1000MW超超临界锅炉NO_x生成特性的数值模拟研究.pdf

第 4 2卷第 3 期 2 0 1 1年 5月 锅 炉 技 术 BOI LER TECHNOLOGY Vo 1 ． 4 2，No ． 3 M a y ．，2 0 1 1 文章编 号 CN3 1 1 5 0 8 2 0 1 1 0 50 0 4 70 6 1 0 0 0 MW超超临界锅炉 N O 生成特性的数值模拟研 究 沈跃云 ，高小涛。 ，章名耀。 1 ．江苏经贸职业技术学 院，江苏 南京2 1 1 1 6 8 ； 2 ．江苏省电力试验研究 院有限公司 ， 江苏南京2 1 1 1 0 0 ； 3 ．东南大学能源与环境学院 ，江苏 南京 2 1 0 0 9 6 摘 要 新建 的大型燃 煤电站锅炉设 计中均采用了低 NO 燃烧 系统 ， 通过对炉 内燃烧过程的合理组织来实 现低 NO 生成和排放 。采用计算流体力学 C F D 模拟 的方 法， 完成 了对某 电厂采用 先进低 N O 燃烧 系统的 1 0 0 0 Mw超超l }缶 界锅炉的计算 和分 析。对 通过 数值模 拟计 算获 得的炉膛 温度 场 、 C O浓 度场 、 0 浓 度场 和 NO 浓度场进行分析 ， 证 明锅炉主燃区的燃烧方式属于还原性气氛燃 烧方式 ， 因而能 实现 锅炉低 NO 排放的 预期 目标 。 关键词 超超临界锅 炉；低 NO 燃烧 ；NO j排放 ；C F D数值模拟 中 图 分类 号 TK2 2 9 ． 2 文献 标 识 码 A 0 前 言 1 锅炉炉膛和燃烧器概况 实现低 NO 排 放 是 现代 电站燃 煤 锅 炉设 计 和运 行 的基 本原 则 之一 。近 年来 ， 新 建 大 型 电厂 锅炉 中均采用 低 NO 燃烧 系统 ， 如新投 产 的国产 l 0 0 0 MW级超 超临界锅 炉 中无一 例 外 地采 用 了 最先进 的低 NO 燃 烧器 结合炉 内空气 分级[ 1 ] ， 通 过对炉 内燃烧 过程 的合 理组 织 来实 现 低 NO 生 成 和排放 。 虽然采用经验性 关系或 智能优 化 等方法 可对 运行 中的 NO 排放浓 度进行 预测 ， 但 由于 炉 内流 动 、 燃烧过程非常复杂 ， 影 响锅炉 NO 排放 的运行 因素很多 ， 而运 行 中这 些 因素 的 变化 及 其影 响 也 很复 杂 ， 因 而 预 测 的 精 度 有 限 。计 算 流 体 力 学 C F D 技术 可以模 拟炉 内复杂的流动和反应 过程 ， 随着 计算 方 法 和基础 模 型研 究 方 面 的进 步 ， 模 拟 的准确性 日益 提高瞳 ] 。相对 于其 它 预测 方 法 ， 理 论上 ， 在 已知运行 条件的前提 下 ， C F D技术 可对锅 炉 NO 的生成和排放进行较可靠 的预测[ 2 - 3 ] ， 因 此 ， 作为重 要辅 助工 具 目前 在 国 内外 被 广泛 用 于 锅炉设计和 降低 NO 的技术 改造 ] 。为 了了解某 电厂1 0 0 0 Mw级超超临界 锅炉锅 炉炉 内流 动 、 燃 烧过程和 NO 生 成特性 ， 采用 C F D模 拟 的方 法 ， 研究炉 内燃烧 和 N O 生 成过程 ， 为锅 炉燃烧 系统 的优化运行和 NO 排放控制提供参 考依据 。 数值模 拟 的对 象是 某 厂超 超 临 界 1 0 0 0 Mw 机 组锅炉 的炉膛 。该 炉膛 横 截 面 为长方 形 ， 由膜 式水 冷 壁 构 成 。炉 膛 宽 度 为 3 2 0 8 4 mm、 深 度 1 5 6 7 0 mm、 高度6 5 9 0 0 mm。炉膛上方布置高度 为 1 4 5 0 O mm 的分 隔屏 和屏 式过 热器 。 锅 炉炉膛 为长方 形 结构 ， 其燃 烧器 布 置 在前 后 墙上 ， 共 布 置 8只 燃烧 器 ， 前墙 布置 4只燃 烧 器 ， 后墙 布 置 4只燃 烧 器 ， 逆 时 针 排 列 ， 顺 序 为 No ． 1 ～No ． 8 。8只燃 烧 器 为反 向双 切 圆摆 动 式 燃烧 器 ， 见 图 1 。 8 n N 寸 蠹 寸 8 n 侧墙 图 1 燃烧器布置示意图 收稿 日期 2 O l o 一0 71 5 ； 修回 日期 2 O l O 0 7 3 1 作者简介 沈跃 云 1 9 6 6 ， 女 ， 副教授 ， 主要从事现代教育技术、 工程应用数学等方面研究 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 8 锅 炉 技 术 第 4 2卷 2 计算 区域 和网格 计算 区域包 括整 个炉 膛 及屏 区 ， 从冷 灰 斗 到 屏式过 热器 后 的炉 膛 出 口烟 窗 。其 中 ， 分 隔屏 、 屏式过 热器 采 用 和 这 些受 热 面 尺 寸 相 同 的平 板 来近似 ， 用其表 面来模 拟 这些 炉膛 辐 射受 热 面 和 炉 内火 焰 、 烟气 之间 的辐 射换热 。 计 算 根据 锅炉 和 燃 烧 器 的 实 际 结 构 尺 寸 在 以上 区 域 划 分 计 算 网格 。在 网格 划 分 时 ， 各 角 燃烧 器各 喷 口和 AA 风 喷 口采 用 了实 际 的尺 寸 和结 构 布置 。为 适 应燃 烧 器 喷 口 的尺 寸 和实 际 的结 构布 置 ， 并 考虑 燃 烧 器 喷 口附 近 区域 流 动 、 反应 过程 参 数 的显 著 变 化 ， 在 燃 烧 器 区 域 炉 膛 和 AA风 区域 炉膛 特别 是 燃 烧 器 喷 口附 近采 用 了局部 加 细的 网格 。而 对燃 烧 器 区 域 与 AA 风 区域 之 间 、 燃 烧 器 区域 以 下 和 AA 风 以 上 区 域 炉膛 ， 网格 尺寸 逐渐 放 大 ， 以实 现 网格 尺 寸 的 平 稳过 渡 。对 于屏 区 空 间特 别 是 炉 膛 宽 度方 向 也 采用 了加 细 的 网格 ， 以 合 理 模 拟 屏 区 的 流 动 和 传 热 过 程 。计 算 区 域 的 网 格 及 其 分 布 如 图 2 所示 。 图 2 计算区域的网格及其分布 3 炉 内流动和燃烧过程的数学模型 数值 模 拟 时 炉 内流 动 与煤 粉 燃 烧 过程 的数 学模 型包括 气相 湍流 、 煤粉 颗 粒弥 散及 热 解煤 焦 燃烧 、 气 相燃 烧 、 辐射 传 热模 型 等 。计 算 时采 用 的模 型简 述如下 1 炉 内气体 流动模 型 。炉 内气 体 流动 为三 维 湍流流 动 ， 其 平 均 流可 视 为 稳 态 流 ， 模 拟 时 采 用常规 的 守恒 方 程 连续 性 方 程 、 动 量 守 恒 方 程 和能量 守恒方程 等 进 行描 述 。其 中气 相湍 流 的 描述采 用标准 k ～￡ 双方 程模型 。 2 煤 粉 颗 粒 的 运 动 采 用 拉 格 郎 日方 法 描 述 ， 即采用 随机轨 道模 型来 模 拟 炉 内颗 粒 的运动 过 程 。 3 煤粉颗 粒燃烧 模型 的主体 为颗粒 的能 量 平 衡方程 ， 其 中考 虑 颗 粒 加 热 、 热 解 和 挥 发 分 释 放 、 煤焦燃 烧过程 以体现 颗粒 燃 烧过 程 的热 质 变 化 ， 这些 热质变 化作 为 源项 作用 到连 续 相 气相 的守恒方 程之 中 。对于煤 粉 的 燃烧 过 程 ， 热解 采 用 传统 的双方程 模 型描述 ， 而 焦 颗粒 的燃烧 则 采 用 动力学 ／ 扩散模 型 。 4 气相 湍流燃烧 过程 采用非 预混燃 烧模 型 模 拟 ， 采 用混合 分数 ～概 率 密度 函数 模 型描 述 气 相 燃烧 。 5 炉 内辐射过 程 的描 述则采 用 P 1 模 型 ， 该 模 型对 于锅 炉这 种 大 尺 寸 结 构 内辐 射 传 热 计 算 既可节 省计算 时间 又不失计 算 的精 度 。 4 N O 生成模 型 煤 粉燃烧 中 NO ，生成 涉及 3 种 机理 ， 即热力 NO 、 快速 NO 和 燃 料 NO 。数 值 模 拟 时 中主 要是 考 虑 热 力 N O 和 燃 料 NO 生 成 ， 快 速 型 NO 的生成 只有 在 富燃 料 的碳 氢 燃 料 火焰 中才 重要 ， 而在煤 粉 炉 中 ， 其 对 NO 生成 量 的贡献 很少 ， 甚至 可以忽略 不计 。 热 力 NO 生 成模型采 用经典 的扩展 Z e l d o v i c h机 理 ， 即来源于 空气 中 N。 的热 力 NO 受 以下 3 个 可逆 反应控 制 1 ⋯k O N2 N NO 1 R 2 2 N O， 兰 O NO 2 N - f - O H ； H NO 3 式 中 k 、 尼 和 ／e 。 分别 是式 1 、 式 2 和式 3 反应 的正反 应速度 常数 ； k 一 、 忌 一 和 k 。 分别 是这三个 反应 的逆反应 速度 常数 。由上述 反应控 制 的热 力 N 的 生 成 速 度 可 写成 d E NO ] 一志 [ O] [ N 。] 是 。 [ OL I N ] k 。 [ N] E OH] --k 一 [ NO ] E N] 一 点。 [ NO] [ O] -- 一 。 [ NO ] E H] 4 式中 口项为反应基元或组分 的浓度 g mo l ／ m。 。 采 用该式 计算 NO 的生 成速 度 首先 需要 确 定 N， O和 OH 的浓度 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 沈跃 云， 等 1 0 0 0 Mw超超临界锅炉 N O 生成特性的数值模拟研究 4 9 对于燃 料 NO 的生成 ， 模型 考虑煤 的挥发 分 和焦 中燃 料 N 的转 化 ， 因模 拟 涉及 的煤 种均 为典 型的烟煤 ， 所 以假定挥 发分 和焦炭 N转 化为 中间 产物 HC N， HC N再 氧化成 N0或转 化成 N 。除 燃料 N 转化 外 ， 模 型还包 括 了 NO在 焦表 面 的还 原 过程 及 其对 NO 生 成 的影 响 。具体 的反应 途 径 如图 3 。 N 2 N2 图 3 以 HC N为 中间产物的燃 料 N转化途径 对 于挥 发 分 N 的 转 化 ， 模 型 中采 用 挥 发 分 N转化成 HC N再转化 成 No的机理应 该是合 理 的 。虽然 热 解开 始 时 从 煤 中释 放 出 的含 氮 化 合 物仅形 成 一 小部 分 HC N， 但 在 缺 氧 的情 况 下 其它 部分 含 氮 化 合 物 很 快 转 变 成 HC N[ 5 ] 。 当 然 中间产 物 NH。 也 可 能 是 出 现 ， 但 它 一 般 在 低 阶煤 如 褐煤 以及 生 物 质在 煤 粉 炉 中 的热 解 中是 主要 的 ， 而 对 于 烟 煤 则 主 要 是 HC N， 在 富 燃 料 燃 烧 时 HC N 是 热 解 过 程 中 控 制 性 的 中 间 产 物_ 6 。 上述 模 型 中 涉 及 到 NO 和 反 应 的 中间 产 物 HC N在气 相 中 的转 化 反 应 ， 因此 模 型 中需 要 考 虑这些成 分 的生成 、 转化 、 对 流 和 扩散 等 ， 这 些 由 N O 和 HC N 组分 的输运方 程来描 述 一 o yN o o rY．- o 一 X p Dv YN o SN o 5 l0 y H c N V p v YH c N 一 ’ X p D v YH c N SH c N 6 其 中的源项 由热 力 和燃 料 NO 生成 模 型来 描述 。 5 数值模拟计算结果和分析 通过 进行 C F D数值模 拟计算得到 了某厂 1 0 0 0 Mw超超 临界 锅炉 燃烧 工 况条 件 下 的炉 内 流动特性 速 度 和 湍 流 特性 、 温 度 、 气 体 组 分 等 的分布特性 。炉 内气 流速 度、 气体温度、 气体组 分 包括 O 。 、 C O和 NO 浓度沿炉内高度方向水 平面上的分布如图 4 ～8 所示 。其 中的坐标 X、 Z方 向分别表 示炉膛 的 深度 和宽 度 方 向 ， 而 Y方 向表示 炉膛高 度方 向 。其 中 y 一2 4 ． 4 5 m、 Y 3 3 ． 7 4 m 和 Y 一4 3 ． 4 2 m 分别 为 A 层 、 E层 浓 煤粉 喷 口和第 4层 AA风喷 口的 中心 面标高 。 5 ． 1气体 速度场 分布 炉内烟气速度分 布如 图 4所示 。各水平 面 上的速度分布[ 图 4 a ] 来看 ， 在 A层 最下层 煤 粉燃烧 器平 面 ， 气 流形 成 了 2个 良好 的 尺寸较 大 的椭 圆形 切 圆 ， 中心 区域 速度 明显低 。 图 4 b 清晰 地反 映 了气相 速 度 沿 炉膛 高 度 方 向 的变 化 。可 以看 出， 由炉 膛 左右 半 部 中心 截 面的速度 分 布 来 开 ， 气 流 的 分 布 几 乎 是对 称 的 ， 气 流旋转 上升 ， 在 AA 风 区域 以后气 流 的速 度 分 布逐 渐趋 于 均 匀 。炉 膛 上 部 的 分 割 屏 起 到 了 一 定 的分割气 流 的作 用 ， 其 结果 是屏 区炉膛 左 右 两 侧速度 没有 明显 的偏 差 。 a 炉膛水平 面上 的气相速度 m ／ s 分布的模拟计算结果 群 3 ．60 e 01 爵嚣 3 ．30 e 01 3． 0 0e 01 Y j X Z b 炉膛中心截面 0 m 上气相速度 m ／ s 分布的模拟计算结果 图 4 炉 膛 水 平 面 上 和炉 膛 中心 截 面 上 气相速度分布的模拟计算结果 5 ． 2 炉 内温度场 分布 炉 内温度场 的分 布如图 5 。从 图 5 a 可 以看 出 ， 各层 水 平 面 的 温 度 分 布 也 基 本 呈 现 切 圆 形 状 ， 这是由于煤粉燃烧、 气流运动和分布造成的。 N k 删删 埘删 删 埘 删 埘 删 删 埘 埘 枷 枷 枷枷 挑 ‰ ‰ ‰ 叭 4 4 3 3 3 3 2 2 2 1 1 1 9 6 3 0 ■ ■ _ 墨 一 ■■ ■■ ■ ■ ●■ 叭毗优叭叭叭∞∞∞∞ 钕 2 2 2 1 1 1 9 6 3 0 魏■■■●■■●■■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 锅 炉 技 术 第 4 2卷 在 A 层煤粉燃 烧器平 面 ， 左右 火焰 温度 区域 明显 呈椭 圆形 ． 其 中心 温度 低得 多 1 0 0 0 K以下 ； 但 在左右炉 膛 火 焰 之 间可 看 到 有 一 近似 矩 形 的高 温 区 ， 温 度在 1 7 0 0 K以上 ， 这是 由于相 邻 的 No ． 6 、 No ． 7角煤粉 气流 燃烧 共 同造 成 的 。随着 气流 的上 升 ， 左右 火 焰 区的平 均 温 度均 明显 提 高 ； 在 双火焰之 间区域 的气 体温 度也 显 著提 高 ， 最 高温 度也出现在这一区域[ 见图 5 b ] ， 且高温区的位 置明显偏 向前墙 ； 这种 趋 势直 到 AA 风 区域也 没 有明显改 变 。从 整体 上看 ， 燃 烧器 区域在 水 平 面 上温度分 布 很 均 匀 ， 几 乎 没 有局 部 的高 温 区域 ； 而沿 高度 方 向[ 图 5 b ] 看 ， 温 度 分布 也 较 均匀 ， 整个燃烧 器 区域 最 高 温度 也 不 超 过 1 9 7 0 K， 局 部的极 高温度仅 出现 在煤 粉 喷 口附 近 ， 而 这 对 于 煤颗粒 的快速 加 热 和热 解 有 利 ， 这 说 明三菱 P M 燃烧器 和 MA C T 系统成 功实 现 了炉 内高 温 的控 制和 温度的均匀 分布 ， 这 无疑有 助于热力 NO 生 成的控 制 。 o oe o3 9 0e 03 8 0e 03 ．7 0e 03 6 0e 03 5 0e 03 ．4 0e 03 3 0e 03 2 oe O3 ．1 0e 03 0 0e 03 0 0e 02 o 0e 02 0 0e 02 ．0 0e 02 1 3 0e 02 ．0 0e 02 a 炉 内水平面上温度分布计算结果 篓 1 ．7 0 e 0 3 1 ． 6 o e 0 3 1 5 0 e 0 3 ．4 0 e 0 3 ．30 e 0 3 2 0e 0 3 1 0 e 0 3 ．0 0e 0 3 ．0 0e 0 2 0 0e 0 2 0 0e 0 2 0 0e 0 2 Y 0 0 e 0 2 L z 0 0e 02 X h 炉膛中心截面 O m 上温度 K 分布的计算结果 图 炉 内 水平 面上 和 炉 膛 中 心截 面上 温度分布计算结果 从 图 5 b 中的温度 分布看 ， 烟气 进人 屏 区时 温度在炉 膛宽 度方 向 的分 布 已经 均 匀 ， 结合 图 4 中速 度分布 ， 数值模 拟 计算 的 速度 场 和温 度 场分 布表 明 ， 某 厂 1 0 0 O MW 超 临 界 锅 炉 的单 炉 膛 双 切 圆设 计 ， 在 防止 炉膛 出 口受 热面 热 偏差 上 具有 的 良好效果 。 5 ． 3 炉 内 O 2 、 C O浓度 的分布 炉 内氧 浓 度 的 分 布 如 图 6所 示 。从燃 烧 器 区域 氧浓度 的分布 来看 ， 富氧 的 区域 主要 在 各喷 口附近 ， 而在 炉膛 左右 切 圆 的中心 区域则 形 成 了 很大 的低 O 浓度 0 浓 度小 于 2 ％ 的区域 ， 这体 现 了 MAC T燃 烧 系统 在 主燃 烧 区形 成低 氧 浓 度 燃烧 而抑 制 N0 生成 的效 果 。而在 AA 风 区域 ， 左 右炉膛 火 焰 中 心 的低 氧浓 度 区域 较燃 烧 器 区 域 明显缩小 ， 但仍 然维 持 较大 的区域 。这 可 能是 由于 ， 虽然 A A 风 的 总量 大 ， 但 其 气 流 速度 相对 并 不高而难 以进入 火焰 中心 的结 果 。 00 e- 0 8 0 e- 0 6 0 e- 0 40 e- 0 图 6 炉内水平 面上 0。 浓度 体积份 额 的分 布 相 比起 来 ， 炉 内 C 0 浓度 的分 布较 氧浓 度 能 更好 地反 映炉 内燃料 和 空气 的混 合 、 以及空 气 量 变 化的效果 。图 7显示 的是 各水 平 面上 和 一0 m 的 中 心 截 面 上 的 C O 浓 度 分 布 的 模 拟 计 算 结 果 。 可以看 出， 在最下层浓煤粉燃烧 器平面 ， 除 了煤粉气流的轨迹 区域外 ， 其它区域 C O浓度极 低 ， 高 C O浓 度 出现在燃烧 器 喷 口附近 ， 这体现 的 是 P M 燃烧器 的浓煤 粉 燃烧 的作 用 ； 而 在燃 烧 器 区域 上部 区域 E层 煤 粉燃 烧 器 区域 ， 除 了煤 粉 气 流的轨迹 区域外 ， 切 圆 的 中心 区域 也有 较 高 的 C O浓度 ， 图 7 b 明显地反 映 出这 一特点 ， 这是 因 为 MAC T系统 中 主燃 烧 区域 过 量 空气 系数 低 ， 导致燃 烧器 区域 形 成 了强 烈 的 还 原性 气 氛 的结 果。值得指出的是 ， 虽然燃烧器 区域火焰区 C O 浓度 高 ， 但在炉墙 附近 的 区域 C O浓 度极低 ， 结合 图 6中的炉墙 附近的 O 分 布 ， 表 明炉墙 附近气 氛 l l 2 2 2 2 O 0 O 0 O O O 0 一 一 一 一 一 一 e e e e e e e ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 1 l 8 6 4 2 0 ■●●■■●_ ● ■●露、 鹚 ■■■●●■■■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 期 沈跃云 ， 等 1 0 0 0 Mw超超临界锅炉 NO 生成特性的数值模拟研究 5 1 氧化性气 氛 一 定 程 度 上 可 防止 结 渣 和 腐 蚀 的 发 生 。尽 管如 此 ， E层 燃烧 器 平 面前 墙 中部 附近 有 一 较 高 C O 浓度 的区域 ， 而 事实 上火 焰 高温 区也 偏 向该 区域 ， 因此进 一 步说 明该 区域 一定 程 度 上 存在结 渣 和腐 蚀 的风险 。 2 ． 2 0e-蚤0 1 ． 60 e -01 1 4 0e - Ol 2 0e - O1 O 0e - Ol O O e- O1 OOe 0l O0 e- O1 O0 e O1 Y x o0 e 0 0 k Z a 】 炉内水平面上 的烟气中C O 浓度 体积份额 的分布 1 ． 6 2 e 一 0 1 1 47 e O1 1 ． 3 2 e Ot l 7 ．3 5 e _ 0 2 銎5 8 e - 02 ■ 4 ． 4 l e 一 0 2 2 9 4e - 02 Y - x - z b 炉膛 中心截面 0 m 上气相速度 m ／ s 分布的模拟计算结果 图 7 炉 内水平面上和炉膛 中心截面上 气相速度分布的模拟计算结果 在 AA风 区域[ 图 7 a ] ， 大 量 AA风 带来 的 O 的加入 ， 促 进 燃 料 的燃 尽 ， 使 得 高 C O 区 域 显 著缩 小 ， 且 集 中于 双 火 焰 的 中心 区 域 。 图 7 b显 示 AA风加 入后 ， 随着烟 气的 上行 ， 高 C O区域 逐 渐减小 ， 而进 入屏 区后 基本 完成燃烧 。 5 ． 4炉 内 N O 的分 布 模 拟计算得 到 的 NO 浓度分 布如 图 8所示 ， 其 中 NO 浓度 为直接计 算值 ， 对应 于实际 过量氧 量 水平 。可 以看 出 ， N o 浓度 分 布近 似 与 C O浓 度相反。气 流轨迹 区域、 双切 圆之间 区域 为高 NO 浓度区， 这些区域温度和氧浓度较高。而双 切 圆 中心 的大面积 区域 NO 浓 度非常 低 ， 这 是因 为 ， 虽 然 切 圆 中心 区 域 温 度 较 高 ， 图 5 ， 但 由 于 MAC T 系统空气 分级 的应用 ， 燃 烧器 区域 过 量空 气 系数在 1以下 ， 因此 ， 切 圆 中心 的 氧 浓 度 极 低 而还原性气体成分 C O浓度高 ， 见图 6和图 7 ， 这 些抑 制 了热 力和燃 料 NO 的生 成 。 ． O O e - 。 0 4 6 ． 0 0 e - 。 0 4 5 ． 0 0 e _0 4 4． 50 e -0 4 a 炉 内水平面 L N 0 x 浓度 体积份额 分布 萋 5 5 o 一 o4 5 ． 0 0e - 0 4 ， ， Z b 炉膛中心截面 0 m 上的N 0 x 浓度【 体积份额 图 8炉 内 水平 面上 和炉 膛 中心 截 面上 的 NO 浓度 体 积份额 分布 综合 炉 内气 流速 度 、 气相 温 度 、 气体 组 分 包 括 o 、 C O和 NO 浓 度 的 分 布 的模 拟 计 算 结果 表 明 ， 该锅 炉 P M 燃 烧 器 和 MAC T燃 烧 系统 采 用 ， 通 过燃 烧 的 组 织 ， 实 现 了 主燃 烧 区 的较 均 匀 的温度 分布 ， 如 图 7 ～ 图 8 a 中 C层 燃烧 器 平 面 温度所 示 ， 最 高燃 烧 温度 也 低 ， 这 有利 于抑 制 热 力 N 0 生成 ； 燃烧 器 喷 口附 近虽 然 温度 、 氧浓 度 较 高 ， 这有 利 于煤 粉 的快 速 热 解 和 着 火 ， 但 这 里 也 是大量 C O生 成 的 区 域 ， C O 浓 度 也 最 高 [ 图 7 a ] ， 因此不 利 于 大量 NO 的生 成 ， 喷 口附近 生 成 的 N0 浓 度也 不 高 [ 图 8 a ] ； 炉 膛 双 切 圆 的 中部 区域形 成 了的贫 氧 区域 ， 而这 区域 还原 性 气 体 C O浓度高， 如图 7 a 中 C层燃烧器平面大部 分区域 c O浓度在 5 以上 ， 意味着形成 了巨大 的还 原性 区 域 ， 这 一 区域 直 至 AA 风 区域 [ 图 7 a ] 。巨大 的还原性 区域的存在体现了炉内深 度 空气分级 燃烧 的作 用 ， 因 而显 著 的抑 制 了主 燃 烧 区域 NO 的生成和 有利 于以生成 的 NO 的还 原 ， 其结果 是炉膛 双切 圆的 中部 大部 分 区域 NO 埘 枷 胁肌 胁 船胁 鼽 4 4 3 3 2 2 l 1 5 0 鬻 ■ ■ ■ ■ ■ ■ _ ■ ■ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 锅 炉 技 术 第 4 2卷 浓 度极低 ， AA风 的 加入 也 没 有 明显 改 变 这一 趋 势 ， 因此炉 内整体 N0 浓度水平 也不高 。 对于 采用先 进低 N O 燃 烧 系统 设 计 的现 代 大型锅炉 ， 数 值 模 拟结 果 从 图 6 ～ 8 可见 ， 主 燃 烧 区平均 温度 较 低 ， 并 且 C O 浓度 很 高 、 O 浓 度 很低 ， 与前二 者相对应 的 NO 浓度很 低 。煤粉 燃 烧在炉膛的相当大区域 内处于煤气化状态， 其燃 烧方 式明显 属于还 原性 气 氛燃 烧方 式 ， 锅 炉设 计 思想的重 点是实现 低 NO 燃 烧 ， 兼 顾煤粉燃 尽 问 题 ， 最 终燃尽 问题 由附加风 AA 风 来 完成 。 6 结 论 从数值计 算 得到 的t 0 0 0 Mw超 超 临 界锅 炉 炉膛 内速度 场 、 温度 场 、 C 0浓 度 场 、 O 浓 度场 和 NO 浓度场分 布 的结 果可 以得 到 1 炉 内速度场 分布形 成直流切 向燃 烧煤 粉 炉预想 的双切 圆 ， 水 冷壁 近 壁 区域速 度 有较 高 的 流速 ， 有 利 于 氧气 补 充 ， 大 型 炉 膛 左 右 两 侧 气 流 对称 ， 炉 膛左右 两侧速度 没有 明显偏差 。 2 炉 内温 度分 布 比较 均 匀 ， 下 部 主燃 区 温 度 在 1 3 0 0 K ～ l 6 0 0 K， 上 部 主 燃 区 温 度 在 1 7 0 0 K左右 ， 炉 内温度 分 布无 突 出 的超 高 温 区 ， 这对于抑 制热力 型 N 0 的生成 很有利 。 3 主燃 烧 区形成 很 大 区域 的低 O 浓度 燃 烧 区域 ， 高 C O浓 度 区域 ， 及低 NO 浓度 区域 ， 这 三者位 置 是 对 应 的 。说 明 多次 燃 料 分 级 和多 次 分级送 风和 缺氧 燃烧 ， 最后 附 加 风 AA 风 送 入 后仍 然在主燃 烧 区维持 缺 氧燃 烧 ， 这种 组 织方 式 对 于燃 料型 NO 的形 成起 到很好 的抑制效 果 ， 达 到 了低 NO 燃烧技 术 的预 期 目的 。 参考 文献 [ 1 ]江哲生， 董卫 国， 毛国光．国产 1 0 0 0 Mw 超超l临界机组技术 综述[ J ] ．电力建设，2 0 0 7 ，2 8 8 6 1 3 ． [ 2 ]Hi l l S C， S mo o t L D．Mo d e l i n g o f n i t r o g e n o x i d e s f o r ma t i o n a n d d e s t r u c t i o n i n c o mb u s t i o n s y s t e ms[ 妇．P r o g r e s s i n E n e r g y a n d Co mb u s t i o n S c i e n c e ，2 00 0，2 6 4 1 7 4 5 8 ． [ 3 ]Ko r y my i E，S a v e l i e v R，P e r e l ma n M， Ch u d n o v s k y B， B a r Z i v E．Co mp u t a t i o n a l f l u i d d y n a m i c s i mu l a t ion s o f c o a l f i r e d u t i l i t y b o i l e r s a n e n g i n e e r i n g t o o l [ J ] ．F u e l ，2 0 0 9 ， 8 8 9 1 8 ． E 4 ]K u r o s e R，I k e d a M，Ma k i n o H，Ki mo t o M，Mi y a z a k i T ． Pu l v e r i z e d c o a l c o mb u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f h i g h f ue l ． r a t i o c o a l s[ J ] ．F u e l ，2 0 0 4 ，8 3 1 7 7 7 1 7 8 5 ． E s ]C o e l h o P J ，C a r v a l h o M O ．Ma t h e ma t i c a l mo d e l i n g o f NO f o r ma t i o n i n a p o w e r s t a t i o n b o i l e r[ J ] ．Co mb u s t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y，1 9 9 5，1 0 8 3 6 3 8 2 ． [ 6 2 C h e n S L，He a p M P ，P e r s h i n g D W． Ma r t i n GB ．I n f l u e n c e o f c o a l c o mp o s i t i o n o n t h e f a t e o f v o l a t i l e a n d c h a r n i t r o g e n d u r i n g c o mb u s t i o n [ C ] ．Ni n e t e e n t h S y mp o s i u m I n t e r n a t i o n a 1 o n Co mb u s t i o n，Pi t t s b ur gh PA ．1 9 8 3 1 2 7 1 1 2 8 0 ． Nu me r i c a l Si mu l a t i o n St u d y O n t h e Ch a r a ct e r i s t i cs o f NO F o r ma t i o n i n a 1 0 0 0 MW UI t r a s u p er c r i t i c a l Ut i I i t y Bo i l et SHEN Yue y un ， GAO Xi a o t a o ， ZH ANG M i n g y a o 。 1 ．J i a n g s u I n s t i t u t e o f Ec o n o mi c a n d Tr a d e Te c h n o l o g y ，Na n j i n g 2 1 1 1 6 8，Ch i n a ；2 ．J i a n g s u E l e c t r i c P o we r Te s t a n d Re s e a r c h Co ，L t d ． ，Na n i i n g 2 1 1 1 0 0，Ch i n a ；3 ．S c h o o l o f E n e r g y a n d En v i r o n me n t ． S o u t h e a s t Un i v e r s i t y ，Na n j i n g 2 1 0 0 9 6，Ch i n a Ab s t r a ct I n ne wl y bu i l t l a r g e s c a l e c o a l f i r e d p o we r p l a n t s，t he b o i l e r s a r e a l l de s i g ne d a nd i n s t a l l e d wi t h l o w NO c o mb u s t i o n s y s t e ms ，b y wh i c h t h e i n f u r n a c e c o mb u s t i o n p r o c e s s i s r e a s o na b l y o r g a ni z e d t o a c hi e v e l O W NO f o r ma t i o n a nd e mi s s i on ． Co mpu t a t i o n a n d a n a l y s i s of a 1 0 0 0 M W s u p e r c r i t i c a l bo i l e r e qu i p pe d wi t h a d v a n c e d l o w NO c o m b us t i o n s y s t e m i n a po we r p l a n t we r e c a r r i e d ou t by c o m p ut a t i o n a l f l u i d d y na mi c s CFDs i mu l a t i on a p pr o a c h ． Th r o u gh a n a l y s i s o n t he o bt a i n e d i n f u r na c e f i e l ds o f t e mpe r a t u r e a n d CO ， O2 a n d N 0 c o n c e nt r a t i ons ， i t wa s de mon s t r a t e d t h a t t