660 MW超超临界旋流对冲燃煤锅炉二次风配风方式对NOx分布影响的数值模拟

倪煜，李德波

(1.中国电力工程顾问集团公司，北京市100120;2.广东电网公司电力科学研究院，广州市510060)

660 MW超超临界旋流对冲燃煤锅炉二次风配风方式对NOx分布影响的数值模拟

倪煜1，李德波2

(1.中国电力工程顾问集团公司，北京市100120;2.广东电网公司电力科学研究院，广州市510060)

为了研究二次风配风方式对NOx生成的影响，针对某电厂660 MW超超临界旋流燃煤锅炉，利用Ansys软件数值模拟研究了二次风配风方式对NOx生成规律。数值模拟的结果与现场实际情况较吻合，验证了数值模拟结果的有效性，主要结论有:炉膛燃烧器区域是NOx的主要生成区;在第1层和第2层燃烧器之间区域NOx浓度较高，然后沿炉高方向NOx浓度逐渐降低;随着燃尽风量的增加，炉内高度方向各个截面的NOx平均浓度降低;随着燃尽风量增加，炉膛出口截面NOx浓度逐渐降低，但下降量逐渐减少。

超超临界机组;前后墙对冲;二次风配风;NOx分布;数值模拟

0 引言

随着我国火力发电事业快速发展，国内投产了一大批超临界和超超临界燃煤发电机组。由于四角切圆锅炉残余旋转给过热器和再热器受热面温度偏差控制带来非常大的挑战和困难，尤其对于超临界和超超临界机组，这种偏差对温度的影响更加明显，因此采用旋流燃烧器组织炉内空气动力场逐渐成为超临界和超超临界机组首选的燃烧器方式［1-3］。

高小涛等［4-9］采用现场燃烧调整试验方法，进行了氧量、燃烧结构参数等因素对锅炉NOx排放特性影响的研究，结果表明通过对主要因素的控制，可以显著降低锅炉NOx排放浓度。高正阳等［10］对1 000 MW超超临界机组双切圆锅炉的燃烧过程进行了数值模拟研究，刘建全等［11-12］采用数值模拟方法对1 000 MW超超临界对冲旋流燃烧锅炉NOx生成规律进行了研究，研究结果表明数值模拟手段能够较好模拟NOx生成规律。

本文利用Ansys Fluent 14.0软件，对某电厂660 MW对冲燃煤锅炉二次风配风方式对NOx生成进行数值模拟研究，将部分模拟结果与实际数据进行对比分析;以此为基础，研究锅炉的安全性、经济性和NOx排放量之间的关系。

1 锅炉设备

本文以某电厂DG2060/26.15-II2型锅炉为研究对象。该电厂装设了2台660 MW汽轮发电机组，锅炉为超超临界参数、变压直流炉，采用对冲燃烧方式(旋流式燃烧器)、固体排渣、单炉膛、一次再热、平衡通风、露天布置、全钢构架、全悬吊、π型结构。锅炉主要运行参数见表1。

2 燃烧器

该电厂旋流燃烧器采用东方锅炉厂自行开发设计的外浓内淡型低NOx旋流煤粉燃烧器(DBC-OPCC)，组织对冲燃烧。煤粉燃烧器将燃烧用空气分为4个部分:一次风、内二次风、外二次风(三次风)和中心风。燃烧器的结构见图1。内二次风风道内布置有轴向旋流器，外二次风风道内布置有切向旋流器。内二次风轴向叶片角度为60°，外二次风切向叶片角度为45°。为了进一步降低NOx的排放量，在煤粉燃烧器上方设置了燃烬风以及侧燃烬风。旋流燃烧器采用前后墙对冲燃烧方式布置，总共有36只旋流燃烧器分3层布置在前、后墙上，每层有6只旋流煤粉燃烧器。在前、后墙旋流燃烧器的上方各布置了1层燃烬风，其中每层设2只侧燃烬风喷口、6只燃烬风喷口。

3 旋流燃烧器烧损热态数值模拟

3.1 网格划分

整个模型网格总数为227万个左右，根据模型的结构特点，采用单独划分网格的方法，将炉膛划分为5个区域，分别为:旋流燃烧器、冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域。在划分的过程中，模型均采用结构化网格，旋流燃烧器和炉膛燃烧器区域被适当加密。为了提高计算的精度，每个燃烧器出口与炉膛的连接面设置为interface，防止2个面的网格质量和网格形状差异较大而引起误差。

由于旋流燃烧器结构较为复杂，划分网格时将中心风，一次风，内、外二次风通道单独划分。冷灰斗区域对炉内流场的流动及煤粉燃烧影响较小，因此该区域网格较为疏松。燃烧器区域是煤粉燃烧的主要区域，且与旋流燃烧器连接，连接部分网格差异不宜太大，因此燃烧器区域采用两端密中间疏的网格形式。锅炉简图和第1层燃烧器水平截面网格分别见图2。模型坐标方向的设定通过图2可以看出，x轴正方向为沿炉膛前墙至后墙方向，y轴正方向为沿炉膛高度方向，z轴正方向为沿炉膛左墙至右墙方向。由于本文所有的数值模拟都是在图2基础上进行的，因此本文所有的坐标方向都是统一的。

3.2 数学模型

数值模拟采用三维稳态计算，Simple算法。湍流模型采用了带旋流修正的Realizable k～ε模型;用混合分数-概率密度函数模拟气相湍流燃烧;用P-1辐射模型计算辐射传热;采用双平行竞争反应模型模拟煤粉挥发份的析出;焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型;煤粉颗粒跟踪采用随即轨道方法。动量方程、能量方程、k方程、ε方程均采用二阶迎风格式离散。在边界条件的处理上，燃烧器进口速度采用现场冷态试验结果给定，采用近壁函数法处理近壁区域方程的过渡计算。

3.3 燃烧器的风温和风速

数值模拟中燃烧器的风温和风速见表2。

3.4 数值模拟工况

本文计算了该电厂习惯运行工况下的燃烧过程。在额定负荷下，投入C、D、E、A、F层燃烧器，B层燃烧器备用。燃烧器区域的过量空气系数为0.94，一次风总量为137 kg/s，燃烬风总量为111.2 kg/s，二次风总量(不含燃烬风)总量为385.6 kg/s，实际给煤量为254.66 t/h。在本文的数值模拟中，燃烧器、燃烬风和侧燃烬风的入口边界条件采用速度进口条件，入口速度和温度根据电厂习惯运行工况参数给定，其主要目的是为了尽可能地模拟实际运行工况下炉内燃烧场的规律。出口边界条件采用压力出口。煤粉颗粒直径按照Rosin-Rammler方法分布，最小直径为4 μm，最大颗粒直径为246 μm，平均颗粒直径为51μm，分布指数为1.15，煤粉细度为23%。

4 模拟结果分析与讨论

在锅炉最大连续蒸发量(boiler maximum continuous rating，BMCR)设计工况基础上，通过改变燃尽风量占总二次风量的比例，调节炉内煤粉气流的空气动力场，使燃料处于“富氧燃烧”或“富燃料燃烧”阶段，通过对炉内燃烧情况的变化分析，以及NOx的生成和排放情况，研究炉内速度场、温度场对炉内燃烧的影响，为实现低NOx排放技术改造提供理论依据。

本文在原设计工况的基础上进行如下改造:在炉膛出口过量空气系数、总二次风量、二次风旋流强度不变的基础上，分别减少燃烧器内、外二次风风量，减少的风量平均增加到燃尽风的风量，使得燃尽风量占总二次风量的比例发生改变。本文设定了4种工况，详细参数见表3。

4.1 数值模拟结果与热力计算对比

由于本文的研究对象为某机组实际运行工况，故可以将热态测量数据结合，对数值模拟准确性进行验证。由于炉膛温度较高，超超临界锅炉炉内温度可达到2 000 K左右，现有的技术手段无法满足这一测量要求，实际测量只能测量炉膛出口以后的温度。对比结果如表4。

通过数据对比，数值模拟结果的误差范围在3.1%以内，说明BMCR工况下该锅炉模型的准确性良好，可以用于课题的研究。

4.2 改变燃尽风风量配比对O2浓度分布的影响

图3是不同工况下炉高度方向不同截面O2浓度分布曲线。随着燃尽风量的增加，炉膛高度方向O2浓度分布趋势基本不变。在炉膛高度方向y＜32.7 m以下区域，O2浓度随y值的增加逐渐降低，在y=32 m处附近区域降至最低。这是由于煤粉燃烧需要消耗大量O2，O2消耗量远远大于O2供应量。在32.7 m＜y＜35.4 m区域内，O2浓度随y值的增加逐渐增大，在y=35.4 m处附近区域升至最高。这是因为该区域为燃尽风区域，大量的空气喷入炉内，煤粉燃烧耗氧量小于供氧量。在y＞35.4 m区域，随着y值的增加O2，O2浓度逐渐下降。

在20 m＜y＜55 m区域内，O2浓度值出现了4个峰值，这是因为峰值截面是燃烧器出口中心截面，燃烧器区和燃尽风区的空气都是由燃烧器提供，这几个截面处供氧量大于耗氧量，因此氧浓度较高。

4.3 燃尽风风量配比对NOx浓度分布的影响

图4是不同工况下炉膛左右墙中心截面NOx浓度分布图，图5是不同工况下炉高不同截面NOx浓度分布曲线。由图4、5可以看出:各工况下，沿炉膛高度方向的各个截面NOx平均浓度分布趋势基本一致。主要表现在炉膛燃烧器区域是NOx的主要生成区，在第1层和第2层燃烧器之间区域(即y=22 m附近区域)NOx浓度较高，然后沿炉高方向NOx浓度逐渐降低，这是由于还原气氛场的影响，一部分生成的NOx被还原。

由图3、4可得出，O2和NOx浓度分布趋势基本一致，主要表现为随着O2浓度的降低，NOx浓度也随之降低。说明随着O2浓度的降低，炉内还原性气氛增强，使得NOx浓度降低。但在燃烧器出口中心截面上，O2浓度与NOx浓度趋势刚好相反，主要是因为燃烧器是炉内空气的入口，空气的供应量大于NOx的生成量。

在燃烧器区域内，随着炉内燃烧稳定性逐渐增强，O2的消耗增加，O2浓度逐渐降低，还原性气氛增强，导致生成的NOx被还原量增加，各个高度截面的NOx平均浓度出现总体下降趋势，在y=32 m左右区域NOx平均浓度最低。在燃尽风区域，由于燃尽风的补充，未燃尽的焦炭继续燃烧并生成NOx，且该区域的还原场被破坏，在燃烧器区被还原的NOx一部分被氧化，重新生成NOx，导致燃尽风区域随炉膛高度增加，NOx平均生成量在一定程度上增加，基本在y=37 m区域附近出现峰值。当y＞37 m时，随着O2浓度的降低，未燃尽焦炭的还原能力相对提高，因此NOx生成量逐渐降低。

随着燃尽风量的增加，炉内NOx生成情况变化较大，具体表现在:随着燃尽风量的增加，炉内高度方向各个截面的NOx平均浓度降低。随着燃尽风量增加，燃烧器区域过量空气系数由1.05降为0.78，该区域由富氧燃烧转变为富燃料燃烧，加剧该区域煤粉颗粒的不完全燃烧程度，延长了煤粉燃尽的距离，因此煤粉在燃烧器区域生成的NOx会相对减少。同时由于燃烧器区域还原性气氛逐渐增多，被还原的NOx量逐渐增多，导致燃烧器区域各截面处NOx平均浓度，在燃尽风量占总二次风量的比值a=0.1时最高，在a=0.78时最低。虽然随着燃尽风比例的增加，被还原的NOx重新被氧化的程度增加，但在a较低工况下，总的NOx生成量较少，因此在y＞32.7 m各截面处NOx平均浓度，在a=0.1时最高，在a=0.78时最低。

图6是不同工况下炉膛出口截面NOx的平均浓度曲线，随着燃尽风量的增加，炉膛出口截面NOx浓度逐渐降低，但下降量逐渐减少，分别为0.056 2%、0.035 6%、0.031 2%和0.029 3%。说明在一定燃尽风量比例范围内，改变燃尽风量对NOx排放影响会逐渐降低。

5 结论

(1)通过比较数值模拟得到的炉膛出口烟温与现场实际测量的结果，发现误差在3.1%以内，说明BMCR工况下该锅炉数值模拟结果的准确性良好。

(2)炉膛燃烧器区域是NOx的主要生成区，在第1层和第2层燃烧器之间区域(即y=22 m附近区域)NOx浓度较高，然后沿炉高方向NOx浓度逐渐降低。

(3)随着燃尽风量的增加，炉内高度方向各个截面的NOx平均浓度降低。

(4)随着燃尽风量的增加，炉膛出口截面NOx浓度逐渐降低，但下降量逐渐减少。

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(编辑:蒋毅恒)

Numerical Simulation of Second Air Distribution Influence on Concentration of NOxDistribution for Swirl Opposed Wall Firing Pulverized Coal Boiler in 660 MW Ultra Supercritical Unit

NI Yu1，LI Debo2
(1.China Power Engineering Consulting Group Corporation，Beijing 100120，China; 2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Corporation，Guangzhou 510060，China)

In order to investigate the influence of second air distribution on NOxformation，this paper numerically simulated the NOxformation rule by using Ansys for the swirl pulverized coal boiler in a 660 MW ultra-supercritical power plant.The numerical results agree well with actual conditions，which verify the effectiveness of the numerical simulation results.The main results are summarized as follows:the burner in furnace is the mainly region of NOxformation;the concentration of NOxbetween the first layer and second layer of combustion zone is higher;the concentration of NOxdecreases along the furnace height;with the increasing of burnout-air，the mean concentration of NOxat each cross-section zone decreases along the height of boiler，and the mean concentration of NOxat the burner outlet decreases，but the decreasing rate is more and more slow.

ultrasupercriticalunit;opposedwallfiring;secondaryairdistribution;NOxdistribution; numerical simulation

TK 223

A

1000－7229(2014)01－0109－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.01.021［HT］

2013-07-01

2013-09-04

倪煜(1983)，男，博士，主要从事能源清洁利用技术、新能源技术及节能环保技术研究，E-mail:yni@cpecc.net;

李德波(1984)，男，博士，主要从事煤粉燃烧污染物控制、大规模并行计算方法和程序开发等方面的研究，E-mail:ldbyx@126.com。