超临界塔式炉燃尽风对NOx生成的影响

李剑宁，　熊显巍，　施鸿飞

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)



超临界塔式炉燃尽风对NOx生成的影响

李剑宁，熊显巍，施鸿飞

(上海发电设备成套设计研究院，上海 200240)

摘要：以某670 MW超临界塔式炉锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况为基准模型，对八角单切圆煤粉炉的分级燃烧进行数值模拟，研究了不同燃尽风率下NOx的生成及分布特性，分析了NOx的排放规律，并与现场实际运行测试数据进行比较.结果表明：当燃尽风率由0.040增大至0.207时，炉内峰值温度降低80 K，出口NOx质量浓度从535 mg/m3降低到373 mg/m3，说明燃尽风率变化对NOx的影响较大；综合比较O2质量分数和温度，实际运行中燃尽风率不宜超过0.2.

关键词：超临界塔式炉； 燃尽风率； NOx； 数值模拟

随着经济的高速发展，煤炭资源消耗量持续增长，尤其是电力需求所占份额最大.且由燃煤机组燃烧污染物的排放而造成的环境破坏日益突出，这已成为严峻的社会问题，严重制约了经济社会的可持续发展，因此必须加大电厂燃煤污染物排放处理的力度.电厂燃煤排放的污染物亟待得到有效控制，继硫化物之后，近年来氮氧化物(NOx)也成为普遍关注的焦点，根据GB 13223—2011 《火电厂大气污染物排放标准》[1]，燃煤锅炉的NOx排放量限值从2003年规定的450 mg/m3降到最新要求的100 mg/m3.

锅炉燃烧NOx的生成量与煤种、燃烧系统、炉膛结构及运行参数等因素密切相关，结合不同煤种，通过先进的低NOx燃烧技术或低NOx燃烧器，能显著降低锅炉NOx的排放量.国内有关学者对影响NOx生成的因素进行了很多研究[2-3]，并取得了一定的技术成果，其中关注最多的炉型是四角切圆锅炉[4-5]和单炉膛双切圆锅炉[6].笔者以某670 MW燃烧褐煤的八角单切圆塔式炉为研究对象，研究了燃尽风率对NOx生成和分布特性的影响，探讨了不同燃尽风率下NOx的排放规律，并与现场实际运行测试数据进行比较，从而达到指导运行的目的.

1计算模型

研究对象为一次中间再热、超临界压力变压运行、带内置式再循环泵启动系统的直流锅炉，采用单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、塔式紧身封闭布置.锅炉配8台风扇磨煤机，锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下6台磨煤机运行，2台磨煤机备用.每台磨煤机供应一角燃烧器，每角有5组燃烧器，分为上、中、下3组，其中下组和中组燃烧器各有2层燃烧器，上组燃烧器有1层燃烧器.上组燃烧器由5个风室组成，即上端部风室2个、中间空气风室1个、煤粉风室1个和油风室1个.中组燃烧器由7个风室组成，即上端部风室1个、中间空气风室2个、煤粉风室2个、油风室1个和下端部风室1个.下组燃烧器也由7个风室组成，即上端部风室1个、中间空气风室2个、煤粉风室2个、油风室1个和下端部风室1个.分离燃尽风(SOFA)燃烧器由4个相同大小的空气风室叠加组成，其中油风室中间布置有带稳燃叶轮的喷嘴.炉膛每面水冷壁与2台磨煤机相配，故每面墙上各布置2组燃烧器，形成“八角”小直径单切圆燃烧，炉膛截面尺寸为212 273 mm×212 273 mm，高度为73 300 mm.燃烧器布置如图1所示.

煤的元素分析和工业分析如表1所示.电厂实际运行6台磨煤机，保持3个工况下的一次风率不变，各工况下配风参数见表2.

(a)

(b)

参数工业分析元素分析w(Vdaf)/%w(Mar)/%w(Aar)/%w(Car)/%w(Har)/%w(Oar)/%w(Nar)/%w(Sar)/%Qnet,ar/(kJ·kg-1)数值44.2532.809.4943.212.6211.140.570.1715.75

表2　不同工况下的配风参数

2网格划分及数学模型

使用CFD前处理软件Gambit对模型进行网格划分，按照1∶1比例建模，选取炉膛下部冷灰斗到屏式过热器底部为计算域，考虑到塔式炉无折焰角，炉膛结构规整，在处理过程中全部采用结构化的六面体网格，并对燃烧器和燃尽风区域的网格进行局部加密处理(见图2)，最终网格数量为903 000.

(a)燃烧器区域(b)炉膛

图2燃烧器区域和炉膛网格划分

Fig.2Grid division of burners and boiler

数值模拟采用三维稳态算法，采用有限容积法(FVM)来离散微分方程，对控制方程求解采用Simple算法，其余模型选取[7]见表3.一次风和二次风均采用速度入口边界条件，入口风速和风温根据给定参数设置，对燃尽风也采用速度入口边界条件.出口采用压力出口边界条件，压力设为-50 Pa.炉膛采用标准壁面函数(standard wall function)和无滑移边界条件.壁面热交换选择第一类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度670 K，壁面内部辐射率为0.8[8].

表3　数学模型

根据NOx生成原因对其釆取后处理方法：热力型NOx的主要影响因素是温度，其中热力型NOx一般占15%；燃料型NOx的主要影响因素是过量空气系数，一般燃料型NOx占75%～80%；快速型NOx约占5%.笔者只考虑热力型NOx和燃料型NOx，热力型NOx采用Extended Zeldovich机理，根据文献[8]当温度，在1 500 ℃以上时，N2与O2生成NO的平衡常数很大，NO分压增大且随着温度升高而增大.同时，温度升高，NO2大量分解为NO.燃料型NOx采用De Soete机理，分为挥发分NOx和焦炭NOx2部分，焦炭N直接转化为NO，挥发分N先转化为HCN，HCN遇氧继续氧化生成NO，NO遇焦炭被还原成N2[9]，转化形式如图3所示.在实际模拟过程中，将焦炭N与挥发分N的比例确定为1∶4[10].

图3　NOx转化模型

3计算结果及分析

3.1不同燃尽风率下的炉膛温度分布

图4和图5分别给出了不同燃尽风率下下层燃烧器温度分布云图和沿炉膛高度方向上的温度分布.从图4可以看出，煤粉在炉膛中心区域燃烧放热，在工况1中，主燃区温度能够保持相对较高的水平，保证了燃烧的充分合理与实际运行的可靠.而随着燃尽风率的减小，中心区域燃烧温度整体提高，这是因为主燃区二次风量增大，煤粉燃烧提前且燃烧充分导致整体平均温度升高.

从图5可以看出，沿炉膛高度方向上截面平均温度呈现起伏变化，30～45 m的区域为烟气高温区，此区域为主燃区的燃烧器区域，一次风携带煤粉进入炉膛，与邻近喷入的二次风混合，使煤粉发生化学反应开始燃烧，释放热量，炉膛温度处于高温状态，大部分焦炭在主燃区燃尽，另外一部分随旋转气流向炉膛上方运动且不断燃烧，当进入SOFA区域时，焦炭在氧气过量的情况下继续燃烧，完成最后的放热.在46～50 m处，炉膛温度大幅下降，这是因为在这个高度处，喷入SOFA后对高温烟气形成冷却作用，并对炉膛上部屏式过热器辐射放热，其冷却所带走的热量远大于此区域处未燃尽焦炭燃烧释放的热量，因此SOFA喷口区域及其以上区域的温度并没有升高，而是随着焦炭的燃尽逐渐下降.在50 m以上区域的温度略有上升，这是因为烟气冲过SOFA区域后，未燃尽残留焦炭与氧气结合继续释放热量，同时CO也逐渐燃烧且完全放热，使截面平均温度有小幅的升高.

对比不同燃尽风率下的温度可知，当燃尽风率增大时，炉膛截面平均温度和峰值温度均有所下降，峰值温度降低80 K；当燃尽风率由0.040增大至0.122时，炉膛截面平均温度和峰值温度均大幅下降，这对炉内NOx的生成有直接影响，所以从控制NOx排放的角度考虑，实际操作中燃尽风率不宜过小.

(a)工况1

(b)工况2

(c)工况3

图5　沿炉膛高度方向上的温度分布

3.2不同燃尽风率下的O2质量分数分布

图6给出了不同燃尽风率下沿炉膛高度方向上O2质量分数的分布.从图6可以看出，随着燃尽风率的减小，炉膛下部燃烧器区域O2质量分数增大，使得煤粉在高过量空气系数下进行燃烧，加速了煤粉与空气的混合与反应，大大加快了燃料中N与O的结合，增大了燃料型NOx的转化率，同时在氧化性气氛中抑制了NOx经过均相反应分解的途径(见图3).从图6还可以看出，O2质量分数在23 m、31 m、38 m和46 m处最小，这些高度基本为燃烧器的布置高度附近，在这些位置处煤粉燃烧消耗大量O2，使O2质量分数达到低点；而后在46 m以上区域，由于SOFA的进入，且未燃尽碳消耗的氧量远远小于补充的空气量，所以O2质量分数达到一个极值.

图6　沿炉膛高度方向上O2质量分数的分布

3.3不同燃尽风率下的NOx质量浓度分布

图7给出了不同燃尽风率下沿炉膛高度方向上的NOx质量浓度分布.从图7可以看出，不同燃尽风率下，沿炉膛高度方向上的NOx质量浓度分布具有大致相同的变化趋势，在20～45 m区域，NOx质量浓度整体上呈现上升趋势，这是因为煤粉在主燃区燃烧放热，温度升高，二次风喷入大量空气，热力型NOx和燃料型NOx在此区域开始大量生成.另外，在高温区NOx质量浓度分布呈现波浪形分布，这主要是由于在二次风喷口所在截面上总会有大量的低温空气喷入，二次风低温抑制了NOx的生成，同时一次风携带煤粉进入，在喷口处形成还原性气氛，使NOx生成量下降[11].然后煤粉燃烧放热导致温度升高，燃料型NOx和热力型NOx又大量生成，形成起伏趋势.在46 m处左右，NOx质量浓度出现一个低点，这是因为此时煤粉气流到达燃尽区，燃尽风的加入使得沿炉膛高度方向上的温度明显下降，同时CO在此处形成还原性气氛，经过温度与CO的共同作用，NOx质量浓度出现小幅下降.

图7　沿炉膛高度方向上的NOx质量浓度

在燃尽风率从0.040增大到0.207的过程中，出口NOx质量浓度分别为535 mg/m3、432 mg/m3和373 mg/m3，降幅逐渐减小，这说明在总风量不变的情况下，通过改变燃尽风量降低NOx质量浓度的效果在减弱.同时，燃尽风率增大导致主燃区由“富空气燃烧”转变为“富燃料燃烧”，加剧了主燃区燃料的不完全燃烧程度，影响炉膛燃烧放热出力，实际运行中建议燃尽风率不宜超过0.2.

图8给出了沿炉膛高度方向上燃料型NOx和热力型NOx的生成速率分布.从图8可以看出，燃料型NOx和热力型NOx在22～50 m区域大量生成；在55 m处以上区域，燃料型NOx生成速率逐渐下降，而热力型NOx生成速率已经基本为0，这是因为这些位置处的烟气温度已低于热力型NOx生成需要的温度，所以不再生成热力型NOx.在22～45 m处，燃尽风率为0.207时，沿炉膛高度方向上燃料型NOx和热力型NOx的生成速率皆低于燃尽风率为0.040时燃料型NOx和热力型NOx的生成速率，这是因为在此区域为富燃料燃烧，还原性气氛下碳对生成的NOx产生抑制，使燃料型NOx生成速率下降；而对应位置高度的工况1的截面平均温度要低于工况3，从而使热力型NOx生成速率降低.

(a)燃料型NOx生成速率

(b)热力型NOx生成速率

4结论

(1)在总风量不变的情况下，不同燃尽风率下炉膛截面平均温度变化趋势一致，但随着燃尽风率的增大，炉膛截面平均温度和峰值温度均有所下降，NOx质量浓度降低.

(2)在锅炉总风量不变的情况下，燃烧器区域O2质量分数随着燃尽风率的增大而减小，还原性气氛增强，有效地抑制了NOx生成.

(3)燃尽风率增大，燃烧器区域热力型NOx和燃料型NOx的生成速率受到抑制，使出口NOx质量浓度下降.

(4)从温度和NOx质量浓度降幅的角度分析，燃尽风率增大到一定程度后，NOx质量浓度降幅有限；而燃尽风率过小会导致炉膛温度过高，NOx生成量剧增.综合考虑燃烧及NOx排放量的影响，实际运行中建议燃尽风率不超过0.2.

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Effects of SOFA Ratio on NOxGeneration Characteristics in a Supercritical Tower Boiler

LIJianning,XIONGXianwei,SHIHongfei

(Shanghai Power Equipment Research Institute, Shanghai 200240, China)

Abstract：Taking a 670 MW supercritical tower boiler under BMCR condition as the benchmark model, numerical simulations were implemented on staged combustion of the eight-corner single-tangential firing boiler, so as to study the generation, distribution and emission characteristics of NOx at different SOFA ratios, and to compare the simulation data with actual measurements. Results show that when the SOFA ratio is raised from 0.040 to 0.207, the peak temperature in furnace would be reduced by 80 K, and the outlet NOx concentration would be reduced from 535 mg/m3 to 373 mg/m3, indicating obvious effects of SOFA ratio on the NOx emission. By comprehensively considering the oxygen and temperature factors, it is recommended to keep the SOFA ratio no more than 0.2 in actual operation.

Key words：supercritical tower boiler; SOFA ratio; NOx; numerical simulation

收稿日期：2015-07-24

修订日期：2015-09-11

作者简介：李剑宁(1990-)，男，山西晋中人，硕士研究生，研究方向为电站锅炉性能计算与分析. 电话(Tel．)：18317001565；

文章编号：1674-7607(2016)07-0513-06中图分类号：TK229

文献标志码：A学科分类号：470.30

E-mail：lijianning@speri.com.cn．