330 MW 旋流對沖鍋爐低負荷運行的低NOx 燃燒優(yōu)化

摘要：以某熱電廠一臺330 MW 旋流對沖燃煤鍋爐為研究對象，通過數(shù)值模擬分析了鍋爐在150 MW 低負荷運行、不同配風比下爐內(nèi)的流動、傳熱及NOx 排放情況。結(jié)果表明，當二次風配比和燃盡風率增大時，NOx 的生成趨勢并不呈線性變化，而是存在一個最低點，可得到一個NOx 排放值最低的最佳配風方式。為了驗證該最佳工況的優(yōu)化效果及實際運行的可行性，又將數(shù)值研究中的3 個典型工況進行了現(xiàn)場實驗。實驗結(jié)果表明：與原運行工況相比，采用最佳配風方式的實際爐膛出口NOx 濃度下降20%，鍋爐效率提高0.41%。該配風優(yōu)化方案經(jīng)濟可行，為同類型工程問題提供了優(yōu)化思路。

關(guān)鍵詞：旋流對沖鍋爐；數(shù)值模擬；燃燒優(yōu)化；NOx 排放；鍋爐效率；實驗驗證

中圖分類號：TK 123 文獻標志碼：A

隨著我國“雙碳”重要目標的提出，風能、光伏發(fā)電等新能源占比日益增加。由于新能源發(fā)電在時間、空間上的局限性，電網(wǎng)負荷峰谷差日趨明顯，因此，需要煤電、燃氣發(fā)電等傳統(tǒng)能源充分發(fā)揮調(diào)峰調(diào)谷作用，彌補新能源發(fā)電空缺，保障電力穩(wěn)定供應(yīng)。然而對于燃煤機組來說，負荷波動頻繁，長時間低負荷運行時存在諸多問題，如燃燒穩(wěn)定性較差、NOx 生成濃度過高、燃燒效率低下等。所以，如何在低負荷階段合理調(diào)整燃燒，提高燃燒穩(wěn)定性并滿足環(huán)保參數(shù)要求，同時盡可能提高鍋爐效率，是現(xiàn)今研究人員所關(guān)注的焦點[1-3]。

為了減少低負荷運行時的負面影響，目前的研究大部分集中在燃料供應(yīng)優(yōu)化、燃燒系統(tǒng)改造和煙氣處理上。 Ti 等[4] 在一臺600 MW 電站鍋爐的半負荷下進行了不同給煤率的工業(yè)實驗，結(jié)果表明，通過提高煤的進料速度可以獲得合適的著火距離。 為確保燃燒的穩(wěn)定性， Drosatos 等[5]使用預(yù)干燥的褐煤和生物質(zhì)作為輔助燃料開發(fā)了兩種不同的輔燃策略。在35% 的額定負荷下，兩種燃料混合物都能一定程度上促進燃燒穩(wěn)定性。Wang 等[6] 研究并應(yīng)用了一種新型偏心旋流燃燒器，在300MW 的W 型火焰爐中實現(xiàn)了穩(wěn)定的超低負荷燃燒。燃燒性能分析表明，超低負荷燃燒穩(wěn)定性相較于以前得到了顯著提高。雖然上述研究都獲得了積極的成果，但在實際的工業(yè)應(yīng)用中，燃料優(yōu)化、系統(tǒng)更新都會產(chǎn)生額外的運營成本。 除上述改善措施外，低負荷運行模式下從煙氣處理（例如選擇性催化還原 SCR 和選擇性非催化還原 SNCR）的角度減少污染物的排放也是一種可行方案[7]。但就已有研究來看，煙氣處理過程中所使用材料成本較高，同時會造成二次污染[8]。而且鍋爐的負荷變化會極大地影響反應(yīng)氣氛，當溫度低于最佳反應(yīng)條件時，甚至會產(chǎn)生嚴重的安全隱患[9-10]。

與四角切圓鍋爐和W 型火焰爐相比，旋流對沖鍋爐火焰結(jié)構(gòu)獨立、溫度分布均勻、燃燒穩(wěn)定性高[11]。旋流式燃燒器產(chǎn)生的旋流力可在運行負荷降低時穩(wěn)定火焰中心，使空氣和燃料充分混合。但對沖鍋爐低負荷燃燒特性的相關(guān)研究極其有限，且其他類型鍋爐的運行經(jīng)驗并不能直接應(yīng)用于對沖鍋爐。因此，本文的研究重點旨在針對旋流對沖鍋爐尋找一種系統(tǒng)的優(yōu)化策略，保證在低負荷運行時能夠?qū)崿F(xiàn)低NOx 排放燃燒。通過對國內(nèi)某電廠330 MW 旋流對沖鍋爐在45% 負荷狀態(tài)（150 MW）下進行系統(tǒng)地數(shù)值模擬分析，調(diào)整主燃區(qū)二次風配比、燃盡風配比參數(shù)，在不影響其他燃燒特性的前提下獲得了NOx 生成量最低的配風方案。分析了優(yōu)化工況的溫度場及空氣動力場，驗證該配風方案的可行性，并對3 個典型工況進行了現(xiàn)場實驗。所得結(jié)論均得到了實驗驗證并已應(yīng)用到實際運行中。該研究成果為同類型鍋爐低負荷運行時的燃燒優(yōu)化提供了重要的參考意義。

1 研究對象及網(wǎng)格劃分

1.1 研究對象

研究對象是某熱電廠一臺Bamp;WB-1025/17.5-M型單爐膛、前后墻對沖燃燒煤粉爐。鍋爐爐膛寬13 800 mm、深12 300 mm、高48 500 mm，配用5 臺MPS-ZGM95N 型磨煤機的正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐所使用的煤質(zhì)特性見表1。其中：Vdaf 為干燥無灰基揮發(fā)分的質(zhì)量分數(shù)；Aad，Mad 分別為空氣干燥基灰分、水分的質(zhì)量分數(shù)； Mar 為空氣收到基水分的質(zhì)量分數(shù)；Qnet，ar 為收到基低位發(fā)熱量； Car， Har， Oar， Nar， Sar 分別為收到基碳、氫、氧、氮、硫的質(zhì)量分數(shù)。

1.2 物理模型及網(wǎng)格劃分

計算區(qū)域取爐膛冷灰斗底部至鍋爐空氣預(yù)熱器之前的區(qū)域。爐膛出口取于屏式過熱器之后、水平煙道之前，爐膛結(jié)構(gòu)的物理模型示意圖如圖1 所示，其中爐膛深度、高度、寬度方向分別為坐標軸的x，y，z 方向。爐膛燃燒器整體布置為“前三后二”不對稱布置方式，最下層燃燒器為DRB-4ZTM 型旋流燃燒器， 其余燃燒器均為AIREJETTM 型旋流燃燒器，前后墻第一層燃燒器的上方各有4 只SOFA 噴口。

根據(jù)模型特點，將爐膛分為5 個區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，分別為：冷灰斗區(qū)、主燃區(qū)、SOFA 風區(qū)、屏式過熱器區(qū)和尾部煙道區(qū)。主燃區(qū)和SOFA 風區(qū)的網(wǎng)格均已進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證并局部加密，最終總網(wǎng)格數(shù)確定為230 萬，具體網(wǎng)格無關(guān)性驗證方案參考文獻[12]。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

2 數(shù)學模型及邊界條件

爐膛內(nèi)燃燒過程包含劇烈的放熱化學過程和混合的氣固兩相流動過程，均遵循連續(xù)介質(zhì)運動規(guī)律。

采用三維湍流模型對爐內(nèi)空氣流場進行數(shù)值模擬，其通用控制方程如下：

式中：Φ為通用變量，用以代表求解變量；u， V分別代表X，y方向的速度；ρ為密度；τ為時 間；Γф和Sф為不同的求解變量所對應(yīng)的廣義擴散 系數(shù)和廣義源項。

由于旋流燃燒器出口氣流旋流強度較大，具有強卷吸作用，故氣相湍流模型選擇Realizable k-ε 模型對旋流進行修正。此外，采用混合分數(shù)?概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒；采用隨機軌道模型跟蹤煤粉顆粒，同時考慮氣相湍流瞬時波動對顆粒軌跡的影響；采用P1 輻射模型計算爐內(nèi)輻射傳熱；采用單步反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)分的析出；采用動力/擴散控制燃燒模型模擬焦炭的燃燒。壓力與速度耦合選擇Simple 算法，連續(xù)性方程、N-S 方程、能量守恒方程和組分守恒方程均采用QUICK 離散格式。

NOx 生成的模擬采用后處理方法，由于燃煤鍋爐快速型NOx 生成量較小可忽略不計，故只考慮熱力型NOx 和燃料型NOx 的生成。熱力型NOx 根據(jù)廣義的Zeldovich 機理計算， 燃料型NOx 的形成可分為揮發(fā)分NOx 和焦炭NOx。假定揮發(fā)分熱解中間產(chǎn)物為90% HCN 與10% NH3，焦炭中的N 全部轉(zhuǎn)化為NO。整個計算過程考慮了湍流流場溫度的脈動以及氧原子的脈動對NOx 生成的影響[13]。

所有燃燒器噴嘴、SOFA 噴嘴設(shè)置為速度入口，爐膛出口處設(shè)為壓力出口，爐膛壁面是無滑移邊界條件。根據(jù)實驗結(jié)果，爐膛壁溫從下至上分段給定為：冷灰斗區(qū)域710 K，主燃區(qū)690 K，SOFA 區(qū)域690 K，屏式過熱器所在區(qū)域690 K，屏式過熱器為710 K。由于尾部區(qū)域未布置受熱面，故此部分邊界條件設(shè)置為絕熱。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 基本工況的計算結(jié)果驗證及結(jié)果分析

為了驗證數(shù)值方法的可靠性，并以此為基礎(chǔ)進行后續(xù)一系列的數(shù)值研究，先選取150 MW 實際運行中的某一工況作為基礎(chǔ)工況（工況0），將數(shù)值模擬的結(jié)果與現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)進行對比，對比數(shù)據(jù)見表2。

由表2 中可以看出，NOx 濃度及O2 濃度數(shù)值模擬結(jié)果與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差均控制在10% 之內(nèi)，足以證明數(shù)值模擬結(jié)果的準確性。其余工況的數(shù)值模擬中，除配風方式不同，網(wǎng)格的數(shù)量及數(shù)值模擬計算參數(shù)均未改變，因此無需進行其他驗證。

圖3 為爐膛內(nèi)各截面溫度分布，H 為爐膛高度，圖3（a） 為爐膛縱向yz 方向的中心截面，圖3（b）為爐膛縱向xy 方向第二列燃燒器的中心截面?？梢钥闯觯籂t膛溫度最高的區(qū)域主要集中在主燃區(qū)，DE 層的AireJetTM 燃燒器由于有較強的旋流作用， 此區(qū)域高溫影響范圍較廣。但從圖3（b）可以看出，AireJetTM 燃燒器煤粉燃燒影響范圍明顯比AB 層的DRB-4ZTM 燃燒器小。這主要是因為DRB-4ZTM 燃燒器中心風風量較大，中心風射流剛度較大，燃燒向中心靠攏，燃燒的溫度分布更趨于細長。而AireJetTM 燃燒器二次風旋流強度較大，對燃燒器左右方向影響較大，燃燒的溫度分布更趨于短寬。在爐膛20 m 上下位置，火焰逐漸向爐膛中間集中，這是因為C 層冷卻風和SOFA層大量燃盡風的噴入使下部的高溫氣體到此區(qū)域受到冷卻，溫度迅速降低。爐膛寬度方向上，爐膛的溫度分布相對對稱，見圖3（a）；但在爐膛深度方向上主燃區(qū)溫度分布較為不對稱，見圖3（b）。

爐膛內(nèi)NO 體積分數(shù)沿爐膛高度H 的變化如圖4 所示。其中AB 層、D 層燃燒區(qū)域和MN 層燃燒器下部有明顯低點。因為AB 層區(qū)域燃燒器過量空氣系數(shù)較小，燃燒處于低氧強還原性的環(huán)境，因此NO 生成量較低。但當達到MN 層燃燒附近時，大量的氧氣補入爐膛，中心位置下部的未燃盡的顆粒在此區(qū)域進一步燃燒，NO 生成量有所回升。隨著高度繼續(xù)增加至MN 層以上時，未燃盡的顆粒繼續(xù)燃燒，但由于O2 較多，此區(qū)域處在較強的氧化性條件下，NO 生成量仍然迅速上升。但是此區(qū)域燃燒器的射流強度較大，高溫區(qū)域被氣流隔斷在中心下側(cè)，上部區(qū)域溫度較低，在一定程度上抑制了熱力型NO 的生成，因此NO 生成量只有小幅度的升高，且主要是燃料型NO。

3.2 配風優(yōu)化的數(shù)值研究

通過改變配風方式，獲得150 MW 下NOx 排放最低的最佳工況。燃燒器的組合模式選取、一次風煤比的選擇及燃盡風的選擇范圍均基于Liu等[12]，Qi 等[14]，Ma 等[15] 前序研究所得出的NOx生成量最低時的最佳數(shù)值：燃盡風量占總風量的20%～30%；DRB-4ZTM 燃燒器在二次風過量空氣系數(shù)α1 為0.7 左右；AirejetTM 燃燒器在過量空氣系數(shù)α2 為0.8 左右。因此，選定將燃盡風在某個比例區(qū)間變化， 然后再優(yōu)化α1/α2 值來獲得爐內(nèi)NOx 生成量最低的最優(yōu)燃燒工況。三維模型模擬工況參數(shù)如表3 所示，其中工況2 為調(diào)整第一、二層過量空氣系數(shù)的交叉工況，該工況重復列出是為說明參數(shù)變化情況，以便于后續(xù)的對比分析。

通過計算得出爐內(nèi)煤粉燃燒主要產(chǎn)物參數(shù)沿爐膛高度方向的變化情況，如圖5 所示。從圖5（a）～（b）可以看出，各個工況的CO 與O2 的體積分數(shù)分布趨勢相反，CO 體積分數(shù)升高表明爐膛內(nèi)的還原性氛圍較好，有利于抑制NOx 的生成。對比工況1～3，當α1 升高時，可以看出主燃區(qū)第一、二層燃燒器之間的區(qū)域CO 體積分數(shù)明顯下降。而在25 m 附近燃盡風投入之后，工況2 與工況3 的CO 體積分數(shù)基本降低到了同等水平，而工況1 的CO 體積分數(shù)依然很高。這表明工況1 雖然整體還原性氛圍最佳，但主燃區(qū)欠氧程度過高，未燃盡的可燃物即使有大量燃盡風補入也不能完全燃燒。由于工況4、工況2 與工況5 之間α2 只改變了0.05，因此在15 m 處的入射區(qū)僅有微小差別，但在15～25 m 之間的還原區(qū)可以看到差別被放大。由圖5（c） 可以看出，在主燃區(qū)的中下層區(qū)域，α1 越高，NO 體積分數(shù)越大。但由于工況1 處于過度欠氧狀態(tài)，導致工況1 與工況2 之間的差值明顯要大于工況2 與工況3 之間的。當進入燃盡區(qū)之后，工況1 中未燃盡的大量煤粉顆粒迅速氧化，導致燃盡區(qū)以上NO 體積分數(shù)一直處于最高值。對于工況3 來說，主燃區(qū)生成的大量NO 在還原區(qū)沒有得到充分還原，導致在還原區(qū)及燃盡區(qū)的NO 值均高于工況2。對比工況4 與工況5，NO 值區(qū)別較明顯的區(qū)域位于主燃區(qū)的中上層及還原區(qū)，工況5 的NO 生成量均高于工況4。由于坐標尺寸較大，工況4，5 之間的差別不能在圖中很好地辨別，還需要參考爐膛出口處最終的NOx 生成量來具體判斷，見圖6。

為了驗證最優(yōu)工況的實際可行性，對工況1（α1/α2=0.6/0.8）、工況2（α1/α2=0.78/0.8）、工況4（α1/α2=0.78/0.75）3 個典型工況進行現(xiàn)場實驗。

3.3 最優(yōu)工況運行可行性實驗

3.3.1 實驗工況安全性分析

為進一步驗證優(yōu)化配風方案應(yīng)用在實際運行中的可行性，對最優(yōu)工況（工況4）及兩個對比工況（工況1 和工況6）進行現(xiàn)場實驗。在機組實驗之前，先分析具體工況的溫度場及空氣動力場判斷是否滿足實驗安全條件。圖7 給出了150 MW 運行時工況1，4，6 在爐膛縱向yz 方向中心截面的溫度分布圖。可以看出：當α1/α2 較小時，爐內(nèi)高溫區(qū)域主要分布為AB 層和CDE 層爐膛區(qū)域兩部分。由于燃燒器卷吸作用較強，高溫區(qū)域形成一種 “上漂”的現(xiàn)象。當α1/α2 變大以后，高溫范圍開始在爐內(nèi)中下層區(qū)域集中；在DE 層與AB 層之間，溫度梯度變化較大，且溫度分布均勻性較好，最高溫度處在下層燃燒器附近。當α1/α2 進一步變大之后，燃燒器附近平均溫度逐漸變大，爐內(nèi)高溫區(qū)域呈現(xiàn)由上部向下部區(qū)域移動、上部平均溫度逐漸降低、底部主燃區(qū)溫度逐漸增高的現(xiàn)象。

通過與圖3 的實際運行工況對比發(fā)現(xiàn)：一、二次風的配比變化后，主燃區(qū)的爐膛中心溫度下降5～15 ℃，但整體溫度分布較基礎(chǔ)工況相比無太大變化，火焰充滿度一致，因此從仿真結(jié)果來看爐膛的燃燒是穩(wěn)定的，并不存在飛邊現(xiàn)象及超溫問題。

結(jié)合圖5 對各工況下爐膛各截面的組分濃度分析可知，雖然優(yōu)化調(diào)整后在爐膛主燃區(qū)CO 濃度有所提高，但爐膛中心的還原性氣氛并不會引起結(jié)焦，而在后墻壁面附近，由于采用A，B，D 磨運行方式，主燃區(qū)后墻E 磨并不投入運行，只投入冷卻風，后墻溫度水平要遠低于截面的平均溫度，加之爐膛主燃區(qū)溫度有所下降，空氣動力場未發(fā)生明顯改變，因此配風優(yōu)化后在爐膛主燃區(qū)的結(jié)焦特性與實際運行工況相近。

在折焰角至爐膛出口（前屏過熱器后）區(qū)域，優(yōu)化后爐膛出口的煙氣溫度提高了20～ 38 ℃ ，但出口煙氣溫度仍遠低于燃用煤種的軟化溫度（約1 500 ℃），且由于煙氣流量及流速的降低（鍋爐吸熱量不變），受熱面區(qū)域煙氣中的灰分溫度會迅速下降，因此過熱器之后再熱器上的溫度也不滿足結(jié)焦條件。

綜合以上分析，優(yōu)化工況的爐膛內(nèi)整體溫度均比基礎(chǔ)工況要高，且還原性氣氛更強，因此與實際運行工況相比并不會出現(xiàn)更加嚴重的結(jié)焦情況。

3.3.2 實驗結(jié)果說明

由于本次實驗?zāi)康氖菫榱藱z測優(yōu)化工況2 在實際運行中的可行性，不涉及實驗研究過程，因此在實驗中并未單獨增設(shè)專門監(jiān)測點，通過鍋爐實時生產(chǎn)系統(tǒng)，如二次風監(jiān)測系統(tǒng)（圖8）直接獲取實驗數(shù)據(jù)。在每一組實驗工況穩(wěn)定期間等時間間隔采集8 次煤量、風量等調(diào)節(jié)參數(shù)和NOx、爐效率等環(huán)保經(jīng)濟運行評價參數(shù)，各工況實驗收集數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比如表4 所列，按6%O2 折算值。

通過對比可以看出，模擬數(shù)據(jù)變化趨勢與實驗結(jié)果是一致的，NOx 生成不是線性的變化而是隨著燃盡風比例的變化呈現(xiàn)類拋物線變化。150 MW的最優(yōu)工況與原實際運行工況比較： NOx 下降20%、爐效提高0.41%，廠用電率下降0.20%。現(xiàn)場實驗再次驗證了數(shù)值模擬的準確性及改造方案的經(jīng)濟可行性。

4 結(jié) 論

以一臺旋流對沖燃煤鍋爐為研究對象，通過數(shù)值模擬與實驗驗證相結(jié)合的方法，研究了不同配風條件下的燃燒及NOx 生成規(guī)律，得出結(jié)論如下：

a. 當主燃區(qū)AD 層風量配比和MN 層燃盡風占比增大時，NOx 的生成趨勢線并不是線性單調(diào)變化，而是有最優(yōu)工況。最優(yōu)工況參數(shù)是：在MN層燃盡風量占比為24%，并且此時主燃區(qū)AD 層風量配比為0.78/0.8。

b. 通過分析優(yōu)化前后爐膛各層截面的溫度場、速度場、CO 濃度場可知，優(yōu)化的配風方案中爐膛內(nèi)的整體溫度分布及空氣動力場與基礎(chǔ)工況相比無太大變化，不存在飛邊現(xiàn)象及超溫問題，可適用于實際運行。

c. 通過實驗驗證模擬計算對低NOx 燃燒配風優(yōu)化的可行性，結(jié)果顯示數(shù)值計算結(jié)果與實驗結(jié)果能較好吻合，經(jīng)優(yōu)化的150 MW 負荷優(yōu)化NOx降低20%，實驗結(jié)果顯示優(yōu)化工況鍋爐效率提高了0.41%，總體運行比較穩(wěn)定。

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（編輯：董偉）

基金項目：國家自然科學基金重點項目（51736007）