针对某电厂锅炉氮氧化物排放量超标的问题,利用前处理软件Gambit建立炉膛模型,设置相应的边界条件,利用Fluent软件对炉内NOx生成进行了数值计算,研究了煤粉浓淡比对脱硝效果和燃烧特性的影响。结果表明:随着煤粉浓淡比的增大,NOx排放浓度逐渐降低,并且趋于平缓,而飞灰含碳量则随着煤粉浓淡比的增大呈线性增大,建议合理的煤粉浓淡比为6。
关键词:氮氧化物;低氮燃烧器;煤粉浓淡比;飞灰含碳量
由燃煤电厂所排放的氮氧化物(NOx)是大气的主要污染物之一,对环境造成严重的污染。水平浓淡燃烧技术是有效脱除NOx的燃烧技术之一,广泛应用于火电厂脱硝改造项目中。
付忠广等[1]人模拟了新型水平浓淡燃烧器非化学当量比燃烧,得出了可以降低热力型NOx的结论。毕明树等[2]人对一台410t/h的四角切圆煤粉炉水平浓淡燃烧炉内NOx的生成及分布进行了数值模拟,推荐煤粉气流浓淡比为5左右;当与空气分级联用时,推荐浓淡比为3到5之间。
周秋月等[3]人认为随着浓淡比的增加,NOx的生成量逐渐减少,并趋于缓慢。DaisukeShimokuri等[4]人研究了预热和非预热条件下,氧浓度和化学当量比对燃料型NOx排放量的影响。结果表明,在非预热条件下燃料型NOx浓度极大地依赖于氧浓度和当量比,但是在预热条件下氧浓度对NOx浓度的影响可忽略不计。
本文借助CFD数值模拟软件FLUENT6.3,对一台670t/h锅炉在不同负荷、不同浓淡比下,两种不同的改造方式炉内燃烧过程以及NOx分布和排放量进行了数值模拟计算,得出了煤粉浓淡比对炉膛出口NOx排放浓度及飞灰含碳量的影响规律。
1研究对象及计算方法
1.1研究对象
本文研究对象为HG-670/13.7-WM15燃煤锅炉,露天、“倒U”型布置方式,单汽包、单炉膛,采用直流燃烧器,四角切圆布置方式,该燃烧器共有四层一次风喷口,一种低氮改造方式是将中间两层一次风喷口由原来的低阻力直流式燃烧器改造成水平浓淡燃烧器(方案一);另一种则是将四层一次风喷口全部改造成水平浓淡燃烧器(方案二)。
炉膛结构和燃烧器结构如图1所示。本文研究了三种不同负荷水平:67%MCR、83%MCR和100%MCR,以及12个煤粉气流浓淡比(2~13)。
1.2网格划分及计算方法
取冷灰斗至炉膛出口为计算区域。在燃烧器喷口附近,由于速度、温度以及压力等参数梯度变化极为剧烈,对燃烧器区域进行局部加密,因此采用分区划到网格的方式对炉膛进行网格划分,由下到上将计算区域分为五部分:冷灰斗区域、燃烧器区域、炉膛中部区域、折焰角区域以及炉膛顶部区域。
独立对各区域进行网格划分,区域之间采用Interior和In-terface进行连接。为了减小由于离散化引起的伪扩散现象[5-7]对结果的影响,燃烧器区域体网格采用六面体(Hex)网格、Cooper方法绘制而成。炉膛纵截面和燃烧器横截面网格划分情况如图2和图3所示,整个炉膛网格数约为120万。
整个锅炉模型有三个主要的边界条件,燃烧器喷口设置为速度入口(Velocity-inlet)边界条件,湍流变量由湍流强度I和水力直径DH定义[8]。炉膛出口处设置为压力出口(Pressure-outlet)边界条件,炉墙则采用无滑移壁面(StationaryWall)边界条件。气相湍流流动模型选用标准k-ε双方程模型,壁面处理采用标准壁面函数法。
炉膛辐射模型采用P-1模型。气相湍流燃烧模型采用混合分数-概率密度函数(PDF)模型。煤粉颗粒粒径分布满足Rosin-Rammler分布。挥发分析出采用单步反应模型,焦炭燃烧采用动力学/扩散控制反应速率模型[9]。压力-速度耦合采用SIMPLE算法,区域离散化采用一阶迎风格式[10]。采用压力基求解器、隐式格式进行求解。
2计算结果及数据分析
2.1炉膛内部NOx分布
图4和图5分别为方案一和方案二67%负荷下炉膛垂直中截面上NOx质量分数分布的等值线图。
可以看出,随着煤粉浓淡比的增大,燃烧器区域NOx质量分数的高浓度区域越来越小,这说明随着煤粉浓淡比的增大,风煤比偏离理论化学当量比的程度增大,有利于形成较为浓厚的还原性气氛,抑制了NOx的氧化过程,故而燃烧器区域的NOx生成量越来越少。
2.2炉膛出口NOx排放浓度
表1列出了方案一和方案二不同浓淡比下炉膛出口截面的NOx排放浓度。由表中数据可以看出,随着煤粉浓淡比的增大,炉膛出口的NOx排放浓度逐渐降低,而这也验证了由图4和图5所得出的结论。
另外,通过对比同负荷下方案一和方案二的NOx排放浓度数值可以发现,方案二的脱硝效果要优于方案一,这是因为方案二的所有一次风口全部改造成水平浓淡燃烧器,而方案一只有中间两层一次风口改造成水平浓淡燃烧器。在浓淡分离程度上,方案二要优于方案一,因此可以形成更加浓厚的还原性气氛,能更好地抑制NOx的生成。
表1炉膛出口截面NOx浓度mg˙m-3
图6为方案一和方案二不同负荷水平下炉膛出口NOx排放浓度的曲线图。由图6可以直观地看出,随着煤粉浓淡比的增大,炉膛出口NOx排放浓度逐渐降低,但是随着煤粉浓淡比的进一步增大(>6),炉膛出口NOx排放浓度降低的趋势趋于平缓。
这说明当煤粉浓淡比小于等于6时,脱硝效率比较高;当煤粉浓淡比大于6时,脱硝效率逐渐降低,主要表现在炉膛出口NOx排放浓度不再降低或降低很少,因此不建议煤粉浓淡比大于6,因为在NOx排放浓度降低极为有限的同时,过大的煤粉浓淡比会加重一次风风道磨损,极大地降低了锅炉运行的安全性。
图6炉膛出口NOx排放浓度曲线图
2.3碳转化率及飞灰含碳量
表2列出了方案一和方案二不同浓淡比下炉膛内碳转化率的计算结果。由表中数据可以看出,在同一负荷水平下,随着浓淡比的增大,碳转化率越来越低。两种方案相比较来看,方案二的碳转化率要比方案一低一些。总体来看,碳转化率随着浓淡分离程度的增大是逐渐减小的。相反,飞灰含碳量随着浓淡分离程度的增大则会逐渐增大,具体的计算结果见表3。
水平浓淡分离燃烧由于偏离了理论化学当量比,在降低NOx排放浓度的同时,造成风煤混合不均匀,更多的煤粉颗粒来不及充分燃烧就被吹出炉膛,使得飞灰含碳量呈递增趋势变化。
图7为方案一和方案二不同负荷水平下飞灰含碳量随煤粉浓淡比变化关系。由图7可以看出,随着浓淡比的增大,飞灰含碳量几乎呈线性增大,该结论与同类型相似容量燃用相似煤种的锅炉相关运行数据较为接近。与炉膛出口NOx排放浓度不同的是,在图7的曲线上难以找出一个点,使得机械不完全燃烧热损失的升高幅度呈现变缓的趋势。
由于NOx排放量和机械不完全燃烧热损失随浓淡比增大而变化的趋势相反,因此,既要保证脱硝效率较高,又保证机械不完全燃烧热损失尽可能地低。如前所述,由于机械不完全燃烧热损失随煤粉气流浓淡比的增大呈线性增大趋势的变化,从而无法找到一个点使得从该点以后的机械不完全燃烧热损失不再升高或升高的幅度极其微小,因此浓淡比的合理数值的确定就仅仅取决于NOx排放量。
图7飞灰含碳量变化曲线图
3结论
(1)该型号锅炉共有四层一次风喷口,方案一是将中间两层一次风喷口改造成水平浓淡燃烧器,而方案二则是将四层一次风喷口全部改造成水平浓淡燃烧器。与方案一相比,方案二能形成更加浓厚的还原性气氛,在更大程度上抑制了NOx的生成。因此,NOx排放浓度更低一些。
(2)随着煤粉浓淡比的增大,飞灰含碳量越来越大,并且呈线性增大,这与炉膛出口NOx排放浓度随煤粉浓淡比的变化趋势相反。由于飞灰含碳量是呈线性方式增大,所以很难确定一个较为合理的煤粉浓淡比的数值。因此,煤粉浓淡比的合理数值可根据炉膛出口NOx的排放浓度来确定。
(3)随着煤粉浓淡比的增大,炉膛出口NOx排放浓度越来越小,但是随着煤粉浓淡比的进一步增大,NOx排放浓度降低的幅度逐渐平缓。因此,建议煤粉浓淡比为6。
