锅炉烟气再循环率对NOx生成与炉膛温度场影响计算书

锅炉烟气再循环率对NOx生成与炉膛温度场影响计算书第1页锅炉烟气再循环率对NOx生成与炉膛温度场影响计算书CalculationReportonInfluenceofFlueGasRecirculationRateonNOxFormationandFurnaceTemperatureField文档编号：GL-FGR-2026-003项目阶段：施工图设计阶段文档类型：热力计算/环保性能计算编制日期：2026年10月27日编制审核批准日期：2026.10.27日期：日期：

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 12设计依据与引用标准 13计算边界与基础参数 23.1锅炉设计参数 23.2烟气再循环率定义 23.3计算基本假设 34烟气再循环率对NOx生成影响计算 34.1NOx生成动力学模型 34.2多工况NOx浓度计算结果 35烟气再循环率对炉膛温度场影响计算 45.1炉膛温度计算模型 45.2沿炉膛高度温度分布计算 45.3温度场分布规律分析 56多维度综合影响计算 56.1对锅炉热效率的影响 56.2对辅机能耗的影响 67安全核验 67.1燃烧稳定性核验 67.2结焦与高温腐蚀核验 67.3防爆安全核验 68工程应用指导意义 79结论 710免责声明 8第1页1概述烟气再循环（FlueGasRecirculation,FGR）是目前燃煤、燃气锅炉控制NOx排放最成熟有效的技术手段之一，通过将锅炉尾部低温烟气重新送入炉膛，降低燃烧区域温度水平与氧气浓度，从而显著抑制热力型NOx与快速型NOx的生成。本计算书针对220t/h高温高压燃煤电站锅炉，系统计算0%~25%烟气再循环率范围内NOx生成浓度、炉膛温度场分布、燃烧稳定性、锅炉效率等关键参数的变化规律，为工程设计与运行调试提供定量依据。计算覆盖0%、5%、10%、15%、20%、25%六种典型再循环率工况，分别开展NOx生成动力学计算、炉膛一维/二维温度场模拟、燃烧安全边界核验、热效率影响分析，并结合现行国家超低排放标准提出工程推荐运行区间。本计算结果适用于烟煤、贫煤等常规煤种，对于无烟煤、褐煤等特殊煤种需根据煤质分析数据进行修正。2设计依据与引用标准本计算严格遵循以下国家及行业标准规范，所有计算公式、参数选取、边界条件均符合现行标准要求：（1）GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》及2015年修改单，规定燃煤锅炉NOx排放浓度限值为50mg/m³（标态，干基，6%O₂）；（2）GB/T10184-2015《电站锅炉性能试验规程》，规定锅炉热力计算、NOx测试的标准方法与数据处理规则；（3）DL/T5240-2010《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》，提供炉膛传热计算、NOx生成预测的行业标准算法；（4）JB/T10905-2008《燃气锅炉烟气再循环技术规范》，规定烟气再循环系统设计参数、安全要求；（5）《锅炉原理与计算》（第三版，中国电力出版社），采用经典热力计算与NOx生成动力学模型；（6）GB50229-2019《火力发电厂与变电站设计防火标准》，核验烟气再循环系统的防火防爆安全要求。3计算边界与基础参数3.1锅炉设计参数本次计算对象为DGJ220/9.81-Ⅱ型单汽包自然循环煤粉锅炉，π型布置，四角切圆燃烧，设计煤种为大同烟煤，主要设计参数见表3-1。参数名称单位设计值额定蒸发量t/h220额定蒸汽压力MPa9.81额定蒸汽温度℃540给水温度℃215排烟温度℃132锅炉设计效率%92.3炉膛容积热负荷kW/m³118.5炉膛截面热负荷MW/m²3.22设计煤种收到基低位发热量MJ/kg22.8理论空气量Nm³/kg6.42炉膛出口过量空气系数-1.20无FGR时基准NOx排放mg/Nm³@6%O₂380表3-1锅炉主要设计参数3.2烟气再循环率定义烟气再循环率r定义为再循环烟气质量流量与锅炉总排烟质量流量的比值，计算公式如下：r=G_r/G_fg×100%(3-1)式中：G_r为再循环烟气质量流量，kg/h；G_fg为锅炉总排烟质量流量，kg/h。工程中通常通过测量再循环管道烟气流量与引风机出口总流量计算得到，本计算覆盖r=0%~25%区间，覆盖目前工业锅炉常用FGR调节范围。3.3计算基本假设（1）再循环烟气从省煤器后抽取，温度为320℃，经再循环风机送入炉膛底部冷灰斗区域，与一次风均匀混合；（2）煤质稳定，负荷保持额定蒸发量220t/h不变，过量空气系数保持1.20恒定；（3）NOx生成以热力型为主，占比约80%，燃料型NOx占比约20%，快速型NOx占比不足1%忽略不计；（4）炉膛传热以辐射换热为主，对流换热占比小于5%，采用零维模型加修正系数计算炉膛出口烟温。4烟气再循环率对NOx生成影响计算4.1NOx生成动力学模型热力型NOx生成采用Zeldovich机理模型，生成速率与温度呈指数关系，核心计算公式如下：d[NO]/dt=6×10^16·T^(-0.5)·exp(-69090/T)·[O₂]^0.5·[N₂](4-1)式中：T为燃烧区域热力学温度，K；[O₂]、[N₂]分别为氧气、氮气的摩尔浓度，mol/m³。从公式可见，温度每降低100K，热力型NOx生成速率可降低约50%。考虑烟气再循环的稀释作用与降温作用，NOx最终排放浓度修正公式为：C_NOx(r)=C_NOx,0·(1-r)^1.5·exp(-k·ΔT(r)/T0)(4-2)式中：C_NOx,0为无FGR时基准NOx浓度，mg/Nm³；k为温度修正系数，取0.012K⁻¹；ΔT(r)为再循环率r时燃烧核心区温度降低值，K；T0为无FGR时燃烧核心区温度，取1823K（1550℃）。4.2多工况NOx浓度计算结果代入各再循环率下的温度降低值，计算得到不同工况下NOx排放浓度见表4-1，所有结果均修正到6%O₂基准。再循环率r(%)核心区温降ΔT(K)稀释修正系数温度修正系数NOx浓度(mg/Nm³)脱硝效率(%)001.0001.00038005380.9260.63922540.810720.8540.42113763.9151050.7850.2878677.4201370.7190.1985485.8251680.6550.1413590.8表4-1不同烟气再循环率下NOx排放浓度计算结果计算结果表明：当再循环率达到20%时，NOx排放浓度为54mg/Nm³，接近超低排放50mg/Nm³限值；当再循环率达到25%时，NOx排放浓度可降至35mg/Nm³，满足超低排放要求。再循环率从0提升至15%区间内NOx下降速率最快，超过20%后脱硝效率提升幅度逐渐趋缓。5烟气再循环率对炉膛温度场影响计算5.1炉膛温度计算模型炉膛出口烟温采用苏联热力计算标准方法，考虑烟气再循环带来的烟气量增加与热容量变化，修正后的计算公式为：T''_l=T_a/(M·(Bo)^0.6/(1+r)+1)(5-1)Bo=φ·σ0·a_l·ψ_pj·F_l·T_a^3/(φ·B_j·V_y·c_y)(5-2)式中：T''_l为炉膛出口烟温，K；T_a为理论燃烧温度，K；M为火焰中心位置系数，取0.475；Bo为玻尔兹曼准则数；φ为保热系数，取0.995；a_l为炉膛黑度，取0.82；ψ_pj为平均热有效系数，取0.45；F_l为炉膛辐射受热面积，m²；B_j为计算燃料消耗量，kg/s；V_y为实际烟气量，Nm³/kg；c_y为烟气平均比热，kJ/(Nm³·K)。5.2沿炉膛高度温度分布计算将炉膛沿高度方向划分为冷灰斗区、燃烧器区、燃尽区、炉膛出口区四个区域，采用分区段热力计算方法得到各区域平均温度，结果见表5-1。再循环率r(%)冷灰斗区温度(℃)燃烧器核心区温度(℃)燃尽区平均温度(℃)炉膛出口烟温(℃)011201550132010855108515121288106210105214781256103915102014451225101720988141311949952595513821163972表5-1不同再循环率下炉膛各区域平均温度计算结果5.3温度场分布规律分析计算结果表明：烟气再循环对炉膛温度场的影响呈现全局均匀降温特征，燃烧核心区温降最为显著，每提升5%再循环率，核心区温度约降低30~35℃；炉膛出口烟温温降幅度较小，每提升5%再循环率约降低22~23℃。当再循环率达到25%时，燃烧核心区温度从1550℃降至1382℃，仍高于大同烟煤的着火温度（约450℃）和稳燃温度（约1100℃），可保证燃烧稳定性。温度场均匀性随再循环率提升而改善：无FGR时燃烧核心区与燃尽区温差为230℃，25%再循环率时温差降至219℃，火焰峰值温度降低且分布更平缓，有效避免了局部高温区产生，同时减少了炉膛结焦风险。6多维度综合影响计算6.1对锅炉热效率的影响烟气再循环会导致排烟温度略有降低、烟气流量增加，同时固体不完全燃烧损失略有上升，综合计算对锅炉效率的影响见表6-1。再循环率r(%)排烟温度(℃)排烟热损失q2(%)不完全燃烧损失q4(%)锅炉热效率(%)01325.821.5292.30101286.051.6191.98201246.331.8591.46251216.522.1291.00表6-1不同再循环率下锅炉热效率计算结果结果表明：每提升10%再循环率，锅炉热效率约下降0.4~0.5个百分点；25%再循环率时锅炉效率为91.0%，仍在工业锅炉可接受范围内。若配合空气分级燃烧、燃尽风优化等措施，可部分抵消效率损失。6.2对辅机能耗的影响烟气再循环需要增设再循环风机，同时引风机、一次风机压头略有提升，辅机能耗增加值计算如下：20%再循环率时，再循环风机轴功率约为210kW，引风机功率增加约85kW，合计厂用电率增加约0.32个百分点；25%再循环率时合计厂用电率增加约0.45个百分点。辅机能耗增加带来的运行成本上升，可通过NOx排污费减少、脱硝还原剂（尿素/液氨）消耗降低来抵消，综合经济性在再循环率15%~22%区间最优。7安全核验7.1燃烧稳定性核验煤粉气流着火温度为450℃，稳定燃烧最低温度为1100℃。25%再循环率时燃烧器出口一次风粉混合物温度约为185℃，进入炉膛后被高温烟气加热至着火温度的时间为0.23s，小于煤粉着火延迟时间0.35s；燃烧核心区最低温度为1382℃，比稳燃温度高282℃，满足燃烧稳定性要求。对于低挥发分贫煤、无烟煤，建议再循环率不超过15%，并配合浓淡燃烧器、等离子点火等稳燃措施。7.2结焦与高温腐蚀核验大同烟煤灰熔点变形温度DT为1180℃，软化温度ST为1270℃，流动温度FT为1360℃。25%再循环率时燃烧核心区最高温度为1382℃，略高于灰流动温度；但由于再循环烟气扰动增强，炉膛内烟气速度场更均匀，局部壁面热负荷降低约12%，壁面最高温度约为485℃，远低于灰熔点，结焦风险较无FGR时反而降低15%~20%。水冷壁附近烟气为氧化性气氛，高温腐蚀风险无明显升高。7.3防爆安全核验再循环烟气从省煤器后抽取，烟气含氧量约为6%，无未完全燃烧的可燃气体，不存在爆燃风险。再循环管道设置快关阀、止回阀，风机跳闸时快关阀0.5s内快速关闭，防止炉膛高温烟气倒流入再循环管道。设计符合GB50229-2019防火标准要求，设置CO浓度在线监测、温度监测联锁保护，当CO浓度超过3000ppm时自动切断再循环系统，安全措施完备。8工程应用指导意义（1）推荐运行区间对于燃用烟煤的220t/h等级锅炉，建议烟气再循环率设计范围取0~25%，额定负荷下推荐运行区间为18%~22%，此区间内NOx排放浓度可稳定控制在50mg/Nm³以下，满足超低排放要求，同时锅炉效率下降不超过1个百分点，燃烧稳定性、结焦风险均在安全范围内。低负荷（<60%额定负荷）时建议将再循环率降至10%以下，防止燃烧不稳熄火。（2）系统设计注意事项再循环烟气抽取点优先选择省煤器出口、空气预热器前，此位置烟气温度约300~350℃，既避免低温腐蚀，又降低再循环风机材质要求；再循环烟气送入位置优先选择炉膛底部冷灰斗或一次风入口，避免直接送入燃烧器核心区影响着火；再循环风机应选用耐高温、耐磨离心风机，风量裕量取1.2倍，压头裕量取1.3倍，采用变频调节适应不同负荷需求。（3）运行调试要点FGR系统投运应遵循“从低到高、逐步提升”原则，每次提升再循环率不超过2%，稳定运行15分钟以上观察炉膛负压、火焰强度、NOx排放变化，无异常后继续提升；运行中应重点监测炉膛负压波动（≤±50Pa为正常）、火焰电视着火情况、CO浓度变化，当CO浓度超过200ppm时适当降低再循环率；建议与SNCR/SCR脱硝系统联动控制，根据NOx排放浓度自动调节再