制粉系统运行对锅炉NOx生成影响的研究

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【摘要】为了降低某300MW四角切圆锅炉NOx的排放，采用CFD软件对炉内NOx燃烧特性进行了数值模拟研究。针对锅炉中储式热风送粉制粉系统的特点，数值模拟了三次风的投入与否对NOx生成的影响。四层一次风喷口“上两层少、下两层多”的给粉方式有利于降低炉内NOx的排放。炉内采用了紧凑型空气分级（COFA）措施，降低NOx排放幅度有限，建议采用SOFA空气分级燃烧方式以进一步降低炉内NOx的排放。

【关键词】数值模拟；空气分级；NOx排放

1.前言

以煤炭为主要能源的格局决定了火电在我国能源生产中所占的重要地位[1]。众所周知，火电厂是大气污染物（烟尘、SO2和NOx）的主要排放源之一。2011年制定的《火电厂大气污染排放标准》[3]规定至2014年全国电厂的NOx排放值≤100mg/Nm3。

为了降低电厂NOx的排放，当前主要烟气脱硝、低NOx燃烧技术等措施。低NOx燃烧技术中，空气分级燃烧方式应用较为广泛，新建机组大多都已采用此方式，在主燃区上方布置燃尽风并通过调节燃尽风量来提高降低NOx排放效果，由于空气分级燃烧技术改造方式较为灵活，方法较为简单，这也是电厂常用的低NOx改造措施之一[4]。

本文以一个300MW机组四角切圆锅炉为研究对象，利用数值模拟分析该锅炉实际运行情况，分析其运行参数对NOx生成的影响。

2.设备概况

某300MW机组锅炉为上锅生产亚临界、自然循环燃煤锅炉，单炉膛平衡通风，固态排渣，Π型布置。配中储式热风送粉制粉系统，燃用贫煤。采用WR型直流燃烧器分四层布置于炉膛四角，每角各喷口依次为下二次风AA，一次风A，二次风AB，一次风B，二次风BC1、BC2、BC3，一次风C，二次风CD，一次风D，上二次风DE，三次风E、F，消旋风OFA1、OFA2。上述消旋风OFA1和OFA2为紧湊燃尽风。炉膛整体结构如图2（a）所示。

3.网格划分及数值模拟方法

选定计算区域为由冷灰斗底部至折焰角上方炉膛出口垂直截面，忽略了炉膛上方存在的屏式过热器以及高位过热器[5]。炉膛为规则长方体结构，可用结构化网格进行划分[6]。主燃区内进行湍流燃烧，对主燃区内网格进行局部加密，而主燃区上方炉膛区域以及冷灰斗区域内流动较为简单，可减少划分的网格数量。炉膛整体网格数量控制在46万左右，网格划分如图2（a）所示。将炉膛主燃区横截面域划分为辐射状网格，使燃烧器出口气流方向与网格界面平行，以减小伪扩散的产生，提高计算结果的精确性，减小与实际值之间的误差[7]。如图2（b）为炉膛截面网格划分方法。

采用三维稳态方法模拟炉内燃烧情况[8]。Realization k-ε模型对炉内的湍流运动进行描述。采用非预混燃烧模型对煤粉在炉内的燃烧进行描述[9]。采用P1模型求解气体和颗粒间辐射传热。煤粉颗粒的热分解采用双方程模型模拟。焦炭颗粒燃烧采用动力学/扩散控制燃烧模型。煤粉在炉内运动采用随机轨道模型进行追踪[10]。通过WSGGM模型定义燃烧气相混合物吸收系数随成分变化而变化[10]。对于nox生成采用后处理进行计算。

4.炉内热态计算结果

首先对炉膛燃烧进行了数值模拟，现就模拟所得炉膛中心截面的氧浓度场以及CO浓度场分布进行分析。模拟结果分析可知，由于炉膛内整体呈空气分级燃烧结构，主燃区内不完全燃烧程度较大，氧浓度水平较低，只有在三层二次风集中送入区域以及上二次风、三次风和OFA送入后的区域，氧浓度水平较高。对于CO浓度的分析，由于炉内氧浓度水平较低，造成主燃区下部以及冷灰斗区域CO浓度水平较高，局部浓度水平达到4%～6%，较强的还原性气氛也有利于抑制主燃区内NOx的生成量。炉内速度场以及温度场符合四角切圆锅炉炉内燃烧时热态分布。

5.磨煤机的运行方式对炉内NOx生成的影响

该锅炉配中储式热风送粉系统，与配有直吹式制粉系统机组不同之处在于，机组运行中磨煤机可以运行，也可以不运行，即运行中三次风是否喷入取决于磨煤机是否运行。三次风是否投用对燃烧及NOx生成有一定影响，本文对上述两个工况进行了NOx生成的数值模拟分析，给出其对NOx生成的影响。图3为投/停磨煤机工况下炉膛横截面平均NOx浓度沿炉膛高度分布。

磨煤机投入运行时，制粉系统的乏气作为三次风喷入炉膛中，此时主燃区内的一部分风量上移至三次风喷口。图3中这一工况NOx浓度在主燃区内变化值并不是很大，这主要是由于炉膛高度方向的空气分级燃烧，使得主燃区缺氧燃烧，NOx生成得到抑制。三次风的投入促进了未燃尽煤粉的燃尽以及三次风中细煤粉的燃烧，同时富氧燃烧将使NOx的生成量有所增加，烟气中剩余气态含N物质以及焦炭中N被氧化生成NOx。

与之相比，磨煤机停运行时主燃区内氧量高于投磨运行时，使得NOx生成量高于投磨运行时。原OFA喷口使和主燃区内一部分空气上移至OFA喷口，进行了空气分级燃烧，而三次风的投入相当于将主燃区的另一部分空气也上移至三次风喷口内，进一步进行了空气分组，只是在主燃区和燃尽区间的间距较小，因此不能充分发挥还原区的作用。

紧凑布置的OFA对抑制炉内NOx生成的能力有限，炉膛出口NOx含量较大，磨煤机停止运行时炉膛出口NOx浓度为555ppm，与磨煤机投入运行工况相比，NOx浓度升高14ppm，即增大2.5%。以上分析结果表明磨煤机投入运行时，三次风的分级燃烧可以在一定程度上减少炉内NOx的生成，但幅度较小。

炉膛沿高度方向ABCE四层一次风喷口，其给粉量的配比不同，对炉膛出口NOx浓度也会有一定的影响。本文选取相同的总给粉量，但下两层（A、B层）与上两层给粉机（C、D层）的给粉量成一定比例的三个工况进行数值模拟，分析不同的给粉方式对NOx生成的影响。

选取下两层 （A、B层） 煤粉量与上两层（C、D层） 煤粉量之比为0.8、1.0、1.2的三个工况，计算额定负荷下不同煤粉量之比对炉内NOx生成的影响，其中煤粉量之比等于1为基准工况，三个工况总风量和总给粉量保持不变。