切圓煤粉鍋爐墻式燃盡風技術的研究與應用

孔紅兵， 楊章寧， 謝 佳， 但家瑜，張山鷹， 何 維， 劉泰生

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，成都 611731； 2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

切圓煤粉鍋爐墻式燃盡風技術的研究與應用

孔紅兵1,2， 楊章寧1,2， 謝 佳1,2， 但家瑜1,2，張山鷹1,2， 何 維1,2， 劉泰生1,2

(1.清潔燃燒與煙氣凈化四川省重點實驗室，成都 611731； 2.東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司，四川自貢 643001)

在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上應用墻式燃盡風技術，研究了該技術對NOx和CO體積分數(shù)以及鍋爐效率、汽溫偏差的影響，并將通過改進模型所得的NOx質(zhì)量濃度計算值與實際值進行對比.結(jié)果表明：采用墻式燃盡風技術，通過合理配風，鍋爐NOx和CO等未燃盡可燃物體積分數(shù)均比常規(guī)角式燃盡風工況下低，在降低NOx質(zhì)量濃度的同時鍋爐效率不變，并且在解決鍋爐兩側(cè)汽溫偏差方面具有良好的效果.

煤粉鍋爐； 空氣分級； 墻式燃盡風； NOx

目前空氣分級燃燒技術是一種較成熟且應用最廣泛的降低NOx排放量的燃燒技術[1-4]，利用該技術將空氣分為2個階段送入爐膛，先將其中一部分空氣與燃料混合送入爐膛中，使燃料在富燃料條件下燃燒，可以降低燃燒溫度，從而降低熱力型NOx生成量；在燃燒中期，部分NOx又被還原，在燃燒后期再將另外一部分空氣送入爐膛中，使爐膛中的可燃物充分燃燒，此時燃燒溫度不高，因此NOx生成量也低，從而使總的NOx生成量很低.而且基于該技術演變出了很多其他類型的空氣分級燃燒技術，如更大程度的空氣深度分級、徑向空氣分級、軸向空氣分級以及兩者相結(jié)合的多種空氣分級燃燒技術[5].由于采用空氣分級，爐膛主燃燒區(qū)域氧量不足，會產(chǎn)生大量的CO及未燃盡的焦炭等可燃物，而后期通入的燃盡風(OFA)雖然可以明顯降低未燃盡可燃物的含量，但噴入爐內(nèi)的空氣不能到達所有區(qū)域，還有一部分可燃物直接離開燃盡區(qū)域，未能充分燃盡.在大量的現(xiàn)場調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，低NOx排放會導致未燃盡碳含量高且燃燒效率低，NOx排放量控制得越低，未燃盡碳將大大增加，特別是CO排放量大幅上升，鍋爐效率會降低，這種以犧牲鍋爐效率來換取低NOx排放量是不可取的.筆者采用的墻式燃盡風技術根據(jù)爐膛上部燃盡區(qū)域未燃盡可燃物的分布區(qū)域，將燃盡風布置在四周水冷壁上，沿著特定方向?qū)⒉糠挚諝馔ㄈ胛慈急M可燃物區(qū)域使其充分燃燒，并考慮可調(diào)覆蓋范圍.

筆者采用基于改進焦炭模型及NOx模型的數(shù)值計算方法研究了墻式燃盡風技術對降低NOx排放量的效果，并在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上應用該技術，分析了NOx質(zhì)量濃度、CO等未燃盡可燃物體積分數(shù)、鍋爐效率和鍋爐兩側(cè)汽溫偏差的變化.

1 墻式燃盡風技術

1.1 墻式燃盡風技術

墻式燃盡風技術可與東方鍋爐股份有限公司先進的四角切圓低氮燃燒技術進行完美結(jié)合，如水平濃淡煤粉燃燒器結(jié)合濃相大反吹，燃盡風采用“1+2”模式布置，即1層低位燃盡風、2層高位燃盡風方案，墻式燃盡風技術與“1+2”模式的不同之處在于墻式燃盡風將最上層燃盡風布置在四周水冷壁上進行配風.

所研究的鍋爐為亞臨界參數(shù)、單爐膛、一次中間再熱、平衡通風、四角切圓燃燒、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)п型鍋爐，煤質(zhì)分析見表1.

表1 煤的元素分析和工業(yè)分析

燃燒器采用水平濃淡煤粉燃燒器，燃燒器噴口上下擺動可改變火焰中心的位置，以調(diào)節(jié)再熱汽溫.每角燃燒器分為上、中、下3組，共布置15層噴口，5層一次風(A、B、C、D、E)噴口，3層角式燃盡風(OFA-1、OFA-2、OFA-3)噴口，1層墻式燃盡風(OFA-4)噴口以及7層二次風(AA、AB、BC、CC、CD、DE、EE)噴口.一次風噴口及二次風噴口能上下擺動30°，燃盡風噴口能上下擺動15°，墻式燃盡風噴口能水平左右各擺動15°.其中角式燃盡風噴口采用反切布置，可以消除煙氣旋轉(zhuǎn)，減少鍋爐兩側(cè)汽溫偏差.燃燒器噴口及燃盡風噴口布置如圖1所示.

墻式燃盡風作為降低NOx和CO排放量的重要調(diào)節(jié)手段，其擺動角度需根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)整后確定.墻式燃盡風與角式燃盡風也可以進行組合投運.

1.2 建立模型

在研究墻式燃盡風時，仍然保留常規(guī)角式第3層燃盡風噴口以進行對比.全爐膛采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，燃燒器區(qū)域保證網(wǎng)格與燃燒器出口氣流方向平行，有利于減少偽擴散的產(chǎn)生[6].同時在主燃燒區(qū)域以及噴口區(qū)域采用網(wǎng)格細化處理，以提高計算精度.

1.3 計算方法及計算模型

采用Simple算法對壓力-速度耦合進行求解，采用標準離散方式求解壓力，組分、速度和動量等采用二階迎風方式求解.采用非預混燃燒模型模擬煤粉氣流燃燒，氣相湍流燃燒采用混合分數(shù)-概率密度函數(shù)(PDF)模型.煤粉燃燒過程中各相輻射傳熱采用P1輻射模型進行計算[7-8].

在焦炭反應模型改進方面，筆者與合作單位清華大學在Fluent 缺省的焦炭燃燒反應/擴散聯(lián)合控制模型的基礎上加入了對高溫熱失活現(xiàn)象和灰分抑制作用的定量描述，同時考慮了焦炭氣化反應，建立了一個新的焦炭燃燒模型，并通過編寫用戶自定義函數(shù)(UDF)的方式在Fluent 平臺上予以實現(xiàn).與Fluent中缺省的聯(lián)合控制模型相比，新的焦炭燃燒模型可以在整個燃燒過程中準確預測焦炭轉(zhuǎn)化率[9].

圖1 燃燒器和燃盡風噴口布置圖

在NOx生成與還原模型改進方面，筆者與清華大學對Fluent缺省模型進行修改，通過一系列反應機理和計算方法準確計算和預測氣相中碳氫化合物對NOx的還原速率，從而準確計算和預測NOx的生成量.同樣建立了一個新的NOx生成模型，并通過編寫UDF的方式在Fluent平臺上予以實現(xiàn).

1.4 計算工況

墻式燃盡風的研究主要涉及墻式燃盡風的布置位置及配風方式，同時考慮到需要與常規(guī)角式燃盡風工況進行對比，因此計算工況設定如表2所示.

表2 數(shù)值模擬計算工況

工況1主要是研究墻式燃盡風的布置位置，通過不設燃盡風，根據(jù)爐膛中O2的消耗程度在特定層高補充燃盡風，同時分析未燃盡可燃物的分布區(qū)域，從而設定墻式燃盡風的噴口位置.工況2和工況3對比研究墻式燃盡風與常規(guī)角式燃盡風工況下的NOx體積分率.工況4研究墻式燃盡風的配風方式對燃燒以及NOx和CO排放量的影響，由于工況4中所有燃盡風噴口全開，風速要略低，但為保證燃盡風風速的剛性和穿透力，風速不能太低，應取一個合適值，因此其燃盡風風率略高于其他工況.

1.5 計算結(jié)果與分析

1.5.1 墻式燃盡風高度布置位置分析

鍋爐燃盡風的布置采用多級燃盡風技術，空氣根據(jù)煤粉氣流燃燒過程中對O2體積分數(shù)的需求合理供應，保證每個階段O2都能很好地與煤顆粒反應，且無多余空氣用于生成NOx，同時在還原區(qū)使NOx盡可能多的被還原，因此OFA-1的送入位置就顯得尤為重要.

圖2和圖3給出了不同爐膛高度下溫度以及NOx、CO和O2體積分數(shù)的變化.由圖2和圖3可以看出，在燃燒器區(qū)域溫度總體趨勢是逐步升高的，而O2體積分數(shù)是逐漸降低的.由于中、下2組噴口有一定的間距，NOx在這2組燃燒器之間被還原，NOx體積分數(shù)略有下降；而在中組噴口之后，爐膛溫度逐漸降低，NOx在后續(xù)還原區(qū)內(nèi)持續(xù)被還原，NOx體積分數(shù)一直降低.由于工況1未通入燃盡風，燃盡區(qū)域未有再次燃燒現(xiàn)象，溫度持續(xù)降低，NOx體積分數(shù)基本上也以相同的還原速率持續(xù)下降，一直到屏式過熱器底部還未出現(xiàn)減緩階段，因此從降低NOx體積分數(shù)方面考慮通入OFA-1是不現(xiàn)實的.在爐膛高度30～34 m區(qū)域，CO體積分數(shù)基本持平，說明此區(qū)域CO生成量與消耗量基本相同，由于CO生成和消耗都需要O2，因此O2體積分數(shù)急劇下降.而在爐膛高度34 m之后，CO體積分數(shù)開始明顯下降，而O2體積分數(shù)下降緩慢，說明該區(qū)域爐膛中的O2差不多被消耗殆盡，CO體積分數(shù)下降；因此在此高度通入OFA-1較為合理，而后續(xù)的OFA-2和OFA-3則根據(jù)已有的技術和經(jīng)驗在相應的爐膛高度送入即可，其中墻式燃盡風OFA-4與OFA-3的噴口布置高度相同.空氣階段性的供給既保證焦炭有足夠的時間與O2反應，又可防止高過量空氣系數(shù)下NOx重新生成.

圖2 工況1不同爐膛高度下溫度及NOx和CO體積分數(shù)的變化

圖3 工況1不同爐膛高度下O2體積分數(shù)的變化

1.5.2 墻式燃盡風噴口水平布置位置分析

墻式燃盡風的作用主要是降低未燃盡可燃物含量，提高煤粉燃盡度，使鍋爐在NOx排放量及鍋爐效率上獲得綜合效果，因此墻式燃盡風噴口的布置需要根據(jù)可燃物的分布區(qū)域來進行判斷.圖4和圖5分別給出了工況1燃盡區(qū)域CO和未燃盡可燃物體積分數(shù)的分布.由圖4和圖5可知，未燃盡可燃物有一部分集中在爐膛中央.因此，墻式燃盡風噴口水平布置位置在四周水冷壁上(見圖6).

圖4 工況1燃盡區(qū)域CO體積分數(shù)的分布

圖5 工況1燃盡區(qū)域未燃盡可燃物體積分數(shù)的分布

圖6 墻式燃盡風噴口布置示意圖

1.5.3 墻式燃盡風的配風方式分析

墻式燃盡風的配風按照工況2～工況4的邊界條件分別進行計算，結(jié)果見圖7～圖10和表3.

由圖7和圖8可以看出，工況2～工況4的燃燒工況都接近，切圓大小大致相同，溫度也接近.其主要原因是主燃燒區(qū)域風量差不多，工況4由于燃盡風風率略高，主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)略低，在燃燒前期溫度比工況2和工況3略低，而在后期燃盡區(qū)域因過量空氣系數(shù)略高，燃燒更好，溫度也略高.

由圖9可以看出，3個工況下NOx體積分數(shù)沿爐膛高度方向的分布趨勢相同，在燃燒器區(qū)域一直升高，在2組燃燒器區(qū)間略有降低，之后繼續(xù)升高，隨后在還原區(qū)內(nèi)大量NOx被還原,其體積分數(shù)急劇下降，在燃盡風區(qū)域由于燃盡風的通入，再次發(fā)生燃燒,NOx體積分數(shù)再次升高，最后降低直至平穩(wěn).其中工況4的NOx體積分數(shù)最低，主要是因為工況4的燃盡風風率比工況2和工況3略高，在主燃燒區(qū)域過量空氣系數(shù)略小，溫度比工況2和工況3低，因此NOx體積分數(shù)也略低.

圖7 不同工況下中間層一次風風速分布

圖8 不同工況下沿爐膛高度方向的溫度變化

由圖10可以看出，工況3的煙溫分布比工況2更加均勻，說明工況3在鍋爐兩側(cè)汽溫偏差方面比工況2好；而工況4的煙溫分布比工況3要差一些，主要可能是因為燃盡風噴口全開，燃盡風風速比工況3略低，導致反切消旋效果受到影響，但反切消旋效果仍比工況2略好.

圖9 不同工況下沿爐膛高度方向的NOx體積分數(shù)變化

單位:K

表3 主要計算結(jié)果

由表3可以看出，與工況2相比，工況3的出口O2體積分數(shù)較低，且其CO和NOx體積分數(shù)也較低，煤粉燃燒強度較好；與工況2相比，工況4的CO和NOx體積分數(shù)以及出口O2體積分數(shù)均較低.

綜上所述，墻式燃盡風技術相對于常規(guī)角式燃盡風具有較大優(yōu)勢.

2 墻式燃盡風技術的工程應用

將墻式燃盡風技術應用在某電廠330 MW四角切圓煤粉鍋爐上，該鍋爐在設計制造時仍保留原角式布置的3層燃盡風噴口以進行對比，另外在四周水冷壁上布置1層墻式燃盡風噴口，現(xiàn)場實際運行情況如下所述.

2.1 NOx排放情況

鍋爐運行時，分別按照工況2～工況4設定方案，對不同燃盡風風門擋板開度進行調(diào)試，NOx質(zhì)量濃度計算值與實際值的對比如圖11所示.由圖11可以看出，NOx質(zhì)量濃度計算值與實際值相差不大，兩者誤差在10%以內(nèi).從實際運行情況來看，開啟墻式燃盡風工況下的NOx質(zhì)量濃度都要比開啟常規(guī)角式燃盡風工況下要低.

圖11 不同工況下NOx質(zhì)量濃度計算值與實際值的對比

2.2 鍋爐效率情況

采用空氣分級燃燒時，開啟和關閉墻式燃盡風工況下的燃盡風風率是一樣的，在主燃燒區(qū)域的過量空氣系數(shù)也一樣，燃燒強度基本沒什么變化.而墻式燃盡風工況下的NOx質(zhì)量濃度低于常規(guī)角式燃盡風工況，這主要是因為燃盡風從水冷壁四周進入爐膛改變了流場，加強了煙風的混合，且墻式燃盡風從水冷壁四周射入爐膛，本身覆蓋范圍就比角式燃盡風覆蓋范圍廣，同時墻式燃盡風采用反切布置，提升了煙氣整體的混合強度.綜合試驗數(shù)據(jù)計算可知，與常規(guī)角式燃盡風工況相比，開啟墻式燃盡風工況下(包括工況3和工況4)，鍋爐效率基本接近，并沒有因NOx質(zhì)量濃度的降低而下降.

2.3 鍋爐汽溫偏差情況

切圓煤粉鍋爐普遍存在汽溫偏差較大的問題，如果汽溫偏差過大，會嚴重影響鍋爐的安全、經(jīng)濟運行.目前，解決切圓煤粉鍋爐汽溫偏差較大比較有效的措施之一是消旋，采用消旋風消除煙氣的殘余旋轉(zhuǎn)來減少鍋爐兩側(cè)汽溫偏差[10-11].墻式燃盡風的布置本身采用反切布置，且可以左右水平擺動，布置在水冷壁四面墻中心附近，而此處是爐膛主旋轉(zhuǎn)氣流最弱的地方，在此處噴入墻式燃盡風，氣流受鍋爐主氣流順帶的影響大大減弱，有足夠的剛性來抵抗主旋轉(zhuǎn)氣流，可以大幅度消除煙氣旋轉(zhuǎn).實際運行時，鍋爐高溫過熱器兩側(cè)汽溫偏差在1 K左右波動，兩側(cè)減溫水量也較小，兩側(cè)金屬壁溫偏差在27 K以內(nèi)，因此墻式燃盡風在解決汽溫偏差方面效果良好.

3 結(jié) 論

(1) 采用新的焦炭燃燒模型和NOx生成模型所得NOx質(zhì)量濃度計算值與實際值較接近，兩者誤差在10%以內(nèi).

(2) 墻式燃盡風在降低NOx質(zhì)量濃度上比常規(guī)角式燃盡風具有良好的優(yōu)勢，且在降低NOx質(zhì)量濃度同時CO等未燃盡可燃物體積分數(shù)也降低，并且可使鍋爐效率不降低，甚至略有提高.

(3) 采用墻式燃盡風可以更好地消除煙氣殘余旋轉(zhuǎn)，以解決切圓煤粉鍋爐汽溫偏差問題，比常規(guī)角式燃盡風反切布置更加有效.

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ResearchandApplicationofWallArrangementOFATechnologyinTangentially-firedBoilers

KONGHongbing1,2,YANGZhangning1,2,XIEJia1,2,DANJiayu1,2,ZHANGShanying1,2,HEWei1,2,LIUTaisheng1,2
(1. Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province, Chengdu 611731, China; 2. Dongfang Boiler Group Co., Ltd., DBC, Zigong 643001, Sichuan Province, China)

A wall arrangement over fire air (OFA) technology developed by DBC was applied in a 330 MW tangentially-fired pulverized coal boiler. Based on the comparison between actual operation data and the results calculated with an improved model, the effects of wall arrangement OFA technology on following parameters were studied, such as the NOxemission, CO emission, boiler efficiency and the steam temperature deviation, etc. Results show that through reasonable air distribution, the NOxemission, CO emission and the concentration of other unburned fuel particles with OFA in wall arrangement are lower than that of conventional corner arrangement, while the boiler efficiency is kept unchanged, which has also good effects in eliminating the temperature deviation on both sides of the boiler.

pulverized coal boiler; air-staged combustion; wall arrangement over fire air; NOx

2016-12-26

2017-01-09

孔紅兵(1984-)，男，湖北咸寧人，工程師，碩士，研究方向為電站鍋爐燃燒系統(tǒng)的開發(fā)與設計.電話(Tel．)：028-83626632；E-mail：hb_kong@163.com．

1674-7607(2017)12-0950-06

TK227.1

A

470.30