煤粉锅炉氮氧化物排放影响因素的数值模拟

夏小霞，王志奇, ，徐顺生

(1. 湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭，411105；2. 中南大学 能源科学与工程学院，湖南 长沙，410083)

目前，氮氧化物的排放问题越来越引起社会的重视。煤粉燃烧是氮氧化物排放的主要来源，而我国的产煤主要用于火力发电。据统计，2005年我国发电用煤约占总产煤量的 53.6%[1]。火电厂中，除大型煤粉锅炉外，我国还运行着大量的中小型燃煤锅炉。2005年，我国中小型煤粉锅炉的燃煤量约占锅炉总消耗量的 25%[2]。这些锅炉一般不考虑排烟脱硝，从而造成NOx排放浓度高、控制困难。因此，降低中小型煤粉锅炉的NOx排放对缓解我国日益严峻的环境问题具有重要意义。为降低煤粉锅炉NOx排放量，近年来，国内外学者从分级燃烧、煤粉再燃及三次风优化等方面对炉内NOx的生成情况进行了模拟研究，并提出一些改进措施[3-7]。然而，这些研究工作主要针对大型燃煤锅炉，难以在中小型燃煤锅炉中推广应用。目前，关于降低中小型煤粉锅炉NOx排放的报道较少。本文作者以一台35 t/h的煤粉锅炉为研究对象，运用CFD方法针重点研究锅炉配风方式、过量空气系数及煤粉粒径对NOx排放的影响，为降低中小型燃煤锅炉的NOx排放提供理论依据。

1 物理模型

1.1 研究对象及操作参数

以1台35 t/h的燃煤锅炉为研究对象。炉膛横截面面积为4 200 mm×4 200 mm，燃烧设备为四角布置切向燃烧，在炉膛内形成直径为400 mm的假想切圆。燃烧器由2层一次风喷口、3层二次风喷口、1层三次风喷口组成，燃烧器的布置如图1所示。锅炉燃用的是挥发分较高的烟煤，其平均粒径为90 μm，煤的工业分析及元素分析结果如表1所示。

1.2 网格划分

网格是数值计算的基础，网格质量直接影响数值解的计算精度。在对锅炉进行网格划分时，需要重视计算时产生的伪扩散问题。二维流动时，伪扩散系数的表示式为[8]：

式中：Δx和Δy分别表征网格x方向和y方向的长度；ρ为流体密度；U为合速度；θ为合速度与网格线方向之间的夹角。从式(1)可知：当流动方向与网格线方向夹角为45°时，伪扩散最大；当流动和网格线成 1条直线时，伪扩散最小。

当采用Paving方法对燃烧器部分的炉膛横截面划分网格时，能降低伪扩散对计算准确性的影响[9]。在生成炉膛横截面网格后，再将网格沿着高度方向延伸，生成体网格。锅炉横断面及整体网格划分如图2所示，网格数约为25万。从图2可以看出：Paving方法生成的辐射状网格线与四角射流的气流轨迹基本平行，减小了网格线与流线的夹角，有助于降低伪扩散。

图1 锅炉结构及燃烧器布置(单位: mm)Fig.1 Sketch of boiler and burners

表1 煤的元素分析及工业分析Table 1 Fuel elemental and industrial analysis

图2 锅炉网格划分Fig.2 Mesh of boiler

2 数学模型及边界条件

2.1 数学模型

采用三维稳态和Simple算法进行模拟计算。将气相作为连续相介质，采用标准k-ε湍流模型模拟气相湍流，用混合分数-概率密度函数模拟气相燃烧，用P-1辐射模型对空间的辐射传热进行模拟[10-11]。将煤粉颗粒看作离散相物质，颗粒相采用拉格朗日颗粒轨道模型，颗粒直径分布遵循Rosin Rammler分布。采用单步反应模型模拟挥发分的析出，煤粉颗粒的表面燃烧采用动力/扩散反应速率模型模拟[12-14]。

锅炉内三维气相流动、能量平衡的控制方程可写成如下统一形式：

式中：Γφ为扩散系数；Sφ为气相引起的源项；Sp为固体颗粒引起的源项；φ为通量，分别代表速度u，v和w以及湍流动能k、湍动能耗散率ε、时均混合分数、混合分数脉动均方值g、焓h和i组分的质量分数Yi。当φ=1时，式(2)即为连续性方程。

采用单步反应模型来模拟挥发分的析出，该模型假设挥发分析出速率与颗粒中保持的挥发分含量呈一

次幂的关系，可用下式表示：

式中：mp为煤粉颗粒质量，kg；fv0为煤粉颗粒初始挥发分的质量分数；mp0为煤粉颗粒的初始质量，kg；K为反应速率常数；A1为指前因子，A1=492 000；E为活化能，E=7.4×107kJ/mol。

NOx的生成机理有3种：热力型NOx，快速型NOx和燃料型NOx。一般地，在煤粉燃烧炉内生成的快速型NOx的量很少，可以忽略不计。热力NOx可根据广义的Zeldovich机理计算[15]，NO的变化率为：

式中：Mi为i种组分的物质的量；Yi为 i种组分的质量分数；k1为反应常数，为 1.8×108e38370/T；x(NO)为NO的摩尔分数；x(O)为氧原子的摩尔分数；1ρ为NO的密度，kg/m-3。

燃料型NOx生成机理如图3所示。热解中间产物为HCN，挥发分中的氮首先转化为HCN，HCN可以被O2氧化成NO，也可以被NO还原为N2；焦炭中的氮直接转化为NO[16]。NOx采用后处理方法，用 PDF模型求解湍流下NOx的生成特性，即在整个炉膛流动、传热和燃烧过程计算出收敛结果后再进行计算。

2.2 边界条件

2.2.1 入口条件

对于连续相，其入口边界条件为燃烧器各层喷口的速度和温度，各层喷口的操作参数如表2所示。对于离散相，煤粉颗粒由一次风喷口喷入炉膛，假定喷口处颗粒的速度和温度与一次风的一致。

2.2.2 出口条件

假定出口平面的流动为充分发展流，即所有变量在流动方向上的梯度为0。

2.2.3 壁面边界条件

对于气相，将炉膛壁面处理为无滑移和无质量渗透条件，对近壁面区域采用标准壁面函数处理。对于煤粉颗粒，假定颗粒与壁面之间为弹性碰撞。

3 计算结果及分析

3.1配风方式对NOx排放的影响

表3列出了不同工况下的配风方式，其中：工况Ⅰ为设计工况，采用均匀型的配风方式。在不同工况下，煤粉锅炉内不同截面的平均温度、O2浓度、CO浓度及NOx浓度随高度的变化情况如图4～7所示。

从图4可以看出：在不同配风方式下，截面平均温度随炉膛高度的变化规律基本相同。沿炉膛高度方向，当一次风和煤粉喷入时(y=1.2 m)，炉内的温度迅速增高。随着燃尽风的喷入，煤粉得到充分燃烧，炉膛的温度进一步升高，截面平均最高温度出现在中二次风喷口处(y=1.9 m)。随着炉膛高度的升高，燃烧逐渐减弱，同时，由于水冷壁的吸热，炉膛温度逐渐降低。配风方式对炉内温度有一定影响。几种方式中，均匀型送风的截面平均温度最高，最高平均温度为1 645 K；束腰送风及倒塔型送风的最高截面平均温度分别为1 542 K和1 582 K。此外，三次风率也会对炉内温度造成一定影响。当三次风率增加时，炉膛内的截面最高平均温度有所降低。工况Ⅳ和工况Ⅴ对应的最高平均温度分别为1 532 K和1 563 K。

图4 截面平均温度随炉膛高度的变化Fig.4 Average temperature on different sections along height of boiler

图5 截面平均O2摩尔分数随炉膛高度的变化Fig.5 Average O2 mole fraction on different sections along height of boiler

图6 截面平均CO摩尔分数随炉膛高度的变化Fig.6 Average CO mole fraction on different sections along height of boiler

图7 截面平均NOx浓度随炉膛高度的变化Fig.7 Average NOx concentration on different sections along height of boiler

从图5可以看出：沿炉膛高度方向，炉内各截面的平均O2浓度明显出现了2个峰值，一个位于下二次风截面(y=1.0 m)，另一个位于上二次风截面(y=2.27 m)。在一次风喷入的区域，由于煤粉燃烧消耗了大量的氧气，因此，出现一个低氧区。在这5种工况中，工况Ⅰ的氧气浓度最高，因此，煤粉燃烧充分，炉膛温度高。在燃烧器区域，由于送入的中二次风率较少，束腰型送风的氧气浓度低于倒塔型送风的氧气浓度。

从图6可以看出：CO浓度沿高度方向出现1个明显的峰值，峰值位于上一次风喷口处的低氧区(y=1.5 m)。在主燃烧区域，工况Ⅰ的CO浓度最低，而其他几种工况下的CO浓度都比较高；随着三次风率的增加，不同送风方式下的最高CO浓度有所增大。

从图7可以看出：NOx的低浓度区位于燃烧器区域(y=1.5 m)。这主要是由于该区域O2浓度低，CO浓度高，形成了还原性气氛，抑制了燃料型NOx的生成。而随着燃尽风的喷入，炉内的O2含量迅速增加，NOx浓度也迅速增加。其原因可能是温度急剧升高，高温促进热力型NOx的生成。在采用均匀送风的设计工况下，炉膛出口处的NOx浓度为1 017.8×10-6，这与文献[17]中的结果一致。对于工况Ⅱ和工况Ⅲ，出口截面的平均NOx浓度分别为858.8×10-6和906.1×10-6。可以看出：配风方式对 NOx排放浓度有较大影响。3种送风方式中，均匀型送风生成的NOx浓度最高，这与O2含量高是对应的，倒塔型送风次之，而束腰型送风最低；与均匀型送风相比，束腰型送风的NOx排放浓度可降低15.6%。

当三次风率从20%增加到25%时，工况Ⅳ和工况Ⅴ对应的NOx浓度分别为808.5×10-6和864.4×10-6，锅炉的NOx排放进一步降低。这主要是由于三次风率增加时，膛燃烧温度降低，减少了热力型NOx的生成；同时，燃烧器区域的O2浓度降低，降低了燃料型NOx的生成。相比均匀型配风方式(工况Ⅰ)，倒塔型(工况Ⅴ)和束腰型配风方式(工况Ⅳ)的NOx排放浓度分别降低了15.1%和20.5%。

3.2 煤粉粒径对NOx排放的影响

锅炉出口NOx浓度随煤粉粒径的变化规律如图8所示。

从图8可以看出：煤粉粒径对生成的NOx浓度有较大的影响。随着煤粉粒径的减小，锅炉NOx的排放浓度明显降低。当煤粉粒径从130 μm减小到50 μm时，NOx的排放浓度从1.12×10-3降低至0.87×10-3，降低了22.3%。相比设计工况所采用的90 μm煤粉，当粒径降低至 50 μm 时，NOx的排放浓度可降低14.3%。这主要是由于随着煤粉颗粒的细化，其燃烧速率提高，O2的消耗加速，使颗粒表面附近的氧气分压力迅速降低，有效抑制了燃料型NOx的生成。另一方面，燃烧速率提高增加了挥发分的析出量，使单位质量焦炭参与化学反应的比表面积增大，NO与焦炭间的还原过程增强。

图8 NOx排放与煤粉粒径的关系Fig.8 Effects of particle size on NOx emissions

3.3 过量空气系数对NOx排放的影响

采用不同过量空气系数时，锅炉出口处的NOx浓度及CO浓度如图9所示。

图9 出口截面平均NOx及CO浓度随过量空气系数变化情况Fig.9 Average NOx and CO concentration at outlet versus excess air rate

从图9可以看出：过量空气系数对NOx的生成产生了明显的影响；随着过量空气系数的减小，炉膛出口处的NOx浓度明显减小；当α=1.2时，出口处NOx的浓度为 1.02×10-3；当α=0.8时，NOx的浓度为0.71×10-3，降低了30.4%。此外，当过量空气系数降低时，炉膛出口处的CO浓度逐渐增大，不完全燃烧损失增大，将降低锅炉的燃烧效率。合适的过量空气系数可取1.1。此时，NOx浓度为0.96×10-3，比设计工况(α=1.2时)降低了5.8%。

4 结论

(1) 配风方式对 NOx生成有较大影响。3种配风方式中，束腰型配风方式炉内温度和生成的NOx浓度最小，倒塔型配风方式次之，而均匀型配风方式生成的NOx浓度最大。与均匀型配风方式相比，束腰型配风方式可有效减小NOx排放浓度。

(2) 适当增大三次风的送风比例能降低 NOx的排放浓度。当三次风比例从20%增大到25%时，与均匀型配风方式相比，束腰型配风方式的NOx排放浓度可降低20.5%。

(3) 煤粉粒径对 NOx排放浓度产生明显的影响。与设计工况相比，当粒径降低至50 μm时，NOx的排放浓度可降低14.3%。

(4) 随着过量空气系数的减小，炉内整体温度降低，NOx的排放浓度减小。对所研究的锅炉，合适的过量空气系数为 1.1，此时，煤粉燃烧较充分，NOx的排放可降低5.8%。

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