2].

我國電站鍋爐采用的低NOx燃燒系統(tǒng)大多以空氣分級燃燒技術(shù)為特征，排放的NOx質(zhì)量濃度較高.將水平濃淡燃燒與空氣分級燃燒技術(shù)和尾部煙氣凈化裝置相結(jié)合，這是電站鍋爐低氮改造的主要技術(shù)手段[3-6].對水平濃淡燃燒與空氣分級燃燒技術(shù)相結(jié)合的數(shù)值研究相對較少，畢明樹等[7-9]研究了煤粉濃縮比Rc、煤粉量和速度差Δv等因素對四角切圓鍋爐NOx質(zhì)量濃度分布的影響，由于爐內(nèi)某處NOx質(zhì)量濃度明顯受到上游累積作用的影響，這種分析方法不夠直觀，相比而言，采用NOx生成速率進(jìn)行分析更為合理[10-11].Choeng等[11]以爐膛對角線作為特征直線，得到了NOx生成速率的變化規(guī)律，由于一次風(fēng)粉氣流明顯受到二次風(fēng)的動量攜帶而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種方法無法真正反映燃燒過程中NOx的生成規(guī)律，因此采用燃燒器噴口中心位置流線作為特征曲線最為合理.

目前，尚未見到以燃燒器噴口中心位置流線作為特征曲線，采用NOx生成速率的分析方法來研究四角切圓鍋爐NOx生成特性的報道，筆者在這方面開展了一些研究工作，測量了四角切圓鍋爐冷態(tài)空氣動力場特性以及煙氣中NOx和CO等污染物質(zhì)量濃度，驗證了計算結(jié)果的合理性，詳細(xì)分析了溫度場、O2體積分?jǐn)?shù)和燃燒器結(jié)構(gòu)等因素對NOx生成特性的影響，為有效利用空氣分級燃燒技術(shù)、控制NOx排放量提供參考.

1　鍋爐簡介

所研究的某300 MW四角切圓鍋爐爐膛截面寬度為12 808 mm、深度為12 802 mm，爐膛下部4個切角處各布置一組直流燃燒器，每組燃燒器包含5 層一次風(fēng)噴嘴，其中下兩層為固定式雙通道自穩(wěn)燃型燃燒器，上三層為擺動式WR(Wide Rang)型燃燒器，燃燒器的組合主要是為了穩(wěn)定低揮發(fā)分煤種的燃燒，對于控制NOx排放的效果有限.

低NOx燃燒系統(tǒng)改造設(shè)計綜合應(yīng)用了濃淡燃燒技術(shù)與空氣分級燃燒技術(shù)，5 層燃燒器均采用新型水平濃淡燃燒器，再增設(shè)爐內(nèi)還原區(qū)，在三次風(fēng)上方增設(shè)3 層分離燃盡風(fēng)(SOFA)噴嘴.水平濃淡燃燒器的濃淡兩股風(fēng)粉混合物分別由向火側(cè)和背火側(cè)切向噴入爐膛，有助于改善火焰的穩(wěn)定性，提高著火性能，防止高溫腐蝕和結(jié)渣，可有效抑制燃料型NOx和熱力型NOx的生成[4-6].

2　數(shù)學(xué)模型和計算方法

2.1網(wǎng)格劃分

數(shù)學(xué)模型的精確性和網(wǎng)格劃分的合理性直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12].在建模過程中，保留一次風(fēng)噴嘴和穩(wěn)燃腔等結(jié)構(gòu)；燃燒器平面的垂線與下游水冷壁的夾角均為42°，以減少偽擴散[11]；二次風(fēng)與三次風(fēng)噴口之間設(shè)置有爐膛漏風(fēng)噴口，模擬5%爐膛漏風(fēng)量的影響[12-14]；采用無厚度壁面模擬分隔屏和后屏過熱器對流動及傳熱的影響，壁面溫度設(shè)為788 K[13]；采用多孔介質(zhì)模型模擬末級過熱器和再熱器對煙氣流動及傳熱過程的影響[12，15].對改造前后模型進(jìn)行了網(wǎng)格無關(guān)性驗證，由于燃燒器區(qū)域網(wǎng)格較密，改造前后的網(wǎng)格總數(shù)分別為206萬和201萬，燃燒器噴口截面的網(wǎng)格劃分如圖1所示，其中x為爐膛深度方向，z為爐膛寬度方向.

(a)改造前(b)改造后

圖1改造前后燃燒器噴口截面的網(wǎng)格劃分

Fig.1Meshing of the burner nozzle before and after retrofit

2.2邊界條件

一次風(fēng)、二次風(fēng)和三次風(fēng)的入口截面定義為速度入口邊界，水平煙道出口截面定義為壓力出口，壓力為-80 Pa，電廠實際入爐煤主要由低熱值劣質(zhì)煤、混合貧瘦煤和優(yōu)質(zhì)煙煤按照一定質(zhì)量比例摻混而成，煤質(zhì)分析如表1所示.實際運行時，過量空氣系數(shù)α為1.25，煤耗為163.7 t/h.

表1　煤質(zhì)分析

2.3數(shù)學(xué)模型

所采用的數(shù)學(xué)模型[11-13,15-16]見表2.首先計算得到一定收斂程度的冷態(tài)流場，再進(jìn)行熱態(tài)計算[12]，以每20 步為一個計算周期，計算顆粒相與氣相之間的相互作用[15].

表2　數(shù)學(xué)模型

3　結(jié)果與分析

3.1模擬結(jié)果驗證

冷態(tài)試驗時，維持二次風(fēng)箱風(fēng)壓為1 100 Pa左右，在C層噴口截面搭設(shè)金屬十字架，沿長度和寬度方向各設(shè)置26 個測點，通過TESTO-400風(fēng)速儀測定各測點的風(fēng)速.圖2給出了改造后縮腰配風(fēng)時測量層(即C層燃燒器中心截面)風(fēng)速計算值與測量值的比較.由圖2可知，風(fēng)速計算值與測量值吻合較好，切圓基本位于爐膛正中央，切圓直徑約為7.0 m，表明計算結(jié)果精度較高，數(shù)學(xué)模型的選擇及網(wǎng)格劃分能夠滿足分析的需要.

圖2　縮腰配風(fēng)時測量層的風(fēng)速分布(單位：m/s)

Fig.2Velocity distribution at measuring layer under constricted air distribution(unit: m/s)

熱態(tài)試驗時，按照等截面、網(wǎng)格法的原則在兩側(cè)空氣預(yù)熱器入口和出口煙道處設(shè)置煙氣測點，通過MSI EURO煙氣分析儀進(jìn)行取樣.表3給出了改造后水平濃淡燃燒參數(shù)計算值與測量值的比較.由表3可知，改造后NOx總質(zhì)量濃度計算值為575.4 mg/m3，與測量值吻合較好，其中燃料型NOx和熱力型NOx的質(zhì)量濃度分別為540.2 mg/m3和35.2 mg/m3，相比于改造前，分別下降了6.9%和15.0%，改造后NOx質(zhì)量濃度的控制效果明顯.

表3水平濃淡燃燒參數(shù)計算值與測量值的比較

Tab.3Comparison of bias combustion parameters between calculated and measured data

mg/m3

3.2改造前后煙氣溫度沿流動方向的變化規(guī)律

熱力型NOx的生成量與溫度、在高溫區(qū)停留時間和O2分壓有關(guān)，而燃料型NOx的生成量則與O2體積分?jǐn)?shù)以及煤粉與空氣的混合過程緊密相關(guān)[3-6].選取改造前后A層燃燒器2號噴口截面中心處的流線作為特征曲線(見圖3)，研究流動方向上煙氣溫度和O2體積分?jǐn)?shù)對HCN和NOx生成速率等參數(shù)的影響.

(a)改造前

(b)改造后

圖4給出了改造前后向火側(cè)和背火側(cè)煙氣溫度沿流動方向的變化.由圖4可知，改造前后向火側(cè)煤粉氣流穩(wěn)定燃燒距離均小于0.5 m，符合電廠實際運行情況[3-6].改造前后煙氣溫度的分布規(guī)律明顯不同：改造前，煙氣最高溫度位于噴口附近，爐膛中心區(qū)域的煙氣溫度則相對較低；改造后，煙氣最高溫度有所降低，煙氣溫度分布更加均勻.改造前，向火側(cè)和背火側(cè)煙氣最高溫度與噴口的距離大致相等，背火側(cè)煙氣最高溫度略高，接近1 700 K，爐膛中心區(qū)域的煙氣溫度沿流動方向明顯下降.改造后，向火側(cè)(即濃側(cè))煤粉首先著火，距離噴口1.0 m處形成了第一個溫度峰值，接近1 500 K，可燃物在爐膛中心區(qū)域繼續(xù)燃燒并釋放熱量，煙氣溫度進(jìn)一步升高，接近1 750 K；背火側(cè)(即淡側(cè))煤粉濃度低，著火熱大，著火距離接近1.0 m.

(a)向火側(cè)(b)背火側(cè)

圖4向火側(cè)和背火側(cè)煙氣溫度沿流動方向的變化

Fig.4Flue gas temperature changes at fire facing and unexposed surface along flow direction

3.3改造前后O2體積分?jǐn)?shù)沿流動方向的變化規(guī)律

圖5給出了改造前后向火側(cè)和背火側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)沿流動方向的變化.由圖5可知，煤粉著火后，O2體積分?jǐn)?shù)迅速降低，其最低值位置對應(yīng)煙氣溫度第一個峰值的位置.改造前，向火側(cè)和背火側(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)在距離噴口約0.8 m處達(dá)到最低值1.5%，隨后向火側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)迅速回升，背火側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)維持最低值直至離噴口距離近1.0 m后才開始迅速上升.對比圖4和圖5可知，背火側(cè)溫度較高，可燃物燃燒劇烈，O2消耗更快，因而O2體積分?jǐn)?shù)更低.改造后，向火側(cè)煤粉著火后處于缺氧燃燒狀態(tài)的時間明顯延長，背火側(cè)煤粉著火距離明顯延長，接近1.0 m.較高的O2體積分?jǐn)?shù)有利于在水冷壁附近區(qū)域形成氧化性氣氛，提高了灰熔融溫度，阻止燃燒的煤粉顆粒直接沖刷水冷壁[3-6].

3.4改造前后HCN和NOx生成速率沿流動方向的變化規(guī)律

圖6給出了改造前后HCN生成速率沿流動方向的變化.由圖6可知，改造前，HCN的生成區(qū)域主要位于噴口附近，爐膛中心區(qū)域HCN生成速率出現(xiàn)負(fù)值.HCN生成速率峰值位置對應(yīng)煙氣溫度第一個峰值及O2體積分?jǐn)?shù)最低值位置；改造后，向火側(cè)HCN生成速率的峰值最大，背火側(cè)HCN的氧化速率最大，這說明煤粉濃度直接影響HCN的生成過程，而O2體積分?jǐn)?shù)則影響HCN的氧化過程.

(a)向火側(cè)(b)背火側(cè)

圖5　向火側(cè)和背火側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)沿流動方向的變化

圖6向火側(cè)和背火側(cè)HCN生成速率沿流動方向的變化

Fig.6HCN formation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

圖7給出了改造前后向火側(cè)和背火側(cè)燃料型NOx生成速率沿流動方向的變化.由圖7可知，NOx生成速率的峰值位置對應(yīng)煙氣溫度第一個峰值、O2體積分?jǐn)?shù)最低值及HCN生成速率峰值位置.改造前，向火側(cè)煤粉燃燒初期供氧充足，HCN迅速被氧化成NOx，隨著O2大量消耗，NOx生成速率迅速降低，部分區(qū)域的NOx被還原為N2，爐膛中心區(qū)域的O2體積分?jǐn)?shù)有所回升，HCN繼續(xù)氧化生成NOx，由于該區(qū)域HCN和O2的體積分?jǐn)?shù)相對較小，NOx的生成速率也相對較小.改造后，向火側(cè)煤粉處于缺氧燃燒，火焰最高溫度較低，噴口附近NOx生成速率明顯降低，爐膛中心區(qū)域的NOx生成量有所增大；背火側(cè)NOx生成速率峰值明顯大于向火側(cè)，這是由于HCN氧化速率迅速增大而造成的.

(a)向火側(cè)(b)背火側(cè)

圖7向火側(cè)和背火側(cè)燃料型NOx生成速率沿流動方向的變化

Fig.7Fuel NOxformation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

圖8給出了改造前后向火側(cè)和背火側(cè)熱力型NOx生成速率沿流動方向的變化.由圖8可知，熱力型NOx的生成區(qū)域主要位于噴口附近，改造前，噴口附近火焰溫度超過1 500 ℃，背火側(cè)最高溫度更高，熱力型NOx生成速率相對更大.改造后，向火側(cè)和背火側(cè)煤粉均處于偏離化學(xué)當(dāng)量比下燃燒，噴口附近火焰溫度遠(yuǎn)低于1 500 ℃，幾乎看不到熱力型NOx的生成.

(a)向火側(cè)(b)背火側(cè)

圖8向火側(cè)和背火側(cè)熱力型NOx生成速率沿流動方向的變化

Fig.8Thermal NOxformation rate at fire facing and unexposed surface along flow direction

3.5NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化規(guī)律

圖9給出了NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化，其中PA表示一次風(fēng)區(qū)域，TA表示三次風(fēng)區(qū)域.由圖9可知，改造前后燃燒器及三次風(fēng)區(qū)域NOx的生成速率較大，其他區(qū)域則相對較小，燃料型NOx的生成速率明顯大于熱力型NOx.在燃燒器區(qū)域，一般而言，隨著爐膛高度的升高，截面溫度有所上升，高溫區(qū)范圍擴大[15]，熱力型NOx的生成速率會有所增大.由圖9還可知，改造前，熱力型NOx生成速率顯然違反這一規(guī)律，這說明燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計加速了熱力型NOx的生成.改造后，燃燒器區(qū)域NOx的生成速率明顯減小，而冷灰斗區(qū)域和三次風(fēng)以上區(qū)域則相反，這說明缺氧燃燒使得煤粉的燃燒效率有所降低，部分未燃盡的可燃物在這些區(qū)域繼續(xù)燃燒，所產(chǎn)生的部分HCN被氧化生成NOx.下二層水平濃淡燃燒器區(qū)域NOx生成速率的減小幅度相對較小，依然有較大的改進(jìn)空間.

(a)燃料型NOx(b)熱力型NOx

圖9NOx生成速率沿爐膛高度方向的變化

Fig.9Fuel and thermal NOxformation rate along furnace height

圖10給出了改造前后燃燒器區(qū)域燃料型NOx和熱力型NOx生成區(qū)域的分布.由圖10可知，燃料型NOx生成區(qū)域靠近噴口，而還原區(qū)域則靠近爐膛中心區(qū)域.改造前，雙通道自穩(wěn)燃型燃燒器穩(wěn)燃腔的設(shè)計顯然加快了熱力型NOx的生成.改造后，燃料型和熱力型NOx生成速率均有所減小.改造設(shè)計中，適當(dāng)縮小了穩(wěn)燃腔的體積，兼顧了穩(wěn)燃和控制NOx排放的要求.

(a)10-4kg·mol/(m3·s)(b)10-5kg·mol/(m3·s)(c)10-5kg·mol/(m3·s)

圖10燃燒器區(qū)域NOx生成速率等速面

Fig.10Isovelocity surface of NOxformation rate in burner area

4　結(jié)　論

(1)燃燒系統(tǒng)直接影響四角切圓鍋爐煤粉的燃燒及組分濃度場分布，進(jìn)而影響燃料型NOx和熱力型NOx的生成.

(2)雙通道自穩(wěn)燃型燃燒器穩(wěn)燃腔的設(shè)計顯然不利于控制熱力型NOx的生成.水平濃淡燃燒器濃淡側(cè)煤粉處于偏離化學(xué)當(dāng)量比條件下燃燒，噴口附近火焰溫度低于1 500 ℃，有利于控制熱力型NOx的生成，濃側(cè)煤粉著火后處于缺氧燃燒狀態(tài)的距離明顯延長，還原區(qū)域的范圍有所擴大，也有利于降低燃料型NOx的排放量.缺氧燃燒使得煤粉的燃燒效率有所降低，冷灰斗區(qū)域和三次風(fēng)以上區(qū)域燃料型NOx的生成速率有所增大.

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Effects of Low-NOxRetrofit on NOxFormation in a Tangentially-fired Boiler

FUZhongguang1,SHILi1,DUANXuenong2,ZHUGuangming2,LüDangzhen2

(1.MOE's Key Lab of Condition Monitoring and Control for Power Plant Equipment, North China Electric Power University, Beijing 102206, China; 2. State Grid Hunan Electric Power Corporation Electric Power Research Institute, Changsha 410007, China)

Numerical simulation was conducted to NOxformation characteristics in a 300 MW tangentially-fired boiler before and after low-NOxretrofit, so as to analyze the effects of low-NOxretrofit on the NOxformation characteristics. Results show that the design of stabilized combustion cavity in the original dual-channel self-stabling burner obviously increases its thermal NOxemission. The combustion of both dense and dilute pulverized coal-air mixture flow in the new horizontal bias burner is under the condition deviating from the chemical equivalent ratio, which lowers the flue gas temperature around burners and compresses the emission of thermal NOx. Rare oxygen combustion also reduces the combustion efficiency, and increases the production of fuel NOxin cold ash hopper and in upper furnace area above tertiary air flow.

tangentially-fired boiler; NOxformation characteristic; air staged combustion; horizontal bias burner

A學(xué)科分類號：470.30

2014-05-21

2014-07-10

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(2014ZZD04，2014XS17)

付忠廣(1963-)，男，河北邢臺人，教授，博士，研究方向為：電站機組運行優(yōu)化、潔凈煤發(fā)電等. 電話(Tel.)：010-61772361；

E-mail：fzg@ncepu.edu.cn.

1674-7607(2015)03-0185-06

TK227