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工 业 技 术
C F
D 是控制与分析燃煤锅炉有效而经济的工具[1～4]。煤粉在炉膛内的燃烧是一个复杂的过程，涉及气相流动和湍流燃烧、颗粒运动、挥发分析出、焦炭燃烧和辐射换热[5]等，数值模拟可以得出不同操作工况下炉膛内的温度和组分浓度分布，进而研究燃烧机理，优化燃烧过程，得到低污染、高效率的燃烧参数。本文利用C F D 工具研究了火上风(OFA)对400t/h煤粉锅炉内燃烧和污染物(NOx,soot等)排放的影响。 研究表明[6,7]，有效降低NOx的排放，可以通过对煤粉锅炉炉内的空气进行合理分布，把空气进行分级，火上风技术可以有效
这一点，使炉内空气分级，从而降低NOx的排放，由于火上风对炉内燃烧有很大的影响，不同的参数会影响NOx的排放，要想得到最优的燃烧参数，必须对其进行全面而深入的研究，达到最好的效果。
1 研究对象
以一台容量为400t/h的四角切圆煤粉锅炉为研究对象，炉宽9600m m ，炉深8375mm，炉高为31800mm，结构示意图见图1(a)。燃烧设备采用四角切向燃烧布置,1#、3#和2#、4#假想切圆直径分别为Φ800mm和Φ200mm，见图1(b)。燃烧器喷嘴
为8层布置，具体布置结构见图1(c)所示。燃料特性见表1。
在本文的研究工况中，一次风速度、温度以及二次风温度不变，火上风风量由二次风风量中分出，火上风喷口高度h 如图1(c)所示。
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2 数值模拟方法
数值模拟采用三维稳态计算，微分方
程的离散采用有限容积法，使用二阶迎风格式，压力速度耦合采用SI MPL E算法。气
防身戒指相的湍流流动选择Realizable k-ε模型[8]
，气相湍流燃烧采用非预混燃烧模型，使用Two mixture fraction/PDF模型，选取β-PDF；煤粉颗粒相
流动采用随机轨道方法；挥发分析出模型为双竞争反应热解模型；焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型；用P-1辐射模型计算辐射传热；碳黑(soot)的生成选用双步模型。本文对N O x 的生成采用后处理的方法[9]，湍流对NOx生成的影响采用温度和氧浓度的β型概率密度函数来模拟。数值模拟方法的有效性论证见文献[10,11]。
3 模拟结果分析
3.1火上风风率对炉内燃烧过程的影响
对表2所列不同火上风风率的5个工况进行了模拟比较，图2为不同工况下的炉膛出口温度和NO x浓度(6%含氧量)平均值，图3为不同工况下炉膛出口飞灰含碳量(UBC)和soot浓度(6%含氧量)平均值。
从数值模拟的结果看，火上风的喷入可以大幅度降低NOx排放值，随着火上风风率的增加,NOx排放值降低，火上风风率增加使富燃区内过量空气系数减小，还原性气氛增强，有利于还原性气体HC N和未燃炭粒对N O x 还原分解。燃料燃烬的时间随着火上风的加入而延长，致使炉膛内高
火上风对400t/h 煤粉锅炉内燃烧影响的数值模拟①
贾艳艳1,2
(1.重庆赛迪冶炼装备系统集成工程技术研究中心有限公司;2.国家钢铁冶炼装备系统集成工程技术研究中心 四川重庆 401122)
摘 要：建立了数学物理模型，对400t/h全尺寸四角切圆煤粉锅炉内燃烧过程进行三维数值模拟。分析结果表明：火上风的喷入可以大幅度降低NOx排放值，当火上风风率达到20%时,NOx可减排21%，并且燃烧效率较高；对于NOx减排火上风喷口高度h最佳值为2m。计算分析结果对火电厂、大型钢铁联合企业自备电厂等实际锅炉的燃烧调整具有较重要的指导意义。关键词：火上风 全尺寸锅炉 数值模拟 NOx排放中图分类号:TK 224文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)11(a)-0082-03
①作者简介：贾艳艳(1983—)，女，工学博士，主要从事清洁燃烧、环保节能、
燃气工艺设施等研究。
(a)
(b)
(c)
表1 燃料特性
图1 锅炉结构示意图
M t /% M ad /% A ar /% V daf /% C ar /% H ar /% N ar /% O ar /% S ar /% Q net ,ar /(kJ·kg -1
) 8.00
0.96 21.94 19.02 59.39 3.42
0.94
5.66 0.65
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上二次风 中上二次风 中下二次风 下二次风 O F A
工况 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/%
h /m 工况2-1 45 25 45 25 45 25 45 25 0 0 0.9
工况2-2 40.5 22.5 40.5 22.5 40.5 22.5 40.5 22.5 18 10 0.9 工况2-3 36 20 36 20 36 20 36 20 36 20 0.9 工况2-4 31.5 17.5 31.5 17.5 31.5 17.5 31.5 17.5 54 30 0.9 工况2-5
27 15 27 15 27 15 27 15 72 40
0.9
表2 不同O F A 风率工况参数表
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羽毛球柱温点上移，风率也越来越大，风率的加大使炉膛出口处火焰温度不断升高，热损失也越大，这会带来炉膛出口后受热面安全问题。从图3可以看出,UBC与soot排放水平较低，排放量随着火上风风率的增加先增大后减小，火上风风率的增加，使富燃区含氧量与燃尽率显著降低，随其进一步增加火上风风速，炉内烟气与火上风的混合均匀度提高，增加了后期燃尽率使UBC与soot排放量降低。当火上风风率达到20%时,NOx
可减排21%，并且此时的炉膛温度不低于无
火上风时(工况2-1)的炉膛温度，而且高温区域增大，整个炉膛燃烧情况较好，燃烧效率较高，出口烟气温度较工况2-1升高22K，这一较小的烟气温升对炉膛出口后受热面安全方面的影响较小，火上风风率进一步增加，高温区域会显著上移而不再增大，这样，除了会导致上述不利因素之外，燃烧的不稳定性也会大大提高，并且NOx的减排效果已不特别明显，通过模拟
数值，对锅炉的燃烧调整具有一定的指导意义。
3.2火上风喷口高度对炉内燃烧过程的影响
对表3所列不同火上风喷口高度的4个工况进行了模拟比较，图4为不同工况下的炉膛出口温度平均值和N Ox 浓度(6%含氧量)平均值，图5为不同工况下炉膛出口飞灰含碳量和soot浓度(6%含氧量)平均值。
从数值模拟的结果看，随着火上风喷口高度的增加,NO x排放值先降低后有回升，火上风喷口高度增加使煤粉在富燃区的停留时间增加，使还原性气体HC N和未燃炭粒大量生成，更充分地对NO x还原分解；火上风喷口高度增加，还会使富燃区温度降低和燃尽区温度升高，导致高温点上移，这样不利于富燃区的还原反应并会增加燃尽区热力型NOx的生成，因此火上风喷口高度对于N O x 减排存在一
个最佳值，本文计算的h最佳值为2m，与最佳位置计算公式[12]:H=1.5(Vdaf/10)0.5所得值相符。从图中还可以看出，随着火上风喷口高度的增加，炉膛出口处火焰温度增大幅度较小，即热损失增加幅度较小，对炉膛出口后受热面安全方面的影响也较小。计算结果表明火上风喷口高度的增加，增大了高温缺氧区，从而增加了soot排放量；火上风喷口高度适当的增加可增大煤粉后期的旋流度，从而增加了煤粉在炉膛内的停留时间，使燃尽率升高U B C 降低。
4 结论
(1)火上风的喷入可以大幅度降低NOx 排放值；火上风风率的增加使NO x排放浓度降低，炉膛出口处火焰温度增高；炉膛出口飞灰含碳量与soot排放量随火上风风率的增加先增大后减小。当火上风风率达到20%时,NOx可减排21%，整个炉膛燃烧情况较好，燃烧效率较高。
(2)对于NOx减排火上风喷口高度h最佳值为2m。火上风喷口高度的增加使炉膛出口处火焰温度增高,soot排放量增大，而其适当的增加可降低飞灰含碳量。计算分析结果对火电厂、大型钢铁联合企业自备电厂等实际锅炉的燃烧调整具有较重要的意义，在工作中具有较好的指导作用。
参考文献
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图3 火上风风率对炉膛出口飞灰含碳量和s o o t 浓度平均值的影响
图2 火上风风率对炉膛出口温度平均值和N O x 浓度平均值的影响
上二次风 中上二次风 中下二次风 下二次风 O F A
工况 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/% 风速/(m /s) 风率/%
h/m 工况3-1 36 20 36 20 36 20 36 20 36 20 0.9
工况3-2 36 20 36 20 36 20 36 20 36 20 1.4 工况3-3 36 20 36 20 36 20 36 20 36 20 2.0 工况3-4
36 20 36 20 36 20 36 20 36 20
2.5
表3 不同O F A 喷口高度工况参数表
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工 业 技 术
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图5 火上风喷口高度对炉膛出口飞灰含碳量和s o o t 浓度平均值的影响
图4 火上风喷口高度对炉膛出口温度平均值和N O x 浓度平均值的影响
(水轮机效率)=362.71kW
可改造判断:P 输出/P 风机=362.71÷113.96≈3.18
从计算结果看，改造3台冷却塔能量很充足，改造后系统应该还有富余能量的存在。
4 节能计算
若改造循环水系统6台冷却塔中的2台，冷却塔单台设计流量为4000m 3/h，两台电机运行实际总功率为272kW，每天工作24小时，一年工作330天，则年可节电:272
×24×330=2154240kWH；同时，按近年两台电机和减速箱进行维修保养和用油情况平均测算，改造后节省费用约8000元/年。
5 结论
经技改后，两台冷却塔年可节约电2154240度，可节省两台电机和减速箱进行维修保养和用油费用约8000元/年，如按冷却塔10年寿命计算，节约的总费用比较可观。
为了系统运行安全，可以先对每台机组系统中各改造1台冷却塔，待改造完成系统稳定运行后再进行测量、分析，通过更精
确的科学计算后再进行后续冷却塔的改造。
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