再燃锅炉燃用不同煤种燃烧特性分析

＊张小桃 刘昊明

（华北水利水电大学 河南 450011）

电站锅炉燃烧导致的NOx排放是目前造成大气污染的主要原因，再燃技术是一种低成本的NOx减排技术[1]。

顾玮伦等[2,3]对不同生物质再燃比研究发现生物质挥发分含量越高，其再燃脱硝效率越高，最佳脱硝温度在900℃左右，最佳过量空气系数约为0.8。Pallars等[4]研究了生物质不同粒径对炉膛燃烧的影响，发现生物质粒径越小，燃尽性越好。Carlin等[5]使用牛粪作为再燃燃料，发现再燃燃烧可以减少NOx排放量，会导致烟气飞灰量增大。刘春元等[6-8]发现焦油的还原性对温度影响，炉膛燃烧温度升高，NOx还原效率增加，生物质气喷口位置越高，NO体积分数越低。张小桃等[9,10]通过改变再燃区过量空气系数和再燃喷口倾斜角度，发现当再燃区过量空气系数在0.7～0.8，再燃喷口倾斜角度向下15°时，再燃降氮效果最好。

我国煤炭消耗量巨大，电厂运行有时出现煤炭供应不足的现象，锅炉时常会燃用非设计煤种，或采用混煤再燃的燃烧方式，这有时会导致锅炉燃烧效率偏低[11]。Baek等[12-14]研究发现掺混方式对灰分有较大的影响，不同煤种的点火稳定性差异不大，均具有较好的点火性能，燃用贫煤或无烟煤会比燃用烟煤的锅炉的排烟温度更高。

再燃技术是锅炉改造中有效减排的措施，但将再燃技术应用到燃用非设计煤种的锅炉的相关资料较少。本文选取淮南煤、东胜煤、小龙潭煤三种燃料在600MW燃煤锅炉进行研究，选用杨木（气）作为再燃燃料，利用Fluent软件搭建燃烧模型，对比分析纯煤、生物质固体再燃、生物质气再燃对锅炉燃烧过程及燃烧产物的影响。

1.燃煤锅炉燃烧过程及理论

（1）燃煤锅炉结构。以600MW四角切圆锅炉为研究对象，设计煤种为淮南烟煤。锅炉炉膛宽18.5m，深16.4m，高64.4m。锅炉的三维模型如图1所示。

图1 锅炉三维模型

（2）数值模拟方法。炉内燃烧过程是一种复杂的化学物理过程，涉及到流动，传热以及化学反应等过程。本文湍流模型采用Realizable k-ε模型来模拟湍流燃烧过程中的旋流的边界层流动问题，煤粉的燃烧主要由加热、挥发分析出及焦炭燃烧三个阶段组成，对挥发分析出过程选用双方程模型对其模拟。

焦炭燃烧模型采用动力/扩散控制反应速率模型。扩散反应速率为：

式中，D0为燃料扩散速率，kg/(m2·s)；dp为煤粉直径，m；C1为扩散速率常数，m2/s。Tp为煤粉温度，K；T∞为环境温度，K。

燃烧速率如下式所示：

式中，mp为煤粉颗粒质量；p0x为煤粉颗粒周围的氧气分压；R为气体常数，8.314J/(mol·K)。

化学反应速率常数：

式中，A1取 1.0 × 106s−1，e取7.4×107J/kmol。

Fluent中计算NOx的生成由于反应生成的NOx量很小，计算NOx模型常在稳态收敛后采用后处理的方法来实现使用后处理方法计算时，热力型NOx的产生采用Zeldovich机制，主要影响因素是温度。燃料型NOx生成过程极为复杂，本文采用总体反应速率模型，只需对中间产物HCN和NO的控制方程进行求解。文中假设煤挥发分中的N是以HCN和NH3的形式释放出来被氧化而生成NO，而焦炭中的N则直接反应生成NO。

（3）边界条件。一二次风采用速度入口边界条件，出口设置为压力出口边界，壁面采用标准壁面方程，定义壁面温度按区域设定，其中，主燃区壁面温度设定为1000K，燃烧区上下区域为800K，壁面辐射率设定为0.8。固体燃料的工业分析和元素分析如表1所示。杨木再燃气的成分表见表2。

表1 煤的工业分析和元素分析（收到基）

表2 杨木再燃气成分参数

再燃工况设定保持输入炉膛的总热量保持不变，生物质固体再燃工况设定输入炉膛的生物质固体的总质量流量为40t/h，生物质气再燃工况设定生物质气由40t/h生物质消耗率的气化炉制备并通入炉膛。

模拟工况分：工况1，淮南煤纯煤工况；工况2，淮南煤再燃杨木气工况；工况3，淮南煤再燃杨木固体工况；工况4，东胜煤纯煤工况；工况5，东胜煤再燃杨木气工况；工况6，东胜煤再燃杨木固体工况；工况7，小龙潭煤纯煤工况；工况8，小龙潭煤再燃杨木气工况；工况9，小龙潭煤再燃杨木固体工况。各个工况的喷口初始速度参数表如表3。

表3 不同工况下喷口速度初始参数表

为方便本文描述，引入NOx减排率的概念：

式中，ì为NOx减排率；C1为纯煤工况的NOx炉膛出口质量浓度，mg·m-3；C1为对应再燃工况的NOx炉膛出口质量浓度，mg·m-3。

2.模拟结果及分析

(1)模型验证

模拟采用ICEM软件对锅炉进行全尺寸建模，生成结构化网格；同时，为了提高模拟精度，对主燃烧区进行网格加密处理。其中主燃区截面网格截面图如图2。

图2 主燃区网格截面图

表4为燃用淮南煤时炉膛出口数值模拟与实际结果的特征参数比较，可以发现模拟工况数据与实验工况数据虽存在一定的偏差，但尚在可以接受的范围内，说明模拟所采用的模型有一定的可靠性。

表4 炉膛出口参数仿真结果与实际结果比较

(2)结果分析

各工况炉内不同燃烧方式条件下沿着炉膛高度的平均温度如图3所示。

图3 炉膛各水平截面温度分布

在图3中，对比不同煤种燃烧温度可以发现，主燃区阶段，燃用小龙潭煤的温度低于燃用淮南煤和东胜煤，这是因为小龙潭煤挥发分要比其余煤种要高，固定碳含量较少，小龙潭煤低位发热量最低，且小龙潭煤水分含量较大，燃烧初期因为挥发分和水蒸汽的析出均吸收大量的热量，使主燃区下部温度较低，在燃烧区上部大部分水蒸气已析出，在二次风补入下挥发分和焦炭迅速燃烧而使温度快速上升，燃用小龙潭煤挥发分含量较高，燃尽性更好，因此温度迅速升高；从图中观察可以发现，燃烧小龙潭煤时固体再燃的炉膛出口温度与纯煤燃烧的出口温度差值较大，而燃烧东胜煤的差值较小，但对整体炉膛而言，再燃并不会对原工况造成很大影响。

各工况炉内不同燃烧方式条件下沿着炉膛高度的气体组分体积分数变化如图4所示。

图4 沿炉膛高度烟气各体积分数分布

从图4（a）可知，CO浓度变化在主燃烧区最明显，这是由于煤粉刚进入锅炉时主燃区呈富燃料区的状态，燃烧产生大量CO，固体再燃工况下再燃区杨木固体燃烧处于不完全燃烧状态，生成了大量的CO，使再燃区呈还原性气氛，固体再燃是由杨木固体经过不完全燃烧而形成的，由于生物质挥发分析出生成CO是一个过程，因此图中也可以看出固体再燃在再燃区的高浓度CO区域比气体再燃更长。对比不同煤种的燃烧工况，东胜煤和淮南煤在炉膛出口的CO浓度要高于小龙潭煤，其可能是由于东胜煤和淮南煤的固定碳的含量高于小龙潭煤，且小龙潭煤的挥发分较高，燃尽性更好，因此CO浓度较低。

从图4（b）可知，对比不同煤种的燃烧工况，由于煤粉自身含水率变化较大，虽然H2O体积分数整体变化趋势大致相同，但是各个煤粉燃烧的H2O体积分数的变化区间相差较大，小龙潭煤的水分含量最大，且元素分析中H的含量也较高，因此，H2O浓度整体偏大，同时这也使得再燃造成的炉膛出口H2O体积分数变化对小龙潭煤的影响最小。

从图5和图6可以看出，生物质（气）再燃的NOx减排效果明显，对比不同煤种的纯煤工况，东胜煤的出口NOx浓度最低，小龙潭煤的出口NOx浓度最高。不同煤种的再燃工况的减排效果也略有不同。其中，淮南煤固体再燃略优于气体再燃；燃用东胜煤时再燃的减排效果略有下降，这是因为NOx浓度降低后，NOx还原反应方向向负反应方向偏移，导致再燃的减排效果降低；尽管燃用小龙潭煤会使进入再燃区前会有一个较高浓度的NOx环境，NOx还原效率应该增大，但是其NOx减排率反而减小，这主要是因为小龙潭煤的燃烧使炉膛环境有较高的H2O浓度，较低浓度的H2O浓度可以促进NOx的还原，但是较高的H2O浓度抑制了NOx的还原[15]，使再燃的NOx减排效果下降，此外，H2O浓度抑制作用对固体再燃的影响比气体再燃大，因此杨木气再燃的减排率也略优于杨木固体再燃。

图5 炉膛出口NOx质量浓度

图6 各煤种不同再燃方式的减排率

3.结论

（1）三种燃料在保持燃料量稳定的条件下，均能维持炉膛内稳定的燃烧。额定负荷下，淮南煤和东胜煤炉膛出口温度相差不大，小龙潭煤的炉膛出口温度要高于淮南煤。

（2）纯煤工况下，炉膛燃烧区组分场变化趋势大致相同。其中，煤粉的挥发分越高，煤粉的着火点越低，CO体积分数越低。再燃燃料的加入会导致再燃区的不完全燃烧，从而使CO体积分数升高。

（3）纯煤条件下，东胜煤的出口NOx质量浓度最低，小龙潭煤的出口NOx质量浓度最高。再燃燃烧能有效降低炉膛出口氮氧化物的排放，但是在不同煤种之间的再燃效果有所不同，较高的H2O浓度抑制会NOx的还原，燃用淮南煤的再燃减排率最高，而小龙潭煤再燃减排率最低。