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行业知识

生物质燃烧机给料方式对锅炉NO排放特性

生物质燃烧机给料方式对锅炉NO排放特性

摘要:使用可实现realizable k-S双方程模型,对600 MW超临界锅炉LNASB生物质燃烧炉燃烧过程进行数值模拟。研究生物质燃烧炉给粉方式、二次风量及过量空气系数对炉膛内部NO分布的影响,对生物质燃烧炉拟改进结构与原结构NO生成特性进行比较。数值模拟结果表明,内二次风对NO影响较大,内二次风关闭时炉膛出口NO下降22%。主生物质燃烧炉区域过量空气系数对NO影响明显,过量空气系数较小时NO生成量较少;中心给粉可以有效地降低锅炉NO的生成,100%负荷投入5层生物质燃烧炉时NO下降16%,数值计算结果为生物质燃烧炉改进提供了NO生成的理论依据。并与试验结果进行对比,获得比较一致的结果。通过设备改进和燃烧调整,有敖地控制了锅炉NO的排放,为LNASB生物质燃烧机设计和运行提供了一定的降低NO的理论基础。

O前言

    LNASB生物质燃烧机是目前600 MW超临界机组应用较为广泛的一种生物质燃烧机,目前,国内对已有初步研究通过试验研究了LNASB生物质燃烧机不同参数下,中心回流区大小以及气流煤粉的混合情况。生物质燃烧机采用多级送风技术降低NO生成的机理进行了阐述。本文以引进型600 MW超临界锅炉LNASB生物质燃烧机为研究对象。该锅炉下层生物质燃烧机中心风筒设120计了无油点火装置,中心风的退出导致了锅炉恶性结焦现象的出现,经过有关试验验证后,拟将下层生物质燃烧机改为中心给粉方式,以解决恶性结焦问题,时NO生成也必须加以考虑。本文使用可实现realizable k-8双方程模型,采用锅炉实际运行参数,对锅炉LNASB生物质燃烧机及炉膛区域NO生成分布进行数值模拟。着重研究了生物质燃烧机给粉方式,生物质燃烧机拟改进结构二次风及过量空气系数对炉膛内部NO生成的影响,并对拟改进结构与原始结构NO生成进行了比较。以数值模拟结果为依据,进行了设备改进和燃烧调整,有效地控制了锅炉NO的排放。

    热态试验无法测出炉内NO的变化情况,且工作量巨大‘斗5];数值模拟可以详细地反映出炉内燃烧过程,已普遍用于炉内燃烧过程的研究[4-6]。因此,本文采用数值模拟技术对所选锅炉燃烧过程进行计算,对该锅炉在不同负荷、配风条件及生物质燃烧机投入方式下的NO排放特性进行研究。并将计算结果与设计及实测值进行了比较,通过比较表明计算比较准确,能够有效地预测拟改进结构情况下炉内NO的生成特性。

1  模拟对象与计算方法

1.1  模拟对象

    模拟锅炉炉膛的宽×深×高为22.187 mx15.632mx58.55 m.锅炉采用三井巴布科克能源公司的锅炉技术,进行设计制造。锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行本生直流锅炉,单炉膛、平衡通风、固态排渣、兀型布置,蒸发量为1 900 t/h。设计煤种为神府东胜烟煤,燃用煤质分析见表1,锅炉配有6台中速磨煤机,对应6层共30只LNASB低NO。煤粉生物质燃烧机,前后墙对冲三层布置,生物质燃烧炉上部布置一层旋流OFA喷口。LNASB生物质燃烧炉结构图如图1所示。生物质燃烧炉中心风为直流,内、外二次风为旋流,叶片角度分别为55。和15。。内二次风旋流强度可调,外二次风旋流强度不可调。

1.2  计算风格与计算模型

    计算区域采用非结构化四面体网格,对于全炉膛数值模拟,考虑计算机硬件限制,对生物质燃烧炉进行简化,进口参数的选取与单只生物质燃烧炉模拟结果一致。外二次风  内二次风考虑生物质燃烧炉医域流场变化比较剧烈,网格划分比较细密,保证中心风、一次风及内、外二次风在不同的网格中,进一步避免伪扩散的影响,进行了网格数无关化验证后,划分网格总数约9.67×l05;全炉膛生物质燃烧炉及空间计算区域网格划分见图2。

(a)炉膛计算区域网络

    (c)生物质燃烧炉改进后结构

图2全炉膛生物质燃烧炉计算区域网格划分及生物质燃烧炉结构

    数值计算采用尼一s双方程模型计算湍流流动;采用log-law壁面函数法对壁面附近进行处理;用混合分数一概率密度函数模拟气相湍流燃烧;用P-l辐射模型计算辐射传热;采用单步反应模型计算发分释放;焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型,煤颗粒跟踪采用随机轨道模型,粒径分布遵循Rosin-Rammler分布[8-11]。对于NO。的计算,采取后处理的方法,收敛标准为残差小于104。

1.3 NO计算模型

    煤粉锅炉NO的生成主要分为热力型、快速型和燃料型三种[7-8]。本文计算,对于快速型NO,占总NO生产量很少,仅考虑NO组分的输运方程。对于燃料型NO,考虑燃料中的挥发分N先转化为中间产物CN和NH3,然后再转化为NO,焦炭N直接转化为NO。

1.4计算工况

    本文计算了如表2所示22个工况的燃烧过程。颓定负荷设计工况下,5层生物质燃烧炉即可满足要求。本文计算额定负荷工况下投入A、B、C、E、F生物质燃烧炉,过量空气系数为1.15,锅炉给煤量为66 kg/s;其中一次风速为30.4 m/s,内二次风速为19.5 rI1/s,外二次风速为55.6 rI1/s,0FA风速为45 m/s。一次风温为350 K,二次风温为594 K。其他工况风速根据负荷及过量空气系数在上述风量基础上计算确定。

改进前、后生物质燃烧炉计算回流区形状

    投入A、B、C、D、E、F共6层生物质燃烧炉,过量空气系数为1.15,锅炉给煤量为66 kg/s,其中一次风速为29 m/s,内二次风速为17.1 m/s,外二次风速为48.8 m/s,OFA风速为45 m/s。图4为该工况下,炉内不同高度水平截面速度场与温度场。在旋转对冲流场的作用下,在21 179 mm高度处,形成了两排火焰高温区,炉膛中心部分为低温区,湿度场与流场表现出较好的协同性;随着高度的增加,在26 192mm高度处炉膛中部,也就是双排火焰交界处越来越成为炉内的高温区,温度场与流场的协同性减弱;在31 205 mm高度的位置,火焰最高温度向炉膛中心位置靠近,在上升流场的作用下,高温区表现出向炉膛上方延伸的特性。中、下层生物质燃烧炉区域没有明显的过余氧量,NO生成量较少且无明显热力型NO生成,上层生物质燃烧炉区域开始出现少量的过余氧量,燃尽风区域出现了明显的过余氧,NO体积分数明显减小。燃尽风区域之后NO体积分数又小幅度增加,因在于这一区段,不再有空气送入,空气对烟气的稀释作用消失,由于烟气温度比较高,煤中的可燃成分基本燃烧充分,碳氢化合物对NO的还原作用消失,而烟气中残留一定的氧,会有NO(如热力型NO)生成,NO浓度开始缓慢增加[8-10]。

2.2.1  生物质燃烧炉给粉方式的影响

    锅炉本身设计有6层生物质燃烧炉,按照设计要求,锅炉60%负荷、80%员荷及100%负荷下分别投入3层、4层及5层生物质燃烧炉即可满足要求,锅炉在不同负荷下具体投入哪些层生物质燃烧炉可以有多种选择,对于对冲旋流燃烧锅炉来说,若投入下部生物质燃烧炉,对煤粉燃烧,二次风的投入依然是以分级配风的形式投入的,只是风量大小不同,从而起到控制燃料型NO生成的作用。因此,本文计算时在不同负荷下都首先选择了下部生物质燃烧炉[9-11]。在60%、80%负荷下,本文计算了投入A、C、E共3层生物质燃烧炉及投入A、B、C、E共4层生物质燃烧炉工况;100%负荷时本文分别计算了投入A、B、C、D、E层5层生物质燃烧炉和投入A、B、C、D、E、F层6层生物质燃烧炉工况;每种负荷工况下均计算了原始结构和中心给粉2种方式下NO生成量。计算结果见图6。图6中NO分布曲线表明,常规给粉工况下,炉内NO生成明显高于生物质燃烧炉中心给粉工况对应的NO生成。其原因就在于主燃区生物质燃烧机具有能够单独地控制火焰结构的优点,下部生物质燃烧炉实现中心给粉后,内浓外淡的煤粉分布有利于NO还原区的形成,使氮化物可快速转变成气相,在一定氧气浓度下,有一个还原性物质生成的峰值用于加速火焰内的NO还原[11-13]。另外,可避免发生延迟燃烧从而有益于降低燃料型NO排放。

    对比图6a~6d后可以发现,随负荷的变化,NO生成并没有特别显著的变化,NO的生成也没有与生物质燃烧炉层数成比例增加。原因为投入上部生物质燃烧炉后,上部生物质燃烧炉提供的部分空气可以作为下部燃煤烧器的燃尽风,从而起到拟制NO生成的作用[13-14],对比图6a~6d还可以看出,相比之下,生物质燃烧炉的投运方式对NO生成影响更显著。

    下层生物质燃烧炉中心给粉,不同负荷条件下,中心给粉生物质燃烧炉的投入数量的比例不同,炉膛出口处NO浓度变化较大。将不同工况下炉膛出口处NO折算到6%氧条件可得图7,图7中横坐标字母表示生物质燃烧炉投入层数。通过柱状图可以看出,投入中心给粉生物质燃烧炉数量较多时,NO排放较低;同时还可以看出,减少生物质燃烧炉投入量时,NO排放明显降低。

2.2.2  二次风的影响

    60%负荷时投入A、C、E共3层生物质燃烧炉;80%负荷时投入A、B、C、E共4层生物质燃烧炉,100%负荷时投入A、B、C、D、E共5层生物质燃烧炉;100%负荷时过量空气系数为1.15,锅炉给煤量为66 kg/s,按照基础工况进行配风,其他负荷工况在此基础上计算得出。内二次风开启与关闭情况下炉内NO分布见图8。三种负荷工况下,在主生物质燃烧炉区域过量空气系数不变的情况下,关闭内二次风后NO分布与排放均有所降低,其中100%负荷时更为明显,炉膛出口NO排放量下降22%;通过对比可以发现,关闭内二次风后原始结构情况下NO的生成下降明显。中心给粉燃烧器在各工况下NO的生成较低,关闭内二次风后NO的生成下降不明显。

2.2.3  过量空气系数的影响

    投入A、B、C、D、E、F共6层生物质燃烧炉,下层生物质燃烧炉中心给粉,锅炉给煤量为66 kg/s,保持燃尽风率18%,通过改变主生物质燃烧炉区域风量的方式改变过量空气系数,计算和分析炉内NO的生成特点。图9为不同过量空气系数s下沿炉膛高度方向不同水平截面平均温度分布曲线。不同过量空气系数下沿炉膛高度温度分布曲线量空气系数下,炉内温度沿炉高的分布在趋势上是一致的,在32 以前,也就是主生物质燃烧炉区,随煤粉不断喷入燃烧,烟气平均温度沿炉高方向大幅度上在主燃烧区后由于没有风、粉继续投入,温度开始下降,在35 m标高处,也就是OFA风喷入前氧量与温度下降到一个最低点。

    图10为不同过量空气系数下沿炉高方向不同水平截面平均NO分布曲线。根据NO变化规律,可以将曲线分为4个区段,21~27 m的NO浓度迅速增加区,也是A、B、C、E层煤粉投入区域,在一区域中,随着煤粉的不断投入,炉内NO浓度沿炉高方向迅速增加,对比图9可以看出,这一区124机械工程学报第47卷第10期段内烟气温度也是迅速增加的,可见该区段内NO浓度的增加是由于煤粉不断投入燃烧造成的。    

3  生物质燃烧炉改进后效果

    在27~33 m区段,NO浓度缓慢下降,根据该锅炉生物质燃烧炉设计,D、F层生物质燃烧炉布置在这一区域,这2组生物质燃烧炉喷入的煤粉本身携带的燃料N可以转化为NO,使烟气中NO浓度增加,但煤粉提供的C、H等元素也可还原烟气中的NO,使烟气中NO浓度下降,由于该炉主燃区处于贫氧燃烧状态,因此,NO不会显著生成。

    对于33~35 m区段NO浓度表现为迅速下降趋势,必须考虑的问题是NO浓度下降是否代表NO还原。NO浓度下降可以是NO被还原造成的,也可能是更多空气送入导致烟气被稀释造成的。在计算中,该区段投入风量占主生物质燃烧炉区风量的20%,在这一区段仅仅依靠投入空气的稀释作用就能使烟气中NO浓度下降20%,图10曲线数据则表明这一区段内NO浓度的下降基本在17%左右,NO浓度下降幅度没有达到稀释作用能够到达的幅度,可见,在这一区域虽然NO没有显著地生成,但确实是生成并增加了。

    在35 m以上,NO又小幅度增加,原因在于这~区段,不再有空气送入,空气对烟气的稀释作用消失,由于烟气温度比较高,煤中的可燃成分基本燃烧充分,碳氢化合物对NO的还原作用消失,而烟气中残留一定的氧,会有NO(如热力型NO)生成,浓度开始缓慢增加。在不同过量空气系数条件下,炉膛出口处氧浓度是不同的,将不同工况下炉膛出口处NO折算到6%氧条件可得图11,可见过量空气系数越大,NO排放越多。

    本文计算以设计工况为基础,100%负荷下投入A、B、C、D、E共5层生物质燃烧炉及6层生物质燃烧炉全部投入,过量空气系数为1.15,锅炉给煤量为66 kg/s,按照基础工况进行配风,其他负荷工况在此基础上计算得出。原设计NO排放小于400 mg/m3(6%氧),拟改进结构计算值为332 mg/m3(6%氧),生物质燃烧炉改进后实测值为345 mg/m3(6%氧),对比不同负荷NO排放实测与计算值(表31,计算值与实测值最大偏差在10%以内;对比80%负荷及60%负荷工况计算值与实测值,最大偏差都在10%以内,达表明计算是比较准确的,利用CFD预测燃烧系统拟改进结构NO排放特性是可行的,能比较有效地反应炉内实际NO生成特性。

4结论

    (1)在炉膛不同高度处,风、粉气流形成3层棋盘式布置的旋转流场。随着炉膛高度的增加,温度场与流场的协同性不断减弱。

    (2)生物质燃烧炉实现中心给粉后,100%负荷投入5层生物质燃烧炉时NO排放量下降16%;主生物质燃烧炉区域过量空气系数减小,NO排放减少;各工况对应炉内温度相差不大。

    (3)下层生物质燃烧炉中心给粉,改变过量空气系数,根据NO浓度沿炉高方向的变化规律,可以将炉膛沿炉高分为4个区段,21~27m的NO浓度迅速增加区,27~33 m的NO浓度缓慢下降区,33: -35m的NO浓度迅速下降区,以及35m以上的NO浓度缓慢增加区。

    (4)下层生物质燃烧炉中心给粉,保持主生物质燃烧炉区域过量空气系数不变,关闭内二次风后,NO生成量下降明显,100%负荷投入5层生物质燃烧炉时NO排放下降22%。

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点击次数:  更新时间:2017-07-21 15:47:58  【打印此页】  【关闭