300 MW四角切圆贫煤锅炉三次风布置对NOx排放的影响
伍俊宇，陈 涛，于 洁，孙路石
(华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074)
摘 要:低氮燃烧改造是燃煤电厂降低氮氧化物排放最主要的策略之一。空气分级燃烧技术因其技术成熟、成本低廉等优势在燃用烟煤的锅炉中得到广泛应用。然而，随着煤/风比的进一步增加，NOx降幅减小，未燃尽碳含量显著变大。与燃用烟煤的锅炉相比，燃用低挥发分煤种锅炉的低氮改造工作更加困难和复杂。四角切圆贫煤锅炉的三次风会影响风煤混合、燃烧气氛和温度，这些都会对煤粉燃烧过程和NOx生成产生显著影响,若仅采用空气分级技术，并不能满足NOx排放标准。因此，在低氮燃烧改造方案设计过程中，需寻求最佳的三次风布置方案以实现低氮高效燃烧。将一台300 MW四角切圆贫煤燃烧锅炉作为研究对象，采取CFD数值模拟方法，考察了三次风布置方式对锅炉燃烧特性的影响。结果表明:当三次风布置在燃烧区下部时，下层一次风和三次风中的煤粉迅速着火燃烧，温度攀升，火焰中心上移;NOx还原区变长，此时炉膛出口NOx浓度最低，为405 mg/Nm3;三次风的下移导致炉膛主燃区中上部氧量较少，煤粉不充分燃烧，燃尽率降低。当三次风布置在主燃区中部时，由于三次风风温较低，导致炉膛燃烧温度下降，一定程度上抑制了热力型NOx的生成，炉膛出口NOx排放量减少;三次风的喷入增加了主燃区过量空气系数，有利于煤粉的充分燃烧，燃尽率提高。当三次风布置在主燃区上部时，随着三次风位置的升高，三次风煤粉整体燃烧燃尽区域上移，折焰角附近温度依次升高;三次风位置的上移增加了NOx还原区的长度，三次风喷口位置越高，炉膛出口NOx浓度越低;三次风上移导致三次风煤粉在炉膛的停留时间变短，造成燃烧不充分，飞灰含碳量增加，燃尽率降低。此外，对改造后飞灰及大渣含碳量，炉膛出口烟温和NOx浓度等参数进行现场测量，NOx排放浓度模拟值和测量值分别为445和448 mg/Nm3，飞灰含碳量分别为1.92%和1.48%，数值模拟结果与现场测量结果吻合较好。
关键词:四角切圆锅炉;三次风布置;NOx排放;燃尽率
中图分类号:TQ032.4
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2019)04-0065-07
收稿日期:2019-01-08
责任编辑:白娅娜
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19010801
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604202);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2017JYCXJJ035)
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作者简介:伍俊宇(1997—)，男，广东台山人，从事锅炉燃烧数值模拟方面的科研工作。E-mail:694461549@qq.com。
通讯作者:于 洁，副教授。E-mail:yujie@hust.edu.cn
引用格式:伍俊宇，陈涛，于洁，等.300 MW四角切圆贫煤锅炉三次风布置对NOx排放的影响[J].洁净煤技术，2019，25(4):65-71.
WU Junyu,CHEN Tao,YU Jie,et al.Influence of tertiary air arrangement on NOx emissions in a 300 MW tangentially lean coal-fired boiler[J].Clean Coal Technology，2019，25(4):65-71.
Influence of tertiary air arrangement on NOx emissions in a 300 MW tangentially lean coal-fired boiler
WU Junyu,CHEN Tao,YU Jie,SUN Lushi
(State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract:Retrofitting of Low-NOx combustion system in boilers is one of the main strategies for coal-fired units to reduce NOx emissions.The air classification combustion technology has been widely used in bituminous coal-fired boilers because of its mature technology and low cost.However,with the further increase of coal/air ratio,the reduction of NOx decreases and the content of unburned carbon increases significantly.Compared with bituminous coal fired boilers,there is a big difficulty for low volatile coal boilers to retrofit.The tertiary air of tangentially lean coal-fired boilers will affect the mixing of air and coal,combustion atmosphere and temperature,which will have a significant effect on the combustion process of pulverized coal and the formation of NOx.If only air classification technology is used,it will not meet the emission standard of NOx.Therefore,the modes of optimal tertiary air arrangement should be explored at retrofitting project design to get low NOx emissions and high combustion efficiency.In this paper,based on a 300 MW tangentially lean coal-fired boiler,the influences of tertiary air arrangement on combustion characteristics of the boiler were studied by means of numerical simulation.The results show that when the tertiary air is injected at the bottom of the furnace,the pulverized coal in the primary and tertiary air of the lower part rapidly ignites and burns,the temperature rises,and the flame center moves upward.The NOx reduction zone becomes longer,and the NOx concentration at the furnace outlet is the lowest,at 405 mg/Nm3.The downward movement of the tertiary air causes less oxygen in the upper and middle part of the main combustion zone of the furnace,resulting in a decrease in the burnout rate and insufficient of the pulverized coal and the air.When the tertiary air is injected in the middle of primary combustion zone,the combustion temperature of the furnace decreases due to the lower temperature of the tertiary air,which inhibits the generation of thermal NOx to some extent,and reduces the emission of NOx at the outlet of the furnace.The injection of tertiary air increases the excess air ratio in the main combustion zone,which is beneficial to the full combustion of the coal powder and the improvement of burnout rate.As the tertiary air is injected above primary combustion zone,with the increase of the position of the tertiary air,the overall combustion burnout area of the tertiary air pulverized coal moves up,and the temperature near the furnace arch increases in turn.The upward movement of the tertiary air increases the length of the reduction zone of NOx,and the higher the position of the tertiary air vent is,the lower the NOx concentration at the furnace outlet is.The upward movement of the tertiary air causes the residence time of the third pulverized coal powder in the furnace to become shorter,resulting in insufficient combustion,and the carbon content of the fly ash is increased and the burn-out rate is reduced.In addition,the carbon content of fly ash and slag,flue gas temperature at furnace outlet and NOx concentration were measured on site.The simulated and measured results of NOx emission concentration were 445 and 448 mg/Nm3,respectively.The numerical simulation results are in good agreement with the measured results.
Key words:tangentially fired boiler;tertiary air arrangement;NOx emission;burnout rate
0 引 言
我国煤炭储量在能源结构中的占比超过60%，远大于其他化石燃料[1]。火力发电厂煤炭燃烧过程中产生大量SOx、NOx、PM2.5以及痕量元素等污染物，若不采取有效控制措施，会危害生态环境和人类健康。随着国家对NOx排放限值的要求愈发严格，火力发电厂NOx控制减排技术也亟需升级。为达到新排放标准，国内大多数燃煤电厂实施了低氮燃烧改造工程。空气分级燃烧技术因其技术成熟、成本低廉等优势在燃用烟煤的锅炉中得到广泛应用[2]。然而，随着煤/风比的进一步增加，NOx降幅减小，未燃尽碳含量显著变大。目前，国内燃用贫煤的电站锅炉大多采用中间仓储式制粉系统，乏气作为三次风由专门的喷口直接送入锅炉燃烧。三次风具有风速高、温度低、湿度大和带粉量少等特点，会影响风煤混合，燃烧气氛和温度都会对煤粉燃烧过程和NOx生成产生显著影响。杨卫娟等[3]用Fluent软件对一台410 t/h锅炉进行研究，发现高速三次风喷射减小了切圆直径，提高了三次风喷口附近的NOx浓度。苟湘等[4]分析了磨煤机运行方式对NOx生成的影响，发现炉膛出口NOx含量依次为无磨>单磨>双磨，这是由于磨煤机的运行导致主燃区缺氧和三次风煤粉再燃造成的。张海等[5]研究表明过量三次风严重影响锅炉的运行。周杨军[6]研究了不同三次风布置方式对低氮燃烧特性的影响，提出三次风部分引入一次风，其余三次风进入主燃区中部作二次风的布置方式。对于燃用低挥发分煤的中间仓储式热风送粉的四角切圆锅炉，若仅采用空气分级技术，并不能达到NOx排放标准[7]。
本文以某燃用贫煤的300 MW四角切圆锅炉为研究对象，采用数值模拟方法对5种不同三次风布置方式下炉内燃烧特性和NOx排放进行分析，并将模拟结果与现场测量结果进行比较，提出最合适的三次风布置方式。
1 研究对象
本文研究对象为某锅炉厂设计制造的1 025 t/h亚临界自然循环锅炉，设计煤种为低挥发分贫煤，采用中间仓储式制粉系统，四角切圆燃烧方式。锅炉出厂原始结构共布置24只切向燃烧器，其中一次风喷嘴16只，分4层布置，三次风喷嘴8只，分2层布置于OFA喷嘴之下，主燃区上方设置2层OFA喷嘴。燃烧器自下而上布置依次为:AA、A、AB、B、BC1、BC2、BC3、C、CD、D、DE、E、F、OFA1、OFA2。其中，除OFA以外的所有喷嘴均为同轴同切，切圆直径约为0.7 m，而OFA作为反切式燃尽风，具有消旋作用，切圆直径约为1.33 m。设计工况下锅炉燃烧器参数及煤质分析见表1、2。
表1 煤质分析
Table 1 Ultimate and proximate analyses of coal
表2 设计工况下锅炉燃烧器参数
Table 2 Boiler burner parameters of design condition
2 数值模拟方法
2.1 计算模型与网格划分
煤粉颗粒在锅炉内部的燃烧是一个极为复杂的过程，煤粉颗粒在高温烟气的作用下，首先析出水分，然后进入热分解阶段，析出挥发分并迅速着火，最后焦炭燃烧[8]。炉内流动类型为多组分气固两相流，热量传递过程以辐射换热为主。数值模拟过程中选择的计算模型为:湍流模型采用带旋流修正的k-ε模型，采用Langrange随机轨道模型来模拟煤粉颗粒运动，采取混合分数/概率密度函数模型作为气相燃烧模型，采取两部竞争反应模型作为挥发分的析出模型[9-10]，焦炭燃烧模拟采用动力/扩散控制反应速率模型，采用P-1模型计算辐射换热，热力型NOx生成采用Zeldovich机理[11]，燃料型NOx采用总体反应速率模型[12-14]。所有受热面设定为恒温壁面，参数根据锅炉的实际温度设定。
根据对象锅炉的实际尺寸进行三维建模，并用Gambit软件对计算域进行分区域网格划分，如图1所示。主燃区为剧烈反应区，为提高计算精度，对该区域的网格进行加密细化处理，主燃区横截面网格采用pave网格划分，网格线方向与流体流动方向保持一致，可防止计算过程中伪扩散对锅炉燃烧及流场计算结果的影响[15]，网格总数为200万左右。
图1 计算域网格划分
Fig.1 Grid generation of computational domain
2.2 数值模拟模型验证
针对100%负荷原始工况的燃烧过程进行数值模拟分析，分析炉内的温度分布、组分浓度分布和NOx排放量，结合现场测量数据进行模型验证。由于现场测量过程中实际条件的限制，难以获得大量测量数据，因此选取了本文最关注的参数来验证模拟结果，评价网格和模型的合理性。模拟结果和测量结果见表3。可知，折焰角处的烟温、NOx排放值和O2含量都存在一定偏差，但尚在可接受范围内，测量结果与模拟结果基本吻合。说明文中所采用的网格、模型和计算方法合理，计算结果可信。
表3 测量结果和模拟结果对比
Table 3 Contrast between the test results and simulated results
2.3 计算工况设置
为满足排放要求，对锅炉实施低氮燃烧系统改造，前期研究已确定燃尽风的标高和风率[16]。本文重点研究三次风布置对炉内燃烧过程和NOx排放的影响，设置5种三次风布置方案(表4和图2)。
表4 三次风布置方案
Table 4 Test cases information of the tertiary air arrangement
图2 喷口布置形式
Fig.2 Nozzle arrangement
工况1:三次风喷口保持原标高不变;工况2:将E、F两层三次风上移到OFA位置;工况3:在工况2的基础上，保持F层三次风位置不变，将E层三次风移动至AA1层二次风之下;工况4:保持F层三次风不变，将E层三次风移动到BC1层二次风的位置，且E层三次风速变为35 m/s，同时把BC1层和BC2层合并为BC，布置在BC2层所在位置;工况5:将E、F两层三次风上移到主燃区与SOFA风之间。需要指出的是，低温度、高湿度、高风速的三次风会影响主燃区煤粉的着火和燃烧稳定性，因此工况4通过降低三次风速来减少这些不利影响。各工况燃用运行煤种，入炉总风量保持一致。
3 结果与讨论
3.1 温度分布
图3 温度沿炉膛高度变化 Fig.3 Temperature varies along the height of furnace
不同工况下沿炉膛高度方向炉膛横截面的平均温度变化如图3所示，图中AA1、E、F、SOFA表示相应的喷口所在高度。炉膛中心纵截面温度分布如图4所示。可知不同工况的温度分布有显著差异。工况3在标高10 m左右区域的温度明显低于其他工况，这是由于三次分的风温低、水分高、动量较大、并携带部分细粉。在炉膛标高10～15 m区域，一次风和三次风中的煤粉迅速着火燃烧，温度迅速上升，火焰中心上移。由于E层三次风从原BC1层外二次风喷口喷入，工况4在BC1附近的温度明显低于其他工况。对比工况1、2、5，这3种工况的2层三次风紧贴布置，主燃区内的燃烧温度随着三次风喷口位置的上移依次降低。这是因为三次风上移会导致主燃区内的供氧相对不足，过量空气系数较小，煤粉在主燃区内不完全燃烧，导致主燃区内的温度下降。在标高20～25 m区域，主燃区内的未燃尽焦炭和三次风中的细粉着火燃烧，炉膛截面平均温度的对比为:工况1>工况2>工况5，三次风喷入位置越高，燃尽区温度越低。然而，伴随着SOFA风的补入，未燃尽煤粉继续燃烧，各工况折焰角附近的平均温度分别为1 606、1 609、1 613、1 603、1 615 K，工况1、2、5的大小顺序为:工况5>工况2>工况1，三次风喷入位置越高，折焰角附近温度越高。这是因为三次风喷入位置越高，三次风煤粉整个燃烧燃尽区域也越高，炉膛上部的高温区向更高的高度上迁移。
图4 炉膛中心纵截面温度分布
Fig.4 Temperature distributions in longitudinal section of furnace center
3.2 组分浓度
不同工况下O2和CO浓度沿炉膛高度变化分别如图5、6所示。
图5 O2浓度沿炉膛高度变化
Fig.5 O2 concentration varies along the height of furnace
图6 CO浓度沿炉膛高度变化
Fig.6 CO concentration varies along the height of furnace
对比发现，工况3在主燃区底部喷入三次风，整个主燃区的O2和CO浓度变化曲线与其他工况有明显差异。在主燃区下部，由于工况3底部有部分三次风的喷入，虽然带有少量细粉，但由于三次风风温低，着火热不足以使煤粉着火，因此工况3的氧量明显高于其他工况，相应地，CO浓度远低于其他工况。主燃区各工况下的O2和CO浓度随着煤粉燃烧的消耗和空气的补入而波动。值得注意的是，工况4在BC1层喷入三次风，导致O2浓度在该区域附近有一个比较大的向上波动，CO浓度向下波动。随着大量空气的补入，煤粉剧烈燃烧，O2被迅速消耗，导致工况4的O2浓度直到炉膛出口都维持在较低水平，CO浓度也在SOFA风喷入后达到最低水平。对比工况1、2、5，3种工况下主燃区O2和CO浓度变化趋势基本一致，随着三次风由低到高依次喷入，O2浓度依次先升高后降低;CO浓度随着三次风和SOFA风的喷入逐渐降低。三次风喷入位置越高，煤粉反应区位置也越高，因此炉膛出口CO浓度的对比为:工况5>工况2>工况1。三次风布置位置过高会增加未燃尽损失，使锅炉效率降低。
3.3 NO变化规律
NOx浓度截面平均值沿炉膛高度方向的变化和炉膛中心截面NOx浓度分布如图7、8所示。可知工况3的三次风从主燃区下半部的托底风之下喷入炉膛，造成该区域的燃烧温度低于其他工况，但由于氧量相对充足，较高的过量空气系数导致煤粉燃烧生成了更多的NOx。随着O2消耗和CO浓度升高，部分NOx被还原，导致NOx浓度迅速下降。尽管在炉膛底部有大量NOx生成，但工况3相较于其他工况具有更长的还原区，使得工况3的炉膛出口NOx浓度最低。各工况主燃区NOx浓度的变化趋势相似，随炉膛温度升高，NOx浓度升高。比较工况1、2、5发现，随着三次风依次喷入，NOx浓度相应大幅升高，这是因为三次风的喷入破坏了还原性气氛，且细煤粉中的含氮物质易与O2反应生成更多的NOx。
对比炉膛出口NOx浓度发现，三次风喷口位置越高，NOx浓度越低，三次风位置的上移增加了NOx还原区的长度。虽然工况4的三次风从主燃区喷入，但其NOx浓度仍低于工况1和工况2，三次风的喷入降低了主燃区的温度，在一定程度上抑制了热力型NOx的生成。当SOFA风喷入炉膛后，氧化性气氛促使部分NOx生成。工况1～5炉膛出口NOx浓度分别为470、445、405、440、430 mg/Nm3，所有工况的炉膛出口NOx浓度相较于原始工况都大幅度降低，表明本文的空气分级燃烧技术效果显著。
图7 NOx浓度沿炉膛高度变化
Fig.7 NOx concentration varies along the height of furnace
图8 炉膛中心纵截面NOx分布
Fig.8 NOx distributions in longitudinal section of furnace center
3.4 燃烧经济性分析
各工况炉膛出口飞灰含碳量如图9所示，相较于原始工况，实施低氮改造后各方案的飞灰含碳量均有所增加，三次风布置方式对飞灰含碳量影响有显著影响。各改造工况中，工况4的飞灰含碳量最小，三次风从主燃区中部喷入炉膛，增加了主燃区过量空气系数，有利于煤粉的充分燃烧。工况3的飞灰含碳量略大于其他工况，这是由于有一层三次风移至炉膛最底部，导致炉膛主燃区中上部氧量较少，煤粉与空气混合不够，导致燃尽情况较差，飞灰含碳量增加。随着三次风的上移，飞灰含碳量呈增加的趋势，其原因是三次风上移导致三次风煤粉在炉膛的停留时间变短，造成燃烧不充分。
图9 炉膛出口飞灰含碳量
Fig.9 Carbon content in fly ash at furnace outlet
图10 温度分布对比
Fig.10 Temperature distribution comparison
3.5 改造后现场测量
工况2和工况4具有相对较低的NOx排放和较高的燃烧效率，是较为理想的三次风布置方案。然而，工况4主燃区的温度相对较低，考虑到低负荷工况下的燃烧稳定性，选定工况2作为最终方案。对改造后炉膛出口NOx浓度、烟温、灰渣含碳量等参数进行现场测量。各测量点模拟温度和测量温度的对比如图10所示。可知主燃区的模拟值低于测量值，燃尽风区的模拟值高于测量值，但整体温度变化趋势相近。NOx排放浓度模拟值和测量值分别为445和448 mg/Nm3，飞灰含碳量分别为1.92%和1.48%。模拟值和测量值吻合较好。
4 结 论
1)三次风布置方式会对煤粉燃烧过程和NOx生成产生显著影响。三次风从炉膛下部喷入时，火焰中心提高，燃尽率降低，但NOx还原区变长，NOx排放量相对较低，NOx浓度为405 mg/Nm3;三次风从主燃区中间喷入时，主燃区温度降低，NOx生成同时受温度降低和还原性气氛减弱2种反向作用的影响，由于风粉混合良好，燃尽率较高，飞灰含碳量为1.638%;三次风布置在主燃区上部时，随着三次风喷口位置的上移，NOx排放量和燃尽率均降低。
2)综合考虑NOx排放量、煤粉燃尽率和燃烧稳定性等因素，选定工况2为三次风最终布置方案。该工况下炉膛出口NOx浓度为445 mg/Nm3，飞灰含碳量为1.928%。
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