高速燃尽风射流对NOx与CO协同控制的模拟研究

张 健，刘毅成，刘 薇，马倩慧，白 昊，张忠孝

高速燃尽风射流对NO与CO协同控制的模拟研究

张 健1，刘毅成1，刘 薇1，马倩慧1，白 昊1，张忠孝2

(1. 上海理工大学环境与建筑学院，上海 200093；2. 上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

针对某75t/h四角切圆煤粉电站锅炉采用深度空气分级脱硝后带来的CO浓度提升问题，提出了高风速燃尽风射流对NO与CO协同控制的方法．使用计算流体力学(CFD)数值模拟方法，研究了该技术的工作原理以及对火焰燃烧特性的影响．研究结果表明：①对传统空气分级，燃尽风风率从20%增加到40%时，锅炉出口NO质量浓度从450mg/m3降低到263mg/m3，同时折烟角处CO质量浓度从15.5mg/m3增加到428.3mg/m3；②采用高速燃尽风，燃尽风风率为40%，风速提高至82m/s，可以保证NO与CO同时有效控制；③高风速对CO燃尽的原因，归因于在炉内形成一个大回流区，此处有氧浓度高、停留时间长、湍流强度高等特点，这些都促进了CO燃尽，模拟也表明高风速燃尽风喷射不影响炉内煤粉燃烧过程．该新工艺的提出与数值模拟研究，对深度空气分级脱硝与CO同时控制的工业应用有一定理论指导意义．

空气分级；数值模拟；燃尽风；NO；CO燃尽

目前我国燃煤发电机组的NO排放应控制低于100mg/m3排放[1]．规定新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，即在基准氧含量6%条件下，氮、氧化物排放浓度分别不高于50mg/m3[2]．目前很多大型电站已经通过使用选择性催化还原技术(SCR)实现NO排放控制低于50mg/m3. SCR技术的使用，伴随着大量喷氨、可能的氨逃逸、后续管道结焦倾向以及经济性付出等．如何在锅炉本体控制NO的多种联合技术中，更加优化每个环节，实现经济且可靠的脱硝控制，是一个重要课题．

空气分级技术是很传统的技术，可以创造还原区域促进NO还原反应发生，一般可降低NO排放20%～30%[3-4]．但是，也会产生一系列的问题，比如炉膛顶部火焰一定超温，过热器补水量增加[5]；炉内燃烧推迟，火焰中心上移，炉膛出口的飞灰含碳量增加[6-8]，炉内大量CO未燃尽[9-10]．通过实验研究，高风速燃尽风(SOFA)对于控制CO燃尽、飞灰含碳量燃尽有一定的作用[11-12]．也有研究通过数值模拟分析高风速燃尽风起作用的原因[12-14]．不过，研究高风速燃尽风的参考文献较少，理论分析尚不透彻．

本文在考虑深度空气分级的基础上，分析了高风速燃尽风系统的设计思路，通过计算流体力学(CFD)模拟先研究了高风速后炉内CO、NO排放的变化，以及对炉内燃烧的煤粉火焰的影响．该研究为电站煤粉锅炉有效控制NO及CO燃尽有一定的理论指导意义．

1 数值模拟深度空气分级对CO排放的影响

本文研究对象为某电厂75t/h四角切圆煤粉锅炉，锅炉设计煤种为AⅢ烟煤，煤质分析见表1，设计热效率为90.24%．炉高18.5m，截面尺寸为5392mm×6106mm(深×宽)，正方形π型锅炉，燃烧器为四角切圆布置．图1(a)为锅炉的三维结构布置，以及燃烧器和SOFA的各个喷口位置．图1(b)为主燃区横截面网格，锅炉网格共计约160万，经过网格的独立性分析检验．

表1 煤质分析

Tab.1 Analysis of coal quality

图1 锅炉模型建立与网格划分

使用Ansys-Fluent 15.0软件进行CFD模拟．模型选型与工况设置如下：①对气相湍流计算，采用Realizable-模型；②采用随机离散相模型(DPM)获得煤粉颗粒运动；③在欧拉场与颗粒拉格朗日场耦合过程中，每次迭代共跟踪3840个煤粒子轨迹；④气相湍流燃烧的模型选用有限反应速率-涡耗散模型；⑤辐射换热模型使用离散坐标(DO)模型；⑥采用SOFA风率为20%、30%、40%作为模拟工况；⑦NO生成模拟采用后处理方法计算，考虑热力型NO与燃料型NO的生成．具体的参数设置可参考作者的前期研究[15-17]．

图2模拟了锅炉满负荷工作的锅炉不同高度处的烟气温度与组成．SOFA风率20%时，模拟结果的NO质量浓度为450mg/m3．在实际工程改造前SOFA比例为20%，烟气中NO质量浓度实测结果为420～450mg/m3，可见模拟与实测对比较好．对于满负荷工况，在锅炉折焰角附近的观火孔内往炉内插入约3m的热电偶，测试烟气温度为980～1008℃，此时锅炉尾部烟道处的氧化锆设备测出烟气氧气体积分数约3.7%，这些实测数据都与模拟结果有较好的吻合，表明模拟结果合理可靠．

图2中分别讨论了不同空气分级配置对烟气温度、CO体积分数、NO质量浓度在炉内纵高方向的影响规律．图2(a)为各工况下沿高度方向上的截面平均温度的变化情况．SOFA风率从20%提高到40%，会让燃烧器火焰区温度降低，同时让火焰拉长，顶部烟气温度提高．20%、30%、40%的燃尽风工况下，在折焰角位置的烟气平均温度分别为990℃、1004℃、1040℃．过高的燃尽风配比，会造成蒸汽管道一定超温，增加过热器中的减温水水量需求．图2(b)展示了炉膛出口(折烟角)处的CO体积分数，当SOFA从20%提高到40%，CO体积分数从14.3×10-6(15.5mg/m3)增加到388.8×10-6(428.3mg/m3)．SOFA为40%工况在还原区CO体积分数约为4000×10-6～13000×10-6，明显高于3000×10-6～10000×10-6(30%燃尽风)和500×10-6～4000×10-6(20%燃尽风)情况．图2(c)中，SOFA风率从20%增加到40%时，炉膛出口处NO的排放量从450mg/m3下降到263mg/m3，即下降了41.6%，可以实现有效控制．深度空气分级对于NO降低是有效的，如何同时控制CO的排放是一个重要问题．

图2 模拟不同燃尽风风率下炉内温度、CO与NOx分布

2 高风速燃尽风的设计构想

选择专有的高压新风模式(见图3)，即通过某专用的高压风机，直接提高燃尽风的风速．若直接从大风箱抽风，则会对大风箱的其他配风有不利影响．这里希望有专门的热风管路实现风速提高，建议设计有专门的高风速SOFA风管路和相关的预热装备．通过一定的空气预热器预热，既有一定的高温预热，又连接高压风机，实现高风速SOFA风喷射的目的．

图3 高速燃尽风工艺设计示意

3 数值模拟分析高风速燃尽风的影响

图4模拟了高压风机法控制高风速燃尽风对烟气温度及CO、NO排放的影响．图4(a)可看出在配风30%与40%的两个工况，在高风速的影响下，SOFA风口以上空间的温度有一定的下降，不过下降幅度约30℃，控制高风速SOFA对CO和NO的研究结果分别见图4(b)和(c)．两个工况的模拟都说明可以有效提高CO燃尽，还原区位置的CO体积分数大降．高风速燃尽风工况的后期NO排放比低风速燃尽风工况的微高，这与还原区上部氧体积分数略提高有关，但是影响不大，可以忽略．

图5为不同SOFA风速下炉膛截面的烟气上升速度分布，可以明显看出提高燃尽风量和提升燃尽风速度，都可以在燃尽风区形成一个“心型”的大回流区，特别是高风速SOFA40%的燃尽风工况．大回流区的直径约为炉膛长或宽的一半，高度约2m．随着SOFA风风速的增大，速度的增大使得射流气流的刚性明显较强，并且射流扩散情况较好，因而有利于SOFA与主气流的充分混合．

图6是对SOFA40%高风速工况的模拟数据，以炉膛中燃烧器1#角与3#角对置喷口的对角线横截面出图．分图6(a)中，燃尽风喷口对角截面的速度分布图中显示了燃尽风下部有一定的烟气回流区，烟气被高速气流阻隔在燃尽风下方，这引起了炉膛下方的煤粉颗粒停留时间的增加．分图6(b)中，炉内的大回流区中氧气体积分数较高．分图6(c)中，CO大量在回流区被燃烧．发现CO与焦炭的燃烧主要集中在燃烧器区域和与还原区．燃尽风上部也有一定的焦炭与CO燃烧，但是份额较少．

图5 不同SOFA风下炉膛截面的烟气上升速度分布

图6 SOFA＝40%高风速燃尽风工况的大回流区的特性分析

4 中心回流区附近的煤粉颗粒轨迹分析

图7是高风速的40%燃尽风工况跟踪一个角的上下两个煤粉喷口的煤粉入射轨迹线．分图7(a)是颗粒经过位置的氧气体积分数，煤粉仅仅在燃烧器喷口附近和燃尽风喷口附近与更多氧气接触，在更多的位置氧气体积分数都约低于1%．分图7(b)中，跟踪颗粒发生的上升速度为正代表颗粒往上运动，为负代表往下运动．可见颗粒几乎很少进入燃尽区域的大回流区，煤粉都是通过靠近锅炉壁面的位置进入更上层空间，也就是说回流区中走的不是煤粉，而是带有CO的烟气．因为CO在大回流区有更多的停留时间，所以促进了CO的燃尽.

图7 SOFA＝40%高风速燃尽风工况的颗粒运动轨迹跟踪

5 高风速对CO与NOx同时控制的讨论

对不同SOFA风率的工况模拟结果进行汇总，模拟得到的尾部烟气组成见表2．提高SOFA风的速度后发现温度变化并不明显，CO有明显降低．SOFA为30%和40%的工况里的CO分别降低了187.5mg/m3和303.2mg/m3．当SOFA风速分别从33.79m/s、41.25m/s增加到64m/s、82m/s时，NO浓度均有小幅度增加，该增加幅度是小的．这里最优工况是40%SOFA且使用高风速，既可以促进NO有效控制，又能实现CO不超标．

ALSTOM公司做了高风速SOFA的相关实验与模拟研究[12]．图8是实验数据，是在一定风速的基础上(原文没有介绍)，以倍数的形式提高了SOFA风的速度．2.5倍风速比1.5倍风速工况CO有一定的降低，同时飞灰未燃尽碳含量降低．同时，NO变化较小，高风速对其几乎没有变化．这些结论都和本文的研究结果类似．不过，该文献将CO降低归结为高风速促进了SOFA风截面的气流混合，氧气体积分数均匀．本文不同意该观点，认为该现象归因到大回流区的形成．

表2 不同模拟工况下炉膛出口烟气参数的比较

Tab.2 Comparison of flue gas parameters at the furnace outlet under simulated conditions

图8 高风速燃尽风对NOx、飞灰含碳量和CO影响的实验数据[12]

6 结 论

目前我国燃煤发电机组的主要污染物之一就是NO，系统提升机组的NO综合最优化管控是一个重要课题．本文针对传统空气分级引起的炉内大量CO未燃尽问题，提出了高风速燃尽风的工艺设计．并通过CFD数值模拟研究分析了该工艺的特点，探索CO的成因．

(1) 传统空气分级，燃尽风风率从20%增加到40%时，锅炉出口NO质量浓度从450mg/m3降低到263mg/m3，同时折烟角处CO质量浓度从15.5mg/m3增加到428.3mg/m3．

(2) 燃尽风风率为40%，同时风速提高至82m/s，炉膛出口CO及NO质量浓度分别为125.1mg/m3和274.3mg/m3，该工况可以同时控制NO与CO．

(3) 高风速对CO燃尽的原因在于炉内形成一个大回流区，此处由高氧、高停留时间、高湍流强度等特点，都促进了CO燃尽．

［1］ 环境保护部，国家质量监督检验检疫总局. GB13223—2011火电厂大气污染物排放标准[S]. 北京：中国环境出版社，2012.

Ministry of Environmental Protection，General Administration of Quality Supervision，Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China. GB13223—2011 Emission Standard of Air Pollutants for Thermal Power Plants[S]. Beijing：China Environmental Science Press，2012(in Chinese).

［2］ 环境保护部，国家发展和改革委员会，国家能源局. 关于印发《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》的通知[EB/OL]. http：//www. mee. gov. cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm，2015-12-11.

Ministry of Environmental Protection，National Development and Reform Commission，National Energy Administration. Full Implementation of Ultra-low Emission and Energy-saving Transformation Work Plan for Coal-fired Power Plants[EB/OL]. http://www.mee.gov. cn/gkml/hbb/bwj/201512/t20151215_319170.htm，2015-12-11(in Chinese).

［3］ 汪华剑，方庆艳，周怀春，等. 空气深度分级对低挥发分煤燃烧过程影响的研究[J]. 热能动力工程，2009，24(6)：777-781.

Wang Huajian，Fang Qingyan，Zhou Huaichun，et al. Study of the influence of the deep air-staged burning on a low-volatile coal combustion process[J].，2009，24(6)：777-781(in Chinese).

［4］ Chen S L，Heap M P，Pershing D W，et al. Influence of coal composition on the fate of volatile and char nitrogen during combustion[J].()，1982，19(1)：1271-1280.

［5］ 曹瑞杰，张 健，毕德贵，等. 130t/h四角切圆煤粉炉低氮燃烧改造的试验研究及数值模拟分析[J]. 热能动力工程，2018，33(10)：75-82.

Cao Ruijie，Zhang Jian，Bi Degui，et al. Experimental and numerical investigations on effects of low-NOcombustion in a 130t/h tangentially firing furnace of pulverized coal[J].，2018，33(10)：75-82(in Chinese).

［6］ 周俊虎，赵琛杰，许建华，等. 电站锅炉空气分级低NO燃烧技术的应用[J]. 中国电机工程学报，2010，30(23)：19-23.

Zhou Junhu，Zhao Chenjie，Xu Jianhua，et al. Application of air-staged and low NOemission combustion technology in plant boiler[J].，2010，30(23)：19-23(in Chinese).

［7］ 王恩禄，张海燕，罗永浩，等. 低NO燃烧技术及其在我国燃煤电站锅炉中的应用[J]. 动力工程，2004，24(1)：23-28.

Wang Enlu，Zhang Haiyan，Luo Yonghao，et al. Analysis of low NOcombustion techniques and its application for the coal fired power plants in China[J].，2004，24(1)：23-28(in Chinese).

［8］ Fan Weidong，Lin Zhengchun，Kuang Jinguo，et al. Impact of air staging along furnace height on NOemissions from pulverized coal combustion [J].，2010，91(6)：625-634.

［9］ 周 平，张广才，严晓勇，等. 600MW机组对冲燃煤锅炉尾部CO浓度偏高的调整试验[J]. 热力发电，2014，43(12)：82-88.

Zhou Ping，Zhang Guangcai，Yan Xiaoyong，et al. Operation optimization on high CO emissions of a 600MW unit swirl-opposed firing boiler after low-NOburner retrofitting[J].，2014，43(12)：82-88(in Chinese).

［10］ 夏文静，衡丽君，何长征，等. 660MW超超临界燃煤锅炉降低CO排放的试验研究[J]. 热能动力工程，2014，29(1)：58-64.

Xia Wenjing，Heng Lijun，He Changzheng，et al. Experimental study of a 660MW ultra-supercritical opposed combustion coal-fired boiler for reducing CO emissions[J].，2014，29(1)：58-64(in Chinese).

［11］ 张大勇. 高速燃烬风系统在姚孟电厂4号锅炉上的应用[J]. 陕西电力，2008，36(4)：66-69.

Zhang Dayong. Application of high speed burn-off air system in Yaomeng Power Plant No.4 boiler[J].，2008，36(4)：66-69(in Chinese).

［12］ Richards G H ，Maney C Q ，Borio R W ，et al. Ultra Low NOIntegrated System for NOEmission Control from Coal-Fired Boilers[R]. United States：Alstom Power Inc，2002.

［13］ 曾 芳，刘东晓，王李斌，等. 燃尽风速的改变对锅炉炉膛内燃烧过程影响的数值模拟[J]. 能源与环境，2014(4)：20-22.

Zeng Fang，Liu Dongxiao，Wang Libin，et al. CFD modelling of influence of SOFA velocity on combustion characteristics in furnace[J].，2014(4)：20-22(in Chinese).

［14］ 白 昊，张 健，郭欣维，等. 煤粉锅炉中空气分级与烟气循环协同调控脱硝的数值模拟研究[J]. 华电技术，2020，42(9)：9-15.

Bai Hao，Zhang Jian，Guo Xinwei，et al. Numerical simulation for synergistic control on denitration in the pulverized coal boiler with air staging and flue gas circulation[J].，2020，42(9)：9-15(in Chinese).

［15］ Zhang Jian，Wang Qunying，Wei Yajuan，et al. Numerical modelling and experimental investigation on the use of brown coal and its beneficiated semicoke for coal blending combustion in a 600MWeutility furnace[J].2015，29(2)：1196-1209.

［16］ Zhang Jian，Dai Baiqian，Meng Ying，et al. Pilot-scale experimental and CFD modeling investigations of oxy-fuel combustion of Victorian brown coal[J].，2015，144：111-120.

［17］ Zhang Jian，Prationo Wirhan，Zhang Lian，et al. Computational fluid dynamics modelling on the air-firing and oxy-fuel combustion of dried Victorian brown coal[J].，2013，27(8)：4258-4269.

Numerical Simulation Research on the Hybrid Control of NOand CO Emissions Through High-Speed SOFA Injecting

Zhang Jian1，Liu Yicheng1，Liu Wei1，Ma Qianhui1，Bai Hao1，Zhang Zhongxiao2

(1. School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2. School of Mechanical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China)

The deeper air staging in a furnace helps control NOemission but also results in the increase of CO concentration at the furnace outlet. Therefore，high-speed separated over-fire air(SOFA) injecting is put forward to decrease both NOand CO emissions. A CFD modeling was conducted on a 75t/h tangentially pulverized-coal-fired furnace to clarify its mechanism and its influence on combustion characteristics. The conclusions are as follows. First，with the SOFA ratio is enhanced from 20% to 40%，the NOemission decreases from 450 to 263mg/m3，and the CO concentration rises from 15.5 to 428.3mg/m3at the smoke deflecting corner. Second，in the case of higher-speed SOFA injecting，i.e.，the blowing velocity of 82m/s and SOFA ratio of 40%，the reduction of both NOand CO emissions can be guaranteed. Third，the influence of the new approach on accelerating CO burnout is due to a large reflux zone formed beneath the SOFA layer，with characteristics of a higher oxygen concentration，a longer residence time and a higher turbulence intensity of flue gas. This modeling also shows that the combustion process of pulverized coal is not impacted by higher-speed SOFA injecting. This study gives a new understanding of the control of both NOand CO emissions in industrial applications.

air staging；numerical simulation；separated over-fire air (SOFA)；NO；CO burnout

TK16；X51

A

1006-8740(2021)05-0507-07

10.11715/rskxjs.R202006001

2020-09-03．

国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604202)．

张 健（1978—  ），男，博士，讲师．

张 健，jzhang66@163.com．

(责任编辑：武立有)