660 MW火電機(jī)組低氮燃燒優(yōu)化及數(shù)值模擬研究

王 匡，白 倩

(1.榆林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 榆林 719000； 2.子洲縣工貿(mào)局，陜西 子洲 718400)

火力發(fā)電是我國(guó)消耗煤炭資源最多的行業(yè)，現(xiàn)階段我國(guó)電力供應(yīng)仍然以火力發(fā)電為主，火力發(fā)電占全國(guó)總供電量的70%以上[1-2]。然而，以煤炭為原料的火力發(fā)電也存在硫、氮、煙塵等污染物的排放問(wèn)題[3]，硫、氮等排放物也是形成光化學(xué)污染和酸雨的主要原因，電力企業(yè)有必要從技術(shù)層面加以改進(jìn)，以減少電力生產(chǎn)對(duì)生態(tài)環(huán)境生成的污染。根據(jù)GB 13223—2011《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，燃煤鍋爐煙氣中NOx和SO2濃度不得高于200 mg/m3，部分型號(hào)較舊的火電機(jī)組需要通過(guò)適當(dāng)?shù)母脑觳拍苓_(dá)到這一排放標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。閆東海等[6]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)600 MW機(jī)組四角切圓燃燒煤粉鍋爐燃盡風(fēng)率、燃盡風(fēng)高以及燃燒器的布置策略進(jìn)行分析，并重點(diǎn)探究組分分布、溫度、分布、燃燒速度對(duì)NOx濃度的影響，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，空氣分組燃燒技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)針對(duì)主燃區(qū)O2濃度的控制，進(jìn)而降低NOx最終排放量，但對(duì)于鍋爐效率和煤粉燃盡率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此，本次研究采用空氣分級(jí)燃燒技術(shù)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，改善爐內(nèi)組分分布，深入分析660 MW火電機(jī)組鍋爐NOx生成量與各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而提出具體的改善措施，在不影響煤炭燃燒效率的情況下降低鍋爐NOx原始排放量。

1 鍋爐幾何模型及網(wǎng)格劃分

此次研究針對(duì)660 MW火電機(jī)組所采用的亞臨界CFB鍋爐實(shí)施低氮燃燒分析，該鍋爐的主要特點(diǎn)為單爐膛、無(wú)外置換熱器、大布風(fēng)板結(jié)構(gòu)、3個(gè)分離器非對(duì)稱(chēng)分布于后墻，其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[7-8]。本次研究利用SolidWorks軟件針對(duì)鍋爐爐膛部分建立三維幾何模型，設(shè)置X方向?yàn)闋t深，頂部深度和底部深度分別為9.8 m和4.7 m；Z方向?yàn)闋t寬，共27 m，Y方向?yàn)闋t高，共41.15 m。一次風(fēng)入口位于爐膛下部，二次風(fēng)入口位于前、后墻表面，給煤口位于前墻下部，進(jìn)入爐膛的煤炭燃燒首先被一、二次風(fēng)流化，大粒徑物料經(jīng)分離處理后于分離器底部口排出，分離出來(lái)的物料在流化風(fēng)的作用下經(jīng)由返料口進(jìn)入爐膛，最后從位于后墻上部的出口排出，爐膛具體尺寸如圖2所示。

圖1 CFB鍋爐整體示意

圖2 爐膛具體尺寸

此次研究通過(guò)ICEM軟件針對(duì)660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐的三維模型實(shí)施網(wǎng)格劃分處理，爐膛模型上、下部分別采用四面體和六面體的劃分模式，在此基礎(chǔ)上對(duì)兩種網(wǎng)格的連接面實(shí)施耦合處理。對(duì)比分析爐膛出口在不同網(wǎng)格數(shù)下的煙氣溫度，得到如圖3所示的分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)爐膛出口溫度受網(wǎng)格數(shù)的影響較小，且在網(wǎng)格數(shù)超過(guò)112萬(wàn)后，爐膛出口溫度穩(wěn)定在1 456 K左右，因此將網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定為112萬(wàn)個(gè)，最終的爐膛網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖3 爐膛出口溫度隨網(wǎng)格數(shù)量的變化情況

圖4 爐膛網(wǎng)格劃分結(jié)果

2 模擬邊界條件

研究對(duì)660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐的滿(mǎn)負(fù)荷狀態(tài)實(shí)施模擬，模擬計(jì)算所采用的燃燒由褐煤、泥煤及煤矸石混合組成，具體參數(shù)如下：Qnet.ar為12.38 MJ/kg；Vdaf為42.9%；Mar為12%；Aar為44.42%；Sar為0.65%；Oar為6.31%；Har為1.97%；Car為34.14%。

將該狀態(tài)下的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)設(shè)定為邊界條件，具體參數(shù)如下：一次風(fēng)速2 m/s，一次風(fēng)溫545 K、壓力12.7 kPa，二次風(fēng)速40 m/s，二次風(fēng)溫545 K、壓力8.5 kPa；二次風(fēng)向傾斜角度水平向下30°，給煤量64.4 kg/s，給煤密度2 000 kg/m3，給煤直徑1.5 mm，石灰石粒徑1.5 mm，初始床高800 mm，壁面溫度973 K，出口壓力-50 Pa，鈣硫比2.0，循環(huán)倍率27%。

3 模擬分析

此次研究分別建立了3種不同的鍋爐運(yùn)行工況，并對(duì)各工況下?tīng)t膛內(nèi)的燃燒情況進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與初始工況(上、下二次風(fēng)入射角度同為水平向下30°，一、二次風(fēng)配風(fēng)比1∶1，上、下二次風(fēng)配風(fēng)比1∶1)進(jìn)行對(duì)比。3種預(yù)設(shè)工況如下：①調(diào)整一、二次風(fēng)配風(fēng)比。分別將一、二次風(fēng)配風(fēng)比設(shè)定為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，監(jiān)測(cè)爐膛出口的NOx濃度值，進(jìn)而獲取合理的一、二次風(fēng)配風(fēng)比。②調(diào)整上、下二次風(fēng)配風(fēng)比。分別將上、下次風(fēng)配風(fēng)比設(shè)定為2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，監(jiān)測(cè)爐膛出口的NOx濃度值，進(jìn)而獲取合理的上、下次風(fēng)配風(fēng)比。③調(diào)整上、下二次風(fēng)入射角度。分別將上、下二次風(fēng)入射角度設(shè)定為上下二次風(fēng)同為水平向上30°、上下二次風(fēng)同為水平0°、上下二次風(fēng)同為水平向下30°、上下二次風(fēng)入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°、上下二次風(fēng)入射角度分別為水平向下30°和水平向上30°，監(jiān)測(cè)爐膛出口的NOx濃度值，進(jìn)而獲取合理的上、下二次風(fēng)入射角度。

4 結(jié)果分析

4.1 NOx生成量與一、二次風(fēng)配風(fēng)比之間的關(guān)系

各一、二次風(fēng)配風(fēng)比條件下660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐爐內(nèi)NO濃度云圖如圖5所示，NO濃度沿爐膛高度方向如圖6所示。

圖5 各一、二次風(fēng)配風(fēng)比下?tīng)t內(nèi)NO濃度

圖6 各一、二次風(fēng)配風(fēng)比下?tīng)t內(nèi)NO濃度隨爐膛高度的變化情況

經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，爐膛內(nèi)NO濃度變化趨勢(shì)在各參數(shù)條件下基本相同，整體趨勢(shì)均體現(xiàn)出降—升—降的特點(diǎn)。出現(xiàn)該狀況的原因主要在于，位于爐膛下部的氮元素與氧氣發(fā)生還原反應(yīng)并產(chǎn)生N2氣體，進(jìn)而降低爐膛下部NO濃度[9]。然而在上二次風(fēng)將空氣注入爐內(nèi)的過(guò)程中，燃料中的氮元素又與新進(jìn)O2發(fā)生反應(yīng)并產(chǎn)生NO，進(jìn)而增加爐內(nèi)NO濃度；而爐膛上部區(qū)域的NO濃度低于爐膛下部，且會(huì)與CO發(fā)生還原反應(yīng)，進(jìn)而降低NO濃度[10-12]。根據(jù)模擬結(jié)果可知，爐膛出口處NO濃度在一、二次風(fēng)配風(fēng)比為1∶2的情況下達(dá)到最低水平。爐膛下部空氣在一次風(fēng)占比增大的情況下無(wú)法滲透，位于爐膛下部的氮化合物未參與反應(yīng)，致使氮元素?zé)o法轉(zhuǎn)換為N2，進(jìn)入爐膛上部區(qū)域后，燃料與空氣的接觸更加充分，在氮化反應(yīng)的作用下，燃燒中的氮元素被轉(zhuǎn)化為NO，進(jìn)而增加爐膛出口NO濃度[13]。而在二次風(fēng)占比過(guò)大的情況下，貫穿整個(gè)爐膛的二次風(fēng)又會(huì)替換一部分位于爐膛下部的還原性氣氛，致使NO還原反應(yīng)受到抑制，增加爐膛出口NO濃度[14]。

綜上所述，對(duì)于660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐來(lái)說(shuō)，在一、二次風(fēng)配風(fēng)比例為1∶2的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為139.52 mg/m3。同時(shí)爐膛出口煙氣溫度約為1325.5K，爐內(nèi)最高溫度約為1 566.4 K，均位于合理區(qū)間，爐內(nèi)燃燒狀況正常。

4.2 NOx生成量與上、下二次風(fēng)配風(fēng)比的關(guān)系

各上、下二次風(fēng)配風(fēng)比條件下660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐爐內(nèi)NO濃度云圖如圖7所示，NO濃度沿爐膛高度方向如圖8所示。經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，在上、下二次風(fēng)比為2∶1的情況下，爐內(nèi)NO濃度達(dá)到最低水平。在上、下二次風(fēng)比小于2∶1的情況下，下二次風(fēng)占比增加，進(jìn)而增加爐膛下部氧氣，縮減還原性氣氛空間，控制NO的還原反應(yīng)，最終提升爐內(nèi)NO濃度[15-16]。在上、下二次風(fēng)比為2∶1的情況下，上二次風(fēng)占比增加，貫穿整個(gè)爐膛的上二次風(fēng)會(huì)將空氣擠壓至爐膛下部，弱化爐膛下部還原性氣氛，致使?fàn)t內(nèi)整體NO濃度增加。過(guò)強(qiáng)的上二次風(fēng)還會(huì)對(duì)固體顆粒的流化狀態(tài)造成影響，致使燃燒效率下降[17-18]。

圖7 各上、下二次風(fēng)配風(fēng)比下?tīng)t內(nèi)NO濃度

圖8 各上、下二次風(fēng)配風(fēng)比下?tīng)t內(nèi)NO濃度隨爐膛高度的變化情況

綜上所述，對(duì)于660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐來(lái)說(shuō)，在上、下二次風(fēng)配風(fēng)比例為2∶1的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為120.7 mg/m3。同時(shí)爐膛出口煙氣溫度約為1 297 K，爐內(nèi)最高溫度約為1 574 K，均位于合理區(qū)間，爐內(nèi)燃燒狀況正常。

4.3 NOx生成量與上、下二次風(fēng)入射角度的關(guān)系

各二次風(fēng)射入角度條件下660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐爐內(nèi)NO濃度云圖如圖9所示，NO濃度沿爐膛高度方向變化情況如圖10所示。經(jīng)模擬分析發(fā)現(xiàn)，爐膛出口NO濃度與爐內(nèi)還原區(qū)大小成反比，當(dāng)上下二次風(fēng)入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°時(shí)，爐膛出口 NO 濃度達(dá)到最低水平，當(dāng)上下二次風(fēng)入射角度分別為水平向下30°和水平向上30°時(shí)，爐膛出口 NO 濃度最高。出現(xiàn)該狀況的原因主要在于，當(dāng)上下二次風(fēng)入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°時(shí)，爐膛內(nèi)還原區(qū)范圍最大，NO更加容易被轉(zhuǎn)換為N2，進(jìn)而降低爐膛出口NO濃度[19-20]。

圖9 各二次風(fēng)射入角度下?tīng)t內(nèi)NO濃度

圖10 各二次風(fēng)射入角度下?tīng)t內(nèi)NO濃度隨爐膛高度的變化情況

綜上所述，對(duì)于660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐來(lái)說(shuō)，在上、下二次風(fēng)入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°的情況下，爐膛出口NO濃度最低，約為95.33mg/m3。同時(shí)爐膛出口煙氣溫度約為1 279 K，爐內(nèi)最高溫度約為1 554 K，均位于合理區(qū)間，爐內(nèi)燃燒狀況正常。

5 結(jié)論

660 MW火電機(jī)組CFB鍋爐在正常運(yùn)行的情況下，分級(jí)燃燒的最佳參數(shù)為上、下二次風(fēng)入射角度分別為水平向上30°和水平向下30°，上、下二次風(fēng)配風(fēng)比例2∶1，一、二次風(fēng)配風(fēng)比例1∶2，該狀況下?tīng)t膛出口溫度1 279 K，爐內(nèi)最高溫度1 554 K，爐膛出口NO濃度為95.33 mg/m3，原始工況下?tīng)t膛出口NO濃度為144.08 mg/m3，新工況爐膛出口NO濃度下降約33.84%。