660 MW火电机组低氮燃烧优化及数值模拟研究

王 匡，白 倩

(1.榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000； 2.子洲县工贸局，陕西 子洲 718400)

火力发电是我国消耗煤炭资源最多的行业，现阶段我国电力供应仍然以火力发电为主，火力发电占全国总供电量的70%以上[1-2]。然而，以煤炭为原料的火力发电也存在硫、氮、烟尘等污染物的排放问题[3]，硫、氮等排放物也是形成光化学污染和酸雨的主要原因，电力企业有必要从技术层面加以改进，以减少电力生产对生态环境生成的污染。根据GB 13223—2011《火力发电厂大气污染物排放标准》，燃煤锅炉烟气中NOx和SO2浓度不得高于200 mg/m3，部分型号较旧的火电机组需要通过适当的改造才能达到这一排放标准[4-5]。闫东海等[6]采用数值模拟的方法对600 MW机组四角切圆燃烧煤粉锅炉燃尽风率、燃尽风高以及燃烧器的布置策略进行分析，并重点探究组分分布、温度、分布、燃烧速度对NOx浓度的影响，经实验研究发现，空气分组燃烧技术能够实现针对主燃区O2浓度的控制，进而降低NOx最终排放量，但对于锅炉效率和煤粉燃尽率也会产生一定的影响。因此，本次研究采用空气分级燃烧技术与数值模拟相结合的方法，改善炉内组分分布，深入分析660 MW火电机组锅炉NOx生成量与各项运行参数之间的关系，进而提出具体的改善措施，在不影响煤炭燃烧效率的情况下降低锅炉NOx原始排放量。

1 锅炉几何模型及网格划分

此次研究针对660 MW火电机组所采用的亚临界CFB锅炉实施低氮燃烧分析，该锅炉的主要特点为单炉膛、无外置换热器、大布风板结构、3个分离器非对称分布于后墙，其整体结构如图1所示[7-8]。本次研究利用SolidWorks软件针对锅炉炉膛部分建立三维几何模型，设置X方向为炉深，顶部深度和底部深度分别为9.8 m和4.7 m；Z方向为炉宽，共27 m，Y方向为炉高，共41.15 m。一次风入口位于炉膛下部，二次风入口位于前、后墙表面，给煤口位于前墙下部，进入炉膛的煤炭燃烧首先被一、二次风流化，大粒径物料经分离处理后于分离器底部口排出，分离出来的物料在流化风的作用下经由返料口进入炉膛，最后从位于后墙上部的出口排出，炉膛具体尺寸如图2所示。

图1 CFB锅炉整体示意

图2 炉膛具体尺寸

此次研究通过ICEM软件针对660 MW火电机组CFB锅炉的三维模型实施网格划分处理，炉膛模型上、下部分别采用四面体和六面体的划分模式，在此基础上对两种网格的连接面实施耦合处理。对比分析炉膛出口在不同网格数下的烟气温度，得到如图3所示的分析结果，发现炉膛出口温度受网格数的影响较小，且在网格数超过112万后，炉膛出口温度稳定在1 456 K左右，因此将网格数量设定为112万个，最终的炉膛网格划分结果如图4所示。

图3 炉膛出口温度随网格数量的变化情况

图4 炉膛网格划分结果

2 模拟边界条件

研究对660 MW火电机组CFB锅炉的满负荷状态实施模拟，模拟计算所采用的燃烧由褐煤、泥煤及煤矸石混合组成，具体参数如下：Qnet.ar为12.38 MJ/kg；Vdaf为42.9%；Mar为12%；Aar为44.42%；Sar为0.65%；Oar为6.31%；Har为1.97%；Car为34.14%。

将该状态下的实际运行参数设定为边界条件，具体参数如下：一次风速2 m/s，一次风温545 K、压力12.7 kPa，二次风速40 m/s，二次风温545 K、压力8.5 kPa；二次风向倾斜角度水平向下30°，给煤量64.4 kg/s，给煤密度2 000 kg/m3，给煤直径1.5 mm，石灰石粒径1.5 mm，初始床高800 mm，壁面温度973 K，出口压力-50 Pa，钙硫比2.0，循环倍率27%。

3 模拟分析

此次研究分别建立了3种不同的锅炉运行工况，并对各工况下炉膛内的燃烧情况进行模拟，将模拟结果与初始工况(上、下二次风入射角度同为水平向下30°，一、二次风配风比1∶1，上、下二次风配风比1∶1)进行对比。3种预设工况如下：①调整一、二次风配风比。分别将一、二次风配风比设定为2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，监测炉膛出口的NOx浓度值，进而获取合理的一、二次风配风比。②调整上、下二次风配风比。分别将上、下次风配风比设定为2∶1、1∶1、1∶2、1∶3、1∶4，监测炉膛出口的NOx浓度值，进而获取合理的上、下次风配风比。③调整上、下二次风入射角度。分别将上、下二次风入射角度设定为上下二次风同为水平向上30°、上下二次风同为水平0°、上下二次风同为水平向下30°、上下二次风入射角度分别为水平向上30°和水平向下30°、上下二次风入射角度分别为水平向下30°和水平向上30°，监测炉膛出口的NOx浓度值，进而获取合理的上、下二次风入射角度。

4 结果分析

4.1 NOx生成量与一、二次风配风比之间的关系

各一、二次风配风比条件下660 MW火电机组CFB锅炉炉内NO浓度云图如图5所示，NO浓度沿炉膛高度方向如图6所示。

图5 各一、二次风配风比下炉内NO浓度

图6 各一、二次风配风比下炉内NO浓度随炉膛高度的变化情况

经模拟分析发现，炉膛内NO浓度变化趋势在各参数条件下基本相同，整体趋势均体现出降—升—降的特点。出现该状况的原因主要在于，位于炉膛下部的氮元素与氧气发生还原反应并产生N2气体，进而降低炉膛下部NO浓度[9]。然而在上二次风将空气注入炉内的过程中，燃料中的氮元素又与新进O2发生反应并产生NO，进而增加炉内NO浓度；而炉膛上部区域的NO浓度低于炉膛下部，且会与CO发生还原反应，进而降低NO浓度[10-12]。根据模拟结果可知，炉膛出口处NO浓度在一、二次风配风比为1∶2的情况下达到最低水平。炉膛下部空气在一次风占比增大的情况下无法渗透，位于炉膛下部的氮化合物未参与反应，致使氮元素无法转换为N2，进入炉膛上部区域后，燃料与空气的接触更加充分，在氮化反应的作用下，燃烧中的氮元素被转化为NO，进而增加炉膛出口NO浓度[13]。而在二次风占比过大的情况下，贯穿整个炉膛的二次风又会替换一部分位于炉膛下部的还原性气氛，致使NO还原反应受到抑制，增加炉膛出口NO浓度[14]。

综上所述，对于660 MW火电机组CFB锅炉来说，在一、二次风配风比例为1∶2的情况下，炉膛出口NO浓度最低，约为139.52 mg/m3。同时炉膛出口烟气温度约为1325.5K，炉内最高温度约为1 566.4 K，均位于合理区间，炉内燃烧状况正常。

4.2 NOx生成量与上、下二次风配风比的关系

各上、下二次风配风比条件下660 MW火电机组CFB锅炉炉内NO浓度云图如图7所示，NO浓度沿炉膛高度方向如图8所示。经模拟分析发现，在上、下二次风比为2∶1的情况下，炉内NO浓度达到最低水平。在上、下二次风比小于2∶1的情况下，下二次风占比增加，进而增加炉膛下部氧气，缩减还原性气氛空间，控制NO的还原反应，最终提升炉内NO浓度[15-16]。在上、下二次风比为2∶1的情况下，上二次风占比增加，贯穿整个炉膛的上二次风会将空气挤压至炉膛下部，弱化炉膛下部还原性气氛，致使炉内整体NO浓度增加。过强的上二次风还会对固体颗粒的流化状态造成影响，致使燃烧效率下降[17-18]。

图7 各上、下二次风配风比下炉内NO浓度

图8 各上、下二次风配风比下炉内NO浓度随炉膛高度的变化情况

综上所述，对于660 MW火电机组CFB锅炉来说，在上、下二次风配风比例为2∶1的情况下，炉膛出口NO浓度最低，约为120.7 mg/m3。同时炉膛出口烟气温度约为1 297 K，炉内最高温度约为1 574 K，均位于合理区间，炉内燃烧状况正常。

4.3 NOx生成量与上、下二次风入射角度的关系

各二次风射入角度条件下660 MW火电机组CFB锅炉炉内NO浓度云图如图9所示，NO浓度沿炉膛高度方向变化情况如图10所示。经模拟分析发现，炉膛出口NO浓度与炉内还原区大小成反比，当上下二次风入射角度分别为水平向上30°和水平向下30°时，炉膛出口 NO 浓度达到最低水平，当上下二次风入射角度分别为水平向下30°和水平向上30°时，炉膛出口 NO 浓度最高。出现该状况的原因主要在于，当上下二次风入射角度分别为水平向上30°和水平向下30°时，炉膛内还原区范围最大，NO更加容易被转换为N2，进而降低炉膛出口NO浓度[19-20]。

图9 各二次风射入角度下炉内NO浓度

图10 各二次风射入角度下炉内NO浓度随炉膛高度的变化情况

综上所述，对于660 MW火电机组CFB锅炉来说，在上、下二次风入射角度分别为水平向上30°和水平向下30°的情况下，炉膛出口NO浓度最低，约为95.33mg/m3。同时炉膛出口烟气温度约为1 279 K，炉内最高温度约为1 554 K，均位于合理区间，炉内燃烧状况正常。

5 结论

660 MW火电机组CFB锅炉在正常运行的情况下，分级燃烧的最佳参数为上、下二次风入射角度分别为水平向上30°和水平向下30°，上、下二次风配风比例2∶1，一、二次风配风比例1∶2，该状况下炉膛出口温度1 279 K，炉内最高温度1 554 K，炉膛出口NO浓度为95.33 mg/m3，原始工况下炉膛出口NO浓度为144.08 mg/m3，新工况炉膛出口NO浓度下降约33.84%。