基于CFD的空气分级技术应用研究

刘沛奇，刘晓萌，朱跃

(华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

随着燃煤电站锅炉排放标准日趋严格，最大限度降低锅炉燃烧过程中产生的NOx质量浓度，成为实现NOx超低排放的基础条件。煤粉燃烧过程中产生NOx主要有3种形式，即燃料型、热力型和快速型[1-2]，其中前两者为NOx的主要生成形式。空气分级技术能够有效控制燃料型和热力型NOx生成量，为下游NOx脱除设备提供较低的NOx入口边界条件。

自20世纪50年代至今，众多学者对空气分级技术进行了研究[3]，其中，李代力[4]等应用计算流体动力学(CFD)软件，研究某300 MW四角切圆锅炉分离燃尽风(SOFA)布置位置对炉内燃烧情况及NOx生成情况的影响，结果表明适当增加SOFA距上层二次风距离、增加SOFA占二次风比例能够有效降低NOx生成量。吕学敏[5]等对某电站锅炉SOFA的布置方式进行数值研究等，结果表明增加SOFA风量能够有效降低NOx生成量。本文利用Fluent软件进行450 t/h燃煤电站锅炉空气分级的数值模拟研究。

1 模拟对象与方法

1.1 模拟对象

本文研究对象为某电厂450 t/h燃煤电站锅炉，Π型布置，四角切圆燃烧器方式、固态排渣，集中下降管，自然循环，炉膛尺寸(高×深×宽)为36.20 m×10.78 m×9.98 m。燃烧器采用WR煤粉质量浓度宽调节比型燃烧器，其一次、二次风各3层间隔布置，上层一次风上部布置1层紧凑型燃尽风(CCOFA)，燃尽区布置3层SOFA，锅炉炉膛总体结构及燃烧器示意图如图1所示。燃用煤质参数见表1。

1.2 网格划分

网格数量和网格质量是网格划分过程中最关键的2个指标，其中网格质量取决于网格的扭曲率和网格单元比率等[6]因素，其中网格扭曲率如式(1)所示，网格单元比率如式(2)所示。

(1)

式中：θmax，θmin为各个网格单元中边之间的最大、最小夹角；θeq为几何体与网格单元几何相似的特征角。

图1 锅炉网格及燃烧器示意Fig.1 Boiler grid and burner schematic

项目符号单位数值元素分析收到基碳Car%57.29收到基氢Har%3.47收到基氧Oar%7.01收到基氮Nar%0.77收到基硫Sar%0.72工业分析收到基灰分Aar%19.13收到基水分Mar%11.60收到基挥发分Var%37.86收到基固定碳FCar%31.41收到基低位发热量Qnet.arMJ/kg21.90

(2)

式中：e为计算域内网格单元的平均边长。

较差的网格质量将导致伪扩散[7]，甚至导致计算无法进行。伪扩散表达式如式(3)所示，本文从网格密度和网格排列方式上解决伪扩散问题，采用加密网格、使网格排列与流动方向尽量一致的近流线网格结构，有效避免伪扩散现象的发生。全炉膛网格总数为81.8万，全炉膛网格结构如图1所示。

(3)

式中：Γf为伪扩散系数；ρ为密度；Δx，Δy为网格的大小；U表示速度大小；θ为速度方向与网格线间的夹角。

1.3 模拟方法

采用非预混燃烧模型模拟炉内燃烧过程，其中通过P-1辐射模型用正交球谐函数计算模型中的辐射强度在空间中的分布，辐射强度和温度分布通过偏微分方程形式的能量方程和相应的边界条件联立求得，并考虑气固两相间的辐射换热及辐射散射过程。

采用扩散动力表面反应速率模型来模拟焦炭的燃烧过程，假设表面反应同时受到扩散和反应动力控制的影响，煤粉颗粒的几何尺寸不发生变化，密度逐渐变小。挥发分析出采用双步竞争反应模型。

采用可实现的k-ε模型，通过正应力的数学约束能够保证湍流物理规律应用于该流动，引入了曲率和旋转相关量，能够更加准确地模拟炉内的旋转流动过程。

本次模拟采用三维稳态算法，采用SIMPLEC算法求解压力-速度的耦合，采用拉格朗日离散模型模拟颗粒跟踪，采用非耦合处理方法在燃烧模拟结果的基础上(后处理方法)[8]进行NOx生成模拟，本文以热力型NOx和燃料型NOx作为NOx的主要生成形式。

1.4 模拟工况及边界条件

本文对不同主燃区空气量工况进行数值模拟研究，工况1～工况4主燃区空气体积分数分别为70%，75%，80%及85%，总过量空气系数为1.15，总空气量为107.5 m3/s，其主燃区过量空气系数分别为0.84，0.90，0.96，1.02。通过对计算结果的比较分析确定理想的主燃区空气配比后，为燃煤电站锅炉运行优化提供参考。

表2 各工况主要边界条件Tab.2 Main boundary conditions under different working conditions

2 计算结果与结论

2.1 温度场分析

由模拟结果可知，随着空气分级程度的增加，下层燃尽风截面平均温度逐渐降低，在燃尽风区域随着燃尽风的补入，烟气温度逐渐降低，但是随着主燃区贫氧燃烧产生的未燃尽组分的继续燃烧，使得燃尽区烟气温度略有升高。通过对比4个工况发现，随着空气分级程度的增加，靠近炉膛出口区域的截面平均温度逐渐增大，但是工况1和工况2比较接近。4个工况炉膛29 m高截面(接近炉膛出口截面)处平均烟温分别为1 072，1 066，1 046，1 031 ℃，随着空气分级程度减小，上半炉膛同截面烟气平均温度逐渐下降。

图2 沿炉膛高度截面的温度分布Fig.2 Temperature distribution along the furnace height cross section

2.2 组分场分析

沿炉膛高度方向截面平均氧量曲线如图3所示。随着燃尽风的补入，氧量迅速增加，在最上层燃尽风截面处出现了氧量的一个峰值，随着主燃区燃烧产生的未燃尽组分在燃尽区的充分燃烧，氧量逐渐下降，并趋于稳定。其中，工况1空气分级程度最大，在主燃区贫氧燃烧现象最为严重，在燃尽风补入后燃烧最剧烈，截面氧量下降最快。工况4燃尽风喷入后氧量增加最为缓慢，工况4在4个工况中截面平均氧量峰值最低，工况4截面平均氧量曲线相对平缓。工况1～4炉膛出口氧量分别为2.92%，2.95%，2.91%，2.88%，4个工况氧量接近，均在合理范围内。

沿炉膛高度方向截面平均NOx浓度曲线如图4所示。工况1～4随着空气分级程度降低，主燃区缺氧富燃料状态有所缓解，主燃区燃烧产生的燃料型NOx和热力型NOx生成量均有所增加，燃料型NOx作为在锅炉燃烧过程中NOx的主要生成形式，在煤粉燃烧过程中燃料氮中的挥发分氮首先大量析出，与助燃空气中的氧气汇合氧化生成NOx。但是，随着空气分级程度的增加，挥发分得不到充足的氧气与其氧化，致使其不能全部转化成NOx，导致挥发分NOx前驱物HCN和NH3在挥发分析出阶段的贫氧条件下与已经生成的NOx反应生成氮气，从而减少NOx生成量；随着空气分级程度的减弱、氧量的增加，挥发分NOx前驱物HCN和NH3在挥发分析出阶段与氧气反应生成NOx，燃料型NOx的生成取决于燃烧气氛的竞争反应。

图3 沿炉膛高度截面的氧量分布Fig.3 Oxygen distribution along the furnace height cross section

图4 沿炉膛高度截面的NOx质量浓度分布Fig.4 NOx mass concentration distribution along the furnace height cross section

随着燃尽风的补入，焦炭氮的充分燃烧，部分燃料氮的前驱物如HCN，NH3等会被氧化生成NOx，因此在燃尽风补入后，炉内NOx质量浓度会出现小幅上升后又下降的情况。随后由于燃尽区CO，HCN及CHi等的共同作用，氧气被消耗殆尽，在燃尽区出现的氧化性气氛又迅速转为强烈的还原性气氛，将NOx还原为氮气，所以在燃尽区后段NO质量浓度出现下降趋势，并逐渐趋于稳定，工况1～4炉膛内高29 m截面NOx平均质量浓度为204.2，232.5，286.6及322.0 mg/m3(均为标态、干基、6%O2)，显然随着空气分级程度的减弱，炉膛出口截面NOx质量浓度明显升高。

沿炉膛高度方向截面平均CO浓度曲线如图5所示。工况1～4随着空气分级程度的减弱，主燃区贫氧燃烧产生的CO体积分数逐渐减小，在深度空气分级情况下，主燃区贫氧富燃料燃烧产生的CO体积分数与NOx质量浓度呈此消彼长的态势，主要原因是：首先，主燃区燃烧产生的CO过程为贫氧燃烧，在贫氧气氛下有利于抑制NOx的生成；其次，CO对炉内燃烧过程中产生的NOx具有一定的抑制作用。所以，在燃尽风补入阶段CO体积分数与NOx质量浓度呈一高一低的趋势，但是随着燃尽风的补入，燃烧的充分进行，CO体积分数逐渐降低，并趋于稳定。工况1～工况4在炉膛内高29 m截面CO体积分数分别为0.01%，0.03%，0.03%，0.02%，其中工况1的CO体积分数最小。

图5 沿炉膛高度截面的CO体积分数分布Fig.5 CO volume fraction distribution along the furnace height cross section

3 结论

本文通过对主燃区空气量的数值模拟研究得出如下结论：(1)主燃区不同空气量工况下炉膛出口氧量变化不大，但随着空气分级程度的增加，能够有效降低炉膛出口NOx质量浓度；(2)对比工况1～工况4，主燃区空气量占总空气量的70%(工况1)，炉膛出口NOx质量浓度最低约为204 mg/m3，炉膛出口CO体积分数相对其他工况较小，为较理想工况，但存在炉膛出口烟气温度较高的情况，建议根据机组的具体情况及燃煤情况进行适当的优化调整。