（环境工程专业论文）600mw对冲燃煤锅炉降低nox排放的数值模拟.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：火力发电在我国电力供应方面占有重要地位。随着大容量机组在总装机容 量中的比例不断增加，燃煤污染物排放越来越严重。降低n o x 排放成为燃煤电厂 面临的重要问题之一。本文利用f l u e n t 软件对6 0 0 m w 对冲燃煤锅炉原设计工况进 行数值模拟，预报了炉内的温度场，速度场、各组分的浓度场以及颗粒轨迹等， 给出了炉内的n o x 分布。并与实际情况进行比较。在此基础上，对锅炉进行低n o x 改造。 本文根据n o x 的生成机理与控制方法，首先对原设计工况燃尽风量进行改变， 保持总风量不变，减少二，三次风量，增加燃尽风风量，采用分级燃烧通过改变 二，三次风量和燃尽风量的配比降低n o x 的排放，由配比方式的不同，进行了三 种变工况的研究。其次，根据本锅炉的特点，改变二次风旋流数的大小进行了三 种变工况的研究。在工况一，二的基础上，适当燃尽风量由停运层燃烧器送入进 行了两种情况的研究。 结果表明，增加燃尽风量能够不同程度地降低n o x 的浓度，但是燃尽率下降； 在强旋流条件下，减小旋流数能够降低n o x 的浓度，但是降低幅度不大。增加停 运层漏风量后，n o x 出口浓度略有升高，燃尽率提高。 关键词：分级燃烧；旋流数；数值模拟；f l u e n t 软件；低n o x 分类号：x 5 1 1 北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h et h e r m a lp o w e rt a k e so fad o m i n a n tp o s i t i o ni nt h ee l e c t r i c i t ys u p p l y i nc h i n a 1 1 1 cp o l l u t i o no fc o a lc o m b u s i o ni sm o r ea n dm o r es e r i o u sw i t ht h ei n c r e a s i n g o fl a r g ec a p a c i t yu n i t si ni n s t a l l e dg r o s sc a p a c i t y r e d u c i n gt h en o xe m i s s i o nw i l lb e o r s eo ft h ep r e s s i n gp r o b l e m sf o rc o a l f i r e dp o w e rp l a n t b yu s i n gf l u e n ts o f t w a r e , t h e o r i g i n a ld e s i g no p e r a t i o nw a ss i m u l a t e df o rt h e6 0 0 m wo p p o s e dc o a l - f i r e db o i l e r t h e v e l o c i t y , t e m p e r a t u r e , t h en o xa n do t h e rp a r a m e t e rd i s t r i b u t i o n sw o r ep r e s e n t e d t h e s i m u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h o s ei nt h ep r a c t i c a ls i t u a t i o n b a s e do r st h e s i m u l a t e da n a l y s i s , t h eb o i l e rn e e db er e b u i l d e dt or e d u c et h en o xe m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ew a y o fc o m b u s i t o n , t h ea m o u n to ft h eo v e rf i r ea i r ( o f a ) a n d t h es e c o n da i rw o r ec h a n g e dt od e c r e a s et h en o xe m i s s i o nw i t l lt h em e t h o do f c l a s s i f i e dc o m b u s t i o n t h r c es i m u l a t e do p e r a t i o nc o n d i t i o n sa r ed e s i g n e da n dc a r d e d o u t t h e nt h es w i r ln u m b e ro ft h es e c o n da i rw a sc h a n g e df o ro t h e rt h r e ec o n d i t i o n s f i n a l l y , t h ec o o la i ra m o u n to fn o n - w o r kb u r n e r sw a sc h a n g e do r st h eb a s eo fc l a s s i f i e d c o m b u s t i o n t l 坞r e s u l t ss h o wt h a ta l lt h ef i r s tt h r e eo p e r a t i o nc o n d i t i o n sc o u l dd e c r e a s et h e c o n t e n t so f n o xi ns o m ed e g r e e b u t , t h eb u m - o f f r a t ei sd e c r e a s e d 1 1 坞c o n t e n t so f n o xd e c l i n e b yr e d u c i n gs w i r ln u m b e ri ns t r o n gs w i r lf l o w t h ec o n c e n t r a t i o no f n o x w i l lr a i s e 谢mt h ei n c r e a s i n ga i ro fn o n - w o r kb u r n e r so i lt h eb a s eo fc l a s s i f i e dc o m b u s t - i o n 皿eb u m - o f f r a t ea l s og o e su p k e y w o r d s ：c l a s s i f i e dc o m b u s t i o n ：s w i r ln u m b e r ：n u m e r i c a ls i m u l a t i 0 1 1 | f l u e n t s o f t w a r e ：l o wn o x ； c l a s s n o ：x 51 1 北京交通大学硕士学位论文 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期： 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交 通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 碡导师签名：1 币伽z 签字日期：伽彦年z 月护日 签字日期：胡年，月日 北京交通大学硕士学位论文 致谢 致谢 本论文的工作是在我的导师何伯述老师的悉心指导下完成的，何伯述老师严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢何伯述 老师对我的关心和指导。 何伯述老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向何伯述老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，冯戈、李鸣杨、同少莉、崔雅楠等同学对我 论文中的科学研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 生k 。 l 绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 绪论 能源与环境是当今人类发展所面临的两个重要问题，兼顾能源工业的发展与 环境保护是中国走可持续发展道路的重要课题之一在我国能源领域中，煤炭占 有重要的地位，提供了一次能源的7 0 嘣1 1 ，控制着能源经济的重要命脉。而且在 较长时间内我国的这种以煤炭为主的能源结构不会改变 2 1 在我国电力供应方面，火力发电占主要地位。截止2 0 0 7 年底，全国发电装机 容量达到7 1 3 2 9 万千瓦。火电达到5 5 4 4 2 万千瓦，约占总容量7 7 7 3 嘣引而且， 我国的燃煤发电机组正朝着大容量、高参数的方向发展。8 0 年代以安装1 0 0 3 0 0 m w 机组为主，9 0 年代以安装3 0 0 - - 6 0 0 m w 机组为主，参数则从高压、超高 压、亚临界压力并用过渡到以亚临界压力为主，并开始采用超临界压力参数。 现在我国火力发电厂每吨煤炭排放的各种污染物数量见表1 1 【4 】。随着我国电 力工业的发展，尽管随着大容量机组在总装机容量中的比例不断增加，发电煤耗 也不断下降以及单位发电量的排放也在逐年减少，但是由于发电总量的迅速扩大， 如2 0 0 0 年燃煤发电厂排放n o x 为2 9 0 万t ，预计到2 0 1 0 年，我国n o x 的总排放 量可能超过1 0 0 0 万t ，氮氧化物将成为举足轻重的大气污染物。所以，无论是针 对我国地域的环保要求，还是全球范围的环保要求，化石能源特别是燃煤能源都 面临很大压力。 表1 1 每吨煤炭燃烧各种污染物排放量k g t i 污染物 二氧化碳 碳氢化合物氮氧化物二氧化硫灰渣烟尘 l 数量 o 3 50 0 9 19 0 81 6 7 2 s1 0 0 0 a c1 0 0 0 a ( 1 - c ) 注：s 为含硫率，a 为含灰率，c 为除尘率 煤炭的主要成分是碳、氢、氧、氮、硫等，所以煤炭燃烧后会产生大量的固 体颗粒，而且含硫含氮物在燃烧过程中被氧化，生成对大气产生严重危害的s o x 和n o x 。而作为一次能源主要组成部分的煤炭有8 0 以上是用于直接燃烧的。所 以煤炭对环境的污染主要是其燃烧过程中产生的污染物对环境的污染。燃煤产生 的大气污染物占污染物排放总量的比例较大。其中，二氧化硫占8 7 ，氮氧化物 占6 7 ，一氧化碳占6 7 ，烟尘占6 0 。目前，粉尘排放的问题已经基本得到了 解决，但是硫氧化物和氮氧化物的污染问题有日益恶化的趋势。 北京交通大学硕士学位论文 n o x 是氮的氧化物的统称，现在知道的氮的氧化物中有n o 、n 0 2 、n 2 0 ， n 2 0 3 、n 2 0 4 ，n 2 0 5 等，其危害性【5 】主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 氮氧化物对人类健康的危害 在各种污染源排放的氮氧化物中，n o 含量占有9 0 【6 】，其毒性不是很大， 但是n o 进入大气后发生氧化反应后的产物n 0 2 比较稳定，其毒性是n o 的4 5 倍。它很易与人体和动物血液中的血色素混合夺取养分，使血液缺氧，引起中枢 神经麻痹症，还强烈刺激呼吸器管粘膜，引起肺部疾病。还对人体的心、肝、肾 脏及造血组织有害，严重时会导致死亡。空气中的n 0 2 含量在3 5 x 1 0 击( 体积分数) 持续1 h ，就开始对人体有影响；含量为( 2 啦5 0 ) 1 0 。6 时，对人眼有刺激作用；当 含量达到1 5 0 x 1 0 西时，对人体器官产生强烈刺激作用。 研究表明，n 0 2 还参与产生光化学烟雾的形成。大气中n o x 和挥发性有机物 v o c 达到一定浓度后，在太阳光照射下经过一系列复杂的光化学反应，就会产生 以高浓度0 3 和细颗粒物为特征的光化学烟雾，形成了夏季城市天空经常出现的蓝 色烟雾。由于我国大气中v o c 浓度较高，光化学烟雾的产生主要受n o x 制约， 大气中n o 浓度的微小增加都会加重光化学烟雾的污染。光化学烟雾是一种二次 污染，污染区主要位于污染源下风向3 0 5 0 k m 。由于0 3 和细颗粒物可以长距离传 输，造成区域性的氧化剂污染和细颗粒污染，使区域空气质量退化，太阳辐射减 少，气候发生变化。能使大气能见度降低，对眼睛、喉咙有强烈的刺激作用，并 会产生头痛、呼吸道疾病恶化，严重的会造成死亡。 n 0 2 还有致癌作用，严重威胁着人类的身体健康。又称为“笑气”，曾经在世 界大战中用于制造非人道的生化武器残害人类生命。 ( 2 ) 氮氧化物对森林和作物生长的影响 大气污染对农业和林业的损害是相当大的，可引起农作物和林木枯黄，产量 降低，品质变劣。随着污染物质的扩散可危机广大地区。由二氧化硫形成的硫酸 和氮氧化物形成的硝酸是酸雨的主要成分。酸雨会破坏作物和树根系统的营养循 环【7 】。 ( 3 ) 氮氧化物对气候变化的影响以及对臭氧层的破坏 全球气候的变化和臭氧的减少都直接与氧化亚氮的增加有关。n 2 0 和二氧化 碳一样，会引起温室效应，因为n 2 0 的含量较少，所以人们对它所引起的温室效 应还不够了解，事实上产生温室效应的能力要比二氧化碳大的多。大气中的氯氟 化碳和n 2 0 在光合作用下释放出氯和氮原子，而氯和氮原子参与催化循环，两者 都可以破坏无数的臭氧分子，导致臭氧层减少，使较多的紫外线辐射得以射到地 球表面。研究表明，皮肤癌、免疫系统的抑制、暴雨、水中和陆上生物系统的损 害、聚合物的破坏和地面雾的恶化都可能与此有关【8 】。 2 1 绪论 近年来随着我国产业结构由粗放型向集约型的转变和能源消费结构的优化调 整，能源消耗排放n o x 不断增加的趋势有所缓解，但是，n o x 排放在行业，燃 料及地区分布上均极为不平衡特征并没有改变。排放n o x 较多的经济行业依然 是工业，电力和交通运输部门，占排放总量的9 0 以上。电力工业又是我国的燃 煤大户，火电厂是n o x 的主要来源之一。据预测，到2 0 1 0 年，我国煤炭消耗将 达到1 6 9 亿1 9 9 亿吨；到2 0 2 0 年，原煤消耗将达到2 0 5 2 9 0 亿吨，燃煤产生的 n o x 将急剧增力f i c 4 。我国对1 0 0 0 t h 以上的固态排渣煤粉炉的n o x 排放标准为 6 5 0 m g m 3 ，而德国要求2 0 0m g m 3 ，日本要求4 1 0m g m 3 ，随着国家对环境保护的 日益重视，我国的标准也在提高。从2 0 0 4 年7 月1 日起，我国对排放实施全面收 费计划，要求各燃煤电站尽可能的降低n o x 的排放。所以，研究煤燃烧过程中的 形成机理及其控制方法，降低火电厂n o x 的排放，对促进国民经济发展和改善生 态环境具有重要的意义。 1 2 低n o x 技术的研究现状 国内的一些高校正致力于降低n o x 排放的研究中，华中科技大学等在分级燃 烧的最佳一次风系数方面做了大量的研究工作【9 】，通过试验来确定一次风的空气 系数，清华大学【1 0 1 ，华北电力大学【l l 】等在数值模拟方面具有较大的优势，对于锅 炉燃烧的模拟有一定的经验。在国外，分级燃烧已经是一种比较成熟的降低n o x 排放的技术，但是它主要是试验研究和工程应用，效率有待迸一步的提高。目前， 西欧和美国一些国家正致力于将再燃技术推广到煤粉锅炉的应用上；美国的 r e a c t i o ne n g i n e e r i n gi n t o r n a t i o n a l 自己开发了一套数值计算的软件，主要是对 n o x 的产生过程进行模拟。 1 3 课题的提出及主要研究内容 目前我国国内很多燃煤锅炉机组缺少有效的洁净煤燃烧技术，为保护环境， 更加合理有效地利用资源，必须对这些机组进行改造，以实现环境和经济的和谐 发展。 在这样的背景下，本文在何伯述老师的指导下开始了燃煤锅炉的低n o x 排放 研究。随着计算机模拟技术的飞速发展， 拟已经成为研究锅炉内燃烧的主要手段。 针对煤粉燃烧过程( 包括n o x ) 的数值模 利用计算机模拟可以缩短研究时间，节 北京交通大学硕士学位论文 省资源，对锅炉的运行、改造具有很重要的意义。 计算机的出现以及c f d 技术的发展，促进了燃烧理论和数值计算方法的结 合，使得燃烧学科得依大步发展。目前为止，采用计算机模拟技术研究燃烧室内 过程已经是各国能源领域的研究者们普遍采用的手段。 七十年代是一个模型发展与完善的阶段。如g i b o s o n 的化学动力学模型， s p a l d i n g 的湍流燃烧模型，g r o w 等的气固两相模型，p a r t r a n k e r 的s i m p l e 算法 垒堡【1 2 】 寸 。 进入八十年代，一整套的燃烧室内的模型方法开始初步形成，燃烧室的模拟 开始走向大型的炉内模拟【”】。 1 9 8 6 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d 1 4 】对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进行 了气相燃烧模拟，其中传热采用的是离散传播模型，b o y d 和k e n t 1 5 】对5 0 0 m w 的 四角切圆锅炉进行数值模拟，采用了轨道法，双反应热解模型，扩散动力焦炭燃 烧模型和离散传播法的辐射传热模型，并与实测的温度作了比较。 1 9 8 8 年，f i v e l a n d 和w e s s c l 1 3 】对6 0 0 m w 的炉膛进行了流动传热，燃烧的模 拟，得到了一些热态燃烧的有益结果。 1 9 8 9 年，g i l i s 1 6 】对5 m x l 5 m x l 3 m 的冷态模型锅炉进行了模拟，并与实测的 结果进行对比。该文探讨了如何防止伪扩散的方法，提出了一种“节点迎风格式”。 九十年代至今，炉内三维的流动燃烧，传热模型与方法正在走向成熟，开始 向实际应用迈进。 1 9 9 3 年c o i m b r a 1 7 】等对3 0 0 m w 的墙式三维炉膛中的n o x 的生成进行了数值 模拟，但是没有实验值作为比较。 1 9 9 3 年，l o c k w o o d 1 8 】等对对冲燃烧锅炉炉内的n o x 生成进行了数值模拟， 国内的科学工作者也在炉内的数值模拟方面取得了很大的进步，如清华大学，浙 江大学。 本课题针对6 0 0 m w 某电厂对冲燃煤锅炉n o x 排放超标这一现象，根据n o x 的生成机理、影响因素以及控制方法，采用低n o x 燃烧中的空气分级燃烧技术改 变风量配比和改变燃烧器的旋流数改进锅炉，并建立数学模型，对其炉内n o x 生成进行数值模拟，供锅炉改造参考。 本文的主要内容包括： ( 1 ) 用f l u e n t 软件对6 0 0 m w 某电厂锅炉原设计工况进行热态模拟，分析炉 内的流动，传热，传质及燃烧过程； ( 2 ) 进行n o x 模拟，给出炉内n o x 分布情况。 ( 3 ) 采用空气分级燃烧改造技术，通过改变二、三次风量和燃尽风量的配比， 模拟不同工况下炉内的燃烧过程和n o x 分布，并与原设计工况进行比较。 4 1 绪论 ( 4 ) 改变二次风的旋流数，模拟不同工况下炉内的燃烧过程和n o x 分布，并 与原设计工况进行比较。 ( 5 ) 适当增加停运层燃烧器的风量，模拟不同工况下炉内的n o x 分布。 ( 回根据模拟结果提出降低n o x 的工况，供锅炉改造参考。 5 2 煤燃烧过程中n o x 的生成机理与控制技术 2 煤燃烧过程中n o x 的生成机理与控制技术 2 1 引言 煤在燃烧过程中生成的n o x 占固定排放源n o x 排放的绝大部分。多年的研 究表明煤在燃烧过程中生成的n o x 按其生成的不同途径和发生源可以分为三种 n 9 】： ( 1 ) 热力型n o x ( t h 钌m a ln o x ) ，是z d d o v i c h 首先发现的，燃烧过程中空气中 的氮气在高温下与氧气反应所生成的n o x 。 ( 2 ) 快速型n 0 x ( p r o m p t n o x ) ，是美国的f c n i m o r e 在1 9 7 1 年在乙烯一空气火 焰反应区域中发现的一种快速产生的n o x ，这种快速瞬间形成的n o x 不能用热 力型n o x 机理来描述，故称为快速型n o x ，快速型n o x 主要是在碳氢火焰中产 生，最初是碳氢原子团在燃烧火焰中和n 2 反应生成中间产物h c n 和少量的c n ， 这些中间产物将进一步氧化成为n o x 。 ( 3 ) 燃料型n o x ( f u l en o x ) ，是由燃料中的氮形成的n o x 。燃料中的氮在挥 发和燃烧过程中，先以含有氮的中间产物析出燃烧产物生成n o x ，还有一部分是 结合于焦炭中的氮在燃烧过程中在焦炭表面发生多相反应而生成n o x 。这两部分 n o x 都称为燃料型n o x 上述三种氮氧化物的组成随燃料含氮量不同而有差别。对于燃煤，通常燃料 n o x 占7 0 8 5 ，热力n o x 占1 5 2 5 ，其余为少量的快速n o x 。 2 2n o x 的生成机理与控制原理 n o x 的不同生成途径决定了产生各种n o x 的机理和控制原理不同 2 2 1 热力型n o x 的生成机理与控制原理 热力型n o x 的生成是由空气中的n 2 在高温条件下氧化而成的。其生成过程 是一个不分支连锁反应，生成机理由捷里道维奇( z e l d 0 、，i c h ) 反应机理来描述： 2 + 0 叫+ n o 7 北京交通大学硕士学位论文 2 + d 一+ n o ( 2 - 1 ) 当燃料过浓时，还需要考虑下式的反应： + d 一0 + h ( 2 2 ) n + o 一n o + h ?j 式( 2 1 ) 和( 2 - 2 ) 一起，称为扩大的捷里道维奇机理。 其中式( 2 1 ) 反应的速率较慢，它决定了整个反应的速率，在燃烧过程中，这 一反应比主燃烧反应慢好几个数量级，因此在火焰中不致于大量生成热力型 n o x 。 影响热力型n o x 生成的因素主要有温度，氧浓度以及在高温区的停留时间。 其中温度对热力n o x 生成速率的影响最大，热力n o x 的生成速率与温度几乎成 指数关系。当燃烧温度低于1 8 0 0 k 时，热力n o x 生成极少；当温度高于1 8 0 0 k 时，反应逐渐明显，随着温度的升高。n o x 的生成量急剧升高。温度在1 8 0 0 k 左 右时，温度每升高1 0 0 k ，反应速度将增大6 7 倍【2 1 1 。 按照扩大的z e l d o v i e h 机理对c i - h 和空气混合物计算的结果表明：n o x 的 生成量在燃料过多时，随氧浓度继续增大而成比例增大。在过量空气系数略少于 1 时达到最大，最后，虽然氧浓度继续增大，但由于温度影响的原因，生成量下 降。燃烧温度在过量空气系数等于l 附近出现最大值，相应的n o x 的生成速度 达到最大。 综上所述，控制热力n o x 生成量的方法主要有： 降低燃烧温度水平； 降低氧气浓度； 使燃烧在远离d ，_ 1 的条件下进行 缩短在高温区的停留时间 2 2 2 快速型n o x 的生成机理与控制原理 快速型n o x 是由碳氢基团撞击靠近火焰反应区的分子氮生成的。大量的研 究结果表吲1 9 】，碳氢燃料燃烧时会产生c h 、c h 2 、c 2 、c 2 h 和c 等基团，它 们与空气中的n 2 反应生成h c n 、h 2 c n 和c n 等中间产物，然后这些中间产物 与火焰中生成的o 、o h 等基团反应生成n o x 。快速型n o x 只有在富燃料的烃 类火焰中，即碳氢基团c h i 较多、氧浓度相对较低时才发生，对温度的依赖较 弱。因此在煤粉炉中，其生成量很小，一般在5 以下。一般情况下，对不含氮 的碳氢燃料在较低温度下燃烧时，才重点考虑快速型n o x ，因为燃烧温度超过 2 煤燃烧过程中n o x 的生成机理与控制技术 1 5 0 0 ( 3 时【1 9 1 ，热力型n o x 将起主导作用。 所以，控制快速n o x 的生成量主要方法是：提供足够的氧气，减少中间产物 h c n 、n h i 。 2 2 3 燃料型n o x 的生成机理与控制原理 ( 1 ) 燃料n o x 的生成机理 燃料型n o x 是燃料中的氮化合物在燃烧过程中热分解并且发生氧化反应而 生成的，它是煤粉燃烧过程中n o x 生成的主要来源。 在煤粉燃烧中，由于燃料中氮的热分解温度低于煤粉燃烧温度，在 6 0 0 - - - 8 0 0 。( 2 时就会生成燃料型n o x ，它在煤粉燃烧产生的n o x 中占6 0 0 o - 8 0 。 在生成燃料型n o x 过程中，首先是含有氮的有机化合物热裂解产生n ，c n ，h c n 和n h i 等中间产物基团，然后再氧化成n o x 。由于煤的燃烧过程由挥发分燃烧和 焦炭燃烧两个阶段组成，故燃料型n o x 的形成由气相氮的氧化( 挥发分n o x ) 和 焦炭中剩余氮的氧化( 焦炭n o x ) 两部分组成圈 煤中含氮官能团的热稳定性比较高，因此当煤粉被加热时，煤中氮的释放比 挥发分的释放要晚一些，往往是在煤失重1 0 左右以后才开始有氮化物在挥发分 中出现【2 3 1 煤中的氮一部分随挥发分一起释放出来，称为挥发分氮( v o l a t i l o - n ) ， 另一部分氮则残留在焦炭中，称为焦炭氮( c h a r - n ) 。 煤氮在挥发分和焦炭之间的分配和热解温度、热解时间和煤种有关提高热 解温度、延长煤粉在热解区域的停留时间有助于煤氮向挥发分n 转化团】研究 表明【嬲】，在7 0 0 1 0 0 0 c 温度范围内热解时，7 0 一9 0 的煤氮会残留在焦炭 中。另外，随着煤中挥发分含量的增加，氮的释放量增加，即挥发分n 增加。 在煤粉燃烧过程中，挥发分n 和焦炭n 的变化行为是不同的，他们形成 n o x 的机理也不相同。燃烧初期生成的挥发分n 对燃料型n o x 的生成起着什 么重要的作用【2 6 】。挥发分中的氮化合物主要是h c n 和n h 3 ，h c n 和n h 3 的 总量占挥发分n 的9 0 - - 9 5 2 1 7 1 ，其中又以h c n 为主。h c n 和n h 3 的比例 与煤种有关，挥发分越高的煤，n h 3 h c n 的比值越大。这是由于挥发分越高( 煤 的等级降低) ，煤中的胺n 越多，而胺n 在热解时主要转变为n h 3 的缘故。 在氧化性气氛下，h c n 和n h 3 会被氧化为n o x ，在还原性气氛下，h c n 和n h 3 又会被分解还原成n 2 。所以，使煤中的n 在缺氧的环境下释放，可降低n o x 的 生成。 焦炭n 转变为n o x 的机理非常复杂，大多数研究者认为困】，n o 是焦炭n 的主要燃烧产物，n o 又会在焦炭表面和内部空隙中发生异相还原反应生成n 2 ， 9 北京交通大学硕士学位论文 同时在焦炭表面的催化作用下，n o 还会被c o 还原成n 2 。 与焦炭的燃烧过程相比，挥发分的释放和燃烧过程非常迅速，这就决定了挥 发分n o x 主要在挥发分的释放与煤粉着火区大量生成，而焦炭n o x 主要在火 焰尾部即焦炭燃烧区生成。 ( 2 ) 影响燃料n o x 生成的因素 燃烧温度 实验表明，燃料型n o x 和热力型n o x 不同，它受温度影响较小，这是因为 燃料中n 的热分解温度比火焰温度低，当燃烧时达到n 的热分解温度时进行分解， 生成燃料型n o x 和火焰温度关系不大【1 9 】。 过量空气系数( 氧浓度) 根据f e n i m o r e 的竞争机理【1 9 】可以知道，中间产物越多，就有可能使较多的燃 料n 转变为n 2 ，方法是让燃料在空气不足的条件下进行燃烧。当过量空气系数 大于1 时，随着过量空气系数的的降低，燃料n o 生成量基本没有变化；但是当 过量空气系数小于1 时，n o 的生成量和转化率会急剧降低。因此，过量空气系 数是影响n o x 生成的重要因素之一。 研究还表呀1 6 】挥发分氮向n o x 的转化对当地氧浓度很敏感，通过造成区域 还原性气氛，可以有效地降低n o x 生成量；而焦炭中的氮对氧浓度不敏感，因此， 存在着一个不能用还原性气氛消除的n o x 的生成量的下限。 燃料含氮量 燃料中氮的含量因燃料的种类和产地的不同而异。即使燃料中含氮量相同， 但不同的氮存在形式，其生成n o x 的量可能会有差异，特别是在不同的燃烧形式 下更是如此。就总体而言，燃料氮含量越高，则n o x 排放量越高。 ( 3 ) 燃料n o x 的控制方法 根据以上分析，控制燃料型n o x 生成的方法主要有： 燃用燃料n 含量低的燃料； 采用过量空气系数口 1 燃烧； 扩散燃烧时，抑制燃料和空气的混合。 2 3 低n o x 燃烧控制技术 低氮氧化物燃烧技术可分成燃烧前、燃烧中和燃烧后处理三大技术。燃烧前 脱氮主要是把燃料转化成低氮燃料，燃烧中脱氮主要是指改变炉内燃烧条件以减 少n o x 生成的方法，燃烧后脱氮主要是指烟气脱销技术等。 l o 2 煤燃烧过程中n o x 的生成机理与控制技术 在各类燃料中，固体燃料的含氮量最高( o 5 2 5 ) ，原油次之( 1 左右) ，气 体燃料最低( 天然气中几乎不含氮) 【2 9 】。因此，采用天然气等气态燃料是最好选择。 但是由于我国的能源结构和能源政策的限制，固体燃料的使用还占主导地位。 燃烧中脱氮技术主要是通过对锅炉运行方式的改进或者对燃烧过程进行特殊 的控制，来抑制燃烧过程中n o x 的生成反应，从而降低n o x 的最终排放量。 属于这类措施的有空气分级燃烧、燃料分级燃烧( 再燃烧) 、浓淡偏差燃烧、低氧 燃烧、烟气再循环以及各种低n o x 燃烧器刚。一般而言，除再燃烧技术外，这 类技术对于n o x 降低都不如烟气净化技术，但是简单易行，投资和运行费用低 廉。比较适合我国当前的国情【3 i 】。 在上述众多的低n o x 燃烧技术中j 燃尽风技术( o f a ，燃尽风技术即炉内空 气分级燃烧技术) 和低n o x 燃烧器( l n b ) 被认为是最切实可行并且得到了广泛应 用。既可以单独使用也可以联合使用，这两种方法联合使用时可以脱除高达5 0 的n o x 3 2 。下面主要介绍这两种技术 ( 1 ) 空气分级燃烧技术 本文主要研究的就是空气分级燃烧技术 空气分级燃烧技术是利用在过量空气系数偏离l 时能有效降低炉膛出口 n o x 量来设计的。将燃烧用的空气分两个阶段送入，使燃烧过程分成两个区域： 第一个是富燃区( a 1 ) ，在此区域，燃料在缺氧条件下燃烧，燃烧速度和燃烧温度 降低，热力n o x 的生成量降低，同时，燃料中释放的含氮中间产物h c n 、n h 3 等会被还原成n 2 ，因而降低了n o x 的生成。第二区为燃尽区( 驴1 ) ，在此区域 下，燃料在富氧条件下燃尽。在此段会有一部分残留氮氧化为n o x ，但由于温度 较低，n o x 生成量有限【3 3 】。 因此，总的来说，在空气分级燃烧条件下总的n o x 生成量是降低的。 从实际运行来看，空气分级燃烧技术在有效降低氮氧化物水平的同时，也会 引起以下几个问题： 由于分级燃烧延迟了煤粉气流与空气的混合，从而导致飞灰可燃物含量增 加，燃烧损失加大，降低锅炉的燃烧效掣粥5 1 。 由于燃烧区域里出现还原性气氛，从而引起水冷壁腐蚀，并增加燃烧室受 热面结渣的可能性。 这样就决定了分级燃烧技术的发展应该是在有效降低n o x 排放的同时，还应 确保锅炉燃烧效率降低不多，并且不增加水冷壁腐蚀结渣的可能性，从而锅炉高 效低n o x 排放【3 6 】。 ( 2 ) 低n o x 燃烧器 根据n o x 控制原理，低n o x 燃烧可分为五类：阶段燃烧型、自身循环型， 北京交通大学硕士学位论文 浓淡型低n o x 燃烧器、分割火焰型低n o x 燃烧器、混合促进型低n o x 燃烧器。 本文采用的是日本三井一巴布尔克公司的l n a s a b ( l o wn o xa x i a ls w i r l b u r n e r ) 燃烧器，按照上述分类属于浓淡型低n o x 燃烧器。其结构如下图： 图2 - 1l n a s a b 燃烧器结构 同常规的旋流燃烧器一样，l n a s a b 燃烧器在其出口气流的根部也有一个回 流区，可以卷吸高温烟气使一次风着火及稳燃。一次风筒出口的稳焰器可以使一 次风产生折向，形成煤粉的浓淡分离。这种浓淡分离一方面可以使着火稳定，同 时对降低氮氧化物的生成有一定的作用在根部回流区附近，一次风煤粉被加热 析出挥发分并开始燃烧。二次风在挥发分燃烧的后期混入燃烧区，保证挥发分的 燃尽并为焦炭的燃烧提供部分氧量。当焦炭开始燃烧后，四次风及三次风进入燃 烧区域，为焦炭的继续燃烧提供氧量。整个燃烧器的风量就是这样分级分步参与 燃烧，从而控制了火焰温度，降低了氮氧化物的生成量。l n a s a b 燃烧器的燃烧 过程如下图： 图2 - 2u 4 a s a b 燃烧器燃烧过程 1 2 3 燃煤锅炉概况 3 1 锅炉概要 3 燃煤锅炉概况 本课题所研究的锅炉为某电厂6 0 0 m w 燃煤空冷机组锅炉。该锅炉为东方锅炉 厂d g 2 0 7 0 1 7 5 1 1 4 锅炉。锅炉为亚临界参数，自然循环、一次中间再热，单炉膛 平衡通风、固态排渣，紧身封闭、全钢构架的兀型汽包炉。炉顶采用金属密封大 罩壳，屋顶为轻型金属屋盖，汽包两端设有汽包小室。燃烧器采用前后墙对冲布 置方式。前后墙上各布置3 层燃烧器，每层5 只，同一层的5 只燃烧器与一台磨煤机 相连。燃烧器上部布置有燃尽风( o f a ) 风口，1 0 只燃尽风调风器分别布置在前后墙 b a r 1 j - 1 锅炉结构及尺寸 锅炉炉膛的基本结构及主要尺寸如下图3 1 所示 图3 1 炉膛结构尺寸图 1 3 北京交通大学硕士学位论文 2 锅炉具体参数 表3 1 锅炉具体参数表( b m c r ) 项目 参数 锅炉型号 锅炉最大连续蒸发量 过热器出口蒸汽压力 过热器出口蒸汽温度 再热蒸汽流量 再热器进口蒸汽压力 再热器出口蒸汽压力 再热器进口蒸汽温度 再热器出口蒸汽温度 省煤器进口给水温度 锅炉热效率 d g 2 0 7 0 17 5 1 1 4 2 0 7 0 t h 1 7 5 m p a 5 4 1 1 7 6 8 2 t h 4 0 6 m p a 3 8 8 m p a 3 3 3 5 4 1 2 8 3 5 9 3 9 3 3 燃料 锅炉设计煤种为准格尔煤，属于烟煤，校核煤种为准格尔劣质煤和东胜煤。 模拟计算选用的煤种位锅炉燃烧设计煤种准格尔烟煤。其煤质及灰成分分析 见表3 - 2 。 表3 2 煤种参数表 灰 成 份 s i 0 2 a 1 2 0 3 f e 2 0 3 1 4 4 0 7 5 4 7 2 6 4 7 3 3 燃煤锅炉概况 4 燃烧器 本锅炉采用中速磨冷一次风机正压直吹制粉系统，并配用煤粉燃烧器采用三 井巴布科克公司( m i t s u i b a b c o a k ) 的低n o x 轴向旋流煤粉燃烧器( l o wn o x a x i a l s w i r lb u m e r - l n s a b ) 。燃烧器布置时充分考虑了燃烧之间的相互影响，靠近侧墙 的燃烧器与侧墙有足够的距离。 燃烧器风管包括中心风管，一次风管、二次风管、三次风管四层嵌套风管。 中心风为圆管，其余均为圆环管。其中二次风，三次风均有旋流。二次风选留强 度可调，三次风不可调。辫 三井巴布科克公司采用独创的燃烧器喉口设计，采用水冷壁让管加强喉口冷 却，并采用高导热性的、光滑的碳化硅砖敷设喉口表面大量试验证明，采用该 结构后，能够完全消除燃烧器喉口及附近水冷壁的结焦现象，保证锅炉经济有效 运行。 3 2 原设计工况 3 2 1 风量配比 计算对象的燃烧器配风分为中心风，一次风，二次风和三次风。分别通过中 心风管，一次风管，燃烧内同心的二次风，三次风环形通道在燃烧的不同阶段送 入炉膛。 燃烧器内的中心风管，用以布置点火设备。并提供点火设备所需要的风量， 起到停运时冷却和防止灰渣聚集的作用。能够避免侧墙结渣及高温腐蚀现象的发 生。 各燃烧器的燃烧风分为两级，即旋流二次风和旋流三次风。旋流二次风分别 由手动套筒挡板和手动旋流器拉杆调节风量和旋流强度，三次风调节机构调节总 进风量( 二次风+ 三次风) 。改变二次风套筒挡板位置及旋流器位置时，二次风量和 三次风两的比例发生变化。燃烧器各风门位置及旋流器位置在燃烧调整试验时确 北京交通大学硕士学位论文 定，运行中可不作调节。三次风和二次风的气流形成独立的旋转气流，使供给主 火焰区的风煤比可以通过燃烧优化控制支持挥发分充分燃烧的同时，最大限度地 减少n o x 的生成量。 总体布置上，要求上排一次风喷嘴中心线到屏式过热器底部、下排一次风喷 嘴中心线到冷灰斗弯管处均有足够的距离。这样火焰不会直接冲刷水冷壁，不会 产生明显结焦现象。 在燃烧器的上部，均有对冲的五对燃尽风管( o f a ) 。 燃尽风的布置：前后墙燃烧器的上方各对应一个燃尽风风口，每个燃尽风风 口均有一，二次风组成。中心一次风为直流，用手动套筒挡板调节风量大小。 整个锅炉设计工况配风的具体参数如下表3 3 所示。 3 - 3 燃烧器主要参数表 单个燃烧器的风管主要尺寸及风量配置情况见表3 4 。 表3 4 燃烧器尺寸及风量表 1 6 3 燃煤锅炉概况 3 2 2 旋流数 旋流数的概念 旋转射流( 简称“旋转流”或“旋流) 的强弱对多风道煤粉燃烧器的性能有重要 影响：一方面可以产生速度差，方向差和压力差，使煤粉混合更为充分均匀，对 煤粉燃烧速率有利；另一方面会使火焰稳定，为燃烧器稳定燃烧提供条件【翊 旋转射流的旋转强弱通常用旋流强度简称“旋流度”来表示，对于不同的旋流产 生器，其计算方法也各不相同。 本文旋流数的确定 本文研究的锅炉为多风道煤粉燃烧器，其中二次风和三次风及燃尽风均有旋 流，为找出旋流大小对燃烧的影响情况，必须采用一个可以象征旋流大小的参数， 因而旋流数的概念就产生了。旋流数为角动量的轴向通量与轴向动力的轴向通量 的比值，即： s ：二r lf 3 n ， q r w 、 其中： q 。亡p 即2 ：d rg 2j ：即2 2 q 毒2 f p u 2 胁 将式( 3 2 ) ，( 3 - 3 ) 代入式( 3 1 ) 得到： 2 碱- 2 肇墨t a n 口 肚i 瓦丽j 3 再万 s ：一2 3 t 一( 斋) 3 一( 熹) 2 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) u t l if ：g ( 3 - 5 ) 从式中可以知道，旋流数的大小只与燃烧器入口旋流叶片安装角度、风道( 管) 内外径等几何尺寸有关，而与入口速度、温度等参数无关。 原设计工况二次风的旋流数为1 0 7 ，三次风旋流数0 5 。 1 7 北京交通大学硕士学位论文 表3 5 原设计工况参数表 1 8 4 原设计工况下n o x 排放数值模拟 4 1 引言 4 原设计工况下n o x 排放数值模拟 在对大型电站锅炉炉内的气流结构、气流特性进行研究时，最可靠的方法是 对实际运行锅炉直接进行试验研究。然而，随着机组向高参数，大容量发展，锅 炉炉膛尺寸变大，结构更为复杂，进行炉内气体颗粒的流动，传热，燃烧试验， 不仅代价昂贵，而且十分困难。虽然在锅炉停止运行期间可以有目的地进行试验， 但由于停炉时间短，试验周期长，要进行充分的试验研究时十分困难的因此， 利用c f d 软件对炉内的流动情况进行数值模拟研究就具有了很重要的意义。 本文采用f l u e n t 软件进行数值模拟，该软件是由美国f l u e n t 公司开发 的著名的c f d 计算分析软件，能够解决流动、传热，化学反应，燃烧、多相流、 旋涡流动等问题。就模块而言，f l u e n t 软件分为三部分：前处理模块，解算模 块和后处理模块【3 9 1 前处理模块有专门的建模及网格划分软件g a m b i t ，它提供流体区域内面、 体的网格划分，边界及体类型设置。其中网格划分尤为丰富，面网格有四边形、 三角形网格，体网格有六面体( 方形) 、四面体、菱形( 楔形) 、金字塔形，可以快速 完成结构化、非结构化或混合网格的划分，能满足多种工程分析的需要。 f l u e n t 求解器有许多模型，其中湍流模型有标准k 一占模型、修正后的( 1 g ) 七一占模型和r n g 旋转七一s 模型，完全雷诺应力模型( r s m ) ，大涡模拟( l e s ) 的 亚网格尺度模型，另外还有多相流、颗粒轨道、传热、辐射等模型，可供用户选 择。由于它具有自动优化求解策略，因而迭代收敛速度快、稳定性好。 f l u e n t 的后处理模块，可以给出所有迭代变量，如流场、压力场、温度场、 浓度场等各种可视图，供用户分析处理。 本文除了采用f l u e n t 的后处理模块进行数据处理外，还采用了t e c p l o t 软 件。t e c p l o t 是一种绘图视觉处理，可敏捷地将大量的资料转换成容易了解的图表 及影象。表现方式有等高线，3 d 流线、网格，向量、剖面，切片等。 前后墙对冲