產(chǎn)品詳情
生物質(zhì)燃燒機(jī)給料方式對(duì)鍋爐NO排放特性
摘要：使用可實(shí)現(xiàn)realizable k-S雙方程模型，對(duì)600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒爐燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究生物質(zhì)燃燒爐給粉方式、二次風(fēng)量及過量空氣系數(shù)對(duì)爐膛內(nèi)部NO分布的影響，對(duì)生物質(zhì)燃燒爐擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)NO生成特性進(jìn)行比較。數(shù)值模擬結(jié)果表明，內(nèi)二次風(fēng)對(duì)NO影響較大，內(nèi)二次風(fēng)關(guān)閉時(shí)爐膛出口NO下降22%。主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)對(duì)NO影響明顯，過量空氣系數(shù)較小時(shí)NO生成量較少；中心給粉可以有效地降低鍋爐NO的生成，100%負(fù)荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時(shí)NO下降16%，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)提供了NO生成的理論依據(jù)。并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得比較一致的結(jié)果。通過設(shè)備改進(jìn)和燃燒調(diào)整，有敖地控制了鍋爐NO的排放，為L(zhǎng)NASB生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了一定的降低NO的理論基礎(chǔ)。
O前言
LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)是目前600 MW超臨界機(jī)組應(yīng)用較為廣泛的一種生物質(zhì)燃燒機(jī)，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)已有初步研究通過試驗(yàn)研究了LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)不同參數(shù)下，中心回流區(qū)大小以及氣流煤粉的混合情況。生物質(zhì)燃燒機(jī)采用多級(jí)送風(fēng)技術(shù)降低NO生成的機(jī)理進(jìn)行了闡述。本文以引進(jìn)型600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)為研究對(duì)象。該鍋爐下層生物質(zhì)燃燒機(jī)中心風(fēng)筒設(shè)120計(jì)了無(wú)油點(diǎn)火裝置，中心風(fēng)的退出導(dǎo)致了鍋爐惡性結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)，經(jīng)過有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證后，擬將下層生物質(zhì)燃燒機(jī)改為中心給粉方式，以解決惡性結(jié)焦問題，時(shí)NO生成也必須加以考慮。本文使用可實(shí)現(xiàn)realizable k-8雙方程模型，采用鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對(duì)鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)及爐膛區(qū)域NO生成分布進(jìn)行數(shù)值模擬。著重研究了生物質(zhì)燃燒機(jī)給粉方式，生物質(zhì)燃燒機(jī)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)二次風(fēng)及過量空氣系數(shù)對(duì)爐膛內(nèi)部NO生成的影響，并對(duì)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)NO生成進(jìn)行了比較。以數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行了設(shè)備改進(jìn)和燃燒調(diào)整，有效地控制了鍋爐NO的排放。
熱態(tài)試驗(yàn)無(wú)法測(cè)出爐內(nèi)NO的變化情況，且工作量巨大‘斗5]；數(shù)值模擬可以詳細(xì)地反映出爐內(nèi)燃燒過程，已普遍用于爐內(nèi)燃燒過程的研究[4-6]。因此，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)所選鍋爐燃燒過程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)該鍋爐在不同負(fù)荷、配風(fēng)條件及生物質(zhì)燃燒機(jī)投入方式下的NO排放特性進(jìn)行研究。并將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，通過比較表明計(jì)算比較準(zhǔn)確，能夠有效地預(yù)測(cè)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)情況下爐內(nèi)NO的生成特性。
1 模擬對(duì)象與計(jì)算方法
1.1 模擬對(duì)象
模擬鍋爐爐膛的寬×深×高為22.187 mx15.632mx58.55 m．鍋爐采用三井巴布科克能源公司的鍋爐技術(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、兀型布置，蒸發(fā)量為1 900 t/h。設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，燃用煤質(zhì)分析見表1，鍋爐配有6臺(tái)中速磨煤機(jī)，對(duì)應(yīng)6層共30只LNASB低NO。煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)，前后墻對(duì)沖三層布置，生物質(zhì)燃燒爐上部布置一層旋流OFA噴口。LNASB生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。生物質(zhì)燃燒爐中心風(fēng)為直流，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流，葉片角度分別為55。和15。。內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度可調(diào)，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度不可調(diào)。
1.2 計(jì)算風(fēng)格與計(jì)算模型
計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對(duì)于全爐膛數(shù)值模擬，考慮計(jì)算機(jī)硬件限制，對(duì)生物質(zhì)燃燒爐進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)口參數(shù)的選取與單只生物質(zhì)燃燒爐模擬結(jié)果一致。外二次風(fēng) 內(nèi)二次風(fēng)考慮生物質(zhì)燃燒爐醫(yī)域流場(chǎng)變化比較劇烈，網(wǎng)格劃分比較細(xì)密，保證中心風(fēng)、一次風(fēng)及內(nèi)、外二次風(fēng)在不同的網(wǎng)格中，進(jìn)一步避免偽擴(kuò)散的影響，進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān)化驗(yàn)證后，劃分網(wǎng)格總數(shù)約9.67×l05;全爐膛生物質(zhì)燃燒爐及空間計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖2。
(a)爐膛計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)
(c)生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后結(jié)構(gòu)
圖2全爐膛生物質(zhì)燃燒爐計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)
數(shù)值計(jì)算采用尼一s雙方程模型計(jì)算湍流流動(dòng)；采用log-law壁面函數(shù)法對(duì)壁面附近進(jìn)行處理；用混合分?jǐn)?shù)一概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒；用P-l輻射模型計(jì)算輻射傳熱；采用單步反應(yīng)模型計(jì)算發(fā)分釋放；焦炭燃燒采用動(dòng)力／擴(kuò)散控制燃燒模型，煤顆粒跟蹤采用隨機(jī)軌道模型，粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布[8-11]。對(duì)于NO。的計(jì)算，采取后處理的方法，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差小于104。
1.3 NO計(jì)算模型
煤粉鍋爐NO的生成主要分為熱力型、快速型和燃料型三種[7-8]。本文計(jì)算，對(duì)于快速型NO，占總NO生產(chǎn)量很少，僅考慮NO組分的輸運(yùn)方程。對(duì)于燃料型NO，考慮燃料中的揮發(fā)分N先轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN和NH3，然后再轉(zhuǎn)化為NO，焦炭N直接轉(zhuǎn)化為NO。
1.4計(jì)算工況
本文計(jì)算了如表2所示22個(gè)工況的燃燒過程。頹定負(fù)荷設(shè)計(jì)工況下，5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求。本文計(jì)算額定負(fù)荷工況下投入A、B、C、E、F生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg／s；其中一次風(fēng)速為30.4 m／s，內(nèi)二次風(fēng)速為19.5 rI1／s，外二次風(fēng)速為55.6 rI1／s，0FA風(fēng)速為45 m／s。一次風(fēng)溫為350 K，二次風(fēng)溫為594 K。其他工況風(fēng)速根據(jù)負(fù)荷及過量空氣系數(shù)在上述風(fēng)量基礎(chǔ)上計(jì)算確定。
改進(jìn)前、后生物質(zhì)燃燒爐計(jì)算回流區(qū)形狀
投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，其中一次風(fēng)速為29 m/s，內(nèi)二次風(fēng)速為17.1 m/s，外二次風(fēng)速為48.8 m/s，OFA風(fēng)速為45 m/s。圖4為該工況下，爐內(nèi)不同高度水平截面速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流場(chǎng)的作用下，在21 179 mm高度處，形成了兩排火焰高溫區(qū)，爐膛中心部分為低溫區(qū)，濕度場(chǎng)與流場(chǎng)表現(xiàn)出較好的協(xié)同性；隨著高度的增加，在26 192mm高度處爐膛中部，也就是雙排火焰交界處越來(lái)越成為爐內(nèi)的高溫區(qū)，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同性減弱；在31 205 mm高度的位置，火焰最高溫度向爐膛中心位置靠近，在上升流場(chǎng)的作用下，高溫區(qū)表現(xiàn)出向爐膛上方延伸的特性。中、下層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域沒有明顯的過余氧量，NO生成量較少且無(wú)明顯熱力型NO生成，上層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域開始出現(xiàn)少量的過余氧量，燃盡風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的過余氧，NO體積分?jǐn)?shù)明顯減小。燃盡風(fēng)區(qū)域之后NO體積分?jǐn)?shù)又小幅度增加，因在于這一區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對(duì)煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳?xì)浠衔飳?duì)NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會(huì)有NO(如熱力型NO)生成，NO濃度開始緩慢增加[8-10]。
2.2.1 生物質(zhì)燃燒爐給粉方式的影響
鍋爐本身設(shè)計(jì)有6層生物質(zhì)燃燒爐，按照設(shè)計(jì)要求，鍋爐60%負(fù)荷、80%員荷及100%負(fù)荷下分別投入3層、4層及5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求，鍋爐在不同負(fù)荷下具體投入哪些層生物質(zhì)燃燒爐可以有多種選擇，對(duì)于對(duì)沖旋流燃燒鍋爐來(lái)說(shuō)，若投入下部生物質(zhì)燃燒爐，對(duì)煤粉燃燒，二次風(fēng)的投入依然是以分級(jí)配風(fēng)的形式投入的，只是風(fēng)量大小不同，從而起到控制燃料型NO生成的作用。因此，本文計(jì)算時(shí)在不同負(fù)荷下都首先選擇了下部生物質(zhì)燃燒爐[9-11]。在60%、80%負(fù)荷下，本文計(jì)算了投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐及投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐工況；100%負(fù)荷時(shí)本文分別計(jì)算了投入A、B、C、D、E層5層生物質(zhì)燃燒爐和投入A、B、C、D、E、F層6層生物質(zhì)燃燒爐工況；每種負(fù)荷工況下均計(jì)算了原始結(jié)構(gòu)和中心給粉2種方式下NO生成量。計(jì)算結(jié)果見圖6。圖6中NO分布曲線表明，常規(guī)給粉工況下，爐內(nèi)NO生成明顯高于生物質(zhì)燃燒爐中心給粉工況對(duì)應(yīng)的NO生成。其原因就在于主燃區(qū)生物質(zhì)燃燒機(jī)具有能夠單獨(dú)地控制火焰結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，下部生物質(zhì)燃燒爐實(shí)現(xiàn)中心給粉后，內(nèi)濃外淡的煤粉分布有利于NO還原區(qū)的形成，使氮化物可快速轉(zhuǎn)變成氣相，在一定氧氣濃度下，有一個(gè)還原性物質(zhì)生成的峰值用于加速火焰內(nèi)的NO還原[11-13]。另外，可避免發(fā)生延遲燃燒從而有益于降低燃料型NO排放。
對(duì)比圖6a～6d后可以發(fā)現(xiàn)，隨負(fù)荷的變化，NO生成并沒有特別顯著的變化，NO的生成也沒有與生物質(zhì)燃燒爐層數(shù)成比例增加。原因?yàn)橥度肷喜可镔|(zhì)燃燒爐后，上部生物質(zhì)燃燒爐提供的部分空氣可以作為下部燃煤燒器的燃盡風(fēng)，從而起到擬制NO生成的作用[13-14]，對(duì)比圖6a～6d還可以看出，相比之下，生物質(zhì)燃燒爐的投運(yùn)方式對(duì)NO生成影響更顯著。
下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，不同負(fù)荷條件下，中心給粉生物質(zhì)燃燒爐的投入數(shù)量的比例不同，爐膛出口處NO濃度變化較大。將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖7，圖7中橫坐標(biāo)字母表示生物質(zhì)燃燒爐投入層數(shù)。通過柱狀圖可以看出，投入中心給粉生物質(zhì)燃燒爐數(shù)量較多時(shí)，NO排放較低；同時(shí)還可以看出，減少生物質(zhì)燃燒爐投入量時(shí)，NO排放明顯降低。
2.2.2 二次風(fēng)的影響
60%負(fù)荷時(shí)投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐；80%負(fù)荷時(shí)投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐，100%負(fù)荷時(shí)投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐；100%負(fù)荷時(shí)過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進(jìn)行配風(fēng)，其他負(fù)荷工況在此基礎(chǔ)上計(jì)算得出。內(nèi)二次風(fēng)開啟與關(guān)閉情況下爐內(nèi)NO分布見圖8。三種負(fù)荷工況下，在主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)不變的情況下，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO分布與排放均有所降低，其中100%負(fù)荷時(shí)更為明顯，爐膛出口NO排放量下降22%;通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后原始結(jié)構(gòu)情況下NO的生成下降明顯。中心給粉燃燒器在各工況下NO的生成較低，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO的生成下降不明顯。
2.2.3 過量空氣系數(shù)的影響
投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，鍋爐給煤量為66 kg/s，保持燃盡風(fēng)率18%，通過改變主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域風(fēng)量的方式改變過量空氣系數(shù)，計(jì)算和分析爐內(nèi)NO的生成特點(diǎn)。圖9為不同過量空氣系數(shù)s下沿爐膛高度方向不同水平截面平均溫度分布曲線。不同過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度溫度分布曲線量空氣系數(shù)下，爐內(nèi)溫度沿爐高的分布在趨勢(shì)上是一致的，在32 m以前，也就是主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)，隨煤粉不斷噴入燃燒，煙氣平均溫度沿爐高方向大幅度上在主燃燒區(qū)后由于沒有風(fēng)、粉繼續(xù)投入，溫度開始下降，在35 m標(biāo)高處，也就是OFA風(fēng)噴入前氧量與溫度下降到一個(gè)最低點(diǎn)。
圖10為不同過量空氣系數(shù)下沿爐高方向不同水平截面平均NO分布曲線。根據(jù)NO變化規(guī)律，可以將曲線分為4個(gè)區(qū)段，21～27 m的NO濃度迅速增加區(qū)，也是A、B、C、E層煤粉投入?yún)^(qū)域，在一區(qū)域中，隨著煤粉的不斷投入，爐內(nèi)NO濃度沿爐高方向迅速增加，對(duì)比圖9可以看出，這一區(qū)124機(jī)械工程學(xué)報(bào)第47卷第10期段內(nèi)煙氣溫度也是迅速增加的，可見該區(qū)段內(nèi)NO濃度的增加是由于煤粉不斷投入燃燒造成的。
3 生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后效果
在27～33 m區(qū)段，NO濃度緩慢下降，根據(jù)該鍋爐生物質(zhì)燃燒爐設(shè)計(jì)，D、F層生物質(zhì)燃燒爐布置在這一區(qū)域，這2組生物質(zhì)燃燒爐噴入的煤粉本身攜帶的燃料N可以轉(zhuǎn)化為NO，使煙氣中NO濃度增加，但煤粉提供的C、H等元素也可還原煙氣中的NO，使煙氣中NO濃度下降，由于該爐主燃區(qū)處于貧氧燃燒狀態(tài)，因此，NO不會(huì)顯著生成。
對(duì)于33～35 m區(qū)段NO濃度表現(xiàn)為迅速下降趨勢(shì)，必須考慮的問題是NO濃度下降是否代表NO還原。NO濃度下降可以是NO被還原造成的，也可能是更多空氣送入導(dǎo)致煙氣被稀釋造成的。在計(jì)算中，該區(qū)段投入風(fēng)量占主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)風(fēng)量的20%，在這一區(qū)段僅僅依靠投入空氣的稀釋作用就能使煙氣中NO濃度下降20%，圖10曲線數(shù)據(jù)則表明這一區(qū)段內(nèi)NO濃度的下降基本在17%左右，NO濃度下降幅度沒有達(dá)到稀釋作用能夠到達(dá)的幅度，可見，在這一區(qū)域雖然NO沒有顯著地生成，但確實(shí)是生成并增加了。
在35 m以上，NO又小幅度增加，原因在于這～區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對(duì)煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳?xì)浠衔飳?duì)NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會(huì)有NO(如熱力型NO)生成，濃度開始緩慢增加。在不同過量空氣系數(shù)條件下，爐膛出口處氧濃度是不同的，將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖11，可見過量空氣系數(shù)越大，NO排放越多。
本文計(jì)算以設(shè)計(jì)工況為基礎(chǔ)，100%負(fù)荷下投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐及6層生物質(zhì)燃燒爐全部投入，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進(jìn)行配風(fēng)，其他負(fù)荷工況在此基礎(chǔ)上計(jì)算得出。原設(shè)計(jì)NO排放小于400 mg/m3(6%氧)，擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)計(jì)算值為332 mg/m3(6%氧)，生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后實(shí)測(cè)值為345 mg/m3(6%氧)，對(duì)比不同負(fù)荷NO排放實(shí)測(cè)與計(jì)算值（表31，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最大偏差在10%以內(nèi)；對(duì)比80%負(fù)荷及60%負(fù)荷工況計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，最大偏差都在10%以內(nèi)，達(dá)表明計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，利用CFD預(yù)測(cè)燃燒系統(tǒng)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)NO排放特性是可行的，能比較有效地反應(yīng)爐內(nèi)實(shí)際NO生成特性。
4結(jié)論
(1)在爐膛不同高度處，風(fēng)、粉氣流形成3層棋盤式布置的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。隨著爐膛高度的增加，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同性不斷減弱。
(2)生物質(zhì)燃燒爐實(shí)現(xiàn)中心給粉后，100%負(fù)荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時(shí)NO排放量下降16%;主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)減小，NO排放減少；各工況對(duì)應(yīng)爐內(nèi)溫度相差不大。
(3)下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，改變過量空氣系數(shù)，根據(jù)NO濃度沿爐高方向的變化規(guī)律，可以將爐膛沿爐高分為4個(gè)區(qū)段，21～27m的NO濃度迅速增加區(qū)，27～33 m的NO濃度緩慢下降區(qū)，33: -35m的NO濃度迅速下降區(qū)，以及35m以上的NO濃度緩慢增加區(qū)。
摘要：使用可實(shí)現(xiàn)realizable k-S雙方程模型，對(duì)600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒爐燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬。研究生物質(zhì)燃燒爐給粉方式、二次風(fēng)量及過量空氣系數(shù)對(duì)爐膛內(nèi)部NO分布的影響，對(duì)生物質(zhì)燃燒爐擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)NO生成特性進(jìn)行比較。數(shù)值模擬結(jié)果表明，內(nèi)二次風(fēng)對(duì)NO影響較大，內(nèi)二次風(fēng)關(guān)閉時(shí)爐膛出口NO下降22%。主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)對(duì)NO影響明顯，過量空氣系數(shù)較小時(shí)NO生成量較少；中心給粉可以有效地降低鍋爐NO的生成，100%負(fù)荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時(shí)NO下降16%，數(shù)值計(jì)算結(jié)果為生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)提供了NO生成的理論依據(jù)。并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，獲得比較一致的結(jié)果。通過設(shè)備改進(jìn)和燃燒調(diào)整，有敖地控制了鍋爐NO的排放，為L(zhǎng)NASB生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了一定的降低NO的理論基礎(chǔ)。
O前言
LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)是目前600 MW超臨界機(jī)組應(yīng)用較為廣泛的一種生物質(zhì)燃燒機(jī)，目前，國(guó)內(nèi)對(duì)已有初步研究通過試驗(yàn)研究了LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)不同參數(shù)下，中心回流區(qū)大小以及氣流煤粉的混合情況。生物質(zhì)燃燒機(jī)采用多級(jí)送風(fēng)技術(shù)降低NO生成的機(jī)理進(jìn)行了闡述。本文以引進(jìn)型600 MW超臨界鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)為研究對(duì)象。該鍋爐下層生物質(zhì)燃燒機(jī)中心風(fēng)筒設(shè)120計(jì)了無(wú)油點(diǎn)火裝置，中心風(fēng)的退出導(dǎo)致了鍋爐惡性結(jié)焦現(xiàn)象的出現(xiàn)，經(jīng)過有關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證后，擬將下層生物質(zhì)燃燒機(jī)改為中心給粉方式，以解決惡性結(jié)焦問題，時(shí)NO生成也必須加以考慮。本文使用可實(shí)現(xiàn)realizable k-8雙方程模型，采用鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對(duì)鍋爐LNASB生物質(zhì)燃燒機(jī)及爐膛區(qū)域NO生成分布進(jìn)行數(shù)值模擬。著重研究了生物質(zhì)燃燒機(jī)給粉方式，生物質(zhì)燃燒機(jī)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)二次風(fēng)及過量空氣系數(shù)對(duì)爐膛內(nèi)部NO生成的影響，并對(duì)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)與原始結(jié)構(gòu)NO生成進(jìn)行了比較。以數(shù)值模擬結(jié)果為依據(jù)，進(jìn)行了設(shè)備改進(jìn)和燃燒調(diào)整，有效地控制了鍋爐NO的排放。
熱態(tài)試驗(yàn)無(wú)法測(cè)出爐內(nèi)NO的變化情況，且工作量巨大‘斗5]；數(shù)值模擬可以詳細(xì)地反映出爐內(nèi)燃燒過程，已普遍用于爐內(nèi)燃燒過程的研究[4-6]。因此，本文采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)所選鍋爐燃燒過程進(jìn)行計(jì)算，對(duì)該鍋爐在不同負(fù)荷、配風(fēng)條件及生物質(zhì)燃燒機(jī)投入方式下的NO排放特性進(jìn)行研究。并將計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)及實(shí)測(cè)值進(jìn)行了比較，通過比較表明計(jì)算比較準(zhǔn)確，能夠有效地預(yù)測(cè)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)情況下爐內(nèi)NO的生成特性。
1 模擬對(duì)象與計(jì)算方法
1.1 模擬對(duì)象
模擬鍋爐爐膛的寬×深×高為22.187 mx15.632mx58.55 m．鍋爐采用三井巴布科克能源公司的鍋爐技術(shù)，進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行本生直流鍋爐，單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、兀型布置，蒸發(fā)量為1 900 t/h。設(shè)計(jì)煤種為神府東勝煙煤，燃用煤質(zhì)分析見表1，鍋爐配有6臺(tái)中速磨煤機(jī)，對(duì)應(yīng)6層共30只LNASB低NO。煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)，前后墻對(duì)沖三層布置，生物質(zhì)燃燒爐上部布置一層旋流OFA噴口。LNASB生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。生物質(zhì)燃燒爐中心風(fēng)為直流，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流，葉片角度分別為55。和15。。內(nèi)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度可調(diào)，外二次風(fēng)旋流強(qiáng)度不可調(diào)。
1.2 計(jì)算風(fēng)格與計(jì)算模型
計(jì)算區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格，對(duì)于全爐膛數(shù)值模擬，考慮計(jì)算機(jī)硬件限制，對(duì)生物質(zhì)燃燒爐進(jìn)行簡(jiǎn)化，進(jìn)口參數(shù)的選取與單只生物質(zhì)燃燒爐模擬結(jié)果一致。外二次風(fēng) 內(nèi)二次風(fēng)考慮生物質(zhì)燃燒爐醫(yī)域流場(chǎng)變化比較劇烈，網(wǎng)格劃分比較細(xì)密，保證中心風(fēng)、一次風(fēng)及內(nèi)、外二次風(fēng)在不同的網(wǎng)格中，進(jìn)一步避免偽擴(kuò)散的影響，進(jìn)行了網(wǎng)格數(shù)無(wú)關(guān)化驗(yàn)證后，劃分網(wǎng)格總數(shù)約9.67×l05;全爐膛生物質(zhì)燃燒爐及空間計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分見圖2。
(a)爐膛計(jì)算區(qū)域網(wǎng)絡(luò)
(c)生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后結(jié)構(gòu)
圖2全爐膛生物質(zhì)燃燒爐計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格劃分及生物質(zhì)燃燒爐結(jié)構(gòu)
數(shù)值計(jì)算采用尼一s雙方程模型計(jì)算湍流流動(dòng)；采用log-law壁面函數(shù)法對(duì)壁面附近進(jìn)行處理；用混合分?jǐn)?shù)一概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒；用P-l輻射模型計(jì)算輻射傳熱；采用單步反應(yīng)模型計(jì)算發(fā)分釋放；焦炭燃燒采用動(dòng)力／擴(kuò)散控制燃燒模型，煤顆粒跟蹤采用隨機(jī)軌道模型，粒徑分布遵循Rosin-Rammler分布[8-11]。對(duì)于NO。的計(jì)算，采取后處理的方法，收斂標(biāo)準(zhǔn)為殘差小于104。
1.3 NO計(jì)算模型
煤粉鍋爐NO的生成主要分為熱力型、快速型和燃料型三種[7-8]。本文計(jì)算，對(duì)于快速型NO，占總NO生產(chǎn)量很少，僅考慮NO組分的輸運(yùn)方程。對(duì)于燃料型NO，考慮燃料中的揮發(fā)分N先轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN和NH3，然后再轉(zhuǎn)化為NO，焦炭N直接轉(zhuǎn)化為NO。
1.4計(jì)算工況
本文計(jì)算了如表2所示22個(gè)工況的燃燒過程。頹定負(fù)荷設(shè)計(jì)工況下，5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求。本文計(jì)算額定負(fù)荷工況下投入A、B、C、E、F生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg／s；其中一次風(fēng)速為30.4 m／s，內(nèi)二次風(fēng)速為19.5 rI1／s，外二次風(fēng)速為55.6 rI1／s，0FA風(fēng)速為45 m／s。一次風(fēng)溫為350 K，二次風(fēng)溫為594 K。其他工況風(fēng)速根據(jù)負(fù)荷及過量空氣系數(shù)在上述風(fēng)量基礎(chǔ)上計(jì)算確定。
改進(jìn)前、后生物質(zhì)燃燒爐計(jì)算回流區(qū)形狀
投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，其中一次風(fēng)速為29 m/s，內(nèi)二次風(fēng)速為17.1 m/s，外二次風(fēng)速為48.8 m/s，OFA風(fēng)速為45 m/s。圖4為該工況下，爐內(nèi)不同高度水平截面速度場(chǎng)與溫度場(chǎng)。在旋轉(zhuǎn)對(duì)沖流場(chǎng)的作用下，在21 179 mm高度處，形成了兩排火焰高溫區(qū)，爐膛中心部分為低溫區(qū)，濕度場(chǎng)與流場(chǎng)表現(xiàn)出較好的協(xié)同性；隨著高度的增加，在26 192mm高度處爐膛中部，也就是雙排火焰交界處越來(lái)越成為爐內(nèi)的高溫區(qū)，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同性減弱；在31 205 mm高度的位置，火焰最高溫度向爐膛中心位置靠近，在上升流場(chǎng)的作用下，高溫區(qū)表現(xiàn)出向爐膛上方延伸的特性。中、下層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域沒有明顯的過余氧量，NO生成量較少且無(wú)明顯熱力型NO生成，上層生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域開始出現(xiàn)少量的過余氧量，燃盡風(fēng)區(qū)域出現(xiàn)了明顯的過余氧，NO體積分?jǐn)?shù)明顯減小。燃盡風(fēng)區(qū)域之后NO體積分?jǐn)?shù)又小幅度增加，因在于這一區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對(duì)煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳?xì)浠衔飳?duì)NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會(huì)有NO(如熱力型NO)生成，NO濃度開始緩慢增加[8-10]。
2.2.1 生物質(zhì)燃燒爐給粉方式的影響
鍋爐本身設(shè)計(jì)有6層生物質(zhì)燃燒爐，按照設(shè)計(jì)要求，鍋爐60%負(fù)荷、80%員荷及100%負(fù)荷下分別投入3層、4層及5層生物質(zhì)燃燒爐即可滿足要求，鍋爐在不同負(fù)荷下具體投入哪些層生物質(zhì)燃燒爐可以有多種選擇，對(duì)于對(duì)沖旋流燃燒鍋爐來(lái)說(shuō)，若投入下部生物質(zhì)燃燒爐，對(duì)煤粉燃燒，二次風(fēng)的投入依然是以分級(jí)配風(fēng)的形式投入的，只是風(fēng)量大小不同，從而起到控制燃料型NO生成的作用。因此，本文計(jì)算時(shí)在不同負(fù)荷下都首先選擇了下部生物質(zhì)燃燒爐[9-11]。在60%、80%負(fù)荷下，本文計(jì)算了投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐及投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐工況；100%負(fù)荷時(shí)本文分別計(jì)算了投入A、B、C、D、E層5層生物質(zhì)燃燒爐和投入A、B、C、D、E、F層6層生物質(zhì)燃燒爐工況；每種負(fù)荷工況下均計(jì)算了原始結(jié)構(gòu)和中心給粉2種方式下NO生成量。計(jì)算結(jié)果見圖6。圖6中NO分布曲線表明，常規(guī)給粉工況下，爐內(nèi)NO生成明顯高于生物質(zhì)燃燒爐中心給粉工況對(duì)應(yīng)的NO生成。其原因就在于主燃區(qū)生物質(zhì)燃燒機(jī)具有能夠單獨(dú)地控制火焰結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，下部生物質(zhì)燃燒爐實(shí)現(xiàn)中心給粉后，內(nèi)濃外淡的煤粉分布有利于NO還原區(qū)的形成，使氮化物可快速轉(zhuǎn)變成氣相，在一定氧氣濃度下，有一個(gè)還原性物質(zhì)生成的峰值用于加速火焰內(nèi)的NO還原[11-13]。另外，可避免發(fā)生延遲燃燒從而有益于降低燃料型NO排放。
對(duì)比圖6a～6d后可以發(fā)現(xiàn)，隨負(fù)荷的變化，NO生成并沒有特別顯著的變化，NO的生成也沒有與生物質(zhì)燃燒爐層數(shù)成比例增加。原因?yàn)橥度肷喜可镔|(zhì)燃燒爐后，上部生物質(zhì)燃燒爐提供的部分空氣可以作為下部燃煤燒器的燃盡風(fēng)，從而起到擬制NO生成的作用[13-14]，對(duì)比圖6a～6d還可以看出，相比之下，生物質(zhì)燃燒爐的投運(yùn)方式對(duì)NO生成影響更顯著。
下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，不同負(fù)荷條件下，中心給粉生物質(zhì)燃燒爐的投入數(shù)量的比例不同，爐膛出口處NO濃度變化較大。將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖7，圖7中橫坐標(biāo)字母表示生物質(zhì)燃燒爐投入層數(shù)。通過柱狀圖可以看出，投入中心給粉生物質(zhì)燃燒爐數(shù)量較多時(shí)，NO排放較低；同時(shí)還可以看出，減少生物質(zhì)燃燒爐投入量時(shí)，NO排放明顯降低。
2.2.2 二次風(fēng)的影響
60%負(fù)荷時(shí)投入A、C、E共3層生物質(zhì)燃燒爐；80%負(fù)荷時(shí)投入A、B、C、E共4層生物質(zhì)燃燒爐，100%負(fù)荷時(shí)投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐；100%負(fù)荷時(shí)過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進(jìn)行配風(fēng)，其他負(fù)荷工況在此基礎(chǔ)上計(jì)算得出。內(nèi)二次風(fēng)開啟與關(guān)閉情況下爐內(nèi)NO分布見圖8。三種負(fù)荷工況下，在主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)不變的情況下，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO分布與排放均有所降低，其中100%負(fù)荷時(shí)更為明顯，爐膛出口NO排放量下降22%;通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后原始結(jié)構(gòu)情況下NO的生成下降明顯。中心給粉燃燒器在各工況下NO的生成較低，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后NO的生成下降不明顯。
2.2.3 過量空氣系數(shù)的影響
投入A、B、C、D、E、F共6層生物質(zhì)燃燒爐，下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，鍋爐給煤量為66 kg/s，保持燃盡風(fēng)率18%，通過改變主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域風(fēng)量的方式改變過量空氣系數(shù)，計(jì)算和分析爐內(nèi)NO的生成特點(diǎn)。圖9為不同過量空氣系數(shù)s下沿爐膛高度方向不同水平截面平均溫度分布曲線。不同過量空氣系數(shù)下沿爐膛高度溫度分布曲線量空氣系數(shù)下，爐內(nèi)溫度沿爐高的分布在趨勢(shì)上是一致的，在32 m以前，也就是主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)，隨煤粉不斷噴入燃燒，煙氣平均溫度沿爐高方向大幅度上在主燃燒區(qū)后由于沒有風(fēng)、粉繼續(xù)投入，溫度開始下降，在35 m標(biāo)高處，也就是OFA風(fēng)噴入前氧量與溫度下降到一個(gè)最低點(diǎn)。
圖10為不同過量空氣系數(shù)下沿爐高方向不同水平截面平均NO分布曲線。根據(jù)NO變化規(guī)律，可以將曲線分為4個(gè)區(qū)段，21～27 m的NO濃度迅速增加區(qū)，也是A、B、C、E層煤粉投入?yún)^(qū)域，在一區(qū)域中，隨著煤粉的不斷投入，爐內(nèi)NO濃度沿爐高方向迅速增加，對(duì)比圖9可以看出，這一區(qū)124機(jī)械工程學(xué)報(bào)第47卷第10期段內(nèi)煙氣溫度也是迅速增加的，可見該區(qū)段內(nèi)NO濃度的增加是由于煤粉不斷投入燃燒造成的。
3 生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后效果
在27～33 m區(qū)段，NO濃度緩慢下降，根據(jù)該鍋爐生物質(zhì)燃燒爐設(shè)計(jì)，D、F層生物質(zhì)燃燒爐布置在這一區(qū)域，這2組生物質(zhì)燃燒爐噴入的煤粉本身攜帶的燃料N可以轉(zhuǎn)化為NO，使煙氣中NO濃度增加，但煤粉提供的C、H等元素也可還原煙氣中的NO，使煙氣中NO濃度下降，由于該爐主燃區(qū)處于貧氧燃燒狀態(tài)，因此，NO不會(huì)顯著生成。
對(duì)于33～35 m區(qū)段NO濃度表現(xiàn)為迅速下降趨勢(shì)，必須考慮的問題是NO濃度下降是否代表NO還原。NO濃度下降可以是NO被還原造成的，也可能是更多空氣送入導(dǎo)致煙氣被稀釋造成的。在計(jì)算中，該區(qū)段投入風(fēng)量占主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)風(fēng)量的20%，在這一區(qū)段僅僅依靠投入空氣的稀釋作用就能使煙氣中NO濃度下降20%，圖10曲線數(shù)據(jù)則表明這一區(qū)段內(nèi)NO濃度的下降基本在17%左右，NO濃度下降幅度沒有達(dá)到稀釋作用能夠到達(dá)的幅度，可見，在這一區(qū)域雖然NO沒有顯著地生成，但確實(shí)是生成并增加了。
在35 m以上，NO又小幅度增加，原因在于這～區(qū)段，不再有空氣送入，空氣對(duì)煙氣的稀釋作用消失，由于煙氣溫度比較高，煤中的可燃成分基本燃燒充分，碳?xì)浠衔飳?duì)NO的還原作用消失，而煙氣中殘留一定的氧，會(huì)有NO(如熱力型NO)生成，濃度開始緩慢增加。在不同過量空氣系數(shù)條件下，爐膛出口處氧濃度是不同的，將不同工況下爐膛出口處NO折算到6%氧條件可得圖11，可見過量空氣系數(shù)越大，NO排放越多。
本文計(jì)算以設(shè)計(jì)工況為基礎(chǔ)，100%負(fù)荷下投入A、B、C、D、E共5層生物質(zhì)燃燒爐及6層生物質(zhì)燃燒爐全部投入，過量空氣系數(shù)為1.15，鍋爐給煤量為66 kg/s，按照基礎(chǔ)工況進(jìn)行配風(fēng)，其他負(fù)荷工況在此基礎(chǔ)上計(jì)算得出。原設(shè)計(jì)NO排放小于400 mg/m3(6%氧)，擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)計(jì)算值為332 mg/m3(6%氧)，生物質(zhì)燃燒爐改進(jìn)后實(shí)測(cè)值為345 mg/m3(6%氧)，對(duì)比不同負(fù)荷NO排放實(shí)測(cè)與計(jì)算值（表31，計(jì)算值與實(shí)測(cè)值最大偏差在10%以內(nèi)；對(duì)比80%負(fù)荷及60%負(fù)荷工況計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，最大偏差都在10%以內(nèi)，達(dá)表明計(jì)算是比較準(zhǔn)確的，利用CFD預(yù)測(cè)燃燒系統(tǒng)擬改進(jìn)結(jié)構(gòu)NO排放特性是可行的，能比較有效地反應(yīng)爐內(nèi)實(shí)際NO生成特性。
4結(jié)論
(1)在爐膛不同高度處，風(fēng)、粉氣流形成3層棋盤式布置的旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)。隨著爐膛高度的增加，溫度場(chǎng)與流場(chǎng)的協(xié)同性不斷減弱。
(2)生物質(zhì)燃燒爐實(shí)現(xiàn)中心給粉后，100%負(fù)荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時(shí)NO排放量下降16%;主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)減小，NO排放減少；各工況對(duì)應(yīng)爐內(nèi)溫度相差不大。
(3)下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，改變過量空氣系數(shù)，根據(jù)NO濃度沿爐高方向的變化規(guī)律，可以將爐膛沿爐高分為4個(gè)區(qū)段，21～27m的NO濃度迅速增加區(qū)，27～33 m的NO濃度緩慢下降區(qū)，33: -35m的NO濃度迅速下降區(qū)，以及35m以上的NO濃度緩慢增加區(qū)。
(4)下層生物質(zhì)燃燒爐中心給粉，保持主生物質(zhì)燃燒爐區(qū)域過量空氣系數(shù)不變，關(guān)閉內(nèi)二次風(fēng)后，NO生成量下降明顯，100%負(fù)荷投入5層生物質(zhì)燃燒爐時(shí)NO排放下降22%。
生物質(zhì)燃燒機(jī)，http://www.jiegankeliji.com
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
