燃尽风率对二次再热锅炉热量分配及NOx的影响
肖 寒1，蒙晨玮2,吴玉新1，冯乐乐1，张 海1，张 缦1
(1.清华大学 热科学与动力工程教育部重点实验室，北京 100084;2.Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering,Cornell University,Ithaca,NY 14853)
摘 要:合理的燃尽风率对降低NOx排放十分关键，也显著影响大容量锅炉炉膛内的燃烧和传热特性。针对1 000 MW超超临界二次再热塔式锅炉开展三维CFD数值模拟，研究燃尽风(OFA)率对于炉内NOx生成及吸热量分配的影响规律。模型采用贴体六面体非结构网格，通过用户自定义函数(UDF)设置炉膛及各受热面的壁面温度;煤粉颗粒在炉内的运动及燃烧过程基于随机轨道法计算，采用Realizable k-ε模型模拟四角切圆炉内的湍流流动，采用离散坐标(discrete ordinates，DO)法计算炉内辐射传热;采用简化概率密度函数(probability density function,PDF)模型模拟湍流与化学反应的耦合特性。结果表明，燃尽风率对炉内的温度分布、炉膛的吸热比率以及污染物排放情况均存在显著影响。当燃尽风率在0～40%时，主燃区的平均温度随燃尽风含量的增大先升后降，而燃尽风区域的平均温度则随着燃尽风率升高显著上升。随着燃尽风率的升高，由于温度和氧含量变化等共同作用，原始NOx排放量先降后升，燃尽风率在11%～25%时达到最低。随燃尽风率从0增至25%，锅炉炉膛吸热比率降低12%，过热器、再热器、省煤器等对流受热面的吸热比例相应增加。当燃尽风率大于25%时，炉膛吸热比例的降低趋势减缓。因此，建议在锅炉设计中应综合考虑OFA比例变化对炉膛吸热量以及污染物排放的影响。
关键词:燃尽风;二次再热锅炉;热量分配;NOx;热流分布
中图分类号:TM621.2;TK16
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2019)04-0080-07
收稿日期:2019-03-11
责任编辑:张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19031101
基金项目:国家重点研发计划资助项目(2017YFB0602102)
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作者简介:肖 寒(1995—)，男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事二次再热锅炉的数值模拟及热力计算研究。E-mail:immesut@foxmail.com。
通讯作者:吴玉新(1979—)，男，副教授，博士，主要从事煤的清洁燃烧技术、多相流的流动和传热过程的数值模拟及机理研究。E-mail:wuyx09@mail.tsinghua.edu.cn
引用格式:肖寒，蒙晨玮,吴玉新,等.燃尽风率对二次再热锅炉热量分配及NOx的影响[J].洁净煤技术，2019，25(4):80-86.
XIAO Han,MENG Chenwei,WU Yuxin,et al.Influence of over fire air ratio on heat absorption and NOx of a double reheated boiler[J].Clean Coal Technology，2019，25(4):80-86.
Influence of over fire air ratio on heat absorption and NOx of a double reheated boiler
XIAO Han1,MENG Chenwei2,WU Yuxin1,FENG Lele1,ZHANG Hai1,ZHANG Man1
(1.Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of the Ministry of Education,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering,Cornell University,Ithaca,NY 14853)
Abstract:Over Fire Air(OFA) ratio not only has strong influence on NOx emission,but also on heat flux and combustion inside the large capacity boilers.To investigate such effects,three-dimensional CFD numerical simulations were conducted for a 1 000 MW ultra-supercritical double reheated tower boiler.3D body fitted hexahedra meshes were adopted to discretize the simulation domain.Temperature of membrane wall and the tubes were identified through user defined functions(UDF).Stochastic particle tracking model was used to calculate dispersion of the pulverized coal particles.The turbulence information was calculated through Realizable k-ε model.Discrete-Ordinates model was used for the radiation heat transfer.The simplified PDF model was used to solve the coupling of turbulence and chemical reactions.The results show that OFA ratio has significant influence on the temperature,pollutant emission,and heat flux.When OFA ratio increases from 0 to 40%,the temperature of burner area will firstly increase and then drop down;the temperature of OFA area will increase,and the original NOx emission will decrease and reach the minimum value of 25% of OFA ratio.The heat absorption by the furnace membrane wall decreases by 12% with the increases of OFA ratio from 0 to 25%,then the heat absorption decreases slowly when OFA ratio increases.The heat absorption by the convection heat surfaces increases so that the total heat absorption doesn't change.Such trend shows the effect of OFA ratio on heat absorption of furnace has to be considered in the design of the large capacity boilers.
Key words:over fire air;double reheated boiler;heat absorption;NOx;heat flux distribution
0 引 言
火力发电是我国电力生产的主要方式，提高蒸汽参数是获得更高机组效率的最直接手段。 但受到耐高温材料的限制，在目前情况下很难大幅提高蒸汽温度至700 ℃[1-2]，因而二次再热技术成为目前提高机组效率的重要手段[3-4]。如传统1 000 MW机组发电循环效率为45%左右，采用二次再热技术后，其发电效率可达47.94%[5]。
由于二次机组增加了更多的高温受热面，导致锅炉受热面传热量分配和调温技术难度增加，特别是在低负荷工况下，二次再热机组调温的不可控性提高[6]。因此，精确掌握炉内传热特性和二次再热锅炉汽温的灵活调节手段，是二次再热技术应用中的关键问题。目前对二次再热锅炉汽温的调节方法研究主要集中于烟气再循环、烟气挡板、燃烧器摆动对汽温的影响[7-8]。
为了降低NOx排放，目前电厂常采用空气分级燃烧法[9-10]。随着空气深度分级技术的使用，燃尽风率变化对炉内燃烧和传热的影响引起了学者们的关注，肖海平等[11]对1 025 t/h自然循环锅炉的研究表明，随着燃尽风比例增加，锅炉效率下降。方庆艳等[12]针对1 000 MW超超临界锅炉的研究表明，随着燃尽风比例增加，炉膛最大热流密度区域上移，最大热流密度值逐渐减小，综合分析优化的燃尽风比例为25.7%。吴东垠等[13]研究表明，燃尽风的加入若引起炉内高温区缺风，会对锅炉效率产生影响。文献[14]研究表明，燃尽风配风率的提高会导致炉膛火焰中心位置上移，对主燃烧区温度、炉膛出口烟温、未燃尽碳含量均有不同程度的影响，从而影响锅炉运行的安全性和经济性。为此，需要分析燃尽风率变化对1 000 MW等级的二次再热锅炉传热和燃烧特性的影响，尤其是掌握对受热面吸热量分配的影响规律，从而对高参数大容量锅炉的设计优化提供依据。
本文对某电厂1 000 MW二次再热塔式锅炉开展三维CFD数值模拟，分析宽OFA风率范围内锅炉主燃区燃烧特性、炉膛壁面吸热量以及NOx生成规律。
1 数值模型
1.1 模拟对象及网格
模拟对象为某电厂1 000 MW超超临界二次再热机组，采用单炉膛塔式锅炉，四角切圆燃烧方式。计算域下至炉膛底部，上至省煤器上方烟道，炉膛底部至烟气出口高度为115 m。燃烧区域炉膛截面的长宽均为21 m。在高度方向上，锅炉炉膛区域由主燃区与燃尽区组成，主燃区由3组燃烧器及其二次风喷口所组成，二次风分为直吹二次风喷口和偏置二次风喷口;燃尽风分为高位燃尽风和低位燃尽风2组，分别布置在52 m及57 m高度，喷口均采用四角切圆布置方式。该锅炉计算区域如图1所示。
图1 1 000 MW锅炉计算区域
Fig.1 Calculation domain of 1 000 MW boiler
相关研究表明[15]，流动方向与网格方向不一致时，可能会在数值求解过程中产生伪扩散误差，当网格线与射流方向成45°夹角时，伪扩散误差达最大值。为消除伪扩散带来的误差，采用与流场接近的贴体六面体网格划分计算域，以确保燃烧器喷口附近的辐射状网格(图2)与实际流体的流动方向一致，同时在计算上采用二阶差分格式来降低伪扩散误差。为了兼顾计算准确度和处理器计算能力的要求，对于燃烧器高度的网格进行了局部加密。本文设计了不同数量的4套网格来进行网格无关性验证，采用相同的网格划分方法，网格的疏密程度不同。网格独立性检验结果表明，当网格数量超过210万时，计算结果不再随网格的增加而变化。
图2 炉膛一次风入口高度截面网格划分
Fig.2 Meshing of the furnace cross section at the primary air inlet
1.2 数值模型
湍流燃烧反应采用简化的PDF模型[16]，对于反应过程中状态f出现的时间概率，将其记作p(f)，其数学表达式为
(1)
简化的PDF采用最为广泛的β函数模型[17-18]，即
(2)
(3)
式中，α和β为与状态f相关的函数;T为时间尺度；τi为状态f在Δf区间内消耗的时间；
为平均混合分数；
为平均分数方差。
煤升温过程中，脱挥发分时间不到煤粉燃尽时间的1/10，但对脱挥发分过程的准确计算对于预测煤粉燃烧特征及其火焰温度十分重要。本文采用双方程模型来模拟煤的脱挥发分过程[19]，在低温和高温下分别由2个反应来主导煤粉的脱挥发分过程，2者共同确定颗粒的质量变化速率。
(4)
式中，R1和R2为与温度相关的反应系数，分别控制高温区和低温区的脱挥发分速率;mp,0为颗粒的初始质量;fw,0为可蒸发物质的质量分数;mv(t)为脱挥发分质量随时间的变化量;ma为煤粉颗粒中的灰分;α1、α2为经验值。
对于湍流模型，选用Realizable k-ε 双方程模型，由其导出ε的修正输运方程，同时包含湍流黏度的替代公式，在求解类似四角切圆的旋流流场时具有更优的计算结果[20];由于炉内煤粉在两相中占比很低，忽略颗粒与颗粒间的相互作用，而对于气固相间的相互作用，采用基于欧拉-拉格朗日方法的离散相模型，对每个代表性的煤粉颗粒采用随机轨道法进行计算;由于锅炉炉膛几何尺度较大，且炉内有一定浓度的煤粉颗粒，计算域内光学厚度较大，因此采用DO模型求解炉内辐射传热过程[21]。
标准工况下，煤粉活化能取120 MJ/kmol，焦炭指前因子为6 kg/(m2·s)，本文利用扩散-动力耦合模型求解焦炭的燃烧过程，该模型下化学动力学和扩散作用共同确定焦炭燃烧速率[19]。在较高OFA条件下，焦炭在还原性气氛下还会发生与CO2及H2O的气化反应，通过用户自定义函数方法(UDF)将其嵌入至Fluent求解器中，具体模型及方法详见文献[20]。NOx生成主要考虑热力型和燃料型[21]，由于炉内NOx含量对炉内燃烧和其他组分分布的影响有限，因而采用燃烧后处理方法[22]。
1.3 边界条件
在本算例中，换热壁面均设为无渗透、无滑移壁面。在计算受热面传热时，需要对各受热面温度进行准确预测，通过锅炉热力计算确定各受热面温度，并采用UDF方法在三维模型中分别定义各壁面的温度。将燃烧器、二次风、燃尽风等入口均设定为质量入口边界条件并按工况要求指定送风量，将炉膛出口设定为压力出口边界条件。对于煤粉颗粒粒度，基于R90=15%的要求，利用Rosin-Rammler粒度分布拟合，煤粉元素及工业分析见表1。
表1 煤粉工业分析及元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analysis of coal
计算过程中，对于计算收敛的判据是:各残差绝对值小于10-4，且基本不再变化，同时煤粉、二次风以及燃尽风喷口高度截面的平均温度及速度波动范围小于0.5%。为分析燃尽风对锅炉性能的影响，对不同OFA比例的工况进行数值模拟及结果分析。选取OFA风率为11%的工况作为标准工况(实际设计工况)，计算OFA风率为0、25%、30%和40%四组工况，分析OFA风率变化对炉内燃烧特性、吸热量分配以及NOx排放的影响规律。
2 计算结果及分析
2.1 对炉内燃烧特性的影响
炉膛中心截面沿高度方向的温度场如图3所示，可见，在不同燃尽风率下，炉膛纵向截面的高温区分布特征存在一定差异。一般来说，各工况下最高温度区域更贴近壁面，但当OFA风率11%～30%时，炉膛中心处存在高温区，且炉膛内火焰中心高温区随OFA风率的增加显著上升。
在不同燃尽风率下，各高度截面的平均温度如图4所示。当燃尽风率从0升至25%时，燃烧器区域(H=26～45 m)的截面温度逐渐上升，其主要原因是局部过量空气系数降低，而煤粉燃尽份额变化不大，因此参与吸热的惰性气体减少，使燃烧区的火焰温度更高。 第3层燃烧器喷口(H=45 m)截面平均温度最高，OFA比例达25%时，该截面平均温度达1 700 K以上。当燃尽风率进一步增加时，燃烧器区域的温度随燃尽风率的上升逐渐下降，尤其是OFA比例大于30%后，燃烧器区域温度大幅下降，说明煤粉在此区域内燃烧份额降低，因而总释放热量减少。同时，未燃尽焦炭及CO、H2等还原性气体在OFA喷入后发生燃烧，使得OFA以上65 m高度处的烟气温度显著上升。
图3 炉膛中心截面温度分布
Fig.3 Temperature of central section of the furnace
图4 不同燃尽风率下各高度截面的平均温度
Fig.4 Average temperature of different heightssection under different height
平均温度最高的第3层燃烧器喷口(H=45 m)温度场如图5所示，其温度呈四周高、中间低的特征。主燃区温度主要受通入的冷风温度和煤粉的燃烧情况影响。当OFA 风率从0～25%变化时，随OFA风率不断增加，空燃比降低，主燃区由空气过量逐渐变为燃料过量，且此时煤粉燃尽情况较好，因此温度逐渐升高。当OFA风率高于25%时，煤粉颗粒在主燃区完全燃烧所需要的风量超过一、二次风的风量，温度开始下降。当燃尽风风率达40%时，该高度截面下，除喷口附近外，温度高于1700 K的区域很少。
不同OFA风率下，各高度截面的CO平均质量份额如图6所示，OFA风率达25%时，燃烧器区域的CO含量显著提高，OFA风率进一步增加时，燃烧区域的CO质量分数大幅上升。随着OFA的通入，CO快速燃烧，其含量迅速下降，最终降低至接近0，并且不受OFA风率的影响。
图5 第3层燃烧器喷口高度(H=45 m)截面温度场
Fig.5 Temperature of the third layer burner nozzle height section
图6 不同高度下CO的质量分数
Fig.6 Mass fraction of CO at different height
上级燃尽风高度截面(H=57 m)的温度分布如图7所示。
由图7可知，与燃烧区域的温度分布不同，当OFA区域通入燃尽风时，OFA区域壁面附近温度降低，未燃尽的煤粉颗粒及CO继续燃烧，中心区域温度升高，温度场呈中心区域高、四周低的特点。OFA风率为11%时，低位燃尽风区开始出现局部高温。当燃尽风率达到25%、30%时，燃尽风区域中心出现显著的高温区域。
图7 上级燃尽风高度截面(H=57 m)温度场
Fig.7 Temperature of the upper OFA section(H=57 m)
2.2 OFA风率吸热量分配及NOx的影响
炉内温度分布对受热面吸热量分配具有重要影响(表2)。尽管整体吸热量基本不受OFA风率的影响，但随着OFA风率提高，炉膛高温区域上移，因而屏区换热面的吸热量逐渐增加，炉膛吸热量逐渐降低，尤其是当OFA风率在11%～25%时，炉膛吸热量降低了12%，说明OFA风率对二次再热机组的热负荷分配影响明显。
表2 不同燃尽风率下的受热面吸热量
Table 2 Heat absorption at different OFA rate
不同燃尽风率下，炉膛出口NOx相对排放量(归一化排放值)如图8所示，可以看出，随OFA风率的增加，出口NOx排放量先降后升,以OFA风率为0时的NOx排放量为100%计，风率为11%、25%、30%和40%时，其出口NOx相对排放量分别为70.9%、65.5%、90.9%和134.5%。可见OFA比率为11%～25%时，其NOx排放较低。
图8 不同燃尽风率下NOx的归一化排放值
Fig.8 NOx emission at different OFA rate
炉膛不同高度截面的O2含量平均值由图9所示。可见，当OFA风率较低时，炉膛区域O2始终保持较高的质量分数，处于过量状态，燃烧反应完全，NOx大量产生。随着OFA风率逐渐变大，主燃区内一、二次风风量减少，此时上层燃烧器喷口区域为欠氧环境，O2的不足抑制了主燃区NOx的生成，在OFA区域，一方面有燃尽风通入(燃尽风布置在50 ～57 m)使O2含量的增加，另一方面O2和未燃尽煤粉、CO反应,使该区域内的温度升高，O2质量分数在屏区入口区域(H=65 m)经过燃尽风区域后(H=57 m)逐渐趋于一致，基本不再变化。
图9 不同高度下O2质量分数
Fig.9 Volume fraction of O2 at different heights
燃尽风的加入能减少NOx的排放，是由于其有效降低了主燃烧区O2质量分数，进而形成NOx还原区，但随着燃尽风率的提高，燃尽风区的O2质量分数较快增长，因而该区域促进了NOx的生成。
3 结 论
1)OFA风率在0～40%时，随着燃尽风率的升高，原始NOx的排放量将先降低后上升，燃尽风率为11%～25%时，NOx排放达到最低。
2)OFA风率为11%～25%时，锅炉炉膛吸热比率有较大幅度降低，共下降12%，而对于过热器、再热器、省煤器等对流受热面而言，其吸热比例则有所增加。当燃尽风率大于25%时，NOx排放升高，炉膛吸热量降低趋势减缓。
3)OFA风率变化对大容量锅炉炉膛吸热量分配及污染物排放具有显著影响，在设计时应当予以综合考虑。
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