420 t/h四角切圆锅炉低氮燃烧改造数值模拟研究

陈 涛1，于 洁1，赵 鹏2，孙路石1

(1. 华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2. 西安热工研究院有限公司 苏州分公司，江苏 苏州 215153)

摘 要：为达到严格的超低排放标准，目前国内绝大部分电站锅炉均实施了NOx排放控制技术改造。针对一台燃用烟煤的420 t/h四角切圆煤粉锅炉，将原双通道燃烧器改造为水平浓淡燃烧器并加装3层燃尽风(SOFA)，从而达到低氮燃烧的效果。应用数值模拟方法进行方案论证，研究了一次风浓淡比、SOFA风率和SOFA风射流角度等参数对锅炉燃烧状况及NOx排放规律的影响，并提出最佳改造方案。随着浓淡比的增加，炉膛出口温度逐渐增加，而NOx含量逐渐降低。浓淡比为4∶1时，飞灰含碳量最低。随着浓淡比增大，CO浓度升高，增强了主燃区域的还原性，抑制挥发分含氮中间产物氧化成NO；另一方面，浓淡比增大使浓煤粉气流挥发分析出速率加快，强化挥发分含氮中间产物HCN和NH3将已生成的NO还原为N2；同时，淡侧气流煤粉浓度低，含氮基团析出量变小，与氧反应生成NO的量减少。随着SOFA风率的增加，炉膛出口烟温、飞灰含碳量增加，20% SOFA风率时，NOx浓度较高，SOFA风率由30%增加到40%时，NOx浓度基本保持不变。随着SOFA风率的增加，主燃区形成的低O2高CO浓度的强还原性气氛抑制了HCN及NH3被氧化成NO，反而促进了其与已生成的NO发生反应生成N2。此外，高SOFA风风率下，主燃区高温区缩小，生成的热力型NOx也相应减少。随着SOFA风射流角度上扬，还原区加长，有利于降低NOx浓度，但燃尽区的火焰中心会上升，煤粉燃尽时间变短，炉膛出口温度和飞灰含碳量上升。随射流角度增加，O2浓度降低而CO浓度升高，这是由于射流角度增大延迟了煤粉燃尽过程，增加了化学不完全燃烧损失；这种低氧高CO的强还原性气氛大大抑制了NOx生成。根据数值模拟结果，确定试验锅炉的低氮燃烧改造方案为：选择浓淡比为4∶1的水平浓淡燃烧器作为改造燃烧器，SOFA风率定为30%，SOFA射流角度上扬15°。改造后锅炉燃烧稳定，NOx排放显著降低，为220 mg/Nm3左右(降幅达65%～70%)，而飞灰含碳量保持在3%～4%，表明改造方案可达到良好的低氮燃烧效果。

关键词：四角切圆锅炉；低氮燃烧；水平浓淡燃烧器；SOFA；热态试验

0 引 言

随着国家对于环保要求的提高，燃煤电站锅炉的超低排放已普遍实施。其中超低排放明确规定，氮氧化物排放浓度不得高于50 mg/Nm3[1]。为达到严格的超低排放标准，目前国内绝大部分电站锅炉均实施了NOx排放控制技术改造。目前主流氮氧化物控制技术主要采用炉内低NOx燃烧技术和烟气脱硝技术(SCR)相结合的方案。采用低NOx燃烧技术可经济有效地降低炉膛出口NOx排放量，从而减轻SCR运行负担。数值模拟方法是研究煤粉锅炉燃烧特性的经济高效手段[2-3]。Choi等[4]以一台500 MWe四角切圆煤粉炉为对象，利用Fluent软件研究了炉内的流场、颗粒运动、组分和温度分布，并重点考察了NOx的生成，发现空气分级技术能有效抑制NOx的生成。Zhou等[5]运用CFD技术研究了一台1 000 MWe双切圆煤粉炉的燃烧和NOx排放特性，指出燃尽风多组布置比单组布置降氮效果更好。张晓辉等[6]对一台燃用烟煤的220 t/h四角切圆锅炉进行数值模拟，发现水平浓淡燃烧结合燃尽风方式可显著降低NOx排放水平。本文针对一台燃用烟煤的420 t/h四角切圆锅炉，采用水平浓淡燃烧结合空气分级的方式进行改造，并运用数值模拟的方法，重点研究了一次风浓淡比、SOFA风率和SOFA风射流角度等参数对锅炉燃烧和NOx排放的影响规律，从而确定最佳的低氮燃烧改造方案。

1 研究对象

本文针对一台420 t/h四角切圆锅炉进行了低氮燃烧改造，锅炉的炉膛尺寸及燃烧器布置如图1所示。锅炉的原始燃烧器分3层布置在前墙和后墙角区，为直流双通道风包粉结构，一、二次风由双通道燃烧器喷入炉膛。假设切圆直径为800 mm，炉膛截面尺寸为8 650 mm×11 940 mm，燃烧室高度为36 450 mm。改造前锅炉未采用空气分级燃烧，存在燃烧稳定性差和NOx排放浓度高等问题。锅炉燃用煤种的煤质特性见表1。

表1 煤质特性分析

Table 1 Ultimate and proximate analyses of coal

工业分析/%元素分析/%MarAarVarFCarCarHarOarNarSt,arQnet,ar/(MJ·kg-1)13.5023.7323.5939.1849.542.789.030.640.7818.79

改造采用百叶窗式水平浓淡燃烧器替换原直流双通道风包煤燃烧器，如图2所示。该燃烧器通过浓缩器将一次风粉分离成浓淡2股气流，分别从钝体两侧喷入炉膛，其中浓粉气流为富燃料燃烧，造成该区域缺氧，能有效抑制NOx的生成[6]；淡粉气流的过量空气系数较高，但由于温度较低，因而NOx生成可得到部分抑制[7-9]。因此，低氮燃烧器在煤粉着火初期便限制了NOx的生成[10-11]。改造后一次风切圆直径由800 mm改为大切圆702.5 mm和小切圆662.5 mm。

图1 锅炉结构及喷口布置
Fig.1 Boiler structure and nozzle arrangement

图2 百叶窗式浓淡燃烧器结构示意
Fig.2 Structure of shutter type rich-lean burner

本改造方案将原主燃烧区部分二次风布置在主燃区上方5.8 m处的3层SOFA喷口送入炉膛(图1)，炉膛被分成贫氧的主燃区、还原区和富氧的燃尽区3个燃烧区域。空气分级燃烧是一种可有效降低NOx排放的技术[12-13]。主燃烧区煤粉处在还原性气氛下，减少NOx生成，在燃尽区未燃尽的碳和CO等燃烧完全。

2 数值计算模型与方法

结合研究对象的自身特点，数值模拟过程中所选择的计算模型为：湍流模型采用带旋流修正的k-ε模型，煤粉颗粒运动采用Langrange随机轨道模型来模拟，气相燃烧采用混合分数/概率密度函数模型，采取两部竞争反应模型作为挥发分的析出模型，采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧，采用P-1模型计算辐射换热，热力型NOx生成采用Zeldovich机理[14]，燃料型NOx采用总体反应速率模型[15-16]。

3 计算结果与分析

3.1 计算模型的验证

首先对数值计算结果的可靠性进行验证。在改前100% ECR负荷工况下，对锅炉进行数值模拟，将模拟结果和热态试验测量结果进行对比(表2)。发现折焰角处的烟温、NOx排放值和飞灰含碳量虽存在一定的偏差，但尚在可接受范围内，测量结果与模拟结果基本吻合。表明模拟采用模型的可靠性。

表2 测量结果和模拟结果对比

Table 2 Comparison between the test results and simulated results

项目分隔屏进口烟温/K出口NOx含量(6% O2)/(mg·Nm-3)飞灰含碳量/%模拟结果1 3497132.02测量结果1 3457001.81

3.2 一次风浓淡比对低氮燃烧的影响

为了保证单一变量，计算在空气分级燃烧条件下进行，其SOFA风率设为30%。

采用水平浓淡燃烧器后，3种不同浓淡比下炉膛出口温度、氧含量、NOx含量以及飞灰含碳量见表3。可知随着浓淡比的增加，炉膛出口温度逐渐增加，而NOx含量则逐渐降低。浓淡比为4∶1时，飞灰含碳量最低。为了进一步解释上述结果，对3种不同浓淡比下各参数沿炉高的变化规律进行研究，结果如图3所示。

表3 不同浓淡比下模拟结果(折焰角)
Table 3 Simulation results at different rich-lean ratios(furnace arch)

浓淡比温度/KO2浓度/%NOx含量(6% O2)/(mg·Nm-3)飞灰含碳量/%6∶11 3393.772553.454∶11 3333.762713.202∶11 3273.762863.42

由图3可知，3个工况下各参数整体分布规律相似，差别主要集中在主燃区。当一次风浓淡比从2∶1逐渐增大到6∶1时，燃烧器区域截面平均温度呈现先上升后下降的趋势。随着浓淡比增大，一方面浓侧气流的挥发分浓度增加，着火温度降低，着火热有降低趋势；另一方面浓侧煤粉量的增加也导致着火热有增大趋势，上述相反作用使得在某一浓淡比时，煤粉气流的着火热需求最小，着火距离最短，煤粉燃尽率最高，从而炉膛温度最高[17]。O2浓度则随浓淡比的增大呈现先降低后升高的相反趋势，这是由于着火及燃烧性能越好，氧消耗量越大，其中氧浓度场与温度场的变化规律相一致。主燃区CO浓度随浓淡比增大而升高，浓淡比增大，浓粉气流过量空气系数降低，煤粉着火后生成的CO转化为CO2的量减少；虽然淡侧CO生成量有所减少，但其减少量远低于浓侧CO的增加量，故CO浓度呈现升高趋势。随着浓淡比增大，CO浓度升高，增强了主燃区域的还原性，抑制挥发分含氮中间产物氧化成NO，从一方面解释了NOx浓度随浓淡比的增大而显著降低的趋势。另一方面，浓淡比增大使浓煤粉气流挥发分析出速率加快，强化挥发分含氮中间产物HCN和NH3将已生成的NO还原为N2；同时，淡侧气流煤粉浓度低，含氮基团析出量变小，与氧反应生成NO的量减少。在主燃区与燃尽区之间，温度迅速升高并达到最高值；O2浓度迅速降低并达到最低值，而CO浓度则小幅上升。在该区域内高温低氧气氛下，主燃区生成的NOx被大量还原为N2，因而使NOx浓度大幅下降。在燃尽区，随着煤粉与二次风、SOFA风的混合，未燃尽碳、CO与剩余氧反应，3个工况的温度值、O2浓度值、CO浓度值趋于一致，NOx浓度值维持随浓淡比增加而降低的趋势。

图3 不同浓淡比下各参数沿炉膛高度分布
Fig.3 Various parameters along the height of furnace at different rich-lean ratios

综上分析，浓淡比为4∶1时，煤粉的着火及燃烧强度最优，燃尽率最高，NOx排放量也在可接受范围内。因此，选择浓淡比为4∶1的水平浓淡燃烧器作为改造燃烧器，后文在此基础上进行进一步研究。

3.3 SOFA风率对低氮燃烧的影响

3种不同SOFA风率下炉膛出口温度、氧含量、NOx排放量以及飞灰含碳量的变化见表4。可知，炉膛出口烟温、飞灰含碳量随SOFA风率的增加而增加，20% SOFA风率时，NOx浓度较高，SOFA风率由30%增加到40%时，NOx浓度基本保持不变。为了进一步解释上述结果，对3种不同SOFA风率下各参数沿炉高的变化规律进行研究。

表4 不同SOFA风率下模拟结果(折焰角)
Table 4 Simulation results at different SOFA ratios(furnace arch)

SOFA风率/%温度/KO2浓度/%NOx含量(6% O2)/(mg·Nm-3)飞灰含碳量/%401 3983.852713.95301 3333.762713.20201 2913.803042.17

不同SOFA风率下各参数沿炉膛高度分布如图4所示。可知在主燃烧区域随着一、二次风交替喷入，温度呈现锯齿状分布，在主燃区与燃尽区之间达到最高值；随着煤粉的燃尽，炉内温度逐渐降低。主燃区温度与SOFA风率呈非线性相关关系，这是因为主燃区温度受煤粉燃烧放热和二次风吸热双重影响，存在某一SOFA风率下主燃区温度最高。而随着SOFA风率增加，煤粉着火燃烧过程明显延迟，主燃烧区强度降低，未燃烬的煤粉进入燃尽区进行燃烧放热，促使燃烧火焰中心上移，炉膛出口烟温上升。

由图4可知，随着SOFA风率增加，主燃区的O2浓度降低，而CO浓度升高。这是因为，主燃区过量空气系数降低，煤粉缺氧燃烧显著加剧，CO浓度大幅升高；随着燃尽风的喷入，CO浓度急剧降低，且降低幅度随SOFA风率的增加而增大；在炉膛出口附近，SOFA风率增加，煤粉颗粒停留时间缩短，化学不完全燃烧损失增加，CO浓度升高。

图4 不同SOFA风率下各参数沿炉膛高度分布
Fig.4 Various parameters along the height of furnace at different SOFA ratios

主燃区NOx浓度值随SOFA风率的增加而降低，低O2高CO浓度的强还原性气氛抑制了HCN及NH3被氧化成NO，相反促进了其与已生成的NO发生反应生成N2。同时，主燃区产生的CO和焦炭也还原了部分NOx。在高SOFA风风率下，高温区缩小，生成的热力型NOx减少[18]。在燃尽区，NOx浓度有所升高，这是由于煤粉继续燃烧，会重新生成部分NOx，且烟气中的还原性物质基本燃尽，对NOx的还原作用减弱[19]。SOFA风率越高，在燃尽区燃烧的煤粉越多，NOx生成量也越多。在炉膛出口处，20% SOFA风率工况的NOx浓度较高，而30%和40% SOFA风率的NOx浓度相近。

综合考虑炉膛的经济性和降低NOx排放效果，SOFA风率定为30%较为合理。

3.4 SOFA射流角度对低氮燃烧的影响

为便于叙述，定义SOFA喷嘴上扬角度为正角度，下倾角度为负角度，水平方向为0°，分别对-30°、-15°、0°、+15°和+30°五种工况进行对比计算。

不同SOFA射流角度下炉膛出口温度、氧含量、NOx以及飞灰含碳量的变化见表5。可知随着SOFA风射流角度上扬，还原区加长，有利于降低NOx浓度，但燃尽区的火焰中心会上升，煤粉燃尽时间变短，炉膛出口温度和飞灰含碳量上升。对5种SOFA射流角度下各参数沿炉高的变化规律进行深入分析，如图5所示。

表5 不同SOFA风射流角度下模拟结果(折焰角)

Table 5 Simulation results at different SOFA injection angles(furnace arch)

SOFA喷嘴角度/°温度/KO2浓度/%NOx含量(6% O2)/(mg·Nm-3)飞灰含碳量/%-301 3243.973192.35-151 3363.992832.9001 3333.762713.20+151 3483.662503.43+301 3613.572423.97

由图5可知，主燃烧区，除射流角度下倾30°外，其他工况下温度较接近，这表明在一定范围内，改变射流角度对燃烧器区域燃烧影响很小，主要影响煤粉在燃烧器至炉膛出口段的燃烧过程。当射流角度下倾30°时，燃尽区下方温度均较低，因为下倾角度过大，部分燃尽风起到了提前冷却的效果。射流角度在-15°～30°时，主燃烧区至燃尽区之间的温度随射流角度增加而降低，因为SOFA下倾具有“压火”和及时补充氧气的作用，可增加煤粉在此区域的停留时间和燃烧放热。在燃尽区，炉膛温度先降低再增加，燃尽风首先起到冷却作用，然后与未燃尽煤粉混合燃烧放热从而使温度再升高；炉膛出口烟温随射流角度上扬而升高，因为射流角度增加延迟了未燃尽煤粉燃烧，使得高温区上移。

图5 不同SOFA风射流角度下各参数沿炉膛高度分布
Fig.5 Various parameters along the height of furnace at different SOFA injection angles

燃尽风喷入炉膛后，O2浓度先急剧增加而后随着煤粉的燃尽而下降，CO浓度则大幅下降。随射流角度增加，O2浓度降低而CO浓度升高，这是因为，射流角度增大延迟了煤粉燃尽过程，增加了化学不完全燃烧损失；这种低氧高CO的强还原性气氛大大抑制了NOx生成。增大射流角度相当于加长了还原区长度，生成的NOx能更充分地被还原。

实际运行时可根据此规律调整SOFA风射流角度，以达到比较好的降氮效果、燃烧效率和汽温等参数。

3.5 低氮燃烧改造效果分析

根据前文研究，确定所研究锅炉的低氮燃烧改造方案为：将原燃烧器改为浓淡比为4∶1左右的水平浓淡燃烧器；二次风分4层均等布置，与一次风同向切圆，二次风风率为36.5%；SOFA风率为30%，分3层布置，SOFA射流角度上扬15°。热态试验结果见表6。

表6 热态试验结果

Table 6 Results of thermal measurement

项目试验1试验2试验3试验4试验5锅炉蒸发量/(t·h-1)214298373391410主蒸汽压力/MPa13.0513.2813.1913.8213.61主蒸汽温度/℃539542544544541NOx含量/(mg·Nm-3)337284222225256飞灰含碳量/%2.923.073.813.163.92大渣含碳量/%1.350.970.740.485.23

由表6可知，改造后锅炉在低氮运行工况下，能较好地降低NOx排放，保证煤粉燃尽率。负荷360～410 t/h时整体运行状况良好，主蒸汽温度在540～550 ℃，NOx排放量由改造前的750～800 mg/ m3降至220～250 mg/ m3，降幅达65%～70%，飞灰含碳量在3%～4%。中低负荷下，为保证炉内空气动力场和稳定燃烧，通常运行氧体积分数较高，主燃区处于富氧气氛，促进了燃烧初期NOx的生成，导致炉膛出口NOx浓度高于高负荷运行时；通过运行调整，低负荷下其他运行参数变化不大。

4 结 论

1)随浓淡比增加，水平浓淡燃烧器分级程度加大，NOx浓度有所降低，煤粉燃烧强度及飞灰含碳量均在浓淡比为4∶1时最优。

2)随着SOFA风率的增加，主燃区氧含量降低，煤粉燃烧强度减弱，火焰中心随之上移，在炉膛出口处温度、CO浓度、飞灰含碳量增加。在SOFA风率为30%时综合性能最优。

3)随SOFA射流角度上扬，还原区域变长，燃尽区变短，炉膛出口NOx浓度降低，温度、O2浓度、CO浓度及飞灰含碳量增加。

4)热态试验结果表明，改造后各工况下锅炉燃烧状况良好，运行参数稳定，NOx排放达标，燃烧经济性好，表明该改造方案可达到良好的低氮燃烧效果。

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Numerical simulation of low NOx burner retrofit of a 420 t/h tangentially lean coal-fired boiler

CHEN Tao1，YU Jie1，ZHAO Peng2，SUN Lushi1

(1.State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China； 2.Suzhou Branch,Xi′an Thermal Power Research Institute Co.,Ltd.,Suzhou 215153,China)

Abstract:In order to meet the strict emission standards,most of the power station boilers have implemented NOx emission control technology. A 420 t/h tangential coal fired boiler of utilizing bituminous coal was retrofitted by replacing original burners with horizontal bias combustion(HBC)ones as well as introducing separated over-fire air(SOFA)to achieve the effect of low nitrogen combustion. The numerical simulation method was used to demonstrate the scheme. The effects of the primary air concentration ratio,SOFA air rate and SOFA air jet angle on the combustion status and NOx emission of the boiler were studied,and the optimum modification scheme was put forward. As the rich-lean ratios increasing,the furnace outlet temperature gradually increases,while the NOx content gradually decreases. When the rich-lean ratios is 4∶1,the carbon content in fly ash is the lowest. As rich-lean ratios increasing,the concentration of CO increases,which enhances the reduction of the main combustion zone and inhibits the oxidation of volatile nitrogen-containing intermediates into NO. Moreover,the increase of rich-lean ratios makes the rate of volatilization of concentrated coal powder increase. The volatile nitrogen-containing intermediates HCN and NH3 are used to reduce the produced NO to N2. At the same time,the lean side gas pulverized coal concentration is low,the amount of the nitrogen-containing group precipitation is small,and the amount of NO formed by reaction with oxygen is reduced. With the increase of SOFA ratios,the flue gas temperature of the furnace exit and the carbon content of the fly ash increase,and the NOx concentration is higher at the 20% SOFA ratios,and the NOx concentration remains basically unchanged when the SOFA wind rate increases from 30% to 40%. With the increase of SOFA ratios,the strong reducing atmosphere with low O2 and high CO concentration formed in the main combustion zone inhibits the oxidation of HCN and NH3 to NO,which in turn promotes the reaction with the generated NO to form N2. In addition,under the high SOFA ratios,the high temperature zone of the main combustion zone is reduced,and the thermal NOx is also reduced accordingly. As the SOFA jet angle increases,the reduction zone lengthens,which is conducive to reducing the NOx concentration,but the flame center in the burnout zone rises,and the pulverized coal burnout time become shorter,and the furnace exit temperature and fly ash carbon content increase. As the jet angle increases,the O2 concentration decreases and the CO concentration increases. Because the increase of jet angle delays the pulverized coal burnout process and increases the chemical incomplete combustion loss. The strong reducing atmosphere with low O2 and high CO concentration greatly suppresses NOx generation. According to the numerical simulation results,the low-nitrogen combustion reforming scheme of the boiler is determined as:a horizontal rich-lean burner with a ratio of 4∶1 is selected as the transformation burner,the SOFA ratios is set at 30%,and the SOFA jet angle is raised by 15°. The on-site measurement after retrofitting showed that combustion characteristic of the furnace was stable. The NOx emissions decreased significantly to 220 mg/Nm3(The decline is 65%-70%). The unburned carbon content in fly ash was as low as 3%-4% at the same time. It shows that the retrofitting scheme can achieve good low nitrogen combustion effect.

Key words:tangential coal fired boiler;low NOx combustion;horizontal bias combustion;separated over-fire air;in-situ measurement

中图分类号:TM621；X773

文献标志码:A

文章编号:1006-6772(2019)05-0073-07

收稿日期：2019-03-26；责任编辑：白娅娜

DOI:10.13226/j.issn.1006-6772.19032601

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基金项目：国家重点研发计划资助项目(2018YFB0604202)

作者简介：陈 涛(1994—)，男，湖北黄石人，博士研究生，从事锅炉燃烧数值模拟的科研工作。E-mail：taochen@hust.edu.cn。

通讯作者：于洁，副教授。E-mail：yujie@hust.edu.cn

引用格式:陈涛，于洁，赵鹏，等.420 t/h四角切圆锅炉低氮燃烧改造数值模拟研究[J].洁净煤技术，2019，25(5):73-79.

CHEN Tao，YU Jie，ZHAO Peng,et al.Numerical si mulation of low NOx burner retrofit of a 420 t/h tangentially lean coal-fired boiler[J].Clean Coal Technology，2019，25(5):73-79.