混燒準(zhǔn)東煤660 MW煤粉爐分離燃盡風(fēng)位置優(yōu)化研究

申朋宇，郭 鑫，劉洪鵬，王 擎，陳 祿，張曉東

(1.保定電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 動力工程系，河北 保定 071051； 2.東北電力大學(xué) 油頁巖綜合利用教育部工程研究中心， 吉林 吉林 132012； 3.中國能源建設(shè)集團(tuán) 西北電力試驗(yàn)研究院有限公司，陜西 西安 710000)

新疆準(zhǔn)東煤田是中國目前規(guī)模最大的整裝煤田，各發(fā)電集團(tuán)在新疆地區(qū)建設(shè)了大量燃用準(zhǔn)東煤的大容量燃煤發(fā)電機(jī)組。電站鍋爐燃燒產(chǎn)生的氮氧化物(NOx)，會形成酸雨、光化學(xué)煙霧環(huán)境問題。降低電站鍋爐燃燒產(chǎn)生的NOx濃度十分必要，也是國內(nèi)外電站鍋爐燃燒技術(shù)研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外目前降低鍋爐NOx排放濃度的方法主要有催化劑法和鍋爐設(shè)備升級改造2種[1]。催化劑法，是在煙道中添加催化劑，使NOx催化還原為非污染物質(zhì)，這種方法見效快，效果顯著，但成本較高；鍋爐升級改造主要有燃燒器升級、配風(fēng)方式改變、燃盡風(fēng)改造等方法，這些方法經(jīng)濟(jì)且效果較好。文獻(xiàn)[2-5]研究發(fā)現(xiàn)，采用水平濃淡燃燒、空氣分級燃燒等技術(shù)可降低NOx的排放量。然而，鍋爐爐型和燃用煤種不同，空氣分級燃燒所需設(shè)定的燃盡風(fēng)位置不盡相同。

本文以燃燒準(zhǔn)東煤、布置有分離燃盡風(fēng)的660 MW鍋爐為研究對象，應(yīng)用數(shù)值模擬方法，在準(zhǔn)東煤與北塔山煤的混燒比為8∶2、9∶1和10∶0時，改變鍋爐低位分離燃盡風(fēng)(Separated Over-fire Air，SOFA)與主燃燒器上部(即還原區(qū))的間距，分析爐內(nèi)沿爐膛高度方向氮氧化物各組分濃度，爐膛出口NOx排放濃度，結(jié)合煤粉燃盡率，得出低位SOFA最佳位置。在此基礎(chǔ)上改變高位SOFA和低位SOFA二段式分離燃盡風(fēng)(即高低位SOFA距離)的間距，進(jìn)一步得出高位分離燃盡風(fēng)的最佳位置。通過探究混燒及全燒準(zhǔn)東煤的鍋爐主燃區(qū)和燃盡區(qū)最佳的供氧位置，以達(dá)到分級燃燒的最優(yōu)效果，研究結(jié)果可為類似的爐型混燒、全燒準(zhǔn)東煤實(shí)施低NOx排放技術(shù)改造提供參考，助力準(zhǔn)東產(chǎn)業(yè)帶開發(fā)，為新疆構(gòu)建輸煤輸電并舉、輸電為主的能源運(yùn)輸體系作出貢獻(xiàn)。

1 研究對象

某廠660 MW燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐容量為2 030 t/h，過熱蒸汽壓力28.25 MPa。采用正壓直吹式冷一次風(fēng)機(jī)制粉系統(tǒng)，煤粉細(xì)度R90=15%。爐膛尺寸為20.402 m×20.072 m×78.000 m。燃燒器采用四角切圓布置，每角布置噴口28層，包含一次風(fēng)噴口6層，每層4只燃燒器對應(yīng)1臺磨煤機(jī)。主燃燒器采用低NOx的水平濃淡燃燒器。二次風(fēng)噴口15層、SOFA噴口7層。鍋爐燃用煤種見表1，爐膛結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1 煤質(zhì)特性分析Tab.1 Analysis of coal quality characteristics

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)Fig.1 Furnace structure

2 計算模型及工況

2.1 計算模型

在模擬中，采用旋流修正的Realizable k-ε雙方程湍流模型模擬氣相湍流；顆粒隨機(jī)軌道模型模擬混燒的2種煤粉顆粒的運(yùn)動；雙方程平行競爭反應(yīng)模型模擬煤的熱解；動力/擴(kuò)散控制反應(yīng)的單速率模型模擬焦炭燃燒[6-7]；輻射傳熱計算采用P1法。對于離散方程的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐線迭代法及低松弛因子，收斂標(biāo)準(zhǔn)由殘差決定，其中熱態(tài)計算時，認(rèn)為能量和輻射傳熱的殘差小于10-6，其他各項(xiàng)的計算殘差小于10-3。煤粉以離散相(DPM)的形式通過20個一次風(fēng)入口截面給入爐膛，煤粉顆粒的粒徑遵循Rosin-Rammler分布。2種煤焦的化學(xué)動力參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[8]確定，具體見表2，煤粉粒徑10～250 μm，平均65 μm，分布指數(shù)1.5。

表2 煤焦氣化動力學(xué)參數(shù)Tab.2 Kinetic data of char gasification

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行工況，設(shè)置初始爐膛壁面溫度為650 K，前屏溫度為770 K，后屏溫度為780 K，高溫過熱器溫度為800 K，高溫再熱器溫度為840 K，壁面輻射率都設(shè)為0.7。取2種混燒煤的高溫?fù)]發(fā)分產(chǎn)率為1.5。設(shè)定邊界條件時，將一次風(fēng)、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)的邊界條件均設(shè)定為速度入口，根據(jù)鍋爐現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)，設(shè)置其入口的風(fēng)速和風(fēng)溫；出口采用壓力出口的邊界條件，根據(jù)實(shí)際電站鍋爐在引風(fēng)機(jī)作用下，爐內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)壓的特點(diǎn)，將其壓力參數(shù)設(shè)定為-10 Pa。采用后處理模型對NOx排放進(jìn)行模擬，主要考慮熱力型 NOx和燃料型 NOx。采用組分輸運(yùn)模型中的渦耗散模型進(jìn)行模擬運(yùn)算，用于氣相燃燒。假設(shè)揮發(fā)分析出燃燒為雙步反應(yīng)，設(shè)定其摩爾質(zhì)量。CO是唯一的中間物質(zhì)和渦流耗散的物質(zhì)，模型用于湍流—化學(xué)相互作用[9-10]。根據(jù)準(zhǔn)東煤和北塔山煤的工業(yè)分析和元素分析結(jié)果，得出2種煤揮發(fā)分燃燒過程，反應(yīng)系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)生成焓可用式(1)—式(3)確定。

(1)

(2)

(3)

2.2 網(wǎng)格劃分

以爐膛整體為研究對象，將爐膛分為燃燒器區(qū)域、燃燒器下部至冷灰斗區(qū)域、燃燒器上部至折焰角下部區(qū)域、折焰角區(qū)域和折焰角上部爐膛出口區(qū)域，利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。采用分區(qū)劃分網(wǎng)格策略，燃燒器區(qū)域流動傳熱變化最劇烈，對該橫截面八邊形進(jìn)行分區(qū)，每個分區(qū)區(qū)域爐膛截面采用pave方法劃分六面體網(wǎng)格。在一、二次風(fēng)入口等速度梯度較大的位置，采用局部網(wǎng)格加密技術(shù)，以提高網(wǎng)格質(zhì)量，提高計算精度。沿爐膛高度方向使用 cooper 方法生成結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，盡可能減小偽擴(kuò)散對計算結(jié)果的影響。冷灰斗區(qū)域右側(cè)梯形面，采用Quad網(wǎng)格和Pave方法劃分四邊形網(wǎng)格，冷灰斗區(qū)域幾何體，采用Hex網(wǎng)格和Cooper方法劃分體網(wǎng)格。爐膛其他部分結(jié)構(gòu)比較規(guī)則，采用map方法在區(qū)域邊界生成結(jié)構(gòu)化四邊形網(wǎng)格(圖2)。

圖2 爐膛網(wǎng)格Fig.2 The furnace mesh scheme

2.3 工況設(shè)定

為研究鍋爐爐膛還原區(qū)高度、高低位燃盡風(fēng)距離對NOx排放和燃盡特性的影響，設(shè)定模擬工況如下：鍋爐負(fù)荷運(yùn)行600 MW，總風(fēng)量為2 070 t/h，總?cè)济毫繛?72 t/h。一次風(fēng)率為30.415%，二次風(fēng)率為51.985%，燃盡風(fēng)率為17.6%。一次風(fēng)溫為340 K，二次燃盡風(fēng)溫為602.3 K，準(zhǔn)東煤與北塔山煤按混合比8∶2、9∶1、10∶0，分別進(jìn)行模擬研究。

工況1—5為混合比8∶2，保持高低位SOFA距離為設(shè)計值2.5 m，還原區(qū)高度分別為3、4、5、6、7 m；工況6—10為混合比8∶2，還原區(qū)高度4 m，高低位SOFA距離分別為1.5、2.0、3.0、3.5、4.0 m。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 還原區(qū)高度對NOx排放特性影響

不同混合比例煤粉燃燒，隨還原區(qū)高度變化爐膛出口NOx排放濃度變化如圖3所示，煤粉燃盡率如圖4所示。從圖3中可以看出，3種混合比例的煤粉燃燒，NOx排放濃度隨著準(zhǔn)東煤比例的減少而增大，這是由于北塔山煤含氮量高于準(zhǔn)東煤，從而使燃料型NOx生成量增加。從變化趨勢來看，3種混合比例的變化趨勢一致，均隨還原區(qū)高度的增加，排放濃度先減小后增大，然后再減小后又增大。為研究方便，下面以混燒比8∶2為例，分析還原區(qū)高度對NOx排放特性的影響。

圖3 不同還原區(qū)爐膛出口NOx排放量Fig.3 NOx emission at furnace outlet of different reduction zone

圖4 不同還原區(qū)煤粉燃盡率Fig.4 Pulverized coal burnout rate of different reduction zone

從圖3、圖4可知，混燒比8∶2，當(dāng)還原區(qū)高度為4 m時，爐膛出口NOx排放量(227.98 mg/m3)最低，煤粉燃盡率(98.77%)最高。

混燒比8∶2時，工況1—5爐膛NOx平均濃度如圖5所示，CO平均體積分?jǐn)?shù)如圖6所示，燃料型NOx生成速率如圖7所示。

圖5中，工況2在爐膛還原區(qū)和燃盡區(qū)，NOx平均濃度為工況1—5中最低值，表明還原區(qū)高度為4 m時，煤粉燃燒NOx排放量低，且燃盡率高。由圖6可知，在主燃區(qū)，5種工況CO平均體積分?jǐn)?shù)相差不大，而在還原區(qū)，CO平均體積分?jǐn)?shù)各工況發(fā)生較大變化，其中工況2最大，工況1最小。結(jié)合圖7進(jìn)行分析可知，在還原區(qū)，燃料型NOx生成速率工況2低，而工況1較高，這表明，主燃區(qū)缺氧燃燒，產(chǎn)生較多的CO，能夠及時把主燃區(qū)生成的NOx還原，從而使工況2的NOx平均濃度達(dá)到最小值。

圖5 工況1—5爐膛NOx平均濃度Fig.5 Average NOx concentration in furnace of operating mode 1-5

圖6 工況1—5爐膛CO平均體積分?jǐn)?shù)Fig.6 Average volume fraction of CO in furnace of operating mode 1-5

圖7 工況1—5爐膛燃料型NOx生成速率Fig.7 Formation rate of fuel NOx in furnace of operating mode 1-5

還原區(qū)高度為5 m時，由圖3可知，工況3對應(yīng)的爐膛出口NOx排放量(236.98 mg/m3)較工況2增大。在爐膛還原區(qū)，由圖5可知，工況3的NOx平均濃度較工況2大；由圖6可知，工況3的CO平均體積分?jǐn)?shù)迅速降低(從0.029 6%降到0.001 7%)；而圖7中，工況3燃料型NOx生成速率較工況2高。表明還原區(qū)高度為5 m時，由于爐膛補(bǔ)氧時間晚，NOx還原效果變差。因?yàn)楣r3相比工況2煤粒平均停留時間增加，主燃燒器出來的煙氣經(jīng)過中間過程的時間依次增大，通過壁面散熱較多，燃盡風(fēng)和煙氣中焦炭顆粒及CO燃燒釋放的熱量被吸收，燃燒效率變差，燃盡率(98.36%)降低。

還原區(qū)高度為6 m時，由圖3可知，工況4對應(yīng)的爐膛出口NOx排放量(232.54 mg/m3)較工況3減小，但高于工況2。在還原區(qū)，由圖5可知，工況4的CO平均體積分?jǐn)?shù)緩慢減小，與工況3相比，CO的平均體積分?jǐn)?shù)由0.028 6%下降到0.014 7%，下降較小。表明還原區(qū)高度為6 m時，由于爐膛補(bǔ)氧時間晚，NOx還原效果變差。同理，煤粒平均停留時間增加到18.33 s，燃盡率下降到97.75%。

還原區(qū)高度為7 m時，由圖3可知，工況5爐膛出口NOx排放量(240.3 mg/m3)較工況4增大。由圖5—圖7可知，在還原區(qū)，工況5的NOx平均濃度比工況4高；CO的平均體積分?jǐn)?shù)比工況3、工況4低，燃料型NOx在還原區(qū)內(nèi)生成速率比工況3、工況4高，NOx還原效果變差。由于燃盡風(fēng)的分級程度不明顯，工況3—5的NOx減排效果不明顯。雖然工況5煤粉燃盡率上升到98.55%，但過高的還原高度，使得飛灰含碳量升高，高溫腐蝕趨勢加劇。

當(dāng)混燒比為9∶1和10∶0時，變化規(guī)律與8∶2相似，在還原區(qū)高度為4 m時，產(chǎn)生的CO和NOx達(dá)到最小值。爐膛出口NOx排放量分別為240.3、261.0 mg/m3，煤粉燃盡率分別為98.67%、97.75%。

各工況橫截面溫度分布云圖如圖8所示。各工況在其截面處溫度最大值分別為1 788.6、1 847.3、1 807.9、1 807.8 K，從圖8中可以看出，當(dāng)還原區(qū)距離為4 m時，溫度分布對稱且均勻，火焰中心位置合理，這對防治爐膛超溫結(jié)焦、減少主燃燒區(qū)熱力型和燃料型氮氧化物都是有利的，故工況2改進(jìn)最佳。

3.2 高低位燃盡風(fēng)對NOx排放特性影響

不同混合比例煤粉燃燒，還原區(qū)高度為4 m，隨高低位SOFA距離變化，爐膛出口NOx排放濃度變化如圖9所示，煤粉燃盡率如圖10所示。從圖9中可看出，混燒比8∶2、9∶1、10∶0三種比例的煤粉燃燒，爐膛出口NOx排放濃度變化趨勢相近，混燒比為8∶2時，爐膛出口NOx排放濃度低于其他2種比例，高低位SOFA距離為2.5 m(即工況2)時，爐膛出口NOx排放量(227.01 mg/m3)最低，此時煤粉燃盡率(圖10)為98.77%。

圖8 工況1—5爐膛橫截面溫度分布Fig.8 Temperature field of central section in furnace of operating mode 1-5

圖9 不同高低位燃盡風(fēng)爐膛出口NOx排放量Fig.9 NOx emission at furnace outlet of different distance between the high and low over-fire air

圖10 不同高低位燃盡風(fēng)煤粉燃盡率Fig.10 Pulverized coal burnout rate of different distance between the high and low over-fire air

高低位SOFA距離分別為1.5、2.0 m(工況6與工況7)時，爐膛出口NOx排放量分別為244.94、243.14 mg/m3，2種工況煤粉燃盡率(圖10)相差不大，分別為98.13%、98.17%。表明高低位SOFA距離為1.5 m和2.0 m，燃盡風(fēng)的分級程度不明顯。

工況6—10爐膛NOx平均濃度、CO平均體積分?jǐn)?shù)、燃料型NOx生成速率如圖11—圖13所示。

圖11 工況6—10爐膛NOx平均濃度Fig.11 Average NOx concentration in furnace of operating mode 6-10

圖12 工況6—10爐膛CO平均體積分?jǐn)?shù)Fig.12 Average volume fraction of CO mixed burning ratio in furnace of operating mode 6-10

圖13 工況6—10爐膛燃料型NOx生成速率Fig.13 Formation rate of fuel NOx in furnace of operating mode 6-10

高低位SOFA距離為2.5 m(工況2)時，與高低位SOFA距離為3 m(工況7)時相比，工況2的平均NOx濃度較小，工況7和工況2燃料型NOx的生成速率分別從0.000 379、0.000 359 gmol/(m3·s)下降到0.000 289、0.000 234 gmol/(m3·s)。說明在高低位SOFA距離為2.5 m時，高位燃盡風(fēng)及時補(bǔ)氧，產(chǎn)生的CO能及時把低位燃盡風(fēng)生成的NOx還原，供氧距離最好，產(chǎn)生的CO和NOx達(dá)到最小值。

隨著高低位SOFA距離增大為3.0 m(工況8)、3.5 m(工況9)、4.0 m(工況10)，爐膛出口NOx排放量逐步增加，分別為233.95、240.52、272.66mg/m3。這些工況爐膛出口NOx排放量升高的原因與工況7相似，從圖12可以看出，工況8—10的CO的平均體積分?jǐn)?shù)比工況2低，且減小速率很快，此時高低位SOFA距離增大，補(bǔ)氧時間晚，還原效果變差，故生成的NOx量增加。

綜上可知，高低位SOFA距離為2.5 m(工況2)時，NOx排放量最低。經(jīng)模擬研究，當(dāng)混燒比分別為9∶1和10∶0時，變化規(guī)律與混燒比8∶2相似，高低位SOFA距離為2.5 m，產(chǎn)生的CO和NOx達(dá)到最小值。爐膛出口NOx排放量分別為240.3、260.525 mg/m3，煤粉燃盡率分別為98.77%、98.67%。

各工況橫截面溫度分布如圖14所示，各工況在其中心截面處溫度最大值分別為1 843.8、1 854.5、1 847.3、1 781.0、1 801.3、1 766.1 K。

圖14 工況6—10爐膛爐膛橫截面溫度分布Fig.14 Temperature field of central section in furnace of operating mode 6-10

從圖14中可以看出，工況2火焰中心位置合理，進(jìn)一步說明高低位SOFA距離為2.5 m時，爐膛燃燒狀況良好，有利于降低NOx生成。

4 結(jié)論

(1)準(zhǔn)東煤與北塔山煤混燒比分別為8∶2、9∶1和10∶0，還原區(qū)高度為4 m時，爐膛出口NOx排放量和煤粉燃盡率達(dá)到最佳值，NOx濃度分別為227.0、240.3、260.5 mg/m3，煤粉燃盡率分別為98.77%、98.67%、97.75%，溫度分布合理。

(2)保持還原區(qū)高度4 m不變，準(zhǔn)東煤與北塔山煤混燒比分別為8∶2、9∶1和10∶0，高低位燃盡風(fēng)之間的距離為2.5 m時，爐膛出口NOx排放和煤粉燃盡率達(dá)到最佳值，NOx濃度分別為227.010、240.300、260.525 mg/m3，煤粉燃盡率分別為98.77%、98.67%、97.75%，故工況2改進(jìn)最佳。