葛尧
身份证号码22088119890822****，黑龙江省哈尔滨市 150000
摘要：为了探索锅炉燃烧流动规律，数值分析了不同过量空气系数、不同分燃空气比、不同二次风分配方式和不同摆角对锅炉燃烧和NOx排放规律的影响。结果表明，在炉膛高度方向10~30 m范围内，协同角从82°附近迅速减小到70°，然后剧烈波动；在30 m以上的高度范围内，协同角呈抛物线分布规律；协同角随着过量空气系数和分离燃尽空气比例的增加而减小，在等配风方式下协同角最小；空气分级燃烧与集中直流燃烧器相结合，能有效抑制主燃烧区NOx的形成；过量空气系数越大，炉膛出口处的NOx排放量越高，随着分离燃烧空气比例的增加，NOx排放量先减小后增大，最佳分离燃烧空气比例为15% ~ 25%；等配风方式下，炉膛出口NOx排放量最低；腰部分布模式下炉膛出口O2的体积分数最低。倒宝塔配风方式对主燃烧区NOx生成有明显的抑制作用；燃烧器的下摆角和分离燃尽风的上摆角可以降低炉膛出口的氮氧化物排放。
关键词：燃煤锅炉；分级燃烧；场协同；分离燃尽风；NOx 排放
燃煤电站锅炉排放的氮氧化物是空气污染物的主要来源。研究燃煤锅炉污染物超低排放对节能和环境保护具有重要意义。低NOx燃烧器和空气分级燃烧的结合是减少NOx排放的最直接和有效的方法[1-2]。
1机组概况
某330 MW亚临界机组锅炉采用浓淡分离、同心反切燃烧技术的直流燃烧器组织水平方向燃烧。一次风偏置角40.3°，顺时针偏置角小，二次风偏置角45.3°，逆时针偏置角大。垂直方向采用深空气分级燃烧技术，燃烧器四角布置，自下而上分级布置，其中一次风有五层喷嘴，A、B层内浓外淡，C、D、E层下浓上淡。二次风和一次风交替布置，共7层喷嘴。同时，在主燃烧区的上部设计了一层紧凑型燃尽空气(OFA)和四层SOFA。
2数学模型及计算条件
协同角β表达式为：
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采用欧拉法模拟气相，气相湍流模型采用标准双方程模型，边界层网格采用标准壁函数处理；用随机轨道模型模拟煤颗粒运动；采用双平行竞争反应模型模拟煤粉挥发，采用动态/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧。涡流耗散/有限速率化学反应模型用于模拟气体湍流燃烧。挥发性燃烧是8步分解燃烧，焦炭燃烧是4步表面颗粒燃烧[14]。辐射传热采用P1模型，压力-速度耦合采用SIMPLE方法，对流项采用二阶中心差分，扩散项采用二阶迎风差分。
炉膛整体形状规则，可用结构化六面体网格划分，不同区域网格密度不同。为了减少计算中的伪扩散，将炉膛内燃烧器区域的截面划分为径向网格，燃烧器喷口附近的网格进行局部加密。电网独立性验证确认锅炉电网数量为170万。
一次风放入A、B、C、D层燃烧器，E层燃烧器备用。二次风、OFA、SOFA全开；总风量为313.1 m3/s，总煤量为41.94 kg/s，其中燃烧器喷口煤粉浓度与稀释质量比为6:4。
3结果和讨论
锅炉试验值和模拟值的O2体积分数和NOx质量浓度的误差率小于5%，说明本文的数值计算值能够很好地反映锅炉炉膛的燃烧特性和NOx排放特性。
3.1不同因素对场协同的影响
在锅炉标高13.97 m处的一次风断面上，一次风携带煤粉，从锅炉壁的四角射入，进行切向燃烧，温度和速度形成类似的环形分布；沿着气流方向，温度逐渐升高，速度逐渐降低，温度梯度的变化与速度梯度的变化正好相反。
在气流方向和炉膛中心，协同角小的区域也形成类似温度分布的环形分布，而在炉壁和气流尾部附近，协同角大，约为80°。这是因为沿气流方向，温度梯度方向与气流速度矢量方向一致，所以协同角小；但在炉壁附近和气流末端，气流刚度减小，湍动能增大，气流速度矢量变化较快，温度梯度方向与气流速度矢量方向的协同性减小，因此协同角较大。
在风粉混合气流形成的速度矢量场中，沿气流速度梯度方向，传热速率最高，传热最强，温升最快；在气流速度梯度的垂直方向，传热速率最低，传热最弱，温升最慢。因此，协同角越小，温度梯度与速度矢量方向越一致，因此沿环形速度矢量方向形成环形高温带。
在10~15m范围内，协同角从82°迅速减小到70°；在15~30 m范围内，协同角上下剧烈波动。从炉膛结构和燃烧器位置分析可知，在10~15 m范围内，一次风喷嘴A、B、C三层，二次风喷嘴四层交替布置。由于风和煤的不断注入，在炉膛下部形成稳定一致的温度分布和速度分布，因此协同角迅速减小；在15~30 m范围内，大量OFA和SOFA送入，再加上煤粉二次燃尽、NOx生成还原等一系列复杂反应，湍流作用强烈，使炉内传热传质极不均匀，因此协同角波动；在30m及以上区域，协同角先增大后有规律地减小，因为下部来流携带的湍流动能在该区域逐渐释放，该区域没有湍流源，所以协同角一直增大，没有波动；直到火焰折角40 m，协同角开始逐渐减小，因为这里的截面突然减小，湍流动能进一步减弱，温度分布和速度分布逐渐稳定。
在30 m及以上区域，协同角随着过量空气系数和燃尽空气比的增大而减小，在等配风方式下协同角最小，燃烧器摆角绝对值越大，协同角越小。这是因为在切向燃烧系统中，从燃烧器喷嘴喷入炉内的空气在炉内转化为旋转动量。与燃烧器摆角的水平相比，炉膛上部烟气的切向旋转动量将被向上或向下的摆角削弱[16]。旋转动量越小，温度和速度的协同越好，协同角越小。
3.2不同过量空气系数对氮氧化物的影响
在冷灰斗区(0~10 m)，温度迅速上升到1 350 K，NOx的质量浓度迅速下降，而挥发分和氧气的质量分数几乎不变，这是因为该区气流不易循环；在主燃烧区(10 ~20
m)，温度进一步上升到最高温度1 450 K，氧气质量分数波动较大(3.0% ~ 6.5%)，挥发分质量分数下降到6%，NOx质量浓度上升缓慢，这是因为空气和煤粉快速送入炉膛后在此区域快速消耗，空气分级燃烧技术和浓淡直流燃烧器的结合抑制了NOx的产生。在还原区(20~25 m)和燃尽区(25 ~30 m)，氧质量分数先迅速下降后上升，而温度和氮氧化物质量浓度基本保持不变。这是因为在这个范围内，通过SOFA给料产生并还原NOx，产生并还原的NOx量大致等于NOx还原的量，所以NOx质量浓度的变化不明显。同时，最佳过量空气系数为1.15。
3.3不同比例分离燃尽风对氮氧化物的影响
随着分离出的燃尽空气比例的增加，炉内整体温度降低，但主燃烧区挥发分质量分数和燃尽区氧气质量分数增加。这是因为分离出来的燃尽空气比例不断增加，使得主燃烧区的风量不断减少，进一步加剧了该区域的低氧燃烧，减少了煤粉释放的热量。同时，燃尽区不断增加的风量冷却了该区域的炉温，因此整体炉温持续下降。在主燃烧区，分离燃尽空气比例的增加对氮氧化物的生成有明显的抑制作用；而在燃尽区，过多的分离燃尽风送入，未燃尽的煤粉二次燃烧产生NOx，使得炉膛出口的NOx质量浓度较高。总之，随着分离燃烧空气比例的增加，炉膛出口的氮氧化物质量浓度先降低后升高，最佳分离燃烧空气比例为15%~25%。
3.4不同摆角对氮氧化物排放的影响
与摆动角0°相比，燃烧器摆动角越小，炉内NOx生成量越低；燃烧器向上的摆动角度会产生更多的氮氧化物，向上的摆动角度比向下的摆动角度对炉内氮氧化物生成的影响更大。因为调节燃烧器摆角会改变炉内火焰中心高度，影响煤粉在炉内的燃烧时间；随着燃烧器摆角的增大，氮氧化物还原区的长度变短，分级燃烧效果变差。但如果燃烧器摆角过大(-10°)，火焰会冲走冷灰斗，造成高温腐蚀。将燃烧器的摆动角度设置为-5°时，进行调整
SOFA摆角可以进一步降低炉膛出口的NOx质量浓度，向上摆角优于向下摆角，因为SOFA向上摆角可以增加还原区的长度，有利于NOx的充分还原。最佳摆角为SOFA =+10，炉膛出口NOx质量浓度为350 mg/m3。
4结论
1)切向燃烧锅炉的过量空气系数越大，协同角越小，炉膛出口的NOx质量浓度越高。最佳过量空气系数为1.15。
2)随着分离出的燃尽空气比例的增加，协同角逐渐减小，炉膛出口的氮氧化物质量浓度先减小后增大。分离燃尽空气的最佳比例为15%~25%。
3)等配风方式下炉膛出口NOx质量浓度最低，环带配风方式下氧气质量分数最低。倒宝塔配风方式能有效抑制主燃烧区NOx的生成。
4)燃尽风摆角上下分离可以降低炉膛出口的氮氧化物质量浓度。
参考文献：
[1]何雅玲, 雷勇刚, 田丽亭,等.高效低阻强化换热技术的三场协同性探讨[J]. 工程热物理学报, 2009, 30(11):1904-1906.
[2]周黎明．630 MW 机组低氮燃烧系统燃烧调整优化[J]．锅炉技术，2019，50(2)：67-70．