300MW贫煤锅炉低氮燃烧改造数值模拟.pdf

第 4 6卷第 3 期 2 0 1 5年 5 月 锅炉技术 B0I LER TECH N0L0GY Vo 1 ． 4 6，NO ． 3 M a y ． ，2 0 1 5 3 0 0 MW 贫煤锅炉低 氮燃烧 改造数值模拟 李永华 ，王士桥 ，郑平安 1 ．华北 电力大学 能源动力与机械工程 学院 ，河北 保定 0 7 1 0 0 3 ； 2 ．西安普华燃烧 工程有 限公 司 ，陕西 西安 7 1 0 0 4 3 摘要 对某 电厂 3 0 0 Mw 贫煤锅炉低氮燃烧改造前 后不 同负荷进 行数值 模拟 ， 研究分 析改造 前后锅 炉炉 内流场 、 温度场和组分浓度分布 的变化 ， 找到氮氧化物 排放 规律 。计算结 果表明 炉膛流动燃 烧符合 四角切圆 锅炉实际运行情 况。低 N O x燃烧改造后 ， 在 炉膛 出 口过量 空气 系数 一定 条件 下 ， 各负荷运行 N0 排放浓度下 降均在 4 O 以上 ， 锅炉效率也有不同程度的提高 ， 同时未 带来 明显 的负 面效应 ， 改造对同类锅炉改造具有 指导 意义。 关键词 四角切 圆锅炉 ；NO 排放 ；S O F A；数值 模拟 中图分类号 T K2 2 4 文献标识码 - A 文章编 号 1 6 7 2 4 7 6 3 2 0 1 5 0 3 0 0 0 5 0 7 0 前 言 煤 炭是我 国最 主要 的一 次 能 源 ， 然 而煤 的燃 烧对环境造成 了极大 的破坏， 燃烧过程 中产生 的 氮氧化物 以下简称为 NO 是我 国大气污染 的 主要 来 源之一 。NO 排放 到 大气 中会 导致 酸 雨 、 光化学烟雾等污染 ， 对人类和环境 的危 害极 大。 火电厂燃煤量 占到每年煤 炭消耗总量的一半 以 上 ， 所 以控制 电站锅 炉 NO 排 放是 实现 可持续 发 展 的必 然选择 。 现代低 NO 燃烧技术主要利用空气分级和 燃料分级技术 ， 我 国电站常用的是分离式高位燃 尽 风 S OF A 和高效 低氮 燃 烧器 L NB 相 结合 的 技术方案。计算流体力学是 随着计算机技术发 展起来的， 利用 F l u e n t 软件对锅炉炉内过程进行 数值 求解 ， 来 指导 锅炉 设 计 、 改 造 ， 现 已经成 为 能 源动 力领 域研 究 复杂 传 热 、 传 质 过 程 的 三 大基 本 方法 之一 [ 。 燃 煤 品质 、 燃 尽 风 布 置 、 三 次 风 、 过 量 空 气 系数 、 一次风速等 因素共 同作用影 响锅炉 NO 生 成 排 放 特 性[ 2 ] 。其 中， 燃 煤 品 质 是 影 响 NO 生 成 和 排 放 的 根 本 因 素 。 由于 我 国 能 源 政 策 要 求 火 电 厂尽 量 燃 用 劣 质 煤 ， 导 致 电 厂 普 遍 燃 烧 非 设 计 煤 种 ， 燃 煤 品质 越 来 越 差 ， 因 此 ， 研究 劣质烟 煤 和贫煤 锅 炉 降低 氮气 工 作 十分 紧迫 。实 际 上 ， 国 内 对 燃 用 贫 煤 热 风 送 粉 系 统 机 组 改 造 成 功 经 验 较 少 ， 改 造 后 NO 排 放 浓 度 一 般 在 5 5 0 mg ／ Nm 以 上 ， 同 时 带 来 的 是 燃 烧 过 程 恶 化 ， 飞灰 、 炉 渣 含 碳 量 上 升 ， 锅 炉 效 率 下 降 ， 负 面效 应 明显 E 5 - 6 3 。 本文以某电厂 1号锅炉 复合式低氮改造 前 后不同负荷工况进行数值模拟， 并将计算得到的 温度场 、 速度场和组分场与锅炉运行试验数据进 行对 比， 为 此 类 锅 炉 改 造 运 行 调 整 提 供 有 益 借鉴 。 1 研究对 象与模 型选择 1 ． 1锅炉基 本概 况和 改造 内容 某 电厂 1号 锅 炉 为 哈 尔 滨 锅 炉 厂 有 限 责 任 公 司 引 进 C E 公 司 技 术 生 产 制 造 的 HG1 O 2 5 ／ 1 8 ． 2 - YM1 3型锅 炉 ， 设 计 煤 种 为海 运 烟 煤 ， 校 核 煤 种 为本 地 贫 煤 ， 于 2 0 0 1年 投 产 。锅 炉 燃 烧 器 采用四角布置 ， 每角 自下到上共有 A、 B、 c、 D、 E 5 层 一 次风 喷 口 ， 8 层 二次 风 喷 口 ， 顶部 为 两层 三 次 风 。燃烧器 组 为双通 道 宽 调节 比 WR 燃 尽 风反 切 的组 合形 式 。 自投 产 以来 ， 锅 炉 NO 排 放 浓度 一直偏 高 ， 大约在 7 5 0 8 5 0 mg ／ Nm。 。由于 国家环保要求越来越高， 电厂对锅炉进行低氮燃 收 稿 日期 2 0 1 4 0 91 9 作者简介 李永华 1 9 6 8一 ， 男 ， 教授 ， 主要从事燃烧理论方面的研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 锅 炉 技术 第 4 6 卷 分 布较 为均 匀 ， 分 布 特 点 基 本 类 似 在 燃 烧 器 区 域燃烧最为剧烈 ， 温度 升高最快 ， 且温度极值点 与图 2中速度极值点重合 ， 这表明煤粉喷进炉膛 即实现 挥 发 分 迅 速 析 出 着 火 。随 着 烟 气 上 升 温 度 分布 也呈 现出先 两 侧 高 中心低 ， 后 中心 高 两侧 低 的分 布特 点 ， 与 流场分 布一致 。 从 图 3 b 平均 温度 曲线可 以看 出 ， 改造 前燃 烧器 区域过 量空气 系数 较大 ， 截 面 平均 温 度 随 炉 膛高度 增加 而迅 速 升高 ， 到顶 层 燃 烧器 与 燃 尽 风 之 间达到 温 度 最 大 值 。之 后 由 于水 冷 壁 大 量 吸 收火 焰辐 射 传 热 同时 大 量 低 温 煤 带 粉 三 次 风 的 喷人 ， 使炉 膛 平 均 温 度 有 明显 波 动 降低 ， 在 此 时 喷入 三次 风 是 不 利 于 焦 炭 燃 烧 和 三 次 风 煤 粉 迅 速着 火 的 ， 故 本 次 改 造 将 部 分 三 次 风 下 移 ， 以改 善 这一 区域 的 温度 波 动 情 况 。随 着 烟 气 继 续 上 升 ， 水冷壁 继续 吸 收烟 气 对 流 辐 射 换 热 ， 烟 气 温 度逐渐降低 。改造后燃 烧器区域燃烧仍然很剧 a 平均氧浓度 烈 ， 但 此时 由于 主 燃 烧 区过 量 空 气 系数 降低 ， 使 得 该 区域火焰 为 高温 还 原性 火 焰 ， 有 助 于最 大 限 度抑制 着火 阶段 挥 发 分 N 转 化 为 NO。 由于 主 燃烧区过量空气系数 降低， 使得改造后主燃烧 区 的温度低于改造前 ， 但是燃烧器区域以下到冷灰 斗 区域 则 明显高 于 改造 前 ， 这 表 明改 造 后 炉膛 下 部燃烧得到加强 ， 有利 于降低炉渣 含碳量 ， 降低 锅炉机械未完全燃烧热损失 ， 提高锅炉效率 。此 外 ， 从 图 3中还 可 以看 出 ， 改造 后 由 于 S OF A 的 作用 ， 使 得 整个 炉膛 温 度分 布 更 加 均 匀 ， 在 主燃 烧 区上 方 由于大量 二 次 风在 此 时补 入 ， 未 燃 尽 的 焦炭在此进一 步燃烧使得此 区域温度水平 有所 上 升 ， 分 级燃 烧效 果 明显 。 3 组 分场 分析 图 4是 3 0 0 Mw 负 荷 时 锅 炉改 造 前 后 沿 炉 膛 高度 方 向截 面平 均 氧浓 度 、 C O浓 度 、 C 0 。 浓 度 和 NO浓 度分布 曲线 。 吕 e 避 0 Z 霜 暄 锰 图 4 改造前后 3 0 0 Mw 负荷下沿炉膛高度方 向截面平均氧浓度 、 C O浓度 、 C O z 浓度和 NO浓度 对 比图 3 b 和 图 4可 以看 出 在 主燃 烧 区炉 膛横 截面 平 均 氧 量 与 平 均 温 度 的 分 布 呈 现 相 反 趋势 。这 是 由于主燃 烧 区煤 粉 大 量 喷人 ， 煤 粉 中 挥发分迅速析出与此区域助燃风混合燃烧 ， 消耗 大量 氧气 ， 释 放 大 量 热 量 ， 使 得 此 区域 氧 浓 度 急 剧 降低 ， 结合 四 角切 圆锅 炉 燃 烧 方 式 ， 助 燃 风 与 一 次风相 问布 置 ， 氧量 消耗 与 补 充 同时 存 在 ， 故 此 区域 氧量波 动 明显 。随着 炉膛 高 度 的 增 加 ， 挥 发 分基本 燃 烧 完 毕 ， 三 次 风 和 燃 尽 风 大 量 补 人 ， 导 致温 度水平 有短 暂 降 低 ， 随后 未 完全 燃 烧 焦 炭 进一步着火 燃尽， 消耗大量氧气 ， 释放热 量使 炉 膛 烟气 温度 又有所 上 升 。对 比氧 浓度 曲线 和 C O 仍伽 仰扔姗 扔渤 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 李永华 ， 等 3 0 0 Mw 贫煤锅炉低氮燃烧改造数值模拟 浓度 曲线可以看 出， 改造前后在主燃烧 区都有不 同程 度 C O生成 ， 生成 浓度 与氧浓 度成 反 比关 系 ， 这说 明 主燃烧 区火 焰 是还 原 性 高 温火 焰 ， 有 助 于 抑制 燃 料 型 NO 生 成 ， 还 有 助 于 将 已 生 成 的 NO 还原 。 同时 ， 改 造 后 将 部 分 二 次 风 上 移 ， 使 得主燃烧区过量空气系数进一步下降为 0 ． 8 5 ， 导 致改造 后 主 燃 烧 区及 以下 区域 氧 量 远 低 于 改 造 前 ， 对 燃 料 型 NO 的生成 起 到 极 大 的抑 制 作用 ， 而随着 s OF A 的补入， 使得标 高在 3 2 m 以上区 域改造 后 氧量高 于 改造 前 。此 后 焦 炭 逐 渐燃 尽 ， C O进 一 步氧化 为 C O ， 氧量 进 一 步 降低 ， 改 造前 后 趋于 一致 。对 比 氧 浓度 、 C O 浓 度 和 C o 。 浓 度 曲线结合图 3可以看 出， 改造后主燃烧区以下燃 烧得到加强 ， 改造后温度高于改造前 ， C O 浓度也 有所提高， 在主燃烧区域 C O。 浓度变化趋势基本 一 致 ， 在 波动 中上 升 。随着 烟气 上 升 到 燃尽 风 区 域 ， C Oz 浓 度 出现稀 释性 降低 ， 随 着 C O 和 焦炭 进 一 步 燃 烧 氧 化 ， C O 浓 度 逐 渐 增 加 ， 到 炉 膛 出 口 C O 浓度基 本 在 1 6 左 右 。 在锅 炉 排 放 的 NO 中， 绝 大 部 分 是 NO， 故 本 文只讨 论 N0 的生 成 与抑 制 。整 体 上 看 ， 改 造 前后 平 均 NO生成 曲线变 化 是 一 致 的 ， 在燃 烧 器 下部区域 由于温度较低 ， 且 处于氧化性气 氛， 使 赠 四 喧 裎 越 赠 日 1 嚏 糍 得 生成 的 NO不 易被 还 原 ， 故 NO 浓 度偏 大 。在 主燃烧 区 域 ， 改 造 前 由 于未 进 行 深 度 空 气 分 级 ， 大 量煤 粉喷进 炉膛 后 ， 由于 高 温会 生成 大 量 NO， 同时局 部缺 氧 导 致 生 成 部 分 C O， 可 以使 生成 的 NO 部分 被 还 原 ， 总 体 上 改 造前 生 成 的 NO 比还 原 的 NO大 得 多 。在 改 造 后 将 燃 烧 器 区域 过 量 空气 系 数 进 一 步 降 低 为 0 ． 8 5 ， 进 行 深 度 空 气 分 级 ， 使 得 此 区域 还 原 性 大 大 增 强 ， 被 还 原 的 NO 量大大增加， N0浓度 比改造前降低 了 6 0 ～9 0 1 O一 。 改造 前在 主燃 烧 区上 部 三 次 风 和 燃 尽 风 喷 人 的位置 使得 NO 浓 度 出现 稀 释 性 降低 ， 随后 焦 炭继续燃烧 ， 温度水平上升 ， 焦炭 中的 N进一步 被氧化成 NO， 故 NO浓度又逐渐增大直至焦炭 燃烧完毕 。改造后由于 s OF A分级配风的作用 ， 使得在 焦炭 燃烧 阶段 温度 相 对 降低 下 来 ， 燃 料 型 NO和热 力 型 NO 都会 降低 ， 故 随着 焦 炭 的燃 尽 ， 生成 的 NO增加 不 大 。总 体 上 ， 改 造后 最终 排 放 的 NO比改造前降低 了约 1 2 5 1 0 ～。 2 ． 2 ． 2 2 4 0 Mw、 1 8 0 Mw 数值模拟结果分析 图 5 、 图 6是 改造 前 后 2 4 0 MW 和 1 8 0 MW 下模拟计 算 温 度场 和组 分 场 沿炉 膛 高度 分 布 曲线 。 截面高度， m b C O 浓度 图 5 改造前后 2 4 0 Mw 负荷 沿炉膛高度截面温度和 C 0、 N0浓度 a 截面温度 晏 呈 器 c N O 浓度 图 6 改造前后 1 8 0 Mw 负荷沿炉膛高度截 面温度 和 C O、 NO浓度 c 】 N O 浓度 仍伽 伽 姗 l毫 瑚 g d d 、 艇0 z 恒颁 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 锅 炉 技术 第 4 6 卷 分 析 2 4 0 MW 、 1 8 0 MW 负荷 时炉 内温 度 场 分 布 规律 与 3 0 0 MW 负 荷 时 基 本 相 同 。燃 烧 器 下部区域 温度水平 随负荷 降低 而降低 ， 燃 烧器 区域温度 场 随负 荷 的变化 未有 明显 降低 或升 高 ， 在燃烧 器上方 区域 则随着 负荷降低 温度水 平 有 明显 降低 。对 比 C O 浓 度 曲线 看 出 各 负 荷 下分布特征基本类似 ， 在 1 8 0 Mw 下改 造前后 分级 配 风最 难 以 实 现 ， 因为 此 时 既 要 保 证 稳 燃 ， 同时兼顾 降氮 ， 所 以此 负荷下 改造前后燃 烧器 区域 C 0 浓 度 相 差 不 大 。对 比 NO 浓 度 曲 线 可 以看 出 ， 各 负 荷下 NO生 成 分 布趋 势 基 本 一 致 ， 但不 同负荷最终 N O排放浓度 略有 差异。但无 论 是 哪个 负 荷 点 ， 改 造 后 生 成 的 NO 浓 度 均 比 改 造前 低 。 3 锅炉改造总体 评价 锅炉改造后 ， 为保证锅炉运行特性同时验证 低氮 改造 效 果 ， 相 关 人 员 进 行 了性 能 考 核 试 验 。 试验 分别 在 机 组 负 荷 为 3 0 0 Mw 、 2 4 0 MW 、 1 8 0 Mw 下进 行 ， 试 验 记 录 了 锅 炉 运 行 主 要 参 数 ， 现 场测量了烟气成分采集 了飞灰和炉渣样 品， 对锅 炉效率进 行 了计算 ， 部 分试 验结果如 表 3 ～4 所示 。 表 3 改造后 锅炉 性能试 验与 数值计 算结 果对 比 通过表 3可以看出改造后各负荷点 NO 浓 度均有 明显降低 ， 最高 降幅达到 4 0 以上， 这是 考虑低氮燃烧器更换带来降低 NO 效果 的计算 值 。这 与性 能试 验 期 间锅 炉在 3 0 0 Mw 负 荷 下 NO 排放浓度在 4 2 0 ～4 6 0 mg ／ Nm。 值 接近， 表 明数 值模 拟结果 比较 准确 。 对 比表 4改造 前 后 锅 炉 运 行 数 据 ， 改 造 后 温 度 场 有 改 观 ， 冷 灰 斗 区 域 温 度 水 平 上 升 ， 有 利 于控 制 炉渣 含 碳 量 ， 同 时 燃 尽 风 以上 区 域 温 度的上升使得 飞灰 含碳量 明显 降低 ， 带 来 的负 面效 果 是 锅 炉 减 温 水 的增 加 ， 但 还 是 在 设 计 范 围内， 故 此 次 改造 NO 排 放 浓 度达 到 设 计 标 准 ， 机 组 运 行 稳 定 ， 飞 灰 、 炉 渣 含 碳 量 显 著 降 低 ， C O 排 放 浓 度 达 到设 计 指 标 ， 改 造 兼 顾 经 济 和 环 保 两 方 面 。 表 4锅炉 改造前 后试 验结 果对 比 4 结 语 本文利用 F l u e n t 软件模拟计算 了电厂 1 号 锅 炉改造 前后不 同负荷 下 炉 膛 流动 、 燃 烧 和 污染 物生成特性， 并通过性能试验验证数值计算 了可 靠性 ， 计算 结果 与试 验 结 果 能较 好 吻合 。结果 表 明 改造 前 后 炉膛 均 能 实 现 良好 流 动 ， 燃 烧 情 况 改造后得到较好改善 ， 飞灰含碳量和 N 排放浓 度显著降低 ， 改造取得良好效果 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 李永华 ， 等 3 0 0 Mw 贫煤锅炉低氮燃烧改造数值模拟 1 1 参 考文献 [ 1 ] 李 永 华．燃 烧 理 论 与 技 术 [ M] ．北 京 中 国 电 力 出 版 社 ， 2 01 1 ． [ 2 ]张晓辉 ， 孙锐 ， 孙 绍增 ， 等． 燃尽 风 与水 平浓 淡燃 烧 联用 对 NO 生成的影响I- J ] ． 中国电机工 程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 1 0 5 6 6 1 ． [ 3 ]苟湘 ， 周 俊虎 ， 周 志军 ， 等． 三次 风 对 四角切 圆锅 炉 燃烧 和 NO 排放的影 响[ J ] ．中 国 电机工 程学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 8 7 1 2 ． [ 4 ]童家鳞 ， 赵振宁 ， 叶学民， 等． 某 3 0 0 Mw 机组锅 炉 N O 排放 特性数值模拟[ J ] ．热力发 电， 2 0 1 3 ， 4 2 6 5 1 5 7 ． [ 5 ]周新雅． 大 型燃煤 电站锅 炉低 氮燃烧 技术 分析及 应用 策 略 口] ．华东电力 ， 2 0 0 3 1 0 6 9 8 7 0 3 ． [ 6 ]潘维 ， 池作和 ， 斯东波 ， 等．2 0 0 Mw 四角切圆燃烧 锅炉改造 工况数值模 拟 [ J ] ．中 国 电机 工程 学 报 ， 2 0 0 5 ， 2 5 8 1 1 0 11 5 [ 7 ]齐晓娟 ， 李风瑞 ， 李剑， 等．3 0 0 MW 机 组四角切 圆燃烧锅 炉 NO 排放数值模拟[ J ] ．热力发电 ， 2 0 1 3， 4 2 2 4 9 5 3 ． E 8 ]G D V D， GD M． An e v a l u a t i n o f u p win d a n d c e n t r a l d i f f e r e n c e a p p r o x i ma t i o n b y a s t u d y o f r e c i r c u l a t i o n f l o w[ J ] ． Co mp u t e Fl u i d s ， 1 9 7 6 4 ． [ 9 ]朱彤 ， 马喜辰 ， 董鹏 ， 等．切向燃 烧炉膛 中网格 划分方法对 数 值模拟的影响 [ J ] ．哈尔 滨工业 大学 学 报， 1 9 9 7 ， 2 9 5 5 9 6 1 ． [ 1 0 ]刘 向军 ， 徐旭常． 采用不同网格比较伪扩散对 四角切 圆型炉 膛流场计算 的影 响[ J ] ． 燃烧 科学 与技 术 ， 1 9 9 7 ， 3 2 1 1 4 1 1 7 ． 1, 1 1 ]王志刚， 禚玉群 ， 陈 昌和 ， 等． 四角切圆锅炉流场伪 扩散效应 网格 的研究[ J ] ． 中国电机工程学报 ， 2 0 0 7 ， 2 7 5 2 2 2 8 ． [ 1 2 ]刘煜 ， 李冠华 ，闽安民．挥发分氮和 焦炭氮对 N2 o生成 的 相对 贡献 的研究方法对 “ 原煤／ 焦 炭分别 燃 烧实验 法” 的研讨 口] ．中国电机工程学报 ， 2 0 0 0 ， 2 0 3 7 2 7 6 ． 3 0 0 MW L e a n Co a l f i r e d Boi l e r o f L o w Ni t r o g e n Co mb u s t i OR Nu me r i c al Si mul a t i o n LI Yo ng h ua ， W ANG Sh i q i a o ， ZH ENG Pi ng a n。 1．Sc hoo l of En e r g y Po we r a nd M e c ha ni c a l Eng i n e e r i n g， Nor t h Chi na El e c t r i c Powe r Uni v e r s i t y， B a o d i n g 0 7 1 0 0 3 ， C h i n a ；2 ．Xi ’ a n P u h u a Co m b u s t i o n En g i n e e r i n g C o ． ，L t d ．，Xi ’ a n 7 1 0 0 4 3 ，C h i n a Ab s t r a ct U s i ng s i mul a t i ng s o f t wa r e e a e ul a t e d a l e a n c oa l f i r e d 3 00 M W u ni t i n d i f f e r e n t l o a d s be f o r e a n d a f t e r mo di f i c a t i o n ． Re s e a r c hi ng t he d i f f e r e nc e s of t h e f l o w f i e l d， t h e t e m p e r a t u r e f i e l d a n d t he c o mpo s i t i o n f i e l d， f i n d t he N O e m i s s i o n r ul e be t we e n t r a ns f o r ma t i o n．The r e s ul t s s h ow t h a t t he f l o w f i e l d a n d t h e t e m p e r a t u r e f i e l d me e t we l l wi t h t h e a c t ua l o pe r a t i o n． W i t h f ur na c e e x po r t e xc e s s a i r c oe f f i c i e nt un de r c e r t a i n c o nd i t i o ns ， e v e r y l oa d o pe r a t i o n t he NO e m i s s i on de c r e a s e s mo r e t ha n 4 0 a n d t he b oi l e r e f f i c i e nc y i n c r e a s e s i n va r y i n g de gr e e s， wi t h ou t o bv i o us n e g a t i v e e f f e c t a f t e r m o d i f i c a t i o n． The mod i f i c a t i o n ha s r e f e r e nc e f l ue n c e o f t he s i mi l a r b o i l e r ． Ke y wor d s t a n ge nt i a l l y f i r e d bo i l e r ； NO e mi s s i o n； S OFA ； nu m e r i c a l s i mul a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m