火上风对400,t/h煤粉锅炉内燃烧影响的数值模拟

摘 要：建立了数学物理模型，对400 t/h全尺寸四角切圆煤粉锅炉内燃烧过程进行三维数值模拟。分析结果表明：火上风的喷入可以大幅度降低NOx排放值，当火上风风率达到20%时，NOx可减排21%，并且燃烧效率较高；对于NOx减排火上风喷口高度h最佳值为2 m。计算分析结果对火电厂、大型钢铁联合企业自备电厂等实际锅炉的燃烧调整具有较重要的指导意义。

关键词：火上风 全尺寸锅炉 数值模拟 NOx排放

中图分类号：TK224 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）11（a）-0082-03

CFD是控制与分析燃煤锅炉有效而经济的工具[1～4]。煤粉在炉膛内的燃烧是一个复杂的过程，涉及气相流动和湍流燃烧、颗粒运动、挥发分析出、焦炭燃烧和辐射换热[5]等，数值模拟可以得出不同操作工况下炉膛内的温度和组分浓度分布，进而研究燃烧机理，优化燃烧过程，得到低污染、高效率的燃烧参数。本文利用CFD工具研究了火上风（OFA）对400 t/h煤粉锅炉内燃烧和污染物（NOx，soot等）排放的影响。

研究表明[6，7]，有效降低NOx的排放，可以通过对煤粉锅炉炉内的空气进行合理分布，把空气进行分级，火上风技术可以有效这一点，使炉内空气分级，从而降低NOx的排放，由于火上风对炉内燃烧有很大的影响，不同的参数会影响NOx的排放，要想得到最优的燃烧参数，必须对其进行全面而深入的研究，达到最好的效果。

1 研究对象

以一台容量为400 t/h的四角切圆煤粉锅炉为研究对象，炉宽9600 mm，炉深8375 mm，炉高为31800 mm，结构示意图见图1（a）。燃烧设备采用四角切向燃烧布置，1#、3#和2#、4#假想切圆直徑分别为Φ800 mm和Φ200 mm，见图1（b）。燃烧器喷嘴为8层布置，具体布置结构见图1（c）所示。燃料特性见表1。

在本文的研究工况中，一次风速度、温度以及二次风温度不变，火上风风量由二次风风量中分出，火上风喷口高度h如图1（c）所示。

2 数值模拟方法

数值模拟采用三维稳态计算，微分方程的离散采用有限容积法，使用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。气相的湍流流动选择Realizable k-ε模型[8]，气相湍流燃烧采用非预混燃烧模型，使用Two mixture fraction/PDF模型，选取β-PDF；煤粉颗粒相流动采用随机轨道方法；挥发分析出模型为双竞争反应热解模型；焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型；用P-1辐射模型计算辐射传热；碳黑（soot）的生成选用双步模型。本文对NOx的生成采用后处理的方法[9]，湍流对NOx生成的影响采用温度和氧浓度的β型概率密度函数来模拟。数值模拟方法的有效性论证见文献[10，11]。

3 模拟结果分析

3.1 火上风风率对炉内燃烧过程的影响

对表2所列不同火上风风率的5个工况进行了模拟比较，图2为不同工况下的炉膛出口温度和NOx浓度（6%含氧量）平均值，图3为不同工况下炉膛出口飞灰含碳量（UBC）和soot浓度（6%含氧量）平均值。

从数值模拟的结果看，火上风的喷入可以大幅度降低NOx排放值，随着火上风风率的增加，NOx排放值降低，火上风风率增加使富燃区内过量空气系数减小，还原性气氛增强，有利于还原性气体HCN和未燃炭粒对NOx还原分解。燃料燃烬的时间随着火上风的加入而延长，致使炉膛内高温点上移，风率也越来越大，风率的加大使炉膛出口处火焰温度不断升高，热损失也越大，这会带来炉膛出口后受热面安全问题。从图3可以看出，UBC与soot排放水平较低，排放量随着火上风风率的增加先增大后减小，火上风风率的增加，使富燃区含氧量与燃尽率显著降低，随其进一步增加火上风风速，炉内烟气与火上风的混合均匀度提高，增加了后期燃尽率使UBC与soot排放量降低。当火上风风率达到20%时，NOx可减排21%，并且此时的炉膛温度不低于无火上风时（工况2-1）的炉膛温度，而且高温区域增大，整个炉膛燃烧情况较好，燃烧效率较高，出口烟气温度较工况2-1升高22 K，这一较小的烟气温升对炉膛出口后受热面安全方面的影响较小，火上风风率进一步增加，高温区域会显著上移而不再增大，这样，除了会导致上述不利因素之外，燃烧的不稳定性也会大大提高，并且NOx的减排效果已不特别明显，通过模拟数值，对锅炉的燃烧调整具有一定的指导意义。

3.2 火上风喷口高度对炉内燃烧过程的影响

对表3所列不同火上风喷口高度的4个工况进行了模拟比较，图4为不同工况下的炉膛出口温度平均值和NOx浓度（6%含氧量）平均值，图5为不同工况下炉膛出口飞灰含碳量和soot浓度（6%含氧量）平均值。

从数值模拟的结果看，随着火上风喷口高度的增加，NOx排放值先降低后有回升，火上风喷口高度增加使煤粉在富燃区的停留时间增加，使还原性气体HCN和未燃炭粒大量生成，更充分地对NOx还原分解；火上风喷口高度增加，还会使富燃区温度降低和燃尽区温度升高，导致高温点上移，这样不利于富燃区的还原反应并会增加燃尽区热力型NOx的生成，因此火上风喷口高度对于NOx减排存在一个最佳值，本文计算的h最佳值为2 m，与最佳位置计算公式[12]：H=1.5（Vdaf/10）0.5所得值相符。从图中还可以看出，随着火上风喷口高度的增加，炉膛出口处火焰温度增大幅度较小，即热损失增加幅度较小，对炉膛出口后受热面安全方面的影响也较小。计算结果表明火上风喷口高度的增加，增大了高温缺氧区，从而增加了soot排放量；火上风喷口高度适当的增加可增大煤粉后期的旋流度，从而增加了煤粉在炉膛内的停留时间，使燃尽率升高UBC降低。

4 结论

（1）火上风的喷入可以大幅度降低NOx排放值；火上风风率的增加使NOx排放浓度降低，炉膛出口处火焰温度增高；炉膛出口飞灰含碳量与soot排放量随火上风风率的增加先增大后减小。当火上风风率达到20%时，NOx可减排21%，整个炉膛燃烧情况较好，燃烧效率较高。

（2）对于NOx减排火上风喷口高度h最佳值为2 m。火上风喷口高度的增加使炉膛出口处火焰温度增高，soot排放量增大，而其适当的增加可降低飞灰含碳量。计算分析结果对火电厂、大型钢铁联合企业自备电厂等实际锅炉的燃烧调整具有较重要的意义，在工作中具有较好的指导作用。

参考文献

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