低負(fù)荷煙氣再循環(huán)對煤粉鍋爐燃燒及NOx排放的影響

劉坤朋，魏 博，陳麗娟，王建江，李 建，劉江山

(新疆大學(xué) 煤炭清潔轉(zhuǎn)化與化工過程自治區(qū)重點實驗室， 烏魯木齊 830046)

火電機組靈活性改造是當(dāng)前電力供給側(cè)改革的有效途徑，是響應(yīng)電網(wǎng)深度調(diào)峰政策的必要選擇[1-2]。在深度調(diào)峰期間機組長期處于低負(fù)荷運行狀態(tài)，過量空氣系數(shù)相對偏大，且為了保證一次風(fēng)的攜粉能力，一次風(fēng)量占總風(fēng)量的比例不能隨負(fù)荷的降低而降低，這使得一次風(fēng)中氧煤質(zhì)量比過大，燃燒初期氧體積分?jǐn)?shù)較高，導(dǎo)致煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx排放質(zhì)量濃度增大，難以達(dá)到目前的排放標(biāo)準(zhǔn)[3-4]。

胡滿銀等[5]探究了二次風(fēng)摻混煙氣對爐膛內(nèi)燃燒的影響，發(fā)現(xiàn)帶有煙氣再循環(huán)時爐膛內(nèi)平均溫度和最高溫度均明顯下降，同時NOx生成量降幅較大。陳松林等[6]針對煙氣再循環(huán)在四角切圓煤粉鍋爐上的應(yīng)用進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)二次風(fēng)摻煙量越大，爐膛內(nèi)溫度下降越快，NOx排放質(zhì)量濃度越低。孫俊威等[7]研究了不同煙氣抽出點和再循環(huán)煙氣量對鍋爐運行參數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在省煤器出口抽取再循環(huán)煙氣并送入爐膛底部的方案對鍋爐效率的影響較小。李永生等[8]研究了不同負(fù)荷下再循環(huán)煙氣量對爐膛內(nèi)燃燒及NOx生成量的影響。

在低負(fù)荷條件下采用一次風(fēng)煙氣再循環(huán)方式，使氧體積分?jǐn)?shù)與一次風(fēng)量解耦，在保證一次風(fēng)攜粉能力的同時可降低燃燒初期的氧體積分?jǐn)?shù)。董信光等[9]通過實驗驗證了一次和二次冷煙氣再循環(huán)在提升鍋爐深度調(diào)峰方面的效果，結(jié)果表明一次冷煙氣再循環(huán)對于降低NOx排放質(zhì)量濃度的效果明顯，而二次冷煙氣再循環(huán)在提升選擇性催化還原(SCR)系統(tǒng)進(jìn)口煙氣溫度和再熱蒸汽溫度方面效果明顯，但冷煙氣再循環(huán)會影響鍋爐燃燒。景雪暉等[10]采用數(shù)值模擬方法研究了一次風(fēng)煙氣再循環(huán)方式對爐膛內(nèi)燃燒和NOx排放情況的影響，結(jié)果表明采用此方式能夠達(dá)到一定的NOx減排效果。由于再循環(huán)煙氣所起的作用與再循環(huán)煙氣量、煙氣從尾部煙道抽出位置及再循環(huán)煙氣送入爐膛位置有關(guān)，因此筆者采用省煤器進(jìn)口煙氣進(jìn)行再循環(huán)，研究煙氣循環(huán)率對爐膛內(nèi)燃燒的影響。

以某亞臨界330 MW機組燃煤鍋爐為研究對象，采用Fluent軟件對鍋爐在低負(fù)荷條件下一次風(fēng)煙氣再循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同煙氣循環(huán)率對爐膛內(nèi)部溫度場、煙氣中CO和O2體積分?jǐn)?shù)以及NOx排放情況的影響。

1 研究對象

某亞臨界330 MW機組燃煤鍋爐為SG-1180/17.5-M4004型中間一次再熱、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒的∏型鍋爐。制粉系統(tǒng)采用A、B、D磨煤機運行方式。鍋爐燃用煤質(zhì)見表1，鍋爐低負(fù)荷運行參數(shù)見表2。

表1 煤質(zhì)分析

表2 鍋爐低負(fù)荷運行參數(shù)

2 計算方法

2.1 網(wǎng)格劃分

采用Gambit軟件對鍋爐進(jìn)行1∶1三維建模，其中鍋爐爐膛寬15 390 mm、深13 640 mm，爐頂標(biāo)高為60 400 mm。為了更準(zhǔn)確地模擬鍋爐燃燒情況，劃分網(wǎng)格時對主燃區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格加密，見圖1(a)。為了減弱偽擴散的影響，對主燃區(qū)部分網(wǎng)格進(jìn)行特殊處理，減小流動方向與網(wǎng)格線的夾角，從而減小偽擴散帶來的誤差[11]。

(a) 鍋爐整體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

(b) 主燃區(qū)截面網(wǎng)格

為了選取合適的網(wǎng)格數(shù)，在計算前進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性測試。在爐膛內(nèi)取1條特征線，不同網(wǎng)格數(shù)下沿特征線的爐膛溫度分布見圖2。由圖2可以看出，網(wǎng)格數(shù)為1 029 570和1 600 586時計算結(jié)果基本一致，因此選擇網(wǎng)格數(shù)為1 029 570。

圖2 網(wǎng)格無關(guān)性測試結(jié)果

2.2 計算模型

爐膛內(nèi)燃燒包括氣相流動、湍流燃燒、輻射傳熱和污染物排放等過程。氣相流動選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，氣相燃燒選用組分輸運和化學(xué)反應(yīng)模型，顆粒運動選用隨機軌道模型，煤的熱解選用雙方程平行反應(yīng)模型，焦炭燃燒采用動力/擴散控制模型，輻射傳熱采用P1模型。NOx的生成模擬采用后處理方法，熱力型NOx和燃料型NOx分別采用擴展的Zeldovich機理和de-Soete模型進(jìn)行描述[12-13]，焦炭N的轉(zhuǎn)化系數(shù)取0.6[14]。

2.3 計算工況與方法

抽取省煤器進(jìn)口煙氣，通過外部循環(huán)風(fēng)機將其送至磨煤機進(jìn)口并與一次風(fēng)混合，用于輸送煤粉。在各工況下加入的再循環(huán)煙氣進(jìn)入一次風(fēng)，等量減少原一次風(fēng)量，減少的部分加至二次風(fēng)，從而保證總風(fēng)質(zhì)量流量不變，此時隨著煙氣循環(huán)率的提高，過量空氣系數(shù)不變。不同煙氣循環(huán)率下一次風(fēng)各組分的體積分?jǐn)?shù)見圖3。

圖3 不同煙氣循環(huán)率下一次風(fēng)各組分的體積分?jǐn)?shù)

鍋爐實際運行時省煤器進(jìn)口煙氣溫度為376 ℃，原磨煤機一次風(fēng)進(jìn)口溫度為275 ℃，摻入煙氣后磨煤機的進(jìn)口溫度會有一定程度的升高，但磨煤機進(jìn)口氧體積分?jǐn)?shù)會大幅降低，從而使煤粉的著火溫度大幅提高，因此摻入煙氣后在此溫度和氧體積分?jǐn)?shù)下仍能保證磨煤機的安全運行[15]。同時，影響磨煤機運行安全性的關(guān)鍵因素在于磨煤機內(nèi)部一次風(fēng)與煤粉的換熱過程，因此及時清除積聚的煤粉能夠進(jìn)一步保證磨煤機的安全運行[16]。

2.4 模型驗證

將鍋爐各參數(shù)的運行結(jié)果與無煙氣再循環(huán)條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行比較，驗證所選模型的可靠性，見表3。通過計算可知，各參數(shù)模擬結(jié)果與運行結(jié)果的誤差均小于5%，表明所選模型和參數(shù)基本合理，能夠較準(zhǔn)確地模擬不同煙氣循環(huán)率的工況。

表3 鍋爐各參數(shù)運行結(jié)果與模擬結(jié)果的對比

3 計算結(jié)果與分析

3.1 煙氣循環(huán)率對爐膛內(nèi)截面平均溫度的影響

圖4為不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)截面平均溫度的變化。從圖4可以看出，有、無煙氣再循環(huán)條件下截面平均溫度的變化趨勢基本一致。在冷灰斗部分(爐膛高度13 m以下)截面平均溫度較低，隨著爐膛高度的增加，截面平均溫度逐漸升高，在主燃區(qū)之后(爐膛高度27 m以上)爐膛內(nèi)煙氣與爐膛內(nèi)受熱面換熱，導(dǎo)致截面平均溫度逐漸降低。

圖4 不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)截面平均溫度的變化

從圖4還可以看出，與無煙氣再循環(huán)相比，在有煙氣再循環(huán)條件下主燃區(qū)的截面平均溫度明顯降低。無煙氣再循環(huán)和煙氣循環(huán)率為20%時，爐膛中心區(qū)域的截面平均溫度最高分別為1 592 K和1 421 K。此外，隨著煙氣循環(huán)率的提高，爐膛出口煙氣溫度逐漸降低，煙氣循環(huán)率為20%時爐膛出口煙氣溫度較無煙氣再循環(huán)時下降55 K。當(dāng)煙氣循環(huán)率為20%時，爐膛內(nèi)部溫度仍保持在較高水平，且溫度場穩(wěn)定，能夠滿足煤粉的穩(wěn)定燃燒。同時，在煙氣再循環(huán)條件下，為促進(jìn)煤粉的著火及燃盡，需進(jìn)一步考慮減小煤粉細(xì)度。

3.2 煙氣循環(huán)率對爐膛內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的影響

圖5為不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)隨爐膛高度的變化。從圖5可以看出，隨著爐膛高度的增加，爐膛內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)先增加，后隨著煤粉的燃燒，氧體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，在爐膛出口位置氧體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最低。另外，隨著煙氣循環(huán)率的提高，燃燒初期氧體積分?jǐn)?shù)逐漸減小，爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。這是由于鍋爐尾部煙氣中含有一定體積分?jǐn)?shù)的氧，隨著煙氣循環(huán)率的提高，循環(huán)進(jìn)入鍋爐爐膛的氧體積分?jǐn)?shù)增加，使得爐膛出口的氧體積分?jǐn)?shù)增加。同時，由于低溫低氧環(huán)境對煤粉的燃燒產(chǎn)生了一定影響，降低了氧氣的消耗速率，使得爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)增加。

圖5 不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)的變化

3.3 煙氣循環(huán)率對爐膛內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的影響

圖6為不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的變化。從圖6可以看出，在不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)部CO體積分?jǐn)?shù)變化趨勢基本一致。隨著爐膛高度的增加，CO體積分?jǐn)?shù)出現(xiàn)3個峰值，這是由于燃燒器投運A層、B層和D層，在各層煤粉噴口之間，由于二次風(fēng)的加入提供了大量的氧氣，CO體積分?jǐn)?shù)短暫減小。此外，隨著煙氣循環(huán)率的提高，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。這是由于隨著煙氣循環(huán)率的提高，煤粉燃燒時氧體積分?jǐn)?shù)減小，降低了煤粉的燃燒速率，導(dǎo)致CO體積分?jǐn)?shù)減小。

圖6 不同煙氣循環(huán)率下爐膛內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)的變化

3.4 煙氣循環(huán)率對爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度、煤粉燃盡率和NOx減排效率的影響

圖7給出了不同煙氣循環(huán)率下爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度、煤粉燃盡率和NOx減排效率的變化。從圖7可以看出，采用煙氣再循環(huán)能降低爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度，提高鍋爐的脫硝效率，但會降低煤粉燃盡率，且隨著煙氣循環(huán)率的提高，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度減小，NOx減排效率提高，煤粉燃盡率逐漸降低。這是由于在煙氣再循環(huán)作用下，爐膛低溫?zé)煔赓|(zhì)量流量迅速增大，使得爐膛截面平均溫度降低，低溫低氧環(huán)境對煤粉的燃燒速率產(chǎn)生了一定影響；煙氣流速增大使得部分未完全燃燒的碳顆粒被帶走，煤粉燃盡率有所降低。因此，綜合考慮爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度、NOx減排效率和煤粉燃盡率等，在45%負(fù)荷率下推薦煙氣循環(huán)率為10%～15%，此時循環(huán)風(fēng)機的功率約為50 kW，假設(shè)循環(huán)煙道內(nèi)煙氣流速為10 m/s，循環(huán)煙道直徑約為0.67 m，循環(huán)風(fēng)機功率和煙道直徑均在可接受范圍內(nèi)。

圖7 爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度、煤粉燃盡率和NOx減排效率的變化

煙氣循環(huán)率為15%時，NOx排放質(zhì)量濃度為67.88 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，NOx減排效率提高了20.36%。但是，過高的煙氣循環(huán)率可能會造成煤粉燃燒時氧體積分?jǐn)?shù)過低，進(jìn)而影響煤粉的穩(wěn)定燃燒，并影響煙氣抽取點后換熱器的換熱效果。因此，綜合考慮各項因素，推薦在45%負(fù)荷率下煙氣循環(huán)率為10%～15%。

4 結(jié) 論

(1) 低負(fù)荷下將省煤器進(jìn)口煙氣再循環(huán)至一次風(fēng)中，在保證一次風(fēng)攜粉能力的同時可降低其氧體積分?jǐn)?shù)，提高再循環(huán)煙氣的溫度，使煤粉提前著火，延長煤粉在爐膛內(nèi)的燃燒時間，同時可以降低鍋爐排煙溫度。隨著煙氣循環(huán)率的提高，爐膛內(nèi)截面平均溫度和爐膛出口煙氣溫度逐漸降低，爐膛內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)降低，爐膛出口氧體積分?jǐn)?shù)增加。

(2) 隨著煙氣循環(huán)率的提高，爐膛出口NOx排放質(zhì)量濃度逐漸減小，脫硝效率逐漸提高。煙氣循環(huán)率為15%時，NOx排放質(zhì)量濃度為67.88 mg/m3(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài))，NOx減排效率提高了20.36%。但是，過高的煙氣循環(huán)率可能會造成煤粉燃燒時氧體積分?jǐn)?shù)過低，進(jìn)而影響煤粉的穩(wěn)定燃燒，并影響煙氣抽取點后換熱器的換熱效果。因此，綜合考慮各項因素，推薦在45%負(fù)荷率下煙氣循環(huán)率為10%～15%。