600 MW煤粉锅炉低NOx空气分级燃烧数值模拟分析

郭效利，朱杨杨

(华电重工股份有限公司，北京 100160)

0 引言

GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》严格规定了现有火电机组NOx排放限值[1]，采取有效措施降低NOx排放质量浓度已迫在眉睫。燃煤锅炉机组降低NOx排放质量浓度的燃烧技术主要包括空气分级燃烧技术、燃料分级燃烧技术、低氮燃烧器技术和烟气再循环技术等[2]。

目前，空气分级燃烧技术作为一种低氮燃烧技术已经在近几年投产的600 MW等级以上锅炉机组上得到了应用[3]。本文采用数值模拟方法，研究炉内速度分布、温度分布、组分分布及NOx质量浓度分布变化对NOx排放质量浓度的影响。

1 研究对象

以某电厂1台600 MW四角切圆燃烧锅炉机组为研究对象，锅炉采用单炉膛、平衡通风、一次中间再热、固态排渣、全悬吊结构Π形布置，中速磨煤机、正压直吹式制粉系统，主燃区为四角布置、切向燃烧、摆动式燃烧器，分离燃尽风采用墙式布置方式，并配备7台HP1203型中速磨煤机，一次风喷口由下至上共7层，主燃区二次风喷口布置9层，紧凑燃尽风(CCOFA)喷口布置在紧挨主燃烧器顶层上方，分离燃尽风(SOFA)喷口布置在CCOFA上方间隔一段距离。炉膛横截面尺寸为17 640 mm×19 824 mm，冷灰斗底端至顶棚尺寸为65 950 mm，炉膛结构如图1所示。锅炉设计煤种煤质特性分析见表1，表1中DT为变形温度，ST为软化温度，FT为流动温度。

表1 设计煤种煤质特性分析

图1 炉膛结构简图

原燃烧器布置方案与3种改造方案的具体内容如下。

(1)原方案：燃烧器喷口采用传统布置方式。

(2)改造方案1：在原方案的基础上，布置CCOFA喷口并在距顶层一次风喷口中心线上方7 500 mm位置处布置3层SOFA喷口，在保证总风量和一次风率不变的情况下，设定CCOFA和SOFA风率分别为5%和18%。

(3)改造方案2：相对于改造方案1，SOFA喷口距顶层一次风喷口中心线距离减小1/2，即3 750 mm。

(4)改造方案3：相对于改造方案1，SOFA风率由18%增加至23%。

4种方案(依次规定为工况1、工况2、工况3、工况4)燃烧器喷口布置如图2所示。

图2 4种方案燃烧器喷口布置简图

配风方式相关参数见表2。其中，一次风温为333 K，二次风、CCOFA和SOFA风温相同，均为582 K。

表2 配风方式相关参数

2 网格划分与计算方法

2.1 网格划分

本文将炉膛冷灰斗至屏式再热器后炉膛出口之间的区域作为计算域。由于炉膛漏风及周界风对炉膛内空气动力场影响较小，为简化研究过程，将周界风和漏风量平均分配到二次风喷口中。为减少伪扩散造成的计算误差并有效控制计算量，将炉膛划分为燃烧器区域、燃烧器上部区域和燃烧器下部区域3部分，由于燃烧器区域流场变化剧烈，采用六面体网格对该区域进行了局部加密。炉膛整体网格数为90多万个，炉膛整体网格划分及主燃烧器区域水平截面网格分别如图3和图4所示。

图3 炉膛整体网格划分

图4 主燃烧器区域水平截面网格划分

2.2 计算方法

数值模拟采用三维稳态计算，主燃烧器和燃尽风喷口采用速度入口边界条件，假设煤粉温度和进风温度恒定；炉膛本体保持恒温；炉膛出口采用压力出口边界条件；煤粉粒径分布满足rosin-rammlar方程。气相湍流流动采用标准κ-ε双方程模型，焦炭燃烧采用动力学/扩散控制反应速率模型，辐射传热采用P-1辐射模型，煤粉挥发分的热解采用双步竞争反应模型，煤粉颗粒轨迹采用随机轨道模型，气相湍流燃烧采用混合分数/概率密度函数模型，NOx生成模拟采用后处理方法计算[4]，压力速度耦合采用SIMPLE算法。

3 计算结果及分析

3.1 速度分布

炉内气流的合理流动是组织燃烧的关键因素。图5为4个工况下E层一次风喷口截面速度分布。

图5 E层一次风喷口截面速度分布

由图5可以看出，在4个工况下，一次风气流从四角喷口射入炉膛，因受邻角气流和炉内螺旋上升气流的撞击以及其上游射流冲刷的共同合作用，发生了较大偏斜，在炉膛中心形成了具有较好充满度并强烈旋转的切圆，且均无明显贴壁现象。在一次风喷口向火侧，邻角气流的高温烟气冲向其射流根部，射流背火侧根部亦有烟气回流出现，这对煤粉着火及稳定燃烧极其重要。相对于工况1，其他3个工况炉内形成的气流切圆直径减小，在一定程度上防止了气流直接冲刷壁面，降低了固体颗粒碰撞水冷壁壁面概率，有效避免了附近壁面区域结焦等问题。

3.2 温度分布

炉内温度分布是表征锅炉燃烧效果的重要参数，图6是4个工况下炉膛中心纵截面温度分布。

图6 炉膛中心纵截面温度分布

从图6可以看出，在炉膛下部中心位置，受燃烧器射流相互冲击并在炉内中心形成螺旋上升气流的影响，各工况下炉膛下部的中心位置均形成了低温区域。相对于传统燃烧技术，采用空气分级燃烧技术后，炉内氧量分布有所改变，主燃区过量空气系数减小，燃料燃烧延迟，炉内高温区域扩大，温差减小，除燃烧器附近区域外主燃区总体温度水平降低；在燃尽风区域内，燃尽风的补入使得在主燃区内未燃尽燃料的燃烧在该区域内得以强化，这也是火焰中心上移和高温区域扩大的主要原因。采用空气分级燃烧技术后，对比图6b和图6c可以看出，SOFA喷口距顶层一次风喷口的距离对炉内温度分布没有明显影响；对比图6b和图6d可以看出，SOFA风率的增大使得炉内主燃区内温度明显降低。空气分级低氮燃烧炉内的总体温度水平较工况1降低，最高温度降低约100 ℃左右，这将有利于缓解炉内结焦，对抑制热力型NOx的生成有积极作用。

3.3 组分分布

通过氧浓度和CO浓度分布可以直观地了解炉内氧化-还原性状况。因此，在组分分布分析时，仅对炉膛气氛影响显著的氧化剂O2和中间还原性产物CO的摩尔分数分布及其影响进行说明。图7和图8分别为炉膛中心纵截面氧与CO的摩尔分数分布。

由图7和图8可以看出，采用空气分级燃烧技术后，氧浓度最大值出现在燃尽风区域；主燃区处于欠氧富燃料燃烧状态，氧浓度明显降低，局部燃料燃烧不充分，CO摩尔分数增高，炉内还原性气氛增强，此外由于炉膛中心区域氧浓度低，CO不能完全被氧化，该区域CO摩尔分数也比较高；同时由于主燃区的温度水平亦降低，这将对炉内热力型NOx和燃料型NOx的生成起到显著的抑制作用；此后，燃尽风的喷入使得燃尽风区域氧浓度骤然增大，CO摩尔分数急剧减小，有助于主燃区内未燃尽燃料进一步完全燃烧，表现出了空气分级燃烧技术组分分布的特点。

图7 炉膛中心纵截面氧浓度分布

图8 炉膛中心纵截面CO浓度分布

对比图8b和图8c可以看出，SOFA喷口距顶层一次风喷口距离减小时，炉内还原性气氛区域明显减小，将对抑制燃料型NOx生成造成不利的影响；对比图8b和图8d可以看出，SOFA风率的增加使得炉内还原性气氛区域增大，这将有效地控制燃料型NOx生成。

3.4 NOx质量浓度分布

煤粉燃烧生成的氮氧化物主要有热力型NOx、燃料型NOx和快速型NOx，其中，以热力型NOx和燃料型NOx为主，因此，本文主要考虑煤粉燃烧过程中生成的热力型NOx和燃料型NOx[5]。图9为炉膛纵截面NOx质量浓度分布。

由图9可以看出，采用空气分级燃烧技术后，炉内NOx质量浓度分布发生了明显变化。由图9可以看出，工况1炉内NOx质量浓度的生成主要集中在主燃区内，工况2、工况3和工况4炉内NOx质量浓度的生成主要集中在燃尽风区域内，工况1 NOx质量浓度整体水平明显高于其他3个工况。结合图6～图8可以看出，造成这一现象的主要原因是采用空气分级燃烧技术后，主燃区温度水平降低，氧浓度减小，燃料不完全燃烧使部分中间产物(HCN，NH3等)将部分已生成的NOx还原，有效地抑制了热力型NOx和燃料型NOx的生成；但由于燃料在燃尽风区进行补燃，使得该区域温度略有升高，加之氧浓度增大，导致了该区域及其下游NOx质量浓度增加[6]。但此时NOx生成量已十分有限，NOx质量浓度略有增大后逐渐趋于稳定。因此，采用空气分级燃烧技术可有效控制NOx生成量，降低NOx排放质量浓度。

图9 炉膛纵截面截面NOx浓度分布

图10为采用空气分级燃烧技术前后炉膛出口NOx排放质量浓度(φ(O2)=6%)对比。

图10 各工况下炉膛出口NOx排放质量浓度对比

由图10可以看出，工况1中炉膛出口NOx质量浓度为330 mg/m3，工况2中炉膛出口NOx质量浓度为260 mg/m3，工况3中炉膛出口NOx质量浓度为278 mg/m3，工况4中炉膛出口NOx质量浓度为240 mg/m3。相对于传统燃烧技术，采用空气分级燃烧技术可以明显降低锅炉燃烧过程中NOx排放质量浓度。对比工况2和工况3可以看出，SOFA喷口较高者，炉膛出口NOx质量浓度较低；对比工况2和工况4可以看出，SOFA风率较大者，炉膛出口NOx质量浓度较低。

4 结论

通过对数值计算结果进行分析，得出如下结论。

(1)采用空气分级燃烧技术，可在炉膛高度方向上延长煤粉燃烧过程中氧气的供给路径，降低炉内最高温度水平，增强燃烧区域还原性气氛，有利于抑制热力型NOx和燃料型NOx生成。

(2)抑制主燃区NOx生成质量浓度对空气分级燃烧降低NOx排放质量浓度极为重要，SOFA喷口位置较高且SOFA风率较大时，炉内还原性区域增大，主燃区NOx生成区域减小，NOx排放质量浓度降低。

(3)相对于工况2，工况3中NOx排放质量浓度提高了6.9%；工况4中NOx排放质量浓度降低了7.7%，因此采用空气分级燃烧技术时应综合考虑SOFA喷口高度和SOFA风率大小，以最大限度地降低NOx排放质量浓度。

参考文献：

[1]GB 13223—2011 火电厂大气污染物排放标准[S].

[2]郑海红，王冉阳，任建兴.空气分级燃烧降低燃煤电站锅炉NOx生成的技术分析[J].上海电力学院学报，2006，22(1)：29-32.

[3]王春昌.低NOx空气分级燃烧技术与锅炉容量的匹配性研究[J].热力发电，2010，39(5)：6-8.

[4]齐晓娟，李凤瑞，李剑，等.300 MW机组四角切圆燃烧锅炉NOx排放数值模拟[J].热力发电，2013，42(2)：49-53.

[5]姚明宇，车得福，聂剑平.煤粉低NOx燃烧技术的机理研究[J].热力发电，2011，40(11)：24-37.

[6]孙保民，王顶辉，段二朋，等.燃尽风率对燃煤锅炉NOx生成特性影响的数值模拟[J].电站系统工程，2013，29(1)：9-12.