杨秀超，马俊方，王彦文，秦 煌，刘建国，姜秀民，刘加勋

(上海交通大学机械与动力工程学院，上海 200240)

0 引言

即使煤燃烧引发的环境问题日渐突现，煤炭在世界能源消耗中仍起着不可替代的作用，从2003年到2030年，世界煤炭需求估计将上升94.7%[1]。我国煤炭储量丰富，据统计，煤炭占已探明一次性能源总量的92%。目前，我国能源消耗中，煤炭占比仍高达56.7%，这意味着在未来相当长的时间里，煤炭在能源结构中依然占据主导地位。

煤燃烧释放的氮氧化物(NOx)主要包括一氧化氮(NO)、二氧化氮(NO2)和氧化亚氮(N2O)，是生成光化学烟雾的前驱体，同时也可以形成酸雨和破坏臭氧层，进一步危及人类的生命健康[2-6]。随着世界环保标准的逐渐严苛，燃煤NOx的控制已经引起了广泛关注。我国更是提出了世界最严排放标准GB13271-2014，开发可实现50mg/m3的燃煤超低NOx排放技术已迫在眉睫。

工业锅炉是现代工业生产和社会生活中一种常见的热工设备。在我国，燃煤工业锅炉总数近60万台，是仅次于电站锅炉的主要燃煤设备，其年耗煤量近6.4亿t[7-10]。在燃煤工业锅炉的实际应用中，由于锅炉本身燃烧空间狭小、锅炉结构不合理、燃烧煤种及负荷多变等，使其普遍存在着运行效率低、NOx排放高的问题[11-14]。因此开发高效低氮的工业锅炉燃烧器和合理的工业锅炉结构，重新组织炉内流动及燃烧特性对工业锅炉的高效低氮运行具有重要意义[15-19]。

目前关于工业锅炉燃烧的研究中，大多通过设计特殊的煤粉燃烧器如旋流燃烧器、钝体燃烧器、预燃室燃烧器、反射流燃烧器来形成一个高温再循环回流区以促进煤粉的着火、保持火焰稳定性以及控制燃烧前期NOx的生成[20-21]。而针对性地设计合理的锅炉结构以及重新组织炉内流动及燃烧特性的研究较少。由于工业锅炉自身燃烧空间狭小，虽然高温再循环回流区一定程度上可以延长煤粉颗粒在炉内的停留时间、控制燃烧前期NOx的生成，但总体上工业锅炉飞灰含碳量和NOx排放都较高[22-25]。因此，如果可以从燃烧器和工业锅炉结构综合角度考虑，开发出一套适用于工业锅炉的高效低氮燃烧系统，势必会极大地促进燃煤工业锅炉的高效清洁运行。

基于以上问题，本文从燃烧系统的角度出发，针对性地提出了一种带高温旋涡燃尽装置的高效洁净燃烧工业锅炉；并根据浓淡分离和空气分级燃烧原理，开发配置了一种高效低氮煤粉燃烧器；最后通过数值模拟的方法，研究了不同内二次风开度下炉内流动、燃烧及NOx生成特性，可以为燃煤超低NOx排放工业锅炉的设计与运行提供参考。

1 锅炉及燃烧器

本文以8MW高效洁净燃烧煤粉工业锅炉为研究对象，炉膛尺寸为3.80m×4.28m×8.50m，属于双锅筒、横置式热水锅炉，锅炉设计煤质参数见表1。图1所示为该锅炉的燃烧系统，采用高效低氮煤粉燃烧器和炉内强化洁净燃烧，其结构特点为：四只高效低氮煤粉燃烧器对冲布置于炉膛左右墙下部，炉膛上部设置有由后墙水冷管交叉构成的高温旋涡燃尽装置。

表1 锅炉设计煤质分析

图1 高效洁净燃烧系统

高效低氮煤粉燃烧器风道结构主要由一次、内二次、旋流二次、外二次风道组成。一次风携带煤粉进行喷射时，在经过中心管和一次风道的两级煤粉浓缩环后发生煤粉颗粒的浓淡分离，从而形成外浓内淡型颗粒分布特点。内二次风以喇叭状喷入炉膛，旋流二次风则以一定的旋度喷入炉膛，在燃烧器出口区域形成高温回流区的同时，也逐渐补充了炉内煤粉燃烧所需的氧气。而外直二次风主要用来调节火焰扩展角，根据炉膛条件，确定最佳的火焰形状和长短，避免火焰贴壁。其中，一次风管出口处设置有稳焰齿，用以形成环状分布的着火源，确保燃烧器的稳定燃烧。另外，在炉膛出口区域设置高温旋涡燃尽装置延长烟气中未燃尽煤粉颗粒的行程，促进其燃尽。

燃烧器出口区域形成稳定的高温回流区可以强化煤粉和空气的混合，在促进煤粉燃尽的同时也避免了局部高温区的形成，这有利于控制热力型NOx的生成；另外，合理的燃烧器的配风参数可以使高温回流区内保持还原性气氛，控制燃烧前期NOx的形成[23]。因此，本文针对性地研究了在不同内二次风开度下炉内流动、燃烧及NOx生成特性，具体配风方案见表2。

表2 数值模拟配风方案

2 计算模型及边界条件

由于要求解的基本方程是非线性耦合微分方程，因此采用了分离求解器Fluent进行数值模拟。其中SIMPLE算法和标准压力离散化方法被采用来求解离散控制方程和耦合压力速度相。湍流强度、耗散率和雷诺应力则用二阶迎风格式进行迭代。k-ε双方程被作为气相湍流模型，而气固两相流动是基于拉格朗日随机轨道模型。采用P1辐射模型计算炉内辐射传热，该模型包括粒子辐射相互作用，粒子发射率和散射因子分别为1.0和0.9[26]。采用双步竞争反应模型和PDF概率密度函数计算挥发分的脱挥发分和燃烧，而焦炭的燃烧则采用动力扩散模型。由于煤粉燃烧过程中快速型NOx的生成量很少，因此在数值模拟中只考虑了燃料型NOx和热力型NOx。其中燃料型NOx根据De Soete模型计算[27]，而热力型NOx根据Zeldovitch机理进行计算[28]。锅炉的所有进口边界均采用质量流量入口，如表2所示，而炉膛出口采用压力出口。炉膛壁面为等温壁面，耦合标准壁面函数。

本文的炉膛采用结构化网格，高温旋涡燃尽装置和燃烧器由于结构非常复杂，采用了非结构网格，结构网格与非结构网格之间用interface对连接，并且保持交界面处的网格尺寸相近。采用400万、500万、650万和750万网格进行网格无关性验证，提取燃烧器中心截面的速度作为对比，发现650万网格和750万网格燃烧器中心轴线速度分布比较接近，因此，本文计算采用650万网格。

本文所采用的计算模型及方法根据相关文献[29-30]进行选择，而在文献中已经有大量的实验数据对模型的准确及合理性进行了验证，因此本文的计算结果及相应结论比较可靠。

3 结果与讨论

3.1 流动特性

图2所示为不同内二次风开度下近燃烧器区域流场分布。可以看出各工况下近燃烧器区域流动特性相似，均在燃烧器出口区域形成了稳定的旋流回流区。旋流回流区的形成可以促进煤粉和空气的强烈混合，有助于炉内燃烧的稳定；另外，由于燃烧器射流在炉膛中心相撞，而形成折转向上和向下的流动，并在燃烧器的上下两侧分别形成低速回流区，这可以延长烟气在炉内的行程，促进未燃尽煤粉颗粒的燃尽；并且气流在燃烧器下侧低速回流区的速度明显高于燃烧器上侧低速回流区速度。

值得注意的是，随着内二次风开度的增加，由于旋流二次风和外二次风的风量减少，相应的射流动量降低，所以对冲布置的燃烧器射流在炉膛中心碰撞的强度降低，从而造成了在燃烧器上下两侧的回流区范围增大，但是回流速度降低，尤其是当内二次风开度为50%时，这种现象体现得更加明显。

图2 燃烧器流场分布

不同内二次风开度下高温旋涡燃尽装置流场分布如图3所示。各工况下来自下炉膛的烟气经高温旋涡燃尽装置入口流入高温旋涡燃尽装置，由于高温旋涡燃尽装置上下壁面呈相对圆环形，导致一部分烟气贴着高温旋涡燃尽装置上壁面流向出口，另一部分则在高温旋涡燃尽装置下壁面形成一个低速烟气回流区。这两部分烟气的行程经高温旋涡燃尽装置后都将得到延长，有利于高温烟气中未燃尽煤粉颗粒的燃尽。

图3 高温旋涡燃尽装置流场分布

3.2 燃烧特性

图4所示为不同内二次风开度下近燃烧器区域温度场分布。从图4可以看出，总体上炉内温度呈对称分布，结合图2可知，由于在燃烧器出口区域稳定旋流回流区的存在，在燃烧器出口处形成了稳定的“灯芯”形火焰，这也说明了大部分煤粉集中在旋流回流区内燃烧，从而释放出大量热量，形成两个基本对称的高温区。但是，当内二次风开度为50%时，由于内二次风量的增加，使其向炉膛中心引射的动量增大，这严重阻隔了旋流二次风与一次风的混合。因此，其火焰沿着燃烧器上下侧逐渐分散，这不利于炉内燃烧的稳定和煤粉的均匀燃烧。

此外，当内二次风开度为0%和30%时，炉膛内温度分布均匀，火焰充满度明显高于内二次风开度为50%时，说明了这两个工况可以更好的实现炉膛内煤粉的均匀燃烧。由于内二次风的存在，及时的补充了煤粉燃烧所需的氧气，所以当内二次风开度为30%时，炉内火焰充满度是最好的。但是炉膛中心的高温区并没有完全的向燃烧器中心聚集，说明有少部分煤粉是在分散的高温区内燃烧的，在分散的高温区内燃烧的煤粉距炉膛出口距离相对较短，会影响炉膛整体煤粉的燃尽。另一方面，如果内二次风提前混入燃烧器中心的高温还原性区域，会导致燃烧前期NOx的增加。

图4 燃烧器温度分布

3.3 组分浓度分布

3.3.1 O2浓度分布

不同内二次风开度下，近燃烧器区域O2浓度分布如图5所示。

图5 燃烧器O2浓度分布

结合图2和图4可知，在燃烧器中心的旋流回流区内氧浓度较低，这是因为在高温的旋流回流区内，回流的高温烟气可以直接与煤粉充分混合，对煤粉快速加热，大量煤粉在旋流回流区内集中燃烧，消耗了大量氧。相反，在旋流回流区的边界，氧浓度较高。这一方面是因为旋流二次风在向炉膛中心螺旋前进的同时，对燃烧器中心区域形成一层高氧浓度的包裹层，使燃烧器中心区域形成缺氧的还原性氛围，控制燃烧前期NOx的生成；另一方面是因为仅仅只有少量的煤粉或者来自燃烧器中心的未燃尽煤粉颗粒会在旋流回流区的边界燃烧，其消耗的氧量较少。进一步地，在保证合理的火焰充满度的前提下，发现内二次风开度为0%时，其燃烧器中心低氧浓度区域面积略大于内二次风开度为30%的面积，这意味着旋流回流区内的还原性区域的面积也较大，可以促进NOx的还原。

3.3.2 CO浓度分布

图6展示了高温旋涡燃尽装置局部CO浓度分布。在高温旋涡燃尽装置内，CO的浓度较高，结合图2可知，烟气在高温旋涡燃尽装置内回旋流动，延长了烟气中未燃尽煤粉颗粒在炉内的停留时间，促进了烟气中未燃尽煤粉颗粒的继续燃尽。另外CO浓度较高，也有利于燃尽区NOx的还原。

图6 高温旋涡燃尽装置CO浓度分布

3.4 NOx生成特性

图7展示了不同内二次风开度下近燃烧器区域NOx浓度分布。可以看出，各工况下，在燃烧器中心的旋流回流区边界上NOx浓度较高，而在旋流回流区内NOx浓度较低[23]。这是因为在旋流回流区边界上氧浓度较高，温度也较高，高温高氧氛围促进了NOx的生成，然而在旋流回流区内，氧浓度较低，温度也偏低，抑制了NOx的生成。

图7 燃烧器NOx浓度分布

此外，从图7还可以看出，各工况中在旋流回流区的下边界出现了局部的高NOx区域，结合图2可知，这可能是位于燃烧器下侧的低速回流区中的回流烟气直接对燃烧器下侧根部煤粉气流进行加热，使该区域形成了局部高温，进而导致了局部的高NOx区域。当内二次风开度从0增加到30%时，炉膛中心处的NOx浓度明显升高，并且区域也相应扩大，根据图4(b)可知，这主要是由内二次风开度为30%时，炉膛中心的高温区域面积较大引起的。当内二次风开度为50%时，由于较大的内二次风动量严重阻隔了旋流二次风与一次风的混合，在影响煤粉均匀燃烧的同时也导致燃烧后期烟气中的氧含量较高，这会使炉膛出口的NOx偏高。

3.5 炉膛出口参数

图8为不同内二次风开度下炉膛出口温度和飞灰可燃物含量。当内二次风开度为50%时，炉膛出口温度和飞灰可燃物含量均最高，这是由于内二次风开度较大，旋流二次风和外二次风的风量较少，相应的射流动量降低，导致在燃烧器上下两侧的回流区内回流速度降低，影响了煤粉的混合，进一步导致煤粉的燃尽效果较差。此外，如图4所示，炉内火焰的充满度差，燃烧不均匀也是导致炉膛出口温度和飞灰可燃物含量高的主要原因。而当内二次风开度为0%和30%时，炉膛回流区内速度较高，煤粉混合均匀，延长了煤粉的高温停留时间，促进了煤粉的燃尽，其次，如图4所示，炉内温度分布均匀，这也可以更好的实现炉膛内煤粉的均匀燃烧，因此，炉膛出口的温度和飞灰可燃物含量均较低。

图8 炉膛出口温度和飞灰可燃物含量

图9为不同工况下炉膛出口CO和NOx的释放量。从图9可以看出，当内二次风开度为0%时，炉膛出口NOx排放最低，为90.08mg/m3，并且炉膛整体燃尽效果也最好。当内二次风开度为50%时，炉膛整体燃尽最差，同时炉膛出口NOx排放也最高，为110.50mg/m3。这是因为内二风严重阻隔了旋流二次风与一次风的混合，导致了燃烧后期烟气中的氧含量较高，不利于NOx的还原；同时也使炉膛内火焰向燃烧器上下两侧分散，影响炉内煤粉的均匀燃烧。当内二次风开度为30%时，炉内燃尽较差，炉膛出口NOx排放较高，为93.54mg/m3。这是由于内二次风一定程度上阻隔了旋流二次风与一次风的混合，炉膛中心的高温区并没有完全的向燃烧器中心聚集，少部分煤粉在该区域燃烧，该部分煤粉距炉膛出口距离相对较短，影响了炉膛整体煤粉的燃尽。另一方面，炉膛中心的高温区域面积较大，不利于燃烧过程中NOx的控制。并且，如果内二次风提前混入燃烧器中心的高温还原性区域，也可能会导致燃烧前期NOx的增加。总体上来讲，随着内二次风开度的增加，炉膛出口NOx排放也增加。

图9 炉膛出口CO和NOx

4 结论

(1)各工况下，在燃烧器出口区域均形成了稳定的旋流回流区。烟气在高温旋涡燃尽装置中一部分贴着上壁面流向出口，另一部分则在下壁面形成一个低速烟气回流区。

(2)总体上在炉内形成了对称稳定的“灯芯”形火焰。当内二次风开度为0%和30%时，炉膛内温度分布均匀，火焰充满度较好；而当内二次风开度为50%时，炉膛内火焰沿着燃烧器上下两侧逐渐分散。此外，当内二次风开度为30%时，炉膛中心的高温区并没有完全的向燃烧器中心聚集。

(3)各工况下，在燃烧器中心的旋流回流区边界上NOx浓度较高，而在旋流回流区内NOx浓度较低。当内二次风开度从0%增加到30%时，炉膛中心处的NOx浓度明显升高，并且区域也相应扩大；当内二次风开度为50%时，燃烧后期烟气中的氧含量较高，促使炉膛出口的NOx偏高；当内二次风开度为0%时，炉膛出口NOx排放最低，为90.08mg/m3，并且炉膛整体燃尽效果也最好。

值得注意的是在实际运行过程中，由于工业锅炉的煤种多变、负荷波动大等特点，当使用低挥发分煤作为燃料时，为了保证炉内的稳定燃烧，需通过内二次风道及时补充燃烧所需的氧气。因此，内二次风道可以作为一个及时补充燃烧所需氧气的稳燃风道。另外，在实际运行过程中，当发现一次风射流动量不足时，可通过内二次风对一次风进行引射，使一次风可以到达炉膛中心位置。