| 生物質(zhì)燃燒機給料方式對鍋爐NO排放特性 |
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生物質(zhì)燃燒機給料方式對鍋爐NO排放特性 摘要：使用可實現(xiàn)realizable k-S雙方程模型，對600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒爐燃燒過程進行數(shù)值模擬。研究生物質(zhì)燃燒爐給粉方式、二次風(fēng)量及過量空氣系數(shù)對爐膛內(nèi)部NO分布的影響，對生物質(zhì)燃燒爐擬改進結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)NO生成特性進行比較。數(shù)值模擬結(jié)果表明，內(nèi)二次風(fēng)對NO影響較大，內(nèi)二次風(fēng)關(guān)閉時爐膛出口NO下降22%。主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)對NO影響明顯，過量空氣系數(shù)較小時NO生成量較少；中心給粉可以有效地降低鍋爐NO的生成，100%負荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時NO下降16%，數(shù)值計算結(jié)果為生物質(zhì)燃燒爐改進提供了NO生成的理論依據(jù)。并與試驗結(jié)果進行對比，獲得比較一致的結(jié)果。通過設(shè)備改進和燃燒調(diào)整，有敖地控制了鍋爐NO的排放，為LNASB生物質(zhì)燃燒機設(shè)計和運行提供了一定的降低NO的理論基礎(chǔ)。 O前言 LNASB生物質(zhì)燃燒機是目前600 MW超臨界機組應(yīng)用較為廣泛的一種生物質(zhì)燃燒機，目前，國內(nèi)對已有初步研究通過試驗研究了LNASB生物質(zhì)燃燒機不同參數(shù)下，中心回流區(qū)大小以及氣流煤粉的混合情況。生物質(zhì)燃燒機采用多級送風(fēng)技術(shù)降低NO生成的機理進行了闡述。本文以引進型600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機為研究對象。該鍋爐下層生物質(zhì)燃燒機中心風(fēng)筒設(shè)120計了無油點火裝置，中心風(fēng)的退出導(dǎo)致了鍋爐惡性結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)，經(jīng)過有關(guān)試驗驗證后，擬將下層生物質(zhì)燃燒機改為中心給粉方式，以解決惡性結(jié)焦問題，時NO生成也必須加以考慮。本文使用可實現(xiàn)realizable k-8雙方程模型，采用鍋爐實際運行參數(shù)，對鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機及爐膛區(qū)域NO生成分布進行數(shù)值模擬。著重研究了生物質(zhì)燃燒機給粉方式，生物質(zhì)燃燒機擬改進結(jié)構(gòu)二次風(fēng)及過量空氣系數(shù)對爐膛內(nèi)部NO生成的影響，并對擬改進結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)NO生成進行了比較。以數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，進行了設(shè)備改進和燃燒調(diào)整，有效地控制了鍋爐NO的排放。 熱態(tài)試驗無法測出爐內(nèi)NO的變化情況，且工作量巨大‘斗5]；數(shù)值模擬可以詳細地反映出爐內(nèi)燃燒過程，已普遍用于爐內(nèi)燃燒過程的研究[4-6]。因此，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對所選鍋爐燃燒過程進行計算，對該鍋爐在不同負荷、配風(fēng)條件及生物質(zhì)燃燒機投入方式下的NO排放特性進行研究。并將計算結(jié)果與設(shè)計及實測值進行了比較，通過比較表明計算比較準(zhǔn)確，能夠有效地預(yù)測擬改進結(jié)構(gòu)情況下爐內(nèi)NO的生成特性。 1 模擬對象與計算方法 1.1 模擬對象 模擬鍋爐爐膛的寬×深×高為22.187 mx15.632mx58.55 m．鍋爐采用三井巴布科克能源公司的鍋爐技術(shù)，進行設(shè)計制造。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運行本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、兀型布置，蒸發(fā)量為1 900 t/h。設(shè)計煤種為神府東勝煙煤，燃用煤質(zhì)分析見表1，鍋爐配有6臺中速磨煤機，對應(yīng)6層共30只LNASB低NO。煤粉生物質(zhì)燃燒機，前后墻對沖三層布置，生物質(zhì)燃燒爐上部布置一層旋流OFA噴口。LNASB生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。生物質(zhì)燃燒爐中心風(fēng)為直流，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流，葉片角度分別為55。和15。。內(nèi)二次風(fēng)旋流強度可調(diào)，外二次風(fēng)旋流強度不可調(diào)。 1.2 計算風(fēng)格與計算模型 計算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對于全爐膛數(shù)值模擬，考慮計算機硬件限制，對生物質(zhì)燃燒爐進行簡化，進口參數(shù)的選取與單只生物質(zhì)燃燒爐模擬結(jié)果一致。外二次風(fēng) 內(nèi)二次風(fēng)考慮生物質(zhì)燃燒爐醫(yī)域流場變化比較劇烈，網(wǎng)格劃分比較細密，保證中心風(fēng)、一次風(fēng)及內(nèi)、外二次風(fēng)在不同的網(wǎng)格中，進一步避免偽擴散的影響，進行了網(wǎng)格數(shù)無關(guān)化驗證后，劃分網(wǎng)格總數(shù)約9.67×l05;全爐膛生物質(zhì)燃燒爐及空間計算區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖2。 (a)爐膛計算區(qū)域網(wǎng)絡(luò) (c)生物質(zhì)燃燒爐改進后結(jié)構(gòu) 圖2全爐膛生物質(zhì)燃燒爐計算區(qū)域網(wǎng)格劃分及生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu) 數(shù)值計算采用尼一s雙方程模型計算湍流流動；采用log-law壁面函數(shù)法對壁面附近進行處理；用混合分數(shù)一概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒；用P-l輻射模型計算輻射傳熱；采用單步反應(yīng)模型計算發(fā)分釋放；焦炭燃燒采用動力／擴散控制燃燒模型，煤顆粒跟蹤采用隨機軌道模型，粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布[8-11]。對于NO。的計算，采取后處理的方法，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差小于104。 1.3 NO計算模型 煤粉鍋爐NO的生成主要分為熱力型、快速型和燃料型三種[7-8]。本文計算，對于快速型NO，占總NO生產(chǎn)量很少，僅考慮NO組分的輸運方程。對于燃料型NO，考慮燃料中的揮發(fā)分N先轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN和NH3，然后再轉(zhuǎn)化為NO，焦炭N直接轉(zhuǎn)化為NO。 1.4計算工況 本文計算了如表2所示22個工況的燃燒過程。頹定負荷設(shè)計工況下，5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求。本文計算額定負荷工況下投入A、B、C、E、F生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg／s；其中一次風(fēng)速為30.4 m／s，內(nèi)二次風(fēng)速為19.5 rI1／s，外二次風(fēng)速為55.6 rI1／s，0FA風(fēng)速為45 m／s。一次風(fēng)溫為350 K，二次風(fēng)溫為594 K。其他工況風(fēng)速根據(jù)負荷及過量空氣系數(shù)在上述風(fēng)量基礎(chǔ)上計算確定。 改進前、后生物質(zhì)燃燒爐計算回流區(qū)形狀 投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，其中一次風(fēng)速為29 m/s，內(nèi)二次風(fēng)速為17.1 m/s，外二次風(fēng)速為48.8 m/s，OFA風(fēng)速為45 m/s。圖4為該工況下，爐內(nèi)不同高度水平截面速度場與溫度場。在旋轉(zhuǎn)對沖流場的作用下，在21 179 mm高度處，形成了兩排火焰高溫區(qū)，爐膛中心部分為低溫區(qū)，濕度場與流場表現(xiàn)出較好的協(xié)同性；隨著高度的增加，在26 192mm高度處爐膛中部，也就是雙排火焰交界處越來越成為爐內(nèi)的高溫區(qū)，溫度場與流場的協(xié)同性減弱；在31 205 mm高度的位置，火焰最高溫度向爐膛中心位置靠近，在上升流場的作用下，高溫區(qū)表現(xiàn)出向爐膛上方延伸的特性。中、下層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域沒有明顯的過余氧量，NO生成量較少且無明顯熱力型NO生成，上層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域開始出現(xiàn)少量的過余氧量，燃盡風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的過余氧，NO體積分數(shù)明顯減小。燃盡風(fēng)區(qū)域之后NO體積分數(shù)又小幅度增加，因在于這一區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳氫化合物對NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會有NO(如熱力型NO)生成，NO濃度開始緩慢增加[8-10]。 2.2.1 生物質(zhì)燃燒爐給粉方式的影響 鍋爐本身設(shè)計有6層生物質(zhì)燃燒爐，按照設(shè)計要求，鍋爐60%負荷、80%員荷及100%負荷下分別投入3層、4層及5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求，鍋爐在不同負荷下具體投入哪些層生物質(zhì)燃燒爐可以有多種選擇，對于對沖旋流燃燒鍋爐來說，若投入下部生物質(zhì)燃燒爐，對煤粉燃燒，二次風(fēng)的投入依然是以分級配風(fēng)的形式投入的，只是風(fēng)量大小不同，從而起到控制燃料型NO生成的作用。因此，本文計算時在不同負荷下都首先選擇了下部生物質(zhì)燃燒爐[9-11]。在60%、80%負荷下，本文計算了投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐及投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐工況；100%負荷時本文分別計算了投入A、B、C、D、E層5層生物質(zhì)燃燒爐和投入A、B、C、D、E、F層6層生物質(zhì)燃燒爐工況；每種負荷工況下均計算了原始結(jié)構(gòu)和中心給粉2種方式下NO生成量。計算結(jié)果見圖6。圖6中NO分布曲線表明，常規(guī)給粉工況下，爐內(nèi)NO生成明顯高于生物質(zhì)燃燒爐中心給粉工況對應(yīng)的NO生成。其原因就在于主燃區(qū)生物質(zhì)燃燒機具有能夠單獨地控制火焰結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，下部生物質(zhì)燃燒爐實現(xiàn)中心給粉后，內(nèi)濃外淡的煤粉分布有利于NO還原區(qū)的形成，使氮化物可快速轉(zhuǎn)變成氣相，在一定氧氣濃度下，有一個還原性物質(zhì)生成的峰值用于加速火焰內(nèi)的NO還原[11-13]。另外，可避免發(fā)生延遲燃燒從而有益于降低燃料型NO排放。 對比圖6a～6d后可以發(fā)現(xiàn)，隨負荷的變化，NO生成并沒有特別顯著的變化，NO的生成也沒有與生物質(zhì)燃燒爐層數(shù)成比例增加。原因為投入上部生物質(zhì)燃燒爐后，上部生物質(zhì)燃燒爐提供的部分空氣可以作為下部燃煤燒器的燃盡風(fēng)，從而起到擬制NO生成的作用[13-14]，對比圖6a～6d還可以看出，相比之下，生物質(zhì)燃燒爐的投運方式對NO生成影響更顯著。 下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，不同負荷條件下，中心給粉生物質(zhì)燃燒爐的投入數(shù)量的比例不同，爐膛出口處NO濃度變化較大。將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖7，圖7中橫坐標(biāo)字母表示生物質(zhì)燃燒爐投入層數(shù)。通過柱狀圖可以看出，投入中心給粉生物質(zhì)燃燒爐數(shù)量較多時，NO排放較低；同時還可以看出，減少生物質(zhì)燃燒爐投入量時，NO排放明顯降低。 2.2.2 二次風(fēng)的影響 60%負荷時投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐；80%負荷時投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐，100%負荷時投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐；100%負荷時過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進行配風(fēng)，其他負荷工況在此基礎(chǔ)上計算得出。內(nèi)二次風(fēng)開啟與關(guān)閉情況下爐內(nèi)NO分布見圖8。三種負荷工況下，在主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)不變的情況下，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO分布與排放均有所降低，其中100%負荷時更為明顯，爐膛出口NO排放量下降22%;通過對比可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后原始結(jié)構(gòu)情況下NO的生成下降明顯。中心給粉燃燒器在各工況下NO的生成較低，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO的生成下降不明顯。 2.2.3 過量空氣系數(shù)的影響 投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，鍋爐給煤量為66 kg/s，保持燃盡風(fēng)率18%，通過改變主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域風(fēng)量的方式改變過量空氣系數(shù)，計算和分析爐內(nèi)NO的生成特點。圖9為不同過量空氣系數(shù)s下沿爐膛高度方向不同水平截面平均溫度分布曲線。不同過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度溫度分布曲線量空氣系數(shù)下，爐內(nèi)溫度沿爐高的分布在趨勢上是一致的，在32 m以前，也就是主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)，隨煤粉不斷噴入燃燒，煙氣平均溫度沿爐高方向大幅度上在主燃燒區(qū)后由于沒有風(fēng)、粉繼續(xù)投入，溫度開始下降，在35 m標(biāo)高處，也就是OFA風(fēng)噴入前氧量與溫度下降到一個最低點。 圖10為不同過量空氣系數(shù)下沿爐高方向不同水平截面平均NO分布曲線。根據(jù)NO變化規(guī)律，可以將曲線分為4個區(qū)段，21～27 m的NO濃度迅速增加區(qū)，也是A、B、C、E層煤粉投入?yún)^(qū)域，在一區(qū)域中，隨著煤粉的不斷投入，爐內(nèi)NO濃度沿爐高方向迅速增加，對比圖9可以看出，這一區(qū)124機械工程學(xué)報第47卷第10期段內(nèi)煙氣溫度也是迅速增加的，可見該區(qū)段內(nèi)NO濃度的增加是由于煤粉不斷投入燃燒造成的。 3 生物質(zhì)燃燒爐改進后效果 在27～33 m區(qū)段，NO濃度緩慢下降，根據(jù)該鍋爐生物質(zhì)燃燒爐設(shè)計，D、F層生物質(zhì)燃燒爐布置在這一區(qū)域，這2組生物質(zhì)燃燒爐噴入的煤粉本身攜帶的燃料N可以轉(zhuǎn)化為NO，使煙氣中NO濃度增加，但煤粉提供的C、H等元素也可還原煙氣中的NO，使煙氣中NO濃度下降，由于該爐主燃區(qū)處于貧氧燃燒狀態(tài)，因此，NO不會顯著生成。 對于33～35 m區(qū)段NO濃度表現(xiàn)為迅速下降趨勢，必須考慮的問題是NO濃度下降是否代表NO還原。NO濃度下降可以是NO被還原造成的，也可能是更多空氣送入導(dǎo)致煙氣被稀釋造成的。在計算中，該區(qū)段投入風(fēng)量占主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)風(fēng)量的20%，在這一區(qū)段僅僅依靠投入空氣的稀釋作用就能使煙氣中NO濃度下降20%，圖10曲線數(shù)據(jù)則表明這一區(qū)段內(nèi)NO濃度的下降基本在17%左右，NO濃度下降幅度沒有達到稀釋作用能夠到達的幅度，可見，在這一區(qū)域雖然NO沒有顯著地生成，但確實是生成并增加了。 在35 m以上，NO又小幅度增加，原因在于這～區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳氫化合物對NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會有NO(如熱力型NO)生成，濃度開始緩慢增加。在不同過量空氣系數(shù)條件下，爐膛出口處氧濃度是不同的，將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖11，可見過量空氣系數(shù)越大，NO排放越多。 本文計算以設(shè)計工況為基礎(chǔ)，100%負荷下投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐及6層生物質(zhì)燃燒爐全部投入，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進行配風(fēng)，其他負荷工況在此基礎(chǔ)上計算得出。原設(shè)計NO排放小于400 mg/m3(6%氧)，擬改進結(jié)構(gòu)計算值為332 mg/m3(6%氧)，生物質(zhì)燃燒爐改進后實測值為345 mg/m3(6%氧)，對比不同負荷NO排放實測與計算值（表31，計算值與實測值最大偏差在10%以內(nèi)；對比80%負荷及60%負荷工況計算值與實測值，最大偏差都在10%以內(nèi)，達表明計算是比較準(zhǔn)確的，利用CFD預(yù)測燃燒系統(tǒng)擬改進結(jié)構(gòu)NO排放特性是可行的，能比較有效地反應(yīng)爐內(nèi)實際NO生成特性。 4結(jié)論 (1)在爐膛不同高度處，風(fēng)、粉氣流形成3層棋盤式布置的旋轉(zhuǎn)流場。隨著爐膛高度的增加，溫度場與流場的協(xié)同性不斷減弱。 (2)生物質(zhì)燃燒爐實現(xiàn)中心給粉后，100%負荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時NO排放量下降16%;主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)減小，NO排放減少；各工況對應(yīng)爐內(nèi)溫度相差不大。 (3)下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，改變過量空氣系數(shù)，根據(jù)NO濃度沿爐高方向的變化規(guī)律，可以將爐膛沿爐高分為4個區(qū)段，21～27m的NO濃度迅速增加區(qū)，27～33 m的NO濃度緩慢下降區(qū)，33: -35m的NO濃度迅速下降區(qū)，以及35m以上的NO濃度緩慢增加區(qū)。 (4)下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，保持主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)不變，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后，NO生成量下降明顯，100%負荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時NO排放下降22%。
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