深度空气分级下混煤未燃尽碳与NOx协同优化数值模拟
颜祝明1，马 仑2，叶 骥2，张 成2，谭 鹏2，方庆艳2，陈 刚2
(1.广东红海湾发电有限公司,广东 汕尾 516623;2.华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室,湖北 武汉 430074)
摘 要:为探究掺混方式及配风方式对混煤燃尽率和NOx排放量的影响,以一台660 MW四角切圆锅炉为研究对象，开展混煤燃烧过程未燃尽碳和NOx排放的协同优化数值研究。结果表明，在深度空气分级条件下，未燃尽碳主要受停留时间、掺混方式、配风方式等因素共同影响;合理搭配掺混方式和配风方案可降低混煤未燃尽碳水平和炉内NOx总生成量，达到两者的协同优化。与炉外掺混相比，炉内掺混更加灵活，可通过优化低挥发分煤的燃尽程度来改善混煤整体的未燃尽碳水平。在炉内掺混方式下，均等配风将低挥发分煤置于上部燃烧器或正宝塔配风将低挥发分煤置于下部燃烧器，均有利于低挥发分煤的燃尽;而将高挥发分煤置于上部燃烧器更有利于NOx减排。综合考虑混煤未燃尽碳和NOx排放特性，将高挥发分煤置于上部燃烧器且采用正宝塔配风可为下部低挥发分煤的燃烧提供相对充足的氧量，提高低挥发粉煤的燃尽率，降低混煤未燃尽碳水平;上部高挥发分煤析出的挥发分中含有大量含氮中间产物HCN，可将已生成的NOx还原，有利于降低炉内混煤NOx生成量。
关键词:深度空气分级;混煤燃烧;未燃尽碳;NOx;协同优化
中图分类号:TK229.6
文献标志码:A
文章编号:1006-6772(2019)03-0082-06
Numerical simulation of synergistic optimization of un-burned carbon and NOx of blended coal under deep air staging condition
YAN Zhuming1,MA Lun2,YE Ji2,ZHANG Cheng2,TAN Peng2,FANG Qingyan2,CHEN Gang2
(1.Guangdong Red Bay Power Generation Co.,Ltd.,Shanwei 516623，China;2.State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)
Abstract:In order to explore the influence of mixing mode and air distribution mode on burnout rate and NOx emission of blended coal,a 660 MW tangential fired boiler was taken as the research object,numerical simulations were carried out to study the synergistic optimization of un-burned carbon and NOx formation in the combustion process of blended coal.The results show that under the condition of deep air staging,the un-burned carbon is mainly affected by many factors such as coal particle residence time,coal blending methodand air distribution method and other factors.Synergistic optimization of un-burned carbon and NOx emissions can be achieved by a combination of reasonable blending method and air distribution method.Compared with the blending method outside the furnace,the in-furnace blending method is more flexible,and the low-volatile coal combustion can be optimized and adjusted to lower the un-burned carbon level of blended coal.Under the in-furnace blending method,the low volatile coal is placed near the upper burner under uniform air distribution or the low volatile coal is placed in the lower burner near the lower burner under “Zhengbaota” air distribution，which are both conducive to the burnout of low volatile coal,while setting high-volatile coal near the upper burner is more conducive to the reduction of NOx emission.Considering the characteristics of the unburned carbon and NOx emission of blended coal,the burnout level of the low-volatile coal is increased and the un-burned carbon level of blended coal is decreased by setting high-volatile coal near the upper burner and adopting the "Zhengbaota" air distribution which can provide relatively sufficient oxygen for the combustion of low volatile coal in the lower part.Meanwhile,the volatile from the high-volatile coal near the upper burner contains a large amount of intermediate HCN,which can restore the generated NOx and is benefit to reduce NOx formation of blended coal in the furnace.
Key words:deep air staging;blend-coal combustion;unburned carbon;NOx;synergistic optimization
收稿日期:2019-04-01
责任编辑:张晓宁
DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19040102
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51676076)
作者简介:颜祝明(1969—)，男，江苏泰州人，工程师，主要从事电厂生产运行管理工作。E-mail:yzm@zjdl.com.cn。
通讯作者:张 成，副教授。E-mail:chengzhang@mail.hust.edu.cn
引用格式:颜祝明，马仑，叶骥，等.深度空气分级下混煤未燃尽碳与NOx协同优化数值模拟[J].洁净煤技术，2019，25(3):82-87.
YAN Zhuming,MA Lun,YE Ji,et al.Numerical simulation of synergistic optimization of un-burned carbon and NOx of blended coal under deep air staging condition[J].Clean Coal Technology，2019，25(3):82-87.
0 引 言
目前，火电机组实际用煤时会受到煤炭资源分布、交通运输条件和相关政策的制约，燃用混煤得到广泛应用。燃用混煤可拓展火电机组对煤种的适应性，合适的混煤燃烧方式还可提高燃烧效率并降低污染物排放[1]。邱建荣等[2-3]基于沉降炉的研究表明，未采用分级燃烧时，组分煤性能差异越大，掺混燃烧时越难燃尽。而分级燃烧可促进混煤燃尽，特别是掺混高挥发分煤种时效果更为显著。马仑等[4-7]在沉降炉上的研究表明，在低挥发分煤和高挥发分煤采用炉外掺烧方式混燃的工况下，高挥发分煤的掺混比例较小时，有利于改善混煤的着火和燃尽;高挥发分煤的掺混比例较大时，混煤的燃尽特性变差。刘汉涛、方立军等[8-9]基于某煤粉燃烧试验台和管式炉的研究表明，混煤燃烧过程中NOx的释放主要聚集在煤粉燃烧前期;混煤NOx浓度在炉膛内也仅存在一个峰值。在贫煤中掺混含氮量较高的无烟煤不利于降低NOx排放浓度。随着无烟煤掺混比例增大，NOx排放浓度上升。选取合适的过量空气系数，可实现高挥发分煤和低挥发分煤掺混的高效低NOx燃烧。Baek等[10]基于某四角切圆锅炉的研究表明，从下部燃烧器喷入烟煤并从上部燃烧器喷入次烟煤的炉内掺烧方式，可有效提高煤粉燃尽率。与炉外掺烧方式相比，炉内掺烧方式可显著减少飞灰含碳量和NOx浓度。本文以一台660 MW四角切圆锅炉为研究对象，开展混煤燃烧过程未燃尽碳和NOx排放的协同优化数值研究，以期为火电机组安全高效地燃用混煤提供指导。
1 研究对象
选取660 MW 亚临界锅炉，采用四角切圆的燃烧方式。该锅炉宽19.558 m，深16.433 m，高56.995 m。燃烧器喷口布置在4个墙角上，共17层喷口，其中，一次风喷口6层，二次风喷口7层，紧凑燃尽风喷口2层，分离燃尽风喷口2层。锅炉燃烧过程中在竖直方向上采用了深度空气分级燃烧技术。锅炉满负荷运行时，投入A、B、C、D和E层煤粉喷嘴，而F层煤粉喷嘴处于备用状态。图1为该锅炉的三维结构及燃烧器布置，煤质分析见表1。
图1 锅炉三维结构及燃烧器布置示意
Fig.1 Schematic diagram of three-dimensional structure of the boiler and burner arrangement
表1 工业分析及元素分析
Table 1 Proximate and ultimate analyses
注:Hv-coal、Lv-coal分别表示高挥发分煤和低挥发分煤，下同。
2 数学模型与计算条件
2.1 数学模型
煤粉燃烧包括复杂的热质耦合反应过程。本文中，湍流流动采用Standard k-ε双方程[11-12];挥发分燃烧模拟采用组分输运模型[13];煤粉颗粒运动模拟采用随机轨道模型[14];煤热解模拟采用双方程平行反应模型[15];焦炭燃烧模拟采用动力/扩散控制反应速率模型[16-17];炉膛内辐射换热的模拟采用P-1模型[18]。对NOx采用后处理计算时，只考虑燃料型NOx和热力型NOx，前者采用扩展的Zeldovich机理描述[19]，且采用部分平衡方法计算[O]和[OH]基;后者采用De Soete模型[20]描述。
2.2 边界条件和计算方法
采用六面体网格对锅炉的三维模型进行网格划分，且不同区域采用不同的网格密度。由于燃烧器区域物理量梯度变化较大，需要在燃烧器区域加大网格密度;为减小计算误差，对燃烧器区域的网格进行加密处理。经过网格无关性测试后，考虑计算时间及成本，该锅炉最终采用200万个网格进行模拟计算，如图2所示。
图2 锅炉网格示意
Fig.2 Schematic diagram of boiler grid
模拟工况为满负荷，过量空气系数为1.10。混煤中高挥发分煤与低挥发分煤的比例为2∶3，即高挥发分煤97.2 t/h、低挥发分煤145.8 t/h，其中CCOFA占7.2%，SOFA占23.3%，计算过程中保持燃尽风风率不变。煤粉粒径服从Rosin-Rammler分布，平均粒径为60 μm，最小粒径为10 μm，最大粒径250 μm，分布指数1.5，计算工况见表2。
表2 计算工况
Table 2 Simulated cases
注:工况4为在工况2基础上，研究有利于低挥发分煤燃尽的配风方式。
燃烧器喷口采用质量入口边界定义，一次风和二次风的温度分别为353 K和590 K，炉膛出口采用压力出口边界定义，压力为-80 Pa。炉膛壁面方程采用标准壁面方程，并采用温度边界计算换热，壁面设置为恒温壁面，水冷壁温度690 K，高温过热器760 K，高温再热器720 K，发射率为0.7;冷灰斗底部430 K，发射率为1，压力和速度的耦合算法为SIMPLE算法。
3 结果与讨论
3.1 模拟结果验证
为了验证模拟过程中数值模型及网格的合理性，将该锅炉单独燃烧高挥发分煤的现场试验结果与模拟结果进行对比(表3)。由表3可知，炉膛出口组分浓度、飞灰含碳量和烟温的模拟值和试验值吻合较好，说明本文所采用的数学模型和网格能合理模拟锅炉炉内的燃烧特性和NOx排放特性，模拟结果可靠。
表3 计算结果验证
Table 3 Validation of simulated results
3.2 不同工况下混煤燃烧及燃尽特性
图3(a)为各工况下炉膛中心截面上的温度场云图，可以看出，各工况下温度云图分布具有相似性，下炉膛煤粉剧烈燃烧区域存在明显的高温区域。图3(b)为各工况下平均温度沿炉膛高度方向变化。随着炉膛高度的增加，炉内平均温度升高;在主燃烧区，由于温度相对较低的一、二次风送入，平均温度小幅波动;温度相对较低CCOFA风和SOFA风喷入高温烟气后，整体温度下降，然后经过煤粉颗粒的燃烧放热又逐渐上升。在燃尽区，由于与壁面热交换，温度降低。对比各工况的平均温度可以看出，工况1和工况2的沿炉膛高度方向平均温度一致性较好;在主燃烧区，由于高挥发分发热量相对较低，使工况3的平均温度明显低于工况1、2;在燃尽区，工况3的平均温度高于工况1、2，这可能会对锅炉的汽温特性产生不利影响，其原因主要是由于低挥发分煤燃尽特性比高挥发分煤的反应性差，将低挥发分煤置于上部燃烧器燃烧时，下部高挥发分煤优先燃烧，消耗大量氧，使低挥发分煤燃烧及燃尽延迟，在燃尽区与燃尽风混合后燃烧放热，导致该区域平均温度高于工况1、2。工况4为在工况2基础上减少上部高挥发分煤附近的二次风风量、增加下部低挥发分煤附近二次风风量(即正宝塔配风)，可以看出，工况4相对于工况2，主燃区温度略有升高，但燃尽区燃烧后期平均温度与工况1、2相差不大。
图3 温度分布
Fig.3 Temperature distribution
图4 O2体积分数分布
Fig.4 O2 volume fraction distribution
图4(a)为不同工况下炉膛中心截面上的O2含量分布云图。在主燃烧区煤粉剧烈燃烧，导致O2含量较低;采用深度空气分级技术，在主燃区上部大量CCOFA和SOFA风送入炉内，使该区域O2含量较高。图4(b)为各工况平均O2含量随高度的变化曲线。可知，各工况主燃区的O2体积分数为1%～2%，相对较低;随着SOFA风的大量喷入，对应高度上O2含量大幅提升并达到峰值;随着煤粉颗粒燃烧对O2的消耗，对应高度上的O2含量逐渐降低。对比工况1、2、3在燃尽区的平均氧浓度，可以看出，工况3的平均O2含量最低，这主要是因为工况3将低挥发分煤由上部燃烧器喷入炉膛，而低挥发粉煤含碳量多，需要更多的空气才能完全燃烧，因而让低挥发分煤从靠近燃尽风的喷口喷入炉膛可提高混煤整体的燃尽率。
各层燃烧器的煤粉飞灰含碳量计算结果如图5所示。煤粉颗粒在炉内的停留时间以及O2含量会影响低挥发粉煤的燃烧和燃尽特性。工况1的混煤燃尽率更接近低挥发粉煤(图6);在C层燃烧器以上部分，高度越高，混煤燃尽率越低。高挥发分煤的反应性较好，在各层燃烧器的燃尽率均较高。工况2、4为低挥发粉煤从位置较低的A、B和C层燃烧器喷入炉膛，此时位置越往下，低挥发粉煤的燃尽率越低。工况3为低挥发粉煤从位置较高的C、D和E层燃烧器喷入炉膛，此时位置越往上，低挥发粉煤的燃尽率越低。工况2、4为低挥发粉煤从下部燃烧器喷入炉膛，低挥发粉煤燃烧过程中会经过燃烧剧烈、缺氧严重的区域，因而虽然其在炉内停留时间相对较长，但缺氧会显著减少其有效反应时间，从而降低其燃尽程度。
图5 各层燃烧器喷入煤粉的飞灰含碳量
Fig.5 Carbon content in the fly ash injected by burners in each layer
图6 混煤及组分单煤飞灰含碳量
Fig.6 Carbon content of the fly ash of blended coal and component coals
各工况下不同煤所对应的飞灰含碳量计算值如图6所示。工况1～4的总飞灰含碳量分别为4.37%、4.94%、2.20%、2.88%，差异较明显。采用均匀配风方案(工况1～3)时，与炉外掺混工况1相比，炉内掺混方式将低挥发分煤置于下部燃烧器，不利于低挥发分煤的燃烧及燃尽(工况2)，这主要是由于低挥发分煤粉颗粒在炉内燃烧时随烟气上升要经过由高挥发分煤燃烧所引起的贫氧区域所致。而将低挥发分煤置于靠近燃尽风的上部燃烧器(工况3)时，能显著降低其飞灰含碳量，提高燃尽率，这是因为燃尽风为进入对应区域的低挥发分煤提供了较为充足的氧量。因而，将低挥发分煤置于靠近燃尽风的位置燃烧，有利于低挥发分煤的燃尽。同理，在工况2基础上增加下部低挥发分煤燃烧器附近的二次风风量、降低上部高挥发分煤燃烧器附近的二次风风量(即工况4，正宝塔配风)，能显著改善下部低挥发分煤燃烧的缺氧气氛，有利于低挥发分煤的燃烧与燃尽，其飞灰含碳量与工况3水平相当。
综上所述，在深度空气分级条件下，未燃尽碳主要受停留时间、掺混方式、配风方式等因素共同影响;合理搭配掺混方式和配风方案可提高燃尽率并降低NOx排放。炉内掺混比炉外掺混更加灵活，可通过优化低挥发分煤的燃尽情况来降低混煤整体燃尽率。在炉内掺混方式下，将低挥发分煤置于上部燃烧器时飞灰含碳量比置于下部燃烧器时低;在炉内掺混方式下，将低挥发分煤置于上部燃烧器且采用正宝塔配风，可改善下部低挥发分煤燃烧缺氧状况，提高低挥发分煤燃尽水平。
3.3 不同工况下混煤NOx生成及排放特性
各工况下炉内NOx分布如图7所示。结合云图可以看出，各工况的NOx浓度差异明显，工况3的NOx生成量最多，其次是工况1，工况2、4 的NOx生成量相对要低。从图7(b)可看出，在燃尽区，工况2、4的NOx平均浓度最低，表明将低挥发分煤置于下部燃烧器燃烧有利于降低NOx排放量，这主要是由于采用炉内掺烧方式且将高挥发分煤从整个烟气流场的下游喷入时(即将高挥发分煤放在D层和E层燃烧器燃烧)，高挥发粉煤在对应区域释放大量的中间产物HCN，HCN将上游烟气带来的、由低挥发分煤生成的NOx还原，从而降低了整体NOx排放量。另外，在下炉膛区域工况4的NOx平均浓度高于工况2，这主要是因为工况4是在工况2的基础上减小上部二次风风量同时加大下部二次风风量，使下部燃烧器低挥发分煤附近的供氧更充足，促进了NOx的生成。图8为炉膛出口NOx排放量，可以看出，将低挥发分煤置于下部燃烧器燃烧(即工况2、4)有利于降低NOx排放量。
图7 各工况下炉内NOx浓度分布
Fig.7 NOx concentration distribution under various conditions
图8 炉膛出口NOx
Fig.8 NOx emission at the furnace outlet
综上，在深度空气分级燃烧下，炉内掺混方式下将高挥发分煤置于上部燃烧器燃烧时，其挥发分析出的物质中含有大量含氮中间产物HCN，可将已生成的NOx还原，有利于降低NOx排放量。
4 结 论
1)在深度空气分级条件下，未燃尽碳主要受停留时间、掺混方式、配风方式等多因素的共同影响;合理搭配掺混方式和配风方案可提高燃尽率，降低NOx排放量。
2)炉内掺混比炉外掺混更加灵活，可通过优化低挥发分煤的燃尽情况来降低混煤整体燃尽率。
3)在炉内掺混方式下，将低挥发分煤置于上部燃烧器更有利低挥发分煤的燃尽，而将高挥发分煤置于上部燃烧器更有利NOx减排。
4)综合考虑未燃尽碳和NOx排放，将高挥发分煤置于上部燃烧器且采用正宝塔配风可为下部低挥发粉煤提供相对充足的氧量，提高低挥发分煤的燃尽率;位于上部燃烧器中的高挥发分煤释放出大量含氮中间产物HCN，可将已生成的NOx还原，有利于降低NOx排放量。
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