深度空气分级对旋风燃烧锅炉NOx释放影响研究

王为术,王 涵,唐遥义,王飞跃

(华北水利水电大学 能源与动力工程学院,河南 郑州 450045)

新疆准东高碱煤储量近4 000亿t[1]。准东高碱煤具有燃烧性能好、挥发分高等优点。但因其碱金属含量高,导致在电站运行过程中易出现受热面沾污与过热器超温等问题[2-5]。旋风燃烧具有旋流强度大,燃烧温度高等优点。旋风液态排渣锅炉耦合了旋风燃烧与液态排渣的特点,直接将熔融的富集碱金属的煤灰排出炉膛,解决了长期以来只能掺烧高碱煤发电的难题[6]。空气分级燃烧技术通过分级补入的燃尽风降低了燃烧温度,有效抑制了锅炉中生成的NOx,具有十分广泛的应用前景[7-9]。国内外学者通过现场实验的方法来研究空气分级燃烧对NOx释放的影响。张晓辉[10]对两种不同的锅炉机组进行立体分级燃烧锅炉工业试验,NOx排放浓度较大程度降低,最低可控制至 250 mg/m3左右。杨建成[11]针对某 600 MW锅炉采用了浓淡分离燃烧器及分离式燃尽风布置耦合使用的方法,对锅炉进行了合理改造并进行工业试验,结果表明燃尽风比例的提高与出口氧量的降低对抑制NOx的排放具有一定影响。李慧[12]自行设计搭建了一维滴管炉系统进行了空气分级对比实验,探究了多种影响因素对NOx排放规律的研究,结果表明分级燃烧可以有效降低NOx浓度,脱硝率可高达80%。受限于研究成本与研究限制,很多学者采用数值模拟研究的方法进行研究。彭丹[13]针对某循环流化床锅炉进行空气分级数值模拟研究并对比现场实验,发现改造后的二次风可有效降低NOx浓度,但炉膛温度也会随之降低。吕当振[14]等针对某600 MW亚临界锅炉,数值研究了空气分级燃烧技术对NOx排放的影响。刘帅[15]针对某电厂站四角切圆锅炉,采用数值模拟的方法研究了不同燃尽风布置方案对NOx排放特性的影响,确定了最佳燃尽风布置方案。王为术[16]数值研究了整体过量空气系数变化对旋风液态排渣锅炉的影响,过量空气系数为1.15时,出口NOx浓度最低。

不同空气分级方案对纯燃高碱煤旋风液态排渣锅炉燃烧及NOx释放具有重大影响。本文根据团队研究结论,针对纯燃旋风液态排渣锅炉,基于Fluent 2020R2软件,研究了过量空气系数为1.15时深度空气分级对旋风液态排渣锅炉燃烧及NOx排放特性的影响,以期为工业示范锅炉运行优化提供理论支持。

1 数值模拟模型及计算方法

1.1 研究对象

论文研究对象为新型旋风液态排渣锅炉,采用旋风燃烧可以有效提高燃烧过程中的温度,同时采用液态排渣的方法可以有效捕捉熔融灰渣中的碱金属。将原有的旋流燃烧器替换为新型旋风燃烧器,单只旋风燃烧器的旋流角度及热负荷与原始燃烧器保持一致。新型旋风燃烧器为多层绝热结构,均使用耐高温材料,以期弱化热辐射传热对出口烟温及捕渣室温度的影响。同时为实现空气深度分级燃烧,减少锅炉燃烧过程中NOx的生成,在熔渣室右侧区域上部开设燃尽风I喷口,在左侧燃尽室区域共布置8个燃尽风Ⅱ、Ⅲ喷口从而实现深度空气分级燃烧。使用煤种参数见表1。

表1 燃料特性

1.2 模型建立与网格划分

由于纯燃高碱煤旋风液态排渣锅炉整体呈左右对称结构,在保证计算精度的前提下采用对称部分进行计算。根据锅炉实际尺寸构建1∶1液态排渣锅炉几何模型,锅炉整体几何模型如图1(a)。在锅炉燃尽室上方布置有两排8只液态排渣旋风燃烧器,布置方式为双列逆向,布置方式如图1(b)所示。旋流方向相反布置可强化了炉膛中气流与煤粉混合程度,提高煤粉燃尽率,提升锅炉总效率。

图1 几何模型与燃烧器布置形式

为优化网格结构,提高计算精度。使用ICEM软件将旋风液态排渣锅炉划分为不同区域,对不同网格区域分别采取不同划分方法。旋风燃烧器气流高速旋转,湍流强度较大强烈混合,导致旋风燃烧器模型较其他区域更为复杂,采用非结构化网格划分可以更准确模拟复杂燃烧反应过程;熔渣室区域和燃尽室区域形状较为规则选用结构化网格进行划分;因竖直烟道区域形状比较规则采用结构化网格方法对该区域进行划分,网格模型如图2所示。

图2 网格模型

1.3 计算方法及模型选择

燃烧过程中烟气的旋流强度大且有局部涡流选用RNGk-ε可较好预测;煤粉颗粒的运动选用拉格朗日随机轨道模型;辐射传热采用P-1辐射模型;炉内燃烧则选用PDF非预混燃烧模型,煤粉燃烧选用两步竞争模型模拟;对于燃烧过程中生成NOx,主要考虑燃料型NOx和热力型NOx[17-18]。

空气分级燃烧主要受过量空气系数、燃尽风率和燃尽温度等影响。选定过量空气系数为1.15,数值研究深度空气分级对炉内燃烧及NOx释放特性的影响。其中工况1～工况3主燃区过量空气系数为0.85,工况4、工况5主燃区过量空气系数为0.9,工况6主燃区过量空气系数为0.95。工况设置详见表2。

表2 模拟工况汇总 kg/s

1.4 网格无关性检验

对网格依次进行加密,选取网格数量分别为430万、550万、620万、690万、7 300万,设置相同的边界条件,进行迭代计算,以锅炉出口温度和锅炉出口NOx浓度作为计算标准,进行无关性验证,结果如图3所示。

图3 网格无关性检验

从图3中可以看出,网格1、网格2与加密之后其他网格存在明显差异,难以满足计算精度的要求,网格三的差异已较小,但仍存在一定差异。网格4与网格5,虽然网格尺寸减小,密度加大,但模拟结果已基本无差距。因此选取方案4进行网格划分。

2 结果与分析

2.1 炉内温度分布特性

图4中给出了深度空气分级工况下燃烧过程中沿烟气流动方向平均温度分布。由图4可知,不同深度空气分级工况下炉膛内气体温度变化规律一致,炉内燃烧整体较好,温度分布合理。一、二次风在旋风燃烧器内发生强烈扰动迅速混合发生剧烈燃烧该区域温度迅速上升,在燃尽风I入口前达到峰值 1 973.6 K。随后分级补入的常温燃尽风会稀释烟气为目的导致截面平均温度稍有降低,而后煤粉中未燃尽的焦炭颗粒与补入的三次风混合均匀充分燃烧,该区域温度再次升高,在竖直烟道区域温度趋于稳定。工况1～工况3主燃区过量空气系数为0.85低于工况4～工况6,因此在主燃区温度较低。随后因补入的燃尽风风量存在差异,在燃尽室区域温度变化趋势发生改变,燃尽风风量越大,炉膛截面平均温度越低,炉膛出口最低温度为1 375.45 K。对比现场运行数据,锅炉炉膛出口温度为 1 405.63 K,与模拟结果炉膛出口最大差值为 57.45 K,误差为 4.05%,可以验证数值模拟结果的准确性。

图4 不同工况下沿烟气流程温度分布

2.2 炉内各组分分布特性

图5～图7中给出了不同工况下旋风液态排渣锅炉沿烟气流程方向O2、CO2与CO质量分数分布。从图5～图7中可以看出,各组分分布规律具有一致性,在旋风燃烧器区域O2质量分数快速下降,这是由于在燃烧初期消耗了大量的O2,同时生成了大量的CO2与CO,两者质量分数随之升高。燃尽室区域所有工况下O2质量分数小幅升高,这是由于分级送入的三次风的补入,同时也导致CO和CO2质量分数下降,但由于补充的风量的差异导致变化速率不同。在熔渣室右侧区域,此处为富氧区域,CO会与O2继续反应生成CO2导致该区域CO2质量分数略有上升,CO与O2质量分数则呈现相反趋势。CO质量分数在旋风燃烧器出口区域迅速下降,其主要原因是由旋风燃烧器过度至燃尽室区域时,烟气在此区域流动范围大幅增大,从而使得CO质量分数较大程度下降。在燃尽室区域,旋风燃烧器的布置方式强化了烟气与未燃尽焦炭颗粒混合程度,提高了煤粉燃尽率,起到强化燃烧的作用,故此区域CO和CO2质量分数仍保持升高趋势。当烟气流经熔渣室左侧与左侧燃尽室区域到达竖直烟道区域时,各组分质量分数基本保持稳定。通入燃尽风比例越高,局部O2质量分数上升速率越高,CO与CO2质量分数随后也会升高。

图5 不同工况下沿烟气流程O2质量分数分布

图6 不同工况下沿烟气流程CO质量分数分布

图7 不同工况下沿烟气流程CO2质量分数分布

2.3 炉内NOx浓度分布特性

图8给出了各工况旋风液态排渣锅炉燃烧过程中NOx质量浓度分布。由图8中可以得知,工况1～工况6炉膛内NOx质量浓度变化规律基本相同,在旋风燃烧器区域,处于燃烧初始阶段时,炉内O2较为充足,燃烧初期煤粉会有挥发分大量析出,旋风燃烧器内温度骤升,大量消耗O2,在此区域内呈现强氧化性气氛,热力型NOx与燃料型NOx在此区域大量生成。至主燃区出口处升至最高,NOx质量浓度迅速上升至 992.41 mg/m3,当烟气从旋风燃烧器区域流经燃尽室时,由于通流面积的突增,NOx质量浓度在此区域下降。当烟气流经燃尽风I入口区域时,燃尽风的补入有助于煤粉中未燃尽的焦炭颗粒完全燃尽,同时温度较低的燃尽风会稀释该区域烟气温度,该区域CO质量分数上升,O2质量分数下降,NOx在该还原性气氛下被还原,此区域NOx质量浓度故呈下降趋势。随后烟气流经熔渣室区域,剩余部分CO继续还原NOx,最后到达竖直烟道区域趋于稳定。由图8中还可知,工况1锅炉出口NOx质量浓度最低,这是由于工况1中燃尽风II和燃尽风III的风量占比最高,可有效稀释燃烧温度,抑制热力型NOx的生成。在锅炉出口处,不同工况下NOx浓度分别为391.14、407.25、428.35、451.21、466.39、471.73 mg/m3。工况1对比原始无空气分级条件下锅炉出口NOx浓度降低了42.15%。

图8 不同工况下沿烟气流程NOx浓度分布

3 结 论

(1)深度空气分级显著影响旋风液态排渣锅炉燃烧特性,优化不同空气分级方案可有效降低炉膛NOx排放。

(2)不同深度空气分级方案下,锅炉内温度分布规律一致。随着深度空气分级程度加深,燃尽风比例增加,炉膛出口温度从1 495.46 K下降至1 367.68 K。工况1～工况6炉内各组分分布规律一致,由于燃尽风的补入,O2质量分数随着燃尽风的补入会略有上升,最后趋于稳定;CO变化趋势呈现两个先上升后下降趋势最后趋于稳定;CO2变化趋势与O2相反。

(3)在所研究各深度空气分级工况中,选定主燃区最佳过量空气系数为0.85,三层燃尽风最佳风量比例为0.15、0.1、0.05。此时锅炉内部温度分布合理,锅炉出口NOx浓度最低为391.14 mg/m3。综合考虑炉内温度分布与炉膛出口NOx浓度,采用深度空气分级燃烧技术可有效降低NOx排放。