拱上OFA风率对W火焰锅炉燃烧特性影响数值模拟研究

朱兴营，陈峰，杨彭飞，闫金山

(1.中国航天空气动力技术研究院航天神洁(北京)环保科技有限公司，北京100074; 2.中国华电工程(集团)有限公司，北京100160)

拱上OFA风率对W火焰锅炉燃烧特性影响数值模拟研究

朱兴营1，陈峰1，杨彭飞2，闫金山1

(1.中国航天空气动力技术研究院航天神洁(北京)环保科技有限公司，北京100074; 2.中国华电工程(集团)有限公司，北京100160)

以某电厂1台660MWFW型W火焰锅炉为对象，进行了拱上布置OFA炉内燃烧及NOx生成特性的数值模拟研究，模拟结果表明:当OFA风率从0%增加到25%时，拱上煤粉气流下冲深度没有太大变化，但OFA气流的穿透深度不断增加，与上行烟气的混合程度加强;同时随着OFA风率增加，下炉膛中心高温区有一定程度的上移，下炉膛煤粉燃尽率变小，炉膛出口飞灰可燃物含量从4.23%增加到6.79%，增加了2.56%，而出口NOx排放量则从779.5μL/L减少到525.5μL/L，降低幅度为32.6%。综合考虑OFA风率对炉内流动和燃烧的影响以及对NOx排放量和锅炉运行经济性的影响规律，最佳拱上OFA风率为20%。

W火焰锅炉;拱上燃尽风;氮氧化物;飞灰可燃物含量;数值模拟

0 引言

W火焰锅炉通常燃用挥发份很低的无烟煤，燃烧过程的NOx控制难度最大，在合理燃烧条件下，形成早期的、强烈的、高温贫氧燃烧是控制燃烧过程中NOx生成量的关键［1－3］。美国福斯特惠勒公司以空气分级燃烧为技术指导思想，提出了一套低NOx改造方案，主要是在上炉膛布置外旋流内直流的燃尽风(Over Fire Air，简称OFA)装置，该方案能够较大幅度降低NOx排放量，但是飞灰可燃物含量升高，锅炉燃烧效率下降［4］。为了实现既有效降低W火焰锅炉NOx排放量，又维持飞灰可燃物含量在一个较低的水平，本文提出了拱上布置燃尽风技术，方案如下:在炉拱上靠近炉膛中心处布置直流燃尽风喷口，燃尽风喷口与浓煤粉气流喷口一一对应(见图1)。部分二次风通过燃尽风装置以一定的下倾角度进入炉膛，使得拱下燃烧区域处贫氧燃烧，减少NOx的生成。该方案增加了OFA喷口中心到屏式过热器底端的竖直距离，上行烟气与OFA混合后气流的燃烧行程变长，煤粉颗粒的燃尽距离增加，同时避免了烟气较早进入屏式过热器使得烟气温度迅速降低对煤粉燃尽率的影响。

本文以CFD软件FLUENT为计算平台［5］，对河北某电厂FW型660MW W火焰锅炉采用拱上布置燃尽风技术后，不同燃尽风率条件下炉内燃烧特性和NOx生成特性进行数值模拟研究。

图1 拱上布置燃尽风方案示意

1 数值模拟研究

1.1 研究对象

计算对象为FW型660MWeW型火焰煤粉锅炉，锅炉为业临界、一次中间再热、平衡通风、自然循环锅炉，下炉膛尺寸15.63m×34.34m×19.98m，上炉膛几何尺寸在为9.525m×34.34m×30.35m，锅炉下炉膛炉拱与水平方向夹角为25°，冷灰度斜坡与水平方向夹角为55°，锅炉炉膛底部排渣口宽度为1.29m，如图1所示。

锅炉配置36只双通道叶片式浓淡分离式燃烧器和二次风分级配风燃烧系统，燃用煤质特性如表1所示，煤粉经过浓淡分离后与当地一次风混合形成浓煤粉气流和淡煤粉气流，分别由浓煤粉气流喷口和乏气喷口送入炉膛，实现煤粉在炉膛内的浓淡燃烧。二次风包括淡煤粉气流周界风A、浓煤粉气流周界风B及二次风C组成的拱上二次风和D、E、F层二次风组成的拱下二次风两部分，拱下二次风喷口结构为狭缝式。A～E层风量很小，F层风量最大，同时F层二次风通过分风室倾斜装置以25°下倾角度喷入。

表1 锅炉燃用煤种煤质参数(收到基)

1.2 几何模型及网格划分

本文选取从冷灰斗底部到炉膛出口之间的区域为计算域。由于燃烧和进风系统在炉膛宽度方向上是沿中心面对称分布的，因此建立几何模型时选取半个炉膛，中心面设置为对称面。几何模型按照原锅炉1∶1比例建立，网格总数为1420529个。

数值计算中气相湍流流动采用可实现的k－ε模型［6］、气固两相采用拉格朗日随机颗粒轨道模型［7］、辐射换热采用P－1辐射换热模型、挥发分析出采用双方程模型［8］、挥发分燃烧采用混合分数PDF法、焦炭燃烧采用扩散－动力控制模型、NOx的生成只考虑热力型NOx和燃料型NOx［9］。

1.3 数值计算工况安排

本文采用数值模拟方法研究不同的拱上燃尽风风率对炉内的流场、温度场以及烟气成分分布等的影响规律，并对模拟结果进行比较分析得到适合该锅炉的燃尽风风率，OFA风率分别为0%、10%、15%、20%和25%，各工况运行参数见表2。

2 结果与分析

2.1 OFA风率对燃尽区流动特性的影响

图2为不同OFA风率条件下OFA区域速度场分布，当OFA风率为10%和15%时，OFA气流冲量小且刚性差，部分气流与回流区上边缘接触时易被携带进入回流区。当OFA风率为20%和25%时，OFA气流冲量和刚性增强，能够冲入到炉膛中心和上行烟气发生混合且避免被拱下回流区卷吸。

图2 不同OFA风率下燃尽风区域速度场图

表2 数值计算各工况运行参数

图3为OFA气流水平速度衰减曲线，其中Vx为OFA喷口中心所在平面水平方向上距炉膛中心为d处水平速度分量，V0为浓煤粉气流初始风速，d0为两侧OFA喷口间距离(图1)。从图中可以看出，随着OFA风率的增大，OFA气流的穿透深度不断增加。OFA气流穿透深度越大，与上行烟气混合越充分，越有利于煤粉的燃尽，因此从OFA气流的穿透深度方面考虑，应该选择较大的OFA风率。

图3 不同OFA风率下OFA气流水平速度衰减曲线

2.2 OFA风率对炉内温度的影响

图4为不同OFA风率下的炉内温度场分布，各工况条件下在拱下离浓煤粉气流喷口区域及炉膛中心存在高温区。拱下高温区是由于拱上煤粉气流进入炉膛之后煤粉热解析出的挥发分着火释放出大量的热量，炉膛中心高温区是由于拱上煤粉气流与拱下F层二次风混合后，焦炭发生剧烈燃烧，释放大量的热量。同时可见，加装OFA装置后炉膛中心的高温区域稍有上移，分析原因是随着OFA风率的增大，拱下F层给入的空气量减少，下炉膛高温区域焦炭剧烈燃烧程度减弱，而在炉膛喉口区域OFA的给入则为焦炭的继续燃烧提供了一部分的氧量，这样使得高温区域向喉口方向移动。

图5为不同OFA风率下炉内烟气平均温度随着炉膛高度的变化曲线。对于不同的OFA风率其温度随着炉膛高度的变化趋势基本相同，随着炉膛高度的增加，温度先是快速升高，之后开始以较小的幅度不断下降。另外，随着OFA风率的变化，下炉膛整体温度水平差别不大，上炉膛整体温度水平则随着OFA风率的增加有增加趋势。但是煤粉进行燃烧的位置越往上，燃尽距离就越短，燃尽程度越差。因此从保证煤粉颗粒的燃尽程度和稳定蒸汽参数方面考虑，OFA风率不宜太大。

图4 不同OFA风率下炉内温度场分布(K)

图5 不同OFA风率下炉内烟温随炉膛高度变化曲线

2.3 OFA风率对炉内氧气浓度的影响

图6为不同OFA风率下的炉内氧气浓度分布，氧气浓度最高的区域在拱上煤粉气流以及各层分级风刚刚进入炉膛的区域，而在拱下回流区高温区域，氧气浓度则很低，此处高温低氧氛围有利于降低NOx的生成量。OFA气流从拱上靠近喉口处冲入炉膛与上行烟气混合进入上炉膛，因此引入OFA之后上炉膛氧气浓度较未加燃尽风时有一定程度的升高，于此同时，炉内还原性气氛的形成是随着各层气流的不断前行和消耗逐渐在气流下游区域形成的，即主要发生在炉膛中心区域，而炉膛壁面区域由于拱上淡煤粉气流和拱下E层、F层二次风的给入，氧气浓度并没有变化，能够保证边壁区域足量的氧气浓度和氧化性气氛，避免引起水冷壁结渣。

图7为不同OFA风率下炉内平均氧气浓度随着炉膛高度的变化曲线。从整体氧气浓度水平方面看，随着OFA风率的增加，下炉膛氧气浓度水平不断降低，上炉膛氧气浓度水平则随着OFA风率的增加而增加，若下炉膛氧气浓度太低，则不能为煤粉的剧烈燃烧提供足够的氧气，会降低煤粉的燃尽程度，降低锅炉运行的经济性，因此为不严重影响煤粉在下炉膛的剧烈燃烧，拱上OFA风率不宜太大。

图6 不同OFA风率下炉内氧气浓度分布(%)

图7 不同OFA风率下炉内氧气浓度随炉膛高度变化曲线

2.4 OFA风率对炉内NOx生成的影响

图8为不同OFA风率下炉内NOx浓度分布，各工况条件下拱下高温区域NOx浓度比较低。拱下回流区与F层二次风气流的交界面上是NOx浓度最高的区域，因为该区域拱上煤粉气流与F层二次风发生混合后不久，氧量充分而且煤粉燃烧比较剧烈，生成大量的燃料型NOx。随着混合气流在炉膛中心转折向上和不断上行，NOx不断生成，但此时NOx浓度并不能达到最大值，这是因为将部分二次风通过拱上OFA喷口送入炉膛使得F层风量减少，伴随着煤粉的燃烧，混合气流中的氧气不断被消耗，该区域很快形成贫氧的还原性氛围，燃烧生成的NO在还原性氛围下与焦炭及HCN、NH3等中间产物发生还原反应，使得该区域NOx浓度降低。同时，随着OFA风率的增加，该区域还原性氛围加强，更多的NO发生还原反应，NOx浓度不断降低。在加装OFA之后，上行烟气经过喉口位置时由于OFA气流补充了一定的氧量，会生成一定的NOx，但此时燃料中的N已被大量消耗，同时此处温度也没有达到热力型NOx生成的条件，此处NOx生成量并不大。因此，将部分拱下二次风通过位于拱上的OFA喷口给入，能够使下炉膛形成还原性氛围，达到降低NOx的生成量的效果。

图8 不同OFA风率下炉内NO浓度分布(μL/L)

图9为不同OFA风率下炉内平均NO浓度随着炉膛高度的变化曲线。各工况条件下炉膛高度9m以下的区域即冷灰斗区域NO浓度很低，在此之后NO浓度则随着炉膛高度的增加而迅速增加，在OFA风率为0%时，炉膛高度为20～25m区域NO浓度达到最大值，之后随着炉膛高度的增加NO浓度缓慢降低。在引进燃尽风之后的工况条件下，9m到13m之间的区域NO浓度与未加燃尽风时的浓度区别不大，而在之后的区域NO浓度则低于未加燃尽风时的NO浓度，这是因为引进燃尽风后下炉膛形成还原性气氛，NO发生还原反应，含量降低，同时从图中可知，随着OFA风率的增加，下炉膛还原性气氛加强，炉内平均NO浓度不断降低，因此，选择较大的OFA风率有利于降低NO生成量。

图9 不同OFA风率下炉内NO浓度随炉膛高度变化曲线

2.5 不同OFA风率下炉膛出口参数

从前面的分析中看出，增加拱上OFA风率，有利于降低炉内NOx生成量，而且能够增加OFA气流的穿透深度，强化与上行烟气的混合，但OFA风率太大会降低煤粉的燃尽程度，降低锅炉运行的经济性，因此还需要结合具体参数综合考虑。表3列出了模拟得到的不同OFA条件下炉膛出口的烟气温度、氧气含量、飞灰可燃物含量和NOx的排放量。

表3 不同OFA风率条件下炉膛出口参数

当OFA风率从0%增加到20%时，NOx排放量从779.5μL/L降低到561.5μL/L，降幅28%;而OFA风率从20%增加到25%时，NOx排放量从561.1μL/L降低到525.5μL/L，只降低4.6%，降低幅度明显减小。于此同时，当OFA风率从0%增至20%时，飞灰可燃物含量增加1.95%;而从20%增加到25%时，飞灰可燃物含量增长0.61%，增长幅度并无降低，这说明在高OFA风率条件下，下炉膛已经达到很好的还原性气氛，此时增加OFA风率对降低NO生成量已无特别明显的效果，而对下炉膛的煤粉燃烧则依然有较大影响。因此，综合考虑OFA风率对炉内流动特性和燃烧特性的影响以及对NOx排放量和锅炉运行经济性的影响规律，本文确定最佳OFA风率为20%。

3 结语

(1)OFA风率变化对拱上煤粉气流的下冲深度没有太大影响，但是随着OFA风率的增加，OFA气流的穿透深度增加，上行烟气的混合程度加强。

(2)随着OFA风率的增加，下炉膛中心高温区有一定程度的上移，上炉膛温度增加，炉膛出口烟气温度也随之增加，同时使得煤粉燃尽程度变差，飞灰可燃物含量升高，拱上OFA风率从0%增加到25%，飞灰可燃物含量增加2.56%。

(3)随着OFA风率的增加，上炉膛氧气浓度增加，炉膛出口氧气含量增加，但下炉膛氧气量减少，还原性氛围加强，NO生成量减少，炉膛出口NOx排放量降低，拱上OFA风率从0%增加到25%，NOx排放量降低508mg/m3。

(4)综合考虑OFA风率对对炉内燃烧以及炉膛出口的NOx排放量和飞灰可燃物含量的影响，确定最佳OFA风率为20%。

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Numerical simulation of combustion characteristicsin a down－fired utility boiler withDifferent arch－arranged OFA ratios

In present paper，numerical simulation of combustion characteristics and NOxemissions for a 660MWe FW down－fired boiler with the new OFA arrangement is conducted.The numerical simulation result shows thatas the OFA ratio increases from 0%to 25%，the penetration depth of the arch－injected fuel－rich flow changes little while that of the OFA flow increases，which is favorable for the mix of the OFA and the upflowing gas.Besides，the high temperature zone in the furnace center moves upward，deteriorating the combustion of coal particles in the lower furnace.The carbon content in fly ash increases from 4.23%to 6.79%.However，the NOxemissions in the furnace exit decrease from 779.5μL/L to 525.5μL/L.Therefore，comprehensively considering the effect of the OFA ratio on the flow and combustion characteristics as well as the NOxemissions and carbon content in fly ash of the furnace exit，an OFA ratio of 20%is recommended.

Down－fired boiler;arch－arranged OFA;NOx;carbon content in fly ash;numerical simulation

X701.7

B

1674－8069(2015)05－023－05

2015-03-19;

2015-05-21

朱兴营(1988-)，男，山东泰安人，硕士，工程师，主要从事燃烧及污染物控制方面的研究设计工作。E－mail:zhuxyhit@ 163.com