中心回燃天然氣鍋爐低氮燃燒的數(shù)值模擬

徐志斌，田莉勤，張 健

（1.上海鉑納森環(huán)境科技有限公司，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

隨著國家對環(huán)保的重視和對環(huán)境治理力度的逐漸加大，各地紛紛收嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)將天然氣鍋爐NOx的排放值降低至50 mg/m3、30 mg/m3等，并施行環(huán)保補貼，鼓勵用戶進行低氮改造[1-3]。采用低氮燃燒的方式，將中心回燃天然氣鍋爐的NOx排放降低至30 mg/m3具有重要的環(huán)保意義。一方面，采用低氮燃燒的方式可以減少NOx的排放，避免了采用昂貴的SCR進行尾部脫氮，且采用SCR技術(shù)時還存在進入SCR反應(yīng)器煙氣溫度過低的問題；另一方面，中心回燃鍋爐還可以繼續(xù)使用，不會因NOx排放不達標(biāo)而被禁用，而需要新建鍋爐以滿足實際供熱的需求。

中心回燃鍋爐是燃料在爐前燃燒，煙氣經(jīng)爐前到爐后，再從爐膽外緣流向爐前，進入爐前中的煙箱、再從爐前煙管中流出的特殊鍋爐[4]。中心回燃鍋爐最大的特點是煙氣流程比較特殊，比較難做低氮，且中心回燃式鍋爐對低氮燃燒器的要求也比較高。為中心回燃鍋爐配置符合其爐型特點的低氮燃燒器，對鍋爐的安全運行至關(guān)重要。

仿真可以分析并顯示流場中的現(xiàn)象，從而在較短的時間內(nèi)預(yù)測流場，為實驗提供指導(dǎo)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中[5-7]。本文對2.5 t/h中心回燃天然氣鍋爐進行仿真數(shù)值模擬，模擬出其速度場、溫度場及NOx生成量，以驗證所配置的低氮燃燒器性能是否適合中心回燃鍋爐。

1 2.5 t/h中心回燃鍋爐關(guān)鍵參數(shù)介紹

某酒店2.5 t/h中心回燃天然氣鍋爐型號為WNS2.5-1.0-Y（Q），采用更換低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)的低氮燃燒改造方式，將NOx降低至30 mg/m3以下。

該鍋爐的爐膛直徑為850 mm，爐膛長度為2 750 mm，前煙箱室寬度為50 mm，煙管個數(shù)90個，其中兩個煙管管徑45 mm，壁厚3.5 mm，其余煙管管徑45 mm，壁厚3 mm，如圖1所示。

圖1 中心回燃鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

中心回燃鍋爐的煙氣流程不同于普通爐型，中心回燃鍋爐煙氣流程如圖2所示。燃料自燃燒器向前噴入爐膽，在爐膽（爐膛）內(nèi)正壓燃燒；由于高速火焰引起煙氣在爐膽中回流（卷吸）作用，高溫?zé)煔庠趶臓t膽尾部返回到前煙箱，再進入煙管進行充分換熱，最后經(jīng)煙囪排入大氣[8]。進入鍋爐前煙箱的煙氣溫度基本在900～1 100℃[9-10]。

圖2 中心回燃鍋爐煙氣流程示意圖

特殊的煙氣流程，對低氮燃燒器提出了更高的要求。除要求燃燒實現(xiàn)30 mg/m3的要求外，還要滿足煙氣流程的需求，即高溫?zé)煔馔笞撸?jīng)爐膛換熱煙氣降溫后，再從爐膽周圍從后往前進入前煙箱，確保低氮燃燒改造對鍋爐的安全性能沒有影響。

2 中心回燃鍋爐及燃燒器仿真建模

根據(jù)鍋爐及燃燒器尺寸1:1建模，進行仿真數(shù)值模擬，驗證所配置的低氮燃燒器的煙氣流程及進入鍋爐前煙箱的煙氣溫度和NOx生成量。三維模型如圖3所示，燃燒器布置在鍋爐前墻，單機輸出功率1.94 MW，前煙箱位于鍋爐前端，前煙箱后端上有多個煙管出口（分左右兩組，即out1和out2）。

圖3 三維模型示意圖

燃燒器結(jié)構(gòu)如圖4所示。燃氣分為內(nèi)圈燃氣和外圈燃氣，助燃空氣分為內(nèi)圈空氣和外圈空氣。內(nèi)圈燃氣布置6根內(nèi)燃氣槍，其中每3根燃氣槍等徑同軸布置。外圈布置24支燃氣槍，其中6支燃氣槍的管徑相對大一些，和其他的小管徑燃氣槍間隔布置。

圖4 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

模型應(yīng)用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進行劃分，總網(wǎng)格數(shù)達210萬，爐膽采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，燃燒器及與爐膽交接處采用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖5所示，通過檢測非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格扭曲率低，可以看出該網(wǎng)格為高質(zhì)量網(wǎng)格。

圖5 網(wǎng)格模型示意圖

仿真的邊界條件：燃料為天然氣，鍋爐負荷100%，煙循用量為18%，燃氣量175 m3/h，空氣量1 750 m3/h。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 燃燒速度場

中心回燃的鍋爐配合低氮燃燒器，燃燒后的速度場如圖6～圖8所示，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，從爐前走到爐后，再從爐膽的外緣從后往前走進入前煙箱，進而進入煙管。仿真速度場的結(jié)果說明，為中心回燃鍋爐定制化設(shè)計的燃燒器，滿足中心回燃鍋爐對煙氣回程的要求，并不會存在部分高溫?zé)煔馕唇?jīng)過換熱直接進入前煙箱中。

圖6 爐膛截面速度圖

圖7 圖6中1處的爐膛尾部煙氣折返局部放大圖

圖8圖6中2處的爐膛前端煙箱處煙氣局部放大圖

3.2 燃燒溫度場

圖9 為燃燒器中心對應(yīng)爐膛截面的溫度云圖，由溫度云圖可以看出，局部高溫區(qū)較少，高溫區(qū)主要集中在燃燒器喉口處，爐膛內(nèi)整體的溫度較為平均。高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛換熱后進入前煙箱，在該截面處，進入前煙箱的煙氣溫度基本在1 100～1 280 K（827～1 007℃）溫度區(qū)間范圍內(nèi)。進入前煙箱處的平均煙氣溫度為1 204 K。

圖9 燃燒器中心對應(yīng)爐膛截面的溫度云圖

煙管出口處煙氣溫度如圖10所示，即煙箱處的煙氣溫度為931℃。

圖10 煙管出口處煙氣溫度示數(shù)圖

由仿真輸出的溫度場可以看出，為本次中心回燃鍋爐配置的燃燒器，滿足了中心回燃鍋爐特殊煙氣流程的要求，燃燒后的高溫?zé)煔獯_實是經(jīng)過爐中水的吸熱降溫后，才進入前煙箱的，進入前煙箱的煙氣平均溫度為1 204 K，即931℃，煙氣溫度正常。

3.3 煙氣出口處NOx

在設(shè)定的模擬工況下，經(jīng)仿真結(jié)果輸出和換算，爐膛出口NOx的濃度為22.68 mg/m3。

4 總結(jié)

為2.5 t/h中心回燃鍋爐所配置的低氮燃燒器，并配合煙氣再循環(huán)技術(shù)，經(jīng)仿真數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

（1）所配的低氮燃燒器符合中心回燃鍋爐對煙氣流程的特殊需求，爐膛內(nèi)速度場高溫?zé)煔鈴臓t前走到爐后，再從爐膽的外緣從后往前進入前煙箱中，并不會存在部分高溫?zé)煔馕唇?jīng)過換熱直接進入前煙箱。

（2）所配的低氮燃燒器燃燒后，進入前煙箱中的煙氣平均溫度為931℃，進入前煙箱中的煙氣溫度正常，不偏高。

（3）爐膛出口NOx的溫度為22.68 mg/m3，小于30 mg/m3。

綜上所述，所配的低氮燃燒器符合中心回燃鍋爐對安全性和低氮的要求，低氮燃燒器長期運行不會給鍋爐的安全運行造成影響。