低NOx空氣分級燃燒技術(shù)研究

胡廣濤　焦亮亮　周丹丹　翟盼盼

（榆林學(xué)院能源與工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

低NOx空氣分級燃燒技術(shù)研究

胡廣濤焦亮亮周丹丹翟盼盼

（榆林學(xué)院能源與工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

本文主要利用FLUENT流體計(jì)算軟件對一臺(tái)300MW的煤粉鍋爐進(jìn)行了燃燒模擬研究，對鍋爐采用常規(guī)燃燒和空氣分級燃燒時(shí)的燃燒狀況進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明空氣分級燃燒時(shí)的爐膛的整體溫度明顯下降，NOx濃度降低，主燃區(qū)氧濃度降低，說明該燃燒方法為理想的低NOx燃燒方式。

低NOx；燃燒技術(shù)

近年來我國的環(huán)保壓力越來越大，而火電廠污染物的排放則為主要的污染物來源之一，我國一次能源又主要依賴于煤炭，所以火電廠的污染物控制技術(shù)對我國的環(huán)保起到關(guān)鍵作用。氮氧化物則是煤炭燃燒的產(chǎn)物之一，它能夠引發(fā)酸雨和光化學(xué)煙霧。因此，采取什么樣的技術(shù)來減少氮氧化物的生成是現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)。目前我國電廠煤粉鍋爐一般采用的燃燒方式為四角切圓燃燒，這種燃燒方式風(fēng)粉混合均勻，燃燒效率較高，燃料適應(yīng)性較廣，是現(xiàn)階段我國電廠燃燒方式中應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)。

1　NOx生成的機(jī)理及低NOx燃燒技術(shù)

1.1NOx的生成機(jī)理

NOx一般指的是NO和NO2，也包括N2O、N2O3等。在煤燃燒過程中，按照NOx中N元素的來源可將其分為熱力型NOx、燃料型NOx和快速性NOx［1］。NOx主要有兩種生成途徑：一是煤中的氮化物在高溫火焰中發(fā)生熱分解，并進(jìn)一步氧化生成NOx；二是提供燃燒時(shí)所用的空氣中的氮?dú)?，在高溫下與氧氣發(fā)生的化合作用生成的NOx。

1.2低NOx燃燒技術(shù)

目前，國內(nèi)外降低NOx的控制技術(shù)主要有低NOx燃燒器、空氣分級燃燒、燃料再燃技術(shù)、煙氣脫硝技術(shù)等。本文主要研究空氣分級燃燒技術(shù)。

空氣分級的基本原理為［2］：在富燃料區(qū)域中，燃料在缺氧的情況下燃燒，其燃燒溫度和燃燒速度均降低，熱力型NOx減少，與此同時(shí)，燃料中所釋放的含氮中間產(chǎn)物HCN和NH3等會(huì)將一部分的NO還原成N2，從而抑制燃料型NOx的生成。在燃盡區(qū)，燃料在富氧條件下燃盡，不可避免的讓一部分殘留氮在燃盡區(qū)的富氧條件下氧化生成NOx，但在燃盡區(qū)域的火焰溫度較低，NOx生成量有限。因此，在空氣分級的條件下生成的NOx總量降低。

爐內(nèi)空氣分級燃燒的實(shí)現(xiàn)形式主要有以下幾種［3-5］：

1.2.1同軸燃燒技術(shù)（CFS）。同軸燃燒技術(shù)也叫徑向空氣分級技術(shù)。該技術(shù)是將二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)一定的角度，形成與一次風(fēng)同軸但直徑較大的切圓。二次風(fēng)向外偏轉(zhuǎn)之后，煤粉氣流噴口處推遲了一次風(fēng)與二次風(fēng)的初期混合，在一次風(fēng)區(qū)形成了缺氧燃燒，從而達(dá)到空氣分級，降低NOx排放的目的。

1.2.2煤粉濃淡燃燒技術(shù)。煤粉濃淡燃燒技術(shù)是將均勻的一次風(fēng)煤粉刻意分成兩股濃度不同的煤粉氣流，使進(jìn)入爐膛的一部分燃料缺氧燃燒，即處于富燃料燃燒；另外的一部分在空氣過量的條件下燃燒，即富空氣燃燒。

1.2.3沿爐膛高度的空氣分級。沿爐膛高度的空氣分級技術(shù)是在爐膛下部燃燒的整個(gè)區(qū)域內(nèi)形成欠氧燃燒，大概80%的理論空氣量從爐膛下部燃燒器送入，使送入的風(fēng)量小于送入燃料所需要的空氣量，進(jìn)行富燃料燃燒。因?yàn)檠鯕獾牟蛔?，可以使燃料型NOx降低，與此同時(shí)，燃燒區(qū)火焰溫度的峰值也比較低，局部氧濃度較低，使熱力型NOx的生成反應(yīng)速率降低。剩余的20%空氣量在燃燒器上部的燃盡風(fēng)噴口噴入，快速與剩余燃料產(chǎn)物混合燃燒，保證完全燃燒。

2　研究對象與網(wǎng)格劃分

本文以某電廠的300MW四角切圓煤粉鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，爐膛網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，鍋爐的長度、寬度和高度分別為14.95m，14.95m和56.306m。煤粉燃燒器噴口中，一次風(fēng)從下往上用a、b、c、d表示，二次風(fēng)從下往上用A、B、C、D表示，E、F、G為燃盡風(fēng)噴嘴。

圖1　爐膛網(wǎng)格結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用的是三維網(wǎng)格單元類型中的Tet/Hybrid，即在所指的區(qū)域內(nèi)，網(wǎng)格的劃分主要以四面體網(wǎng)格為主，在燃燒器和個(gè)別區(qū)域包含錐形、楔形和六面體網(wǎng)格。三維網(wǎng)格的劃分方法上使用的是Tgrid，即在遠(yuǎn)離邊界處生成六面體網(wǎng)格，在邊界處生成四面體網(wǎng)格［6］。

3　數(shù)學(xué)模型與計(jì)算方法

本文采用有限體積法離散方程，并采用SIMPLE算法求解控制方程。黏性模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的改進(jìn)Realizable k-ε模型，輻射模型運(yùn)用了P-1模型，組分模型應(yīng)用了Species Transport模型，同時(shí)在離散相模型中使用了Interaction with Continuous Phase（兩相干擾）。本文采用的煤種為神府煤，因此在fluent中采用了系統(tǒng)中的高揮發(fā)分煤，且在NOx生成中，只模擬了熱力型NOx和燃料型NOx。NOx機(jī)理分為焦炭NOx和揮發(fā)分NOx兩部分，焦炭中的氮直接轉(zhuǎn)化為一氧化氮，揮發(fā)分氮首先轉(zhuǎn)化為HCN，HCN既能被氧化為NO，也能被NO還原為N2。計(jì)算時(shí)，首先給鍋爐進(jìn)行點(diǎn)火，再計(jì)算燃燒和輻射換熱，最后進(jìn)行循環(huán)迭代，當(dāng)能量方程和連續(xù)性方程在殘差圖上變化平穩(wěn)后，燃燒過程的計(jì)算收斂。

4　結(jié)果與分析

本文模擬的爐膛參數(shù)工況分為二種，工況一：爐膛內(nèi)部沒有加入燃盡風(fēng)，其中一次風(fēng)吹角為35°，風(fēng)速為23m/s，二次風(fēng)吹角為25°，采用均等配風(fēng)；工況二：爐膛上部加入了燃盡風(fēng)，燃盡風(fēng)風(fēng)率為20%，風(fēng)速為40m/s，一次風(fēng)和二次風(fēng)吹角與工況一相同。

4.1空氣分級燃燒與常規(guī)燃燒的溫度對比

圖2和圖3分別是常規(guī)燃燒和空氣分級燃燒時(shí)的爐膛溫度分布圖，由圖可知主燃區(qū)為爐膛內(nèi)溫度最高的區(qū)域，隨后沿爐膛高度方向爐內(nèi)溫度逐漸降低。加入燃盡風(fēng)后，主燃區(qū)爐膛截面溫度明顯低于常規(guī)燃燒方式。加入燃盡風(fēng)后燃盡風(fēng)噴口附近溫度降低幅度較改造前大，這主要是由于噴入的燃盡風(fēng)溫度較煙氣溫度低，與煙氣混合后使煙氣整體溫度降低，這也進(jìn)一步抑制了燃盡過程中NOx的生成。由于主燃區(qū)內(nèi)氧量降低，未燃盡的煤粉將在主燃區(qū)上方待氧量補(bǔ)充后繼續(xù)燃盡，使得煤粉的燃盡時(shí)間延長，爐膛上方也因有部分煤粉的繼續(xù)燃盡而溫度略有升高。

圖2　常規(guī)燃燒爐膛溫度分布圖

圖3　空氣分級燃燒爐膛溫度分布圖

4.2空氣分級燃燒與常規(guī)燃燒的NOx排放對比

圖4為常規(guī)燃燒時(shí)的NOx分布圖，圖5為空氣分級燃燒下的NOx分布圖。與常規(guī)燃燒相比，爐膛燃燒器區(qū)域的NOx濃度比采用空氣分級燃燒后的NOx降低了約22.8%，同時(shí)NOx濃度高的區(qū)域面積也進(jìn)一步降低。這是由于采用空氣分級燃燒后使得燃燒器區(qū)域處于燃料過量而氧氣少量的還原性燃燒，且HCN和NHi等還原性組分增加，對NOx有還原性作用，同時(shí)燃燒的局部高溫減小使熱力型NOx和燃料型NOx進(jìn)一步減少。

圖4　常規(guī)燃燒時(shí)NOx濃度分布圖

圖5　空氣分級燃燒時(shí)NOx濃度分布圖

4.3空氣分級燃燒與常規(guī)燃燒的爐膛氧濃度對比

圖6是氧濃度隨爐膛高度的分布圖，在爐膛的主燃區(qū)15-22m中爐膛的氧濃度在空氣分級燃燒時(shí)比常規(guī)燃燒低，這使得爐膛在主區(qū)的燃燒為欠氧燃燒，局部燃燒溫度低，能夠減小熱力型NOx和燃料型NOx，同時(shí)使主燃區(qū)為還原性氛圍，能夠使HCN等過渡產(chǎn)物還原NOx為N2，從而抑制NOx的生成。當(dāng)采用空氣分級燃燒時(shí)在主燃區(qū)上方由于燃盡風(fēng)的噴入使該區(qū)域的氧濃度比常規(guī)燃燒時(shí)略有升高，隨著爐膛的高度進(jìn)一步增加，兩種燃燒方式都趨于燃盡階段，氧濃度進(jìn)一步降低趨于平衡。

5　結(jié)論

（1）兩種燃燒方式的主燃燒器區(qū)一、二次風(fēng)采用同向切圓，由模擬結(jié)果可知在常規(guī)燃燒工況下，爐膛的NOx濃度整體水平較高，爐膛溫度也較高，且NOx的分布主要集中在溫度較高的主燃燒區(qū)。

圖6　空氣分級燃燒分布圖

（2）采用空氣分級燃燒技術(shù)后，抽取總風(fēng)量的20%作為燃盡風(fēng)，爐膛的主燃區(qū)變?yōu)榍费跞紵斐芍魅紖^(qū)的還原性氛圍，且使?fàn)t膛主燃區(qū)的局部高溫區(qū)域溫度變低，從抑制NOx生成和還原NOx為N2兩方面使得爐膛整體NOx濃度明顯下降，相比常規(guī)燃燒方式NOx降低了約22.8%，說明空氣分級燃燒達(dá)到了降低NOx的目的。

（3）模擬的兩種工況中二次風(fēng)偏轉(zhuǎn)25°，一次風(fēng)偏轉(zhuǎn)35°。這樣做的目的使得主燃區(qū)在水平方向上形成空氣分級燃燒，能夠推遲空氣和燃料的混合，降低主燃區(qū)的溫度峰值，有利于抑制熱力型NOx和燃料型NOx的生成，同時(shí)也能夠在一次風(fēng)和水冷壁之間形成一層冷風(fēng)膜，防止水冷壁腐蝕、爆管和結(jié)渣等問題的發(fā)生。

（4）對比空氣分級燃燒和常規(guī)燃燒的氧濃度分布得出，在主燃區(qū)中前者氧濃度比后者低，使主燃區(qū)發(fā)生欠氧燃燒，但在燃盡風(fēng)噴口位置高度的氧濃度要比后者高，發(fā)生的是過氧燃燒，屬于燃盡階段，但燃燒的溫度降低，NOx的生成受到限制。

［1］車得福，莊正寧，李軍，等.鍋爐［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，2008：56-89.

［2］毛健雄.煤的清潔燃燒［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：66-98.

［3］朱懿灝.空氣分級低NOx燃燒技術(shù)在電廠的工程應(yīng)用［D］.北京：清華大學(xué)，2013.

［4］何佩鰲.我國燃煤電廠NOx控制和潔凈燃燒技術(shù)［J］.電站系統(tǒng)工程，1993（1）：36-48.

［5］董利.爐內(nèi)空氣分級低NOx燃燒技術(shù)［J］.電站系統(tǒng)工程，2003，19（6）：47-49.

［6］李代力.基于SOFA風(fēng)改造的300MW煤粉鍋爐燃燒優(yōu)化數(shù)值模擬研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2012.

Research on low NOx Air Staged Combustion Technology

Hu Guangtao Jiao Liangliang Zhou DandanZhai Panpan
（School of Energy and Engineering，Yulin University，Yulin Shanxi 719000）

This paper mainly carries out a combustion simulation study on a 300MW pulverized coal boilerby us?ingFLUENT fluid calculation software，the combustion conditionsof the boiler using conventional combustion and air stagedcombustionand are calculated.The results show that the overall temperature of air staged combustionfur?nace decreased significantly，NOx concentration decreased and oxygen concentrationof main combustion zone re?duced，indicating that the combustion method is an ideal low NOx combustion mode.

low NOx；combustion technology

TK227

A

1003-5168（2015）05-0106-3

2015-4-20

胡廣濤（1987.10-），男，助教，碩士，研究方向：能源利用及節(jié)能技術(shù)。