燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及排放特性的影响

任少辉，闫心永，崔 一，陈 宏，张兆超，李跃峰，黄 海，谢 波

(武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司，湖北 武汉 430074）

0 引言

目前,空气分级燃烧技术是一种较成熟且应用广泛的低氮燃烧技术，能够有效大幅度降低NOx排放，同时能减少尾气脱硝成本[1,2]。采用空气分级燃烧技术时，下炉膛主燃烧区域氧气浓度相对较低，会生成大量CO形成还原性气氛，有利于抑制NOx形成；燃尽风从主燃烧区上部送入炉膛，与下炉膛产生的未燃尽的可燃物混合，这促进了燃料的燃尽，提高了燃烧经济性。燃尽风作为空气分级燃烧技术中的一个重要组成部分，其布置方式、风率大小以及入射角度等都会对燃烧效率、NOx排放产生不可忽视的影响，同时也会影响上炉膛区域温度分布和锅炉的安全稳定运行。针对这些问题，国内许多学者展开了相关研究工作。孔红兵等[3]人对应用于一台四角切圆煤粉锅炉上的墙式燃尽风技术进行了研究，结果表明，通过合理配风，锅炉CO和NOx等未燃尽可燃物体积分数均比常规角式燃尽风工况下低，在降低NOx质量浓度的同时锅炉效率不变，并且在解决锅炉两侧汽温偏差方面具有良好的效果。吕太等[4]研究了燃尽风位置高度对NOx生成的影响，认为综合炉内各参数变化的比较得出，燃料从主燃区至燃尽区的最佳运行时间约为0.66 s。付忠广等[5]人在四角切圆煤粉锅炉上通过数值模拟研究了分离式燃尽风水平反切角度对炉膛出口速度偏差和温度偏差的影响，表明燃尽风反切对主燃区的燃烧影响很小，但能有效改善烟温偏差。孙保民等[6]研究燃尽风率对锅炉燃烧及NOx排放的影响，发现当燃尽风率在15%～20%范围内变化时,其负面影响相对较小，但在较高燃尽风率下,其负面影响开始凸显。以上研究针对燃尽风布置方式、燃尽风风率等开展了研究，为进一步研究燃尽风竖直摆角，因此，本文结合现场试验采用数值模拟方法探究了不同燃尽风竖直摆角对炉内流动、燃烧及NOx排放的影响。

1 锅炉简介

模拟对象300 MW四角切圆锅炉为亚临界压力一次中间再热控制循环汽包炉，单炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、Π型布置，采用不带再循环泵的大气扩容式启动系统。锅炉岛为露天布置，采用滚筒式球磨机、中间储仓式热风送粉的制粉系统，每台炉配4台球磨机，锅炉燃用煤相关煤质分析如表1所示，锅炉结构建模和网格划分如图1所示。

表1 煤质分析Tab.1 Coal quality analysis

Fig.1 Schematic diagram of boiler and grid division

为了研究燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及NOX排放特性的影响，文中设置了燃尽风竖直摆角分别为 0°、-5°和-10°的 3 组工况，其中负号表示竖直向下摆动，0°下运行工况为电厂实际运行工况，在本文中用于模拟验证。具体工况设置见表2。

表2 工况参数Tab.2 Case and parameters

2 数学模型、网格及计算方法

锅炉炉膛内的煤粉燃烧过程主要包含：气固两相流的，煤粉颗粒的热解和燃烧，气相反应物参与的均相燃烧反应，辐射和对流传热过程，氮氧化物等生成和还原过程等。

在本文对该锅炉炉内燃烧的模拟计算中，在模拟气相湍流时采用标准的k-ε湍流模型；采用PDF模型来模拟气相燃烧过程；在模拟煤粉颗粒的运动时采用颗粒的随机轨道模型；采用双方程平行竞争反应模型来模拟煤的热解；在模拟焦炭燃烧时采用动力/扩散控制反应速率模型；用DO法模拟辐射传热计算；离散方法均设置成一阶迎风格式。设定边界条件时，将一次风、二次风以及燃尽风的边界条件均设定为速度入口，并根据锅炉的设计参数来决定其入口的流速和风温；出口处采用的是压力出口的边界条件，根据实际电站锅炉在引风机作用下炉内呈现负压的特点，将其压力参数设置为-50 Pa；将炉膛壁面设置成无滑移的边界条件，并采用标准的壁面方程，壁面的热交换则采用第二类边界条件（温度边界条件），通过给定壁面的温度和辐射率来实现，设置壁面温度为690 K，设置壁面辐射率为0.6，离散相类型为reflect；其中冷灰斗底部壁面温度为473 K，辐射率为1，离散相类型为trap。更多模型及设置见参考文献[7-9]。

3 模拟结果分析与讨论

3.1 模拟结果验证

实际运行中竖直摆角设置为0°，因此为验证模拟结果的准确性，将竖直摆角为0°的模拟结果与锅炉实际运行时热态测量数据对比验证。模拟与试验的炉膛出口温度、出口CO、NOx浓度以及飞灰含碳量对比如表3所示。可以看出，模拟结果与试验结果符合性较好，表明所建立的模型、网格以及数学模型能够合理地预测炉内流动、燃烧及NOx排放特性。

表3 模拟结果与实际测量结果的对比Tab.3 Comparison of simulated and measured results

3.2 变燃尽风竖直摆角对燃烧及NOx排放特性的影响

图2给出了基本工况(竖直摆角为0°)下速度和温度分布，可以看出在该低氮燃烧方式下，炉膛内流场和温度场切圆形成较好。煤粉气流在一次风喷嘴不远处着火燃烧并形成稳定火焰，无燃烧刷墙现象。主燃烧区燃烧剧烈，温度较高；随着燃尽风喷入，温度在燃尽风区域有所降低，但随后由于未燃尽可燃物继续燃烧放热，在燃尽区温度又有所升高。如图3所示为不同燃尽竖直摆角下纵截面速度分布对比，可以看出当燃尽风下摆角度增大，燃尽风气流下冲越深，与主燃烧区域气流接触越提前；下炉膛主燃区流场基本相似，说明燃尽风竖直摆角对下炉膛流动影响较小。

图2 基本工况下速度和温度分布Fig.2 Velocity and temperature distribution of the based case

图3 不同燃尽竖直摆角下纵截面速度分布Fig.3 Velocity under different over-fired air vertical angles

图4(a)给出了炉膛宽度中心截面的温度场分布。从图中可以看出，随着一次风燃烧器喷口下摆角度增大，主燃烧器区域温度变化较小，但下炉膛主燃区上部与燃尽风之间的高温区面积在逐渐缩小。通过炉膛内温度随炉膛高度的变化(图4(b))中情况可以看出，燃尽风竖直摆角变化时，主燃区温度曲线变化不大。但对主燃区与燃尽风区域而言(高度为25 m附近)，燃尽风竖直摆角越大，22-25 m区域温度越低，同时低温峰值位置越靠下，这主要是燃尽风下倾后对该区域的冷却效应造成的。当经过一段高度，由于摆角越大在下面高度上补充的氧气越多，燃烧越剧烈，此时空气的助燃作用开始比冷却作用强，所以摆角越大温度反而越高。最后经过一段高度的燃烧，不同摆角对应的温度又变得基本相同。

图4 不同燃尽风竖直摆角下温度分布Fig.4 Temperature distribution under different over-fired air vertical angles

图5为不同燃尽风竖直摆角下炉内氧量变化情况。从图5(a)中看出，不同燃尽风竖直摆角下，炉内氧量的分别情况基本是相似的：在主燃烧区域，过量空气系数相对较小，氧量保持较低的状态；在燃尽区，随着燃尽风喷入，燃尽区域氧量浓度较高。随着燃尽风竖直摆角的增加，最上层燃烧器与燃尽风之间低氧区域逐渐减小。通过图5(b)曲线分析也发现，在主燃区，随着燃尽风下摆角度的增加，不同下摆角度下的平均氧量相差不大。但在主燃区与燃尽风喷嘴之间区域，燃尽风下摆角度越大，氧气浓度越低；在燃尽风上部区域，随着未燃尽成分继续燃烧消耗氧气，氧量变化情况基本相同。

图5 不同燃尽风竖直摆角下O2浓度分布Fig.5 O2distribution under different over-fired air vertical angles

图6给出了不同竖直摆角下CO浓度分布。可以看出，在不同燃尽风竖直下摆角度下，炉内CO浓度的变化情况趋于一致。由于空气分级燃烧，在炉膛主燃区，CO浓度保持在一个较高的范围，该区域呈还较强的原性气氛，这有利于抑制NOx的生成。主燃区一、二次风的相间分布导致CO浓度出现波动。随着后面燃尽风的送入，大量空气被送入炉膛，主燃区生成的CO开始燃烧，CO浓度持续下降。对比不同燃尽风竖直摆角，可以看出炉膛内主燃烧器区域CO浓度变化相对较小；但随着燃尽风下摆角度的增加，燃尽风提前与高温烟气接触，更多氧量提前补充进来，更多的CO被燃烧消耗，使得高CO浓度区域面积有所减小，即还原性区域减小。当高度继续上升后，CO浓度逐渐降低，最终不同摆角对应的CO浓度相差很小，并保持较低一个相对较低值。

图6 不同燃尽风竖直摆角下CO浓度分布Fig.6 CO distribution under different over-fired air vertical angles

图7(a)给出了不同燃尽风竖直摆角下，炉膛宽度中心截面NOx浓度的分布云图。从图中可以看出，主燃烧器区域，燃烧器喷口处的NOx浓度最大，因为喷口附近燃烧剧烈、温度较高、氧含量相对较高，有利于NOx的还原反应比NOx的生成反应要弱。随着高度的增加NOx浓度随之降低，这是因为较小的过量空气系数导致燃烧不充分，延迟煤粉燃烧，产生了大量的CO，抑制了NOx的生成。对比不同工况下的曲线图7(b)，随着燃尽风竖直摆角的提高，主燃烧区NOx浓度变化不大，但在燃尽区产生的平均NOx浓度在逐渐增加，说明增大燃尽风摆角向下摆角增加不利于减少NOx的生成的。这主要是由于竖直摆角增大，主燃烧区最上层与燃尽风之间还原性区域减小，还原下炉膛已生成的NOx的能力降低。

图7 不同燃尽风竖直摆角下NO浓度分布Fig.7 NO distribution under different over-fired air vertical angles

图8是不同燃尽风竖直摆角下的炉膛出口处参数变化规律。从图中可以看出，随着燃尽风竖直摆角增加，炉膛出口处的CO浓度和飞灰含碳量有所降低，而NOx排放浓度在有所升高。特别地，随着燃尽风竖直摆角从0°增加到-5°，CO浓度和飞灰含碳量降低明显，而NOx有所增。进一步增加燃尽风竖直摆角从-5°到-10°，CO浓度和飞灰含碳量降低幅度较小，而NOx有明显增大。因此，综合考虑燃烧经济性和脱硝成本，建议将燃尽风竖直摆角设置为-5°。

图8 不同风率下出口参数统计Fig.8 The results of the outlet

4 结语

对某300 MW电厂四角切圆锅炉不同下摆角度(0°、-5°、-10°)对燃烧及排放特性展开了数值模拟研究。数值模拟的结果与现场实际情况吻合比较好。实验结果表明：增加燃尽风下摆角度，可以在一定程度上使下炉膛产生的CO和未燃尽煤粉颗粒提前与燃尽风接触并混合，延长了其反应时间，这使得CO浓度、飞灰含碳量有所下降；但同时燃尽风下倾也减小了还原性气氛区域，不利于NOx减排，导致NOx有所增加。综合考虑燃烧经济性和脱硝成本，建议将燃尽风竖直摆角设置为-5°能达到高效低NOx目的。