天然气分级燃烧器NOx排放的数值模拟研究

2020-10-09丁冬冬刘道银李家敏解树超刘太孝邵萌萌

发电设备 2020年5期

丁冬冬，刘道银，梁财，李家敏，解树超，刘太孝，邵萌萌

(1. 东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，南京 210096；2. 江西中船航海仪器有限公司，江西九江 332000)

能源紧缺与环境污染问题始终是当今世界所面临的两大问题，随着经济发展，我国各项环保要求日趋严格，部分地区规定新建锅炉的NOx排放质量浓度应低于30 mg/m3[1]，因此，工业锅炉降低NOx排放的任务仍然非常艰巨。

燃烧器作为锅炉组织燃料燃烧的装置，其性能直接影响锅炉内燃烧温度、燃烧热效率及NOx排放量。常用低NOx燃烧技术主要有空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环技术及浓淡偏差燃烧等。通过改进锅炉运行方式，抑制燃烧过程中NOx的生成，降低NOx的排放量。

国内外学者对于降低NOx排放量进行了大量研究[2-7]。NISHIMURA M等[8]将低NOx燃烧器应用于蓄热式工业炉系统中，将空气和燃料以一定角度喷射抑制燃烧初期的混合过程，从而降低NOx生成量。CHO E S等[9]研究烟气再循环对NOx还原的影响，发现CO2作为稀释剂对于NO的还原效果较好；在相同稀释气体再循环比的条件下，对燃料进行稀释更能降低NO排放。胡满银等[10]通过对某烟气循环条件下的电站锅炉的燃烧与NOx排放特性进行数值模拟，发现烟气再循环能够有效降低炉内最高温度和平均温度，NOx排放量明显降低。崔军[11]对采用细粉再燃低NOx燃烧技术的燃煤锅炉进行数值模拟研究，发现采用细粉再燃后，炉内燃烧中心区域温度降低，NOx含量降低，NOx排放量随着细粉量的增加逐渐降低。姬海民等[12]针对某化工燃气锅炉进行低NOx改造，发现增加烟气再循环率后，燃烧区域温度降低，NOx在燃烧区域生成量显著降低，质量浓度始终低于30 mg/m3。宋少鹏等[13-14]对燃烧器进行试验，发现随着二级燃料增加，NOx含量先增加后下降；随着烟气再循环率从0%增加到25%，NOx排放量呈线性减少。董璐[15]对轴向和径向同时喷射燃料的某燃烧器进行研究，发现旋流燃烧器内形成中心回流区，燃烧室头部区域NO含量较低，火焰锋面处NO含量最高，NOx含量随燃烧区域空气过剩系数的增加先增加后减小，而空气预热温度的升高会促进NOx生成。

笔者针对某天然气分级燃烧器，通过数值模拟研究锅炉和燃烧器内温度分布、速度分布及NOx排放特性，并且进一步研究采用燃气分级和烟气再循环技术对燃烧过程NOx生成的影响。

1 天然气分级燃烧器

天然气分级燃烧器为AWIID新型燃烧器，主要为工业锅炉提供热能。工业锅炉系统主要由燃烧器、锅炉、供气系统、供风系统及控制系统构成。供风系统为燃烧器提供一次风和二次风。燃烧器内燃气与空气进行强烈混合后燃烧，主要燃料为天然气，燃气可分为二级。燃烧器通过锥形管道和锅炉连接，锅炉整体结构和燃烧器入口结构见图1。锅炉高为2.34 m，炉膛直径为2.15 m，锅炉出口管道直径为0.6 m。

2 模型和方法

2.1 物理模型

燃烧器及锅炉内流动和燃烧过程十分复杂，涉及多相流动、燃烧、辐射传热等。基于ANSYS FLUENT软件，湍流采用标准k-ε模型，天然气燃烧采用涡耗散组分运输和化学反应模型，锅炉内辐射换热采用P1辐射传热模型[15]。天然气的主要气体成分为甲烷，笔者将其简化处理为体积分数为100%的甲烷。天然气中几乎不含N元素，因此只考虑热力型和快速型NOx。

2.2 网格与边界条件

图2为锅炉和燃烧器整体网格，图3为燃烧器区域局部网格。采用四面体非结构网格划分，在燃气和空气入口区域进行网格加密，网格总数为338万。

燃气和空气入口均采用速度入口边界条件，锅炉出口采用压力出口边界条件，燃气和空气入口温度为300 K，壁面为无滑移壁面，壁温恒定为1 000 K，烟气再循环后混合气体温度为320 K。

3 结果与分析

3.1 基准工况

采用只有一级燃气出口，无循环烟气，以总燃气体积流量为580 m3/h条件为基准工况，记为工况A，具体参数见表1。

表1 工况A数值模拟条件

表1(续)

结果分析时主要关注锅炉和燃烧器结构中心线截面的温度分布、速度分布等，其中Y截面为锅炉和燃烧器竖直方向截面，X截面为燃烧器水平方向截面。

图4为工况A锅炉整体区域Y截面气体速度分布。由图4可知：燃气和助燃风的高速入射导致燃烧器入口区域气体速度较大，达到70 m/s。随着燃烧的进行，气体速度下降，锅炉内部靠近燃烧器火焰出口位置气体速度较大，燃烧器出口处管道截面扩大，气体速度减小，锅炉内气体速度维持在10～20 m/s，炉膛出口由于面积减小，出口处气体速度有所增大。

图5为工况A锅炉温度分布。

由图5(a)可知：燃气进入燃烧器后迅速和空气混合发生燃烧反应，锅炉和燃烧器区域温度明显升高，高温区域主要集中在锅炉内，最高局部温度达到了2 600 K，燃烧器火焰出口能明显观察到高温区域，燃烧反应主要集中于该区域，锅炉下部和出口区域温度较低，炉膛出口温度为1 607 K。由图5(b)可知燃烧区域主要集中于锅炉中心区域。

图6为工况A燃烧器区域的气体速度分布。由图6可知：燃烧器入口截面局部区域气体速度可以达到50 m/s，整个截面中间区域相对于边界区域气体速度较小，这是因为大量的高速燃气和一次风从边界进入燃烧器，局部速度大，而中间区域只有少量二次风入射。随着燃烧的进行，从右至左三个截面区域内速度大的面积逐渐减少，燃气和空气逐渐混合燃烧，速度分布在20～35 m/s的区域面积增大。

图7为工况A燃烧器区域的温度分布。由图7可知：燃烧器区域内燃烧并不充分，最高温度只有1 800 K；随着燃气和空气的混合，管道内开始发生燃烧反应；随着燃烧的进行，截面温度逐渐升高，高温区域面积不断增多。

表2为天然气燃烧过程中锅炉出口气相组分的模拟结果。

表2 锅炉出口烟气成分

由表2可得：炉膛出口O2体积分数为2.57%，含氧量较低说明燃烧状况良好，O2基本消耗完全。H2O体积分数为CO2的2倍，符合天然气燃烧化学反应过程。锅炉出口NOx质量浓度为219 mg/m3。

图8为工况A锅炉和燃烧器区域NOx分布。

由图8(a)可知：NOx在燃烧区域内燃烧器出口处含量最高，燃气和空气以非预混方式进入燃烧区域，因此燃烧器区域NOx含量较低，刚进入燃烧室时两者并未发生反应，NOx的生成集中在燃烧器出口，对比温度分布，此处是燃气燃烧形成的火焰锋面高温区域，温度达到2 400 K，因此热力型NOx大量生成，NOx体积分数最高达到了4.5×10-6。由图8(b)可知：燃烧器区域内NOx体积分数为1.5×10-6～3.5×10-6，NOx体积分数沿着X截面方向初始逐渐增大，进入锅炉内燃烧区域内由于燃烧室壁面的冷却温度有所降低，NOx的生成量也随之降低，最终趋于稳定。

图9为工况A燃烧器区域NOx分布。

由图9可知：燃烧开始阶段燃烧器区域内几乎没有NOx生成，随着燃烧的进行，在燃烧器出口截面有部分NOx生成，最高体积分数为0.5×10-6。燃气进入燃烧器后与空气混合开始燃烧，氧化物中部分N被氧化，生成燃料型NOx，而燃烧过程中放出大量热量，温度升高，空气中的N2发生氧化还原反应生成热力型NOx，热力型NOx的生成需要高温，燃烧初期温度较低，因此NOx含量较低。

3.2 燃气分级对NOx含量分布影响

采用天然气燃烧时，可以通过一、二级燃气分级降低NOx排放量，笔者通过模拟燃气分级情况下天然气燃烧得到锅炉出口NOx含量分布。模拟工况A和S燃气总体积流量均为580 m3/h，工况S采用燃气分级条件，研究燃气分级时两级燃气所占不同比例对燃气燃烧及NOx排放特性的影响。工况S分为S1、S2、S3三个工况，一、二级燃气体积流量及占比见表3。

表3 一、二级燃气体积流量及占比

图10为工况S锅炉和燃烧器区域温度分布。

对比工况A和工况S可得：在相同燃气体积流量下，燃气分级时，锅炉和燃烧器区域内温度升高，锅炉内高温区域面积明显增多。工况A中采用一级燃气燃烧最高温度为2 315 K；由工况S模拟结果可得，随着一级燃气体积流量占总燃气体积流量比例从90.00%降至75.00%，燃烧器出口高温区域不断增加，燃烧区域内最高温度从2 302 K增加到2 412 K，燃烧区域内整体高温区域不断增大，因此降低一级燃气量有利于燃烧反应的进行。

图11为工况S锅炉和燃烧器区域NOx分布。

对比工况A和工况S可得：在相同燃气体积流量下，采用燃气分级时，最高NOx体积分数能够从4.5×10-6降低到2×10-6，锅炉和燃烧器区域内NOx含量整体明显降低。工况S中一级燃气体积流量占总燃气体积流量比例从90.00%降到75.00%时，最高NOx体积分数从3×10-6降低到2×10-6，一级燃气体积流量占比越小，导致燃烧区域内燃料不足，降低了燃料型NOx的生成，燃烧区域内NOx整体含量越低，因此一级燃气的减少降低了主要燃烧区域内NOx的生成。

3.3 烟气再循环对NOx含量分布影响

研究烟气再循环对燃气燃烧及NOx排放特性的影响，燃气体积流量为580 m3/h，助燃风体积流量为5 895 m3/h，循环烟气体积流量为963 m3/h，烟气再循环率为14%，记为工况R。

图12为工况R锅炉和燃烧器区域温度分布和NOx分布。对比工况A和工况R可得：在相同燃气体积流量条件下，增加循环烟气后，燃烧器出口高温区域不断减少，燃烧区域内整体高温区域不断降低，锅炉内最高温度从2 315 K降低到2 126 K，因此循环烟气的存在会影响炉内燃烧效率；对比图8(a)和图12(b)可得，采用烟气循环条件能够有效降低锅炉内NOx含量，燃烧区域内最高NOx体积分数从0.45×10-6降低到0.35×10-6，燃烧区域内NOx含量整体降低，增加烟气再循环后，由于循环烟气本身携带大量热量，使得入射空气温度升高，因此有利于燃烧器内燃烧反应的进行，燃烧生成的NOx含量明显降低。

3.4 不同工况NOx排放量对比

通过数值模拟计算得到不同工况下锅炉出口整体的NOx质量浓度，具体见图13。由图13可得：相对一级燃气燃烧，在燃气分级燃烧条件下，锅炉出口NOx质量浓度有所降低，不分级燃烧时NOx质量浓度为219 mg/m3，采用分级燃烧NOx质量浓度降到200 mg/m3以下；一级燃气体积流量占总燃气体积流量比例从90.00%降到75.00%时，锅炉出口NOx质量浓度明显降低，从184 mg/m3降低到127 mg/m3，表明可以通过降低一级燃气量减少锅炉出口NOx生成。根据工况R和工况A锅炉出口NOx质量浓度对比可得：烟气再循环条件下锅炉出口NOx质量浓度大大降低，NOx质量浓度仅为16 mg/m3。这是因为烟气再循环时, 炉内平均温度和最高温度明显降低，有效降低热力型NOx的生成，同时烟气再循环降低了炉内O2含量，抑制了燃料型NOx的生成，因此烟气再循环能够有效降低锅炉出口NOx生成，且效果最明显。