低NOx空气分级燃烧技术研究

胡广涛　焦亮亮　周丹丹　翟盼盼

（榆林学院能源与工程学院，陕西 榆林 719000）

低NOx空气分级燃烧技术研究

胡广涛焦亮亮周丹丹翟盼盼

（榆林学院能源与工程学院，陕西 榆林 719000）

本文主要利用FLUENT流体计算软件对一台300MW的煤粉锅炉进行了燃烧模拟研究，对锅炉采用常规燃烧和空气分级燃烧时的燃烧状况进行了模拟计算，结果表明空气分级燃烧时的炉膛的整体温度明显下降，NOx浓度降低，主燃区氧浓度降低，说明该燃烧方法为理想的低NOx燃烧方式。

低NOx；燃烧技术

近年来我国的环保压力越来越大，而火电厂污染物的排放则为主要的污染物来源之一，我国一次能源又主要依赖于煤炭，所以火电厂的污染物控制技术对我国的环保起到关键作用。氮氧化物则是煤炭燃烧的产物之一，它能够引发酸雨和光化学烟雾。因此，采取什么样的技术来减少氮氧化物的生成是现阶段研究的热点。目前我国电厂煤粉锅炉一般采用的燃烧方式为四角切圆燃烧，这种燃烧方式风粉混合均匀，燃烧效率较高，燃料适应性较广，是现阶段我国电厂燃烧方式中应用最广泛、最成熟的技术。

1　NOx生成的机理及低NOx燃烧技术

1.1NOx的生成机理

NOx一般指的是NO和NO2，也包括N2O、N2O3等。在煤燃烧过程中，按照NOx中N元素的来源可将其分为热力型NOx、燃料型NOx和快速性NOx［1］。NOx主要有两种生成途径：一是煤中的氮化物在高温火焰中发生热分解，并进一步氧化生成NOx；二是提供燃烧时所用的空气中的氮气，在高温下与氧气发生的化合作用生成的NOx。

1.2低NOx燃烧技术

目前，国内外降低NOx的控制技术主要有低NOx燃烧器、空气分级燃烧、燃料再燃技术、烟气脱硝技术等。本文主要研究空气分级燃烧技术。

空气分级的基本原理为［2］：在富燃料区域中，燃料在缺氧的情况下燃烧，其燃烧温度和燃烧速度均降低，热力型NOx减少，与此同时，燃料中所释放的含氮中间产物HCN和NH3等会将一部分的NO还原成N2，从而抑制燃料型NOx的生成。在燃尽区，燃料在富氧条件下燃尽，不可避免的让一部分残留氮在燃尽区的富氧条件下氧化生成NOx，但在燃尽区域的火焰温度较低，NOx生成量有限。因此，在空气分级的条件下生成的NOx总量降低。

炉内空气分级燃烧的实现形式主要有以下几种［3-5］：

1.2.1同轴燃烧技术（CFS）。同轴燃烧技术也叫径向空气分级技术。该技术是将二次风向外偏转一定的角度，形成与一次风同轴但直径较大的切圆。二次风向外偏转之后，煤粉气流喷口处推迟了一次风与二次风的初期混合，在一次风区形成了缺氧燃烧，从而达到空气分级，降低NOx排放的目的。

1.2.2煤粉浓淡燃烧技术。煤粉浓淡燃烧技术是将均匀的一次风煤粉刻意分成两股浓度不同的煤粉气流，使进入炉膛的一部分燃料缺氧燃烧，即处于富燃料燃烧；另外的一部分在空气过量的条件下燃烧，即富空气燃烧。

1.2.3沿炉膛高度的空气分级。沿炉膛高度的空气分级技术是在炉膛下部燃烧的整个区域内形成欠氧燃烧，大概80%的理论空气量从炉膛下部燃烧器送入，使送入的风量小于送入燃料所需要的空气量，进行富燃料燃烧。因为氧气的不足，可以使燃料型NOx降低，与此同时，燃烧区火焰温度的峰值也比较低，局部氧浓度较低，使热力型NOx的生成反应速率降低。剩余的20%空气量在燃烧器上部的燃尽风喷口喷入，快速与剩余燃料产物混合燃烧，保证完全燃烧。

2　研究对象与网格划分

本文以某电厂的300MW四角切圆煤粉锅炉进行数值模拟，炉膛网格结构如图3-1所示，锅炉的长度、宽度和高度分别为14.95m，14.95m和56.306m。煤粉燃烧器喷口中，一次风从下往上用a、b、c、d表示，二次风从下往上用A、B、C、D表示，E、F、G为燃尽风喷嘴。

图1　炉膛网格结构示意图

本文采用的是三维网格单元类型中的Tet/Hybrid，即在所指的区域内，网格的划分主要以四面体网格为主，在燃烧器和个别区域包含锥形、楔形和六面体网格。三维网格的划分方法上使用的是Tgrid，即在远离边界处生成六面体网格，在边界处生成四面体网格［6］。

3　数学模型与计算方法

本文采用有限体积法离散方程，并采用SIMPLE算法求解控制方程。黏性模型采用标准k-ε模型的改进Realizable k-ε模型，辐射模型运用了P-1模型，组分模型应用了Species Transport模型，同时在离散相模型中使用了Interaction with Continuous Phase（两相干扰）。本文采用的煤种为神府煤，因此在fluent中采用了系统中的高挥发分煤，且在NOx生成中，只模拟了热力型NOx和燃料型NOx。NOx机理分为焦炭NOx和挥发分NOx两部分，焦炭中的氮直接转化为一氧化氮，挥发分氮首先转化为HCN，HCN既能被氧化为NO，也能被NO还原为N2。计算时，首先给锅炉进行点火，再计算燃烧和辐射换热，最后进行循环迭代，当能量方程和连续性方程在残差图上变化平稳后，燃烧过程的计算收敛。

4　结果与分析

本文模拟的炉膛参数工况分为二种，工况一：炉膛内部没有加入燃尽风，其中一次风吹角为35°，风速为23m/s，二次风吹角为25°，采用均等配风；工况二：炉膛上部加入了燃尽风，燃尽风风率为20%，风速为40m/s，一次风和二次风吹角与工况一相同。

4.1空气分级燃烧与常规燃烧的温度对比

图2和图3分别是常规燃烧和空气分级燃烧时的炉膛温度分布图，由图可知主燃区为炉膛内温度最高的区域，随后沿炉膛高度方向炉内温度逐渐降低。加入燃尽风后，主燃区炉膛截面温度明显低于常规燃烧方式。加入燃尽风后燃尽风喷口附近温度降低幅度较改造前大，这主要是由于喷入的燃尽风温度较烟气温度低，与烟气混合后使烟气整体温度降低，这也进一步抑制了燃尽过程中NOx的生成。由于主燃区内氧量降低，未燃尽的煤粉将在主燃区上方待氧量补充后继续燃尽，使得煤粉的燃尽时间延长，炉膛上方也因有部分煤粉的继续燃尽而温度略有升高。

图2　常规燃烧炉膛温度分布图

图3　空气分级燃烧炉膛温度分布图

4.2空气分级燃烧与常规燃烧的NOx排放对比

图4为常规燃烧时的NOx分布图，图5为空气分级燃烧下的NOx分布图。与常规燃烧相比，炉膛燃烧器区域的NOx浓度比采用空气分级燃烧后的NOx降低了约22.8%，同时NOx浓度高的区域面积也进一步降低。这是由于采用空气分级燃烧后使得燃烧器区域处于燃料过量而氧气少量的还原性燃烧，且HCN和NHi等还原性组分增加，对NOx有还原性作用，同时燃烧的局部高温减小使热力型NOx和燃料型NOx进一步减少。

图4　常规燃烧时NOx浓度分布图

图5　空气分级燃烧时NOx浓度分布图

4.3空气分级燃烧与常规燃烧的炉膛氧浓度对比

图6是氧浓度随炉膛高度的分布图，在炉膛的主燃区15-22m中炉膛的氧浓度在空气分级燃烧时比常规燃烧低，这使得炉膛在主区的燃烧为欠氧燃烧，局部燃烧温度低，能够减小热力型NOx和燃料型NOx，同时使主燃区为还原性氛围，能够使HCN等过渡产物还原NOx为N2，从而抑制NOx的生成。当采用空气分级燃烧时在主燃区上方由于燃尽风的喷入使该区域的氧浓度比常规燃烧时略有升高，随着炉膛的高度进一步增加，两种燃烧方式都趋于燃尽阶段，氧浓度进一步降低趋于平衡。

5　结论

（1）两种燃烧方式的主燃烧器区一、二次风采用同向切圆，由模拟结果可知在常规燃烧工况下，炉膛的NOx浓度整体水平较高，炉膛温度也较高，且NOx的分布主要集中在温度较高的主燃烧区。

图6　空气分级燃烧分布图

（2）采用空气分级燃烧技术后，抽取总风量的20%作为燃尽风，炉膛的主燃区变为欠氧燃烧，造成主燃区的还原性氛围，且使炉膛主燃区的局部高温区域温度变低，从抑制NOx生成和还原NOx为N2两方面使得炉膛整体NOx浓度明显下降，相比常规燃烧方式NOx降低了约22.8%，说明空气分级燃烧达到了降低NOx的目的。

（3）模拟的两种工况中二次风偏转25°，一次风偏转35°。这样做的目的使得主燃区在水平方向上形成空气分级燃烧，能够推迟空气和燃料的混合，降低主燃区的温度峰值，有利于抑制热力型NOx和燃料型NOx的生成，同时也能够在一次风和水冷壁之间形成一层冷风膜，防止水冷壁腐蚀、爆管和结渣等问题的发生。

（4）对比空气分级燃烧和常规燃烧的氧浓度分布得出，在主燃区中前者氧浓度比后者低，使主燃区发生欠氧燃烧，但在燃尽风喷口位置高度的氧浓度要比后者高，发生的是过氧燃烧，属于燃尽阶段，但燃烧的温度降低，NOx的生成受到限制。

［1］车得福，庄正宁，李军，等.锅炉［M］.西安：西安交通大学出版社，2008：56-89.

［2］毛健雄.煤的清洁燃烧［M］.北京：科学出版社，2005：66-98.

［3］朱懿灏.空气分级低NOx燃烧技术在电厂的工程应用［D］.北京：清华大学，2013.

［4］何佩鳌.我国燃煤电厂NOx控制和洁净燃烧技术［J］.电站系统工程，1993（1）：36-48.

［5］董利.炉内空气分级低NOx燃烧技术［J］.电站系统工程，2003，19（6）：47-49.

［6］李代力.基于SOFA风改造的300MW煤粉锅炉燃烧优化数值模拟研究［D］.杭州：浙江大学，2012.

Research on low NOx Air Staged Combustion Technology

Hu Guangtao Jiao Liangliang Zhou DandanZhai Panpan
（School of Energy and Engineering，Yulin University，Yulin Shanxi 719000）

This paper mainly carries out a combustion simulation study on a 300MW pulverized coal boilerby us⁃ingFLUENT fluid calculation software，the combustion conditionsof the boiler using conventional combustion and air stagedcombustionand are calculated.The results show that the overall temperature of air staged combustionfur⁃nace decreased significantly，NOx concentration decreased and oxygen concentrationof main combustion zone re⁃duced，indicating that the combustion method is an ideal low NOx combustion mode.

low NOx；combustion technology

TK227

A

1003-5168（2015）05-0106-3

2015-4-20

胡广涛（1987.10-），男，助教，硕士，研究方向：能源利用及节能技术。