数值模拟辅助低NO x燃烧调整试验的研究

2011-07-06夏文静何长征韦红旗

电力工程技术 2011年4期

夏文静，何长征，韦红旗

（东南大学，江苏南京210018）

锅炉是一个多变量系统，其NOx生成特性非常复杂，很难用简单的公式进行估算，往往需要采用现场测试的方法加以确定，并通过试验摸索出降低NOx的方法。但是，由于试验煤质及负荷不能长时间维持在某一稳定状态下，现场测试难度较大，因此如何辅助、简化现场试验显得尤为重要。影响NOx排放量及锅炉燃烧的因素大致可以分为2类：一类为可控因素；另一类为不可控因素。对于氧量、一次风压、二次风配风方式、制粉系统投用方式等运行参数而言，它们均属于可控因素。然而对于负荷、煤种、煤粉粒径来说，由于受生产调控、燃料供给、制粉系统运行方式等限制条件影响，在实际运行中不能随意调整或调整周期较长，因此属于不可控因素。不可控因素导致现场试验不能维持较长时间或调整较为困难，但是通过较为完善的NOx生成数值模拟的辅助，可以消除它的限制，以达到简化试验的目的。

1 数值模型的建立

利用已有的Fluent燃烧数值模型对炉内NOx生成进行模拟，为了使模型更具针对性及实用性，该模型网格及数值模型均通过现场试验数据（冷态空气动力场测试、热效率性能测试等数据）对其进行检验及修正[1]。

1.1 锅炉对象

研究的锅炉对象为410 t/h燃煤锅炉，该炉为单锅筒、自然循环、集中下降管、Π形布置的固态排渣煤粉炉。该炉采用四角布置、直流式燃烧器，中储式制粉系统、干燥剂送粉系统，其炉膛尺寸如图1所示，燃烧器一、二次风喷口间隔布置，其喷口布置如图2所示。

图1 炉膛示意图

图2 锅炉燃烧器喷口布置示意图

1.2 燃烧器及炉膛网格

模拟利用Gambit软件提供的非一致化网格生成技术，对炉内进行网格划分及生成。网格划分时，尽量采用结构化网格，以提高网格质量及模拟效果。对该炉进行数值模拟之前，首先以相关空气动力场数据为依据，对燃烧器喷口附近及各物理量剧烈变化的区域进行网格加密处理，修正后燃烧器区域网格系统如图3所示。

图3 燃烧器区域

1.3 数值模型

数值模型中模拟气相湍流输送采用标准k-ε湍流模型，模拟焦炭的燃烧采用动力学/扩散控制反应速率模型，对煤粉挥发分的释放采用两步竞争反应模型，煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型，用混合分数—概率密度函数模型模拟气相湍流燃烧，采用P-1辐射模型计算辐射传热，NOx与湍流之间耦合的模拟采用较为普遍的有限反应的PDF模型，压力—速度的耦合采用SIMPLE法求解。

数值模拟计算是Fluent软件计算分析中较为关键的一环，将直接影响数值计算的结果。其边界条件包括流动变量和热变量。模拟之前，通过该炉以往试验数据为Fluent提供热态边界条件和已知参数，并对数值模型进行修正。

2 数值模拟的分析

数值模拟的不可控因素（煤质、负荷及煤粉粒径分布等）均维持在同一状态（即稳定状态）下，分别对氧量、一次风速、二次风配风及配粉方式不同水平下的炉内燃烧进行了模拟，以分析各参数对NOx排放的影响规律及主次，筛选出影响NOx排放的主要因素，用以合理安排及设计试验工况。

2.1 相关边界条件的设置

利用修正后的模型，对不同运行参数（氧量、一次风压、二次配风方式及配粉方式）在不同水平下的炉内燃烧进行了数值模拟。模拟中所用到的煤质数据均取自该炉以往试验的样品分析数据，其煤的元素分析如表1所示，煤粉粒径分布数据如表2及图4所示，其他边界条件的设置，可见文献[2]。

表1 煤种的元素分析

表2 煤粉的粒径分布相关数据

2.2 数值模拟分析

不同运行参数（氧量、一次风压、二次配风方式及配粉方式）在不同水平下的炉内燃烧数值模拟结果，如图5—8所示。

由图5可知，保持其他因素不变的情况下，当运行氧量在3%～5%内，其NOx随氧量单调递增，其NOx排放量由693 mg/m3升高至773 mg/m3，增量为80 mg/m3，升高率为11.5%。分析认为，由于氧量的增加，导致燃烧器区域的温度水平有所下降，温度型NOx虽会有下降，但氧量的增加会导致燃料性NOx上升。当运行氧量在3%～5%时，由于燃料性NOx占主导因素，因此，随着氧量的增长，NOx排放量有所递增。

图5 不同运行氧量下的炉膛NO x分布

由图6可知，保持其他因素不变的情况下，当一次风压递增时，其NOx也随氧量单调递增，其NOx排放量由649 mg/m3升高至711 mg/m3，增量为62 mg/m3，升高率为9.6%。分析认为，一次风压的增加，对于炉膛流场及燃烧器区域温度水平的改变较小，但由于一次风量的增加，提高了一次风粉气流中的氧浓度，使得燃烧器区域NOx的生成量有所增加，最终导致炉膛出口NOx排放量增加。

由图7可知,保持其他因素不变的情况下，当采用不同的二次风配风方式时，其NOx排放量由缩腰配风的671 mg/m3升高至均等配风的698 mg/m3，增量为27 mg/m3，升高率为4.0%，因此，二次风配风方式对NOx生成的影响相对较小，分析认为，这主要是燃烧器固有结构所致。

由图8可知，保持在其他因素不变的情况下，当改变三层一次风燃烧器的配粉方式时，其对NOx排放量的影响及炉膛内的NOx分布影响均不明显，分析认为，可能是由于三层喷口较近的缘故导致煤粉的分级效果不明显，因此，对NOx排放量的影响较小。

图8 不同配粉方式下的炉膛NO x分布

通过数值模拟分析得知，运行氧量、一次风压对NOx排放影响较大，而二次风配风方式及燃烧器的配粉方式对其影响较小。综合考虑数值模拟结果及燃烧调整的需要，计划安排2个主要影响因素（氧量、一次风压）对NOx生成影响规律的试验研究。

3 降低锅炉NO x排放的试验研究

根据试验前的预测分析结果可知，该炉二次风配风及给粉机配粉方式对NOx的影响相对较小。因此，从简化试验的角度出发，只对运行氧量及一次风压进行NOx生成及燃烧效率的试验研究。本次试验原计划进行12个工况（4个运行参数、每个运行参数进行3个水平的测试），经简化后降为6个试验工况。其后，再对习惯运行方式及推荐运行方式下的运行工况进行对比试验。

3.1 氧量变化对效率及NO x排放量的影响

试验中进行了3种不同氧量水平（2.10%，2.90%，3.57%，氧量为炉膛出口运行氧量的修正值）对效率、NOx排放量影响规律的试验研究，试验结果如图9和图10所示。

图9 氧量变化对锅炉效率的影响

图10 氧量变化对炉膛出口NO x的影响

从图9和图10可看出，效率在氧量为2.5%～3.0%达到最高点；NOx排放量随氧量的增大而增大，升高率为15.2%，可见其变化趋势及大小与模拟结果（升高率为11.5%）较为吻合。因此，低过量空气燃烧可以作为一种最简单地降低NOx排放的方法[3，4]。高负荷运行中，建议运行氧量维持在2.5%～3.0%，煤质较差时可取其上限。

3.2 一次风压变化对效率及NO x排放量的影响

试验中进行了3种不同的一次风压水平（1 786 Pa，1 942 Pa，2 196 Pa，一次风压为排粉机出口风压）对效率、NOx排放量影响规律的试验研究，试验结果如图11和图12所示。

图11 一次风压变化对锅炉效率的影响

图12 一次风压变化对炉膛出口NO x的影响

从图11和图12可看出，在正常一次风压下，随着一次风压的逐渐增大，锅炉效率呈现降低趋势；NOx排放量则随一次风压的增大，有较为明显地增大趋势，升高率为15.8%，可见其变化趋势及大小与模拟结果（升高率为9.6%）较为吻合。因此，对于该炉来说，通过在一次风燃烧区域建立富燃料区以降低NOx排放的方法[3]具有较为明显的效果。高负荷运行中，为保持较高的燃烧效率及较低的NOx排放，建议煤质较差时，一次风压维持在1 800 Pa左右，而煤质较好时，可适当提高上述风压，以防止煤粉气流烧坏喷嘴。