白昊，張健，郭欣維，劉毅成，馬倩慧，張忠孝

BAI Hao，ZHANG Jian*，GUO Xinwei，LIU Yicheng，MA Qianhui，ZHANG Zhongxiao

（上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海200093）

（School of Environment and Architecture，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China）

0 引言

降低氮氧化物（NOx）排放是實現(xiàn)煤粉鍋爐高效清潔應(yīng)用的重要途徑之一?，F(xiàn)行《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）規(guī)定的燃煤鍋爐NOx排放限值為100 mg∕m3［1］，為滿足超低氮排放的要求，國內(nèi)大部分電站鍋爐普遍采用爐內(nèi)低NOx燃燒、選擇性催化還原（SCR）、煙氣循環(huán)等技術(shù)進行超低氮改造［2-3］。然而，目前許多企業(yè)的熱源廠和化工廠中，大量在役的中、小型煤粉鍋爐由于缺乏低污染物排放的初始設(shè)計或因后期改造成本高昂，正面臨著巨大的減排壓力［4］。因此，提出既能適應(yīng)中、小型煤粉鍋爐爐膛燃燒特性又經(jīng)濟高效的低氮改造技術(shù)，具有非常重要的現(xiàn)實意義。

空氣分級與煙氣循環(huán)是2種典型的爐內(nèi)低氮改造技術(shù)［5-8］，具有經(jīng)濟性好和脫硝效率高的特點，非常適合現(xiàn)役機組的脫硝改造，特別是場地條件有限的設(shè)備。近年來許多專家學(xué)者圍繞空氣分級和煙氣循環(huán)技術(shù)在電站鍋爐上的應(yīng)用進行了大量的研究工作，研究結(jié)果表明：為確保對污染物排放的嚴(yán)格監(jiān)控，需要一系列精準(zhǔn)的配風(fēng)控制措施。為此，本文針對某熱源廠75 t∕h 煤粉鍋爐，采用空氣分級與煙氣循環(huán)協(xié)同調(diào)控進行低氮改造，結(jié)合鍋爐的實際運行參數(shù)，通過數(shù)值模擬的方法對低氮改造后爐內(nèi)的燃燒特性及NOx排放進行研究。

1 研究對象

本文的研究對象為某熱源廠75 t∕h 四角切圓煤粉鍋爐，爐膛高17 631 mm，橫截面尺寸為5 392 mm×6 106 mm，鍋爐實際燃燒煤種的煤質(zhì)分析見表1。此次改造采用空氣分級與煙氣循環(huán)協(xié)同調(diào)控脫硝的方式，對原有的燃燒器噴口進行改造，圖1為爐膛結(jié)構(gòu)示意與改造前后燃燒器噴口布置。

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Coal analysis

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)示意與改造前后燃燒器噴口布置Fig.1 Structure of the furnace and burner nozzles'distribution before and after the updating

改造內(nèi)容包括：（1）保持原有的一、二次風(fēng)燃燒器噴口標(biāo)高不變，在頂部二次風(fēng)上方設(shè)置2 層可上下擺動的分離燃盡風(fēng)（SOFA），將原來一部分二次風(fēng)改造成SOFA；（2）從引風(fēng)機后抽取部分溫度在130 ℃左右的循環(huán)煙氣送入中、上層燃燒器的二次風(fēng)管之中，煙氣循環(huán)率的大小由風(fēng)機本身的變頻電機調(diào)節(jié)頻率和風(fēng)門擋板的開度來進行調(diào)節(jié)。

2 數(shù)值計算模型與方法

2.1 網(wǎng)格劃分

本文采用軟件Ansys-Fluent 15.0 對爐內(nèi)燃燒過程進行數(shù)值模擬。鍋爐整體和燃燒器區(qū)域橫截面網(wǎng)格劃分如圖2 所示，創(chuàng)建了3 種不同數(shù)量的網(wǎng)格模型進行網(wǎng)格獨立性分析，網(wǎng)格數(shù)量分別為52萬、81萬和125萬。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量為81萬和125萬時，爐膛中心的速度與湍流動能基本一致，模擬結(jié)果不受網(wǎng)格數(shù)量的影響，所以采用81萬網(wǎng)格進行后續(xù)模擬研究。為了減少偽擴散［9］，本次網(wǎng)格劃分將燃燒器區(qū)域噴嘴入口附近的網(wǎng)格進行了局部加密。

圖2 鍋爐整體和燃燒器區(qū)域橫截面網(wǎng)格劃分Fig.2 Meshing of the overall furnace and the combustion zone's cross section

2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)鍋爐燃燒的特點，本文采用的煤粉燃燒的物理、化學(xué)過程及主要模型見表2。模型的具體參數(shù)設(shè)置參見本文作者前期發(fā)表的文獻［10-11］。

表2 煤粉燃燒的物理、化學(xué)過程及主要模型Tab.2 Main models for the physical and chemical processes of pulverized coal combustion

2.3 計算工況

本文數(shù)值模擬計算的目的是通過調(diào)整鍋爐不同SOFA 風(fēng)率和煙氣循環(huán)率，對爐內(nèi)的燃燒及污染物排放進行預(yù)測。根據(jù)SOFA 風(fēng)率設(shè)置4 種不同工況，其不同工況下爐內(nèi)風(fēng)量分配情況見表3。根據(jù)煙氣循環(huán)率設(shè)置4 種不同工況，通過煙氣循環(huán)率迭代計算確定煙氣循環(huán)后中、上二次風(fēng)的氣體成分見表4。選取最佳的SOFA 風(fēng)率與煙氣循環(huán)率，將2 種技術(shù)在爐膛內(nèi)優(yōu)化協(xié)同脫硝，即在最佳的空氣分級工況下通入循環(huán)煙氣，循環(huán)煙氣的取點位置和通入位置不變，通過數(shù)值模擬研究2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控對爐內(nèi)燃燒和NOx生成的影響。

表3 不同SOFA風(fēng)率下的爐內(nèi)風(fēng)量分配情況Tab.3 Distribution of wind in the furnace at different SOFA rate

表4 不同煙氣循環(huán)率下的中、上二次風(fēng)氣體成分Tab.4 Upper and middle secondary air components with different flue gas circulating rate %

2.4 模型合理性驗證

表5 數(shù)值模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)的對比Tab.5 Simulation results and measured data

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 不同SOFA風(fēng)率對爐內(nèi)燃燒特性的影響

圖3為不同SOFA風(fēng)率下爐膛出口的溫度、組分和脫硝效率的計算流體動力學(xué)（CFD）數(shù)值模擬結(jié)果。對模擬結(jié)果分析可知：爐膛出口煙溫與SOFA風(fēng)率呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性；結(jié)合表3 中的風(fēng)量分配情況可以看出，SOFA 風(fēng)率的上升使得主燃燒區(qū)域內(nèi)O2的體積分?jǐn)?shù)低于煤粉完全燃燒的要求，大量未完全燃燒的煤粉在SOFA 區(qū)域燃盡，釋放出的熱量導(dǎo)致該區(qū)域內(nèi)的煙溫增加；而爐膛出口處的NOx質(zhì)量濃度與SOFA 風(fēng)率則呈現(xiàn)負相關(guān)性，這主要是因為空氣分級使得主燃區(qū)從氧化性氣氛轉(zhuǎn)變?yōu)檫€原性氣氛，含N 基團被氧化成NOx的比例減少，而且燃料中釋放的含N 中間產(chǎn)物HCN 和NH3等會將一部分NO 還原成N2［15］；另一方面，主燃區(qū)的還原性氣氛使得煤粉的燃燒速率下降，煙氣中的熱力型NOx也隨之減少，上述2 個方面的因素均使得爐內(nèi)煙氣中的NOx質(zhì)量濃度降低。但SOFA 風(fēng)率增加會使揮發(fā)分和煤粉顆粒不完全燃燒程度加劇，導(dǎo)致爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)升高，爐膛尾部碳燃盡率下降。

圖3 不同SOFA風(fēng)率下爐膛出口參數(shù)的CFD數(shù)值模擬結(jié)果Fig.3 CFD simulation results of parameters at the furnace outlet under different SOFA rate

此外，從圖3可以看出，CO 體積分?jǐn)?shù)隨SOFA 風(fēng)率的變化呈現(xiàn)出先慢后快的變化趨勢，當(dāng)SOFA 風(fēng)率大于25%后，爐膛出口處CO 體積分?jǐn)?shù)快速上升，但此時脫硝效率隨SOFA 風(fēng)率的變化并未顯著提高，考慮到鍋爐效率與NOx排放環(huán)保指標(biāo)，SOFA 風(fēng)率設(shè)置為25%較為合理。

3.2 不同煙氣循環(huán)率對爐內(nèi)燃燒特性的影響

不同煙氣循環(huán)率下爐膛出口的組分、溫度及脫硝效率的數(shù)值模擬結(jié)果如圖4—5 所示。爐膛出口的煙溫、NOx質(zhì)量濃度與煙氣循環(huán)率呈現(xiàn)負相關(guān)性，脫硝效率與煙氣循環(huán)率呈現(xiàn)正相關(guān)性。中、上二次風(fēng)中通入低溫循環(huán)煙氣增加了整體的煙氣量，降低了二次風(fēng)中O2的體積分?jǐn)?shù)，延緩了煤粉燃燒速率，使?fàn)t膛整體溫度降低，減少了熱力型NOx的產(chǎn)生。

圖4 不同煙氣循環(huán)率下爐膛出口O2和CO2體積分?jǐn)?shù)的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.4 Simulation results of O2 and CO2 volume fractions at the furnace outlet with different flue gas circulating rate

圖5 不同煙氣循環(huán)率下爐膛出口溫度、NOx質(zhì)量濃度及脫硝效率的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.5 Simulation results of temperature and NOx mass concentration at the furnace outlet with different flue gas circulating rate

從圖5 中可以看出，鍋爐脫硝效率隨著煙氣循環(huán)率的增加而增加，當(dāng)煙氣循環(huán)率為25%時，脫硝效率達到最大值31.3%，由此得出，煙氣循環(huán)率的增加對鍋爐脫硝效率的提高有促進作用，但高煙氣循環(huán)率會降低爐膛溫度和煤粉的燃盡率，影響鍋爐著火穩(wěn)定性［16］。從圖4 可以看出，隨著煙氣循環(huán)率的增加，O2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先減小后增大的變化趨勢，在煙氣循環(huán)率為15%時，O2體積分?jǐn)?shù)達到最小值2.43%，而爐膛出口的CO2體積分?jǐn)?shù)隨煙氣循環(huán)率的變化趨勢則相反，呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢。上述趨勢表明，當(dāng)煙氣循環(huán)率小于15%時，對煤粉燃燒過程不會產(chǎn)生負面影響；當(dāng)煙氣循環(huán)率大于15%時，由于低溫?zé)煔饬康难杆僭黾樱瑢?dǎo)致爐膛溫度迅速下降，煤粉燃燒速率減緩。此外，煙氣循環(huán)率增加導(dǎo)致的煙氣流速加快會帶走了大量未完全燃燒的碳顆粒，使得O2消耗速率減緩，最終爐膛出口的O2體積分?jǐn)?shù)升高。

綜合考慮鍋爐效率與脫硝效率，15%的煙氣循環(huán)率為鍋爐NOx排放的最佳工況。

3.3 空氣分級與煙氣循環(huán)協(xié)同調(diào)控對爐膛燃燒特性的影響

本小節(jié)將空氣分級與煙氣循環(huán)2種技術(shù)協(xié)同使用，在最佳空氣分級工況下（SOFA 風(fēng)率為25%）通入煙氣循環(huán)率為15%的循環(huán)煙氣，本工況下中、上二次風(fēng)成分見表6。本文以改造前的基準(zhǔn)工況作為額定工況，通過對比不同工況下爐內(nèi)煤粉燃燒的變化，分析協(xié)同調(diào)控對爐內(nèi)流場變化和NOx生成規(guī)律的影響。

表6 中、上二次風(fēng)成分Tab.6 Upper and middle secondary air component %

3.3.1 溫度場分布

圖6為不同工況下爐膛中心截面溫度分布模擬結(jié)果。從圖6 中可以看出，額定工況下爐膛中心截面溫度最高，2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控時爐膛的截面溫度最低，在標(biāo)高z 為4 m（即進入主燃區(qū)）后，幾種工況的爐膛中心溫度變化較為明顯，采用空氣分級技術(shù)后煤粉在主燃區(qū)大量燃燒釋放熱量，未燃盡的可燃物在SOFA 的補充下燃燒，爐膛的高溫峰值區(qū)域較為明顯；采用煙氣循環(huán)技術(shù)后煙氣流速加快、煤粉燃燒速度減緩，爐膛溫度整體有一定程度的降低；2種技術(shù)協(xié)同調(diào)控消除了爐膛的高溫峰值區(qū)域，使得爐膛溫度沿高度方向分布得更加均勻，循環(huán)煙氣的進入降低了二次風(fēng)中O2體積分?jǐn)?shù)，延緩煤粉燃燒，使得煤粉釋放熱量沿高度方向相對均勻，另一方面，彌補了空氣分級后主燃區(qū)噴口風(fēng)速降低的問題，增強了同一截面氣流的擾動，使得O2與煤粉混合得更加均勻，同一截面的溫差減小［17］。

圖6 爐膛中心截面溫度分布的數(shù)值模擬結(jié)果Fig.6 Distribution of the temperature on the central cross section of the furnace

3.3.2 CO，O2分布

圖7—8 為不同工況下爐膛截面O2，CO 體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化曲線。從圖7—8中可以看出，額定工況與采用煙氣循環(huán)工況的O2體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化趨勢相同，采用空氣分級工況與2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控工況的O2體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢相同，單獨采用空氣分級時截面O2體積分?jǐn)?shù)高于2種技術(shù)協(xié)同調(diào)控下O2體積分?jǐn)?shù)2.78%。4 種工況下爐膛截面平均CO 體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度變化趨勢基本相同，CO 主要生成于煤粉氣流劇烈燃燒的主燃區(qū)，在同一截面形成1個“環(huán)形”分布［17］。當(dāng)煙氣循環(huán)與空氣分級協(xié)同調(diào)控時，主燃區(qū)溫度降低，燃燒速率減緩，產(chǎn)生的CO 體積分?jǐn)?shù)也低于其他工況，在燃盡區(qū)由于燃盡風(fēng)的補入，CO 體積分?jǐn)?shù)降低到0.1‰以下。

3.3.3 NOx分布

圖7 不同工況下爐膛截面O2體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化曲線Fig.7 Simulated distribution of the O2 volume fractions on the central cross section of the furnace under various condition

圖8 不同工況下爐膛截面CO體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度的變化曲線Fig.8 Simulated distribution of the CO volume fractions on the central cross section of the furnace under various condition

圖9 為不同工況下爐膛中心截面NOx質(zhì)量濃度的分布模擬結(jié)果。額定工況與單獨采用煙氣循環(huán)工況的截面NOx質(zhì)量濃度變化趨勢相同，采用空氣分級工況與2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控工況的截面NOx質(zhì)量濃度變化趨勢相同，兩者的NOx質(zhì)量濃度都是在主燃區(qū)產(chǎn)生峰值，在爐膛還原區(qū)被還原，在爐膛出口最終趨于穩(wěn)定。不同之處在于空氣分級后在燃盡區(qū)殘留的氮會被氧化生成NOx，截面NOx質(zhì)量濃度會有小幅度上升。4 種工況下爐膛出口的NOx質(zhì)量濃度分別為56，285，435，220 mg∕m3（標(biāo)態(tài)）。煙氣循環(huán)與空氣分級技術(shù)協(xié)同調(diào)控時爐膛整體生成的NOx質(zhì)量濃度低于采用單一技術(shù)時的NOx質(zhì)量濃度，一方面是因為在主燃區(qū)形成了缺氧燃燒，抑制了NOx的產(chǎn)生并將部分已生成的NOx還原，另一方面是因為循環(huán)煙氣的進入稀釋了入爐空氣中的O2，降低了煤粉燃燒速率，低溫?zé)煔庖蚕魅趿嘶鹧娣逯禍囟?，使得熱力型NOx減少［18-22］。

圖9 不同工況下爐膛中心截面NOx質(zhì)量濃度分布的數(shù)值模擬結(jié)果（6%O2）Fig.9 Simulated distribution of the NOx mass concentrations on the central cross section of the furnace under various condition（6%O2）

3.3.4 脫硝效率

圖10 為不同工況下的脫硝效率。以鍋爐額定工況出口NOx質(zhì)量濃度為基準(zhǔn)，單獨采用煙氣循環(huán)時的脫硝效率為21.2%，單獨采用空氣分級的脫硝效率為49.6%，2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控時的脫硝效率為61.0%，在單一采用空氣分級的基礎(chǔ)上提高了11.4百分點?？梢钥闯?，2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控時的脫硝效率不是單一技術(shù)時脫硝效率的簡單疊加，同時技術(shù)協(xié)同對爐膛出口的CO 體積分?jǐn)?shù)沒有顯著影響，因此，煙氣循環(huán)與空氣分級在煤粉爐上協(xié)同調(diào)控可以很好地控制NOx的終端排放。

圖10 不同工況下的脫硝效率Fig.10 Denitration efficiency under various condition

4 結(jié)論

（1）隨著SOFA 風(fēng)率的增加，爐膛出口溫度、CO體積分?jǐn)?shù)升高，NOx質(zhì)量濃度降低。在SOFA 風(fēng)率為25%時綜合性能最優(yōu)，與鍋爐低氮改造前相比，脫硝效率提高了49.6%。

（2）采用煙氣循環(huán)技術(shù)可以降低入爐二次風(fēng)的溫度與O2體積分?jǐn)?shù)，降低火焰的燃燒強度，使?fàn)t內(nèi)的溫度整體有一定程度的降低，煙氣循環(huán)率越高，入爐二次風(fēng)O2體積分?jǐn)?shù)越低，脫硝效率越高。綜合考慮爐膛溫度對鍋爐著火及燃燒充分性等方面的影響，煙氣循環(huán)率為15%時脫硝效果最佳。

（3）空氣分級與煙氣循環(huán)協(xié)同調(diào)控可以使?fàn)t膛溫度沿高度方向分布得更加均勻，彌補了空氣分級后主燃區(qū)噴口風(fēng)速降低的問題，增強了同一截面氣流的擾動；2 種技術(shù)協(xié)同調(diào)控時脫硝效率為61.0%，在單一采用空氣分級的基礎(chǔ)上提高了11.4百分點，同時對爐膛出口的CO體積分?jǐn)?shù)沒有顯著影響。