0、引言
隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)中的副產(chǎn)煤氣（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣及轉(zhuǎn)爐煤氣等）大量增加，這些煤氣約占鋼鐵企業(yè)總能耗量的30%～40%。其中焦?fàn)t和轉(zhuǎn)爐煤氣熱值較高可在生產(chǎn)或生活中利用，因此高爐煤氣的回收和利用是鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。其中高爐煤氣在鋼鐵企業(yè)中產(chǎn)量巨大，每煉1t生鐵約可以得到高爐煤氣3500m3。高爐煤氣中可燃成分主要是CO，但是所占比例很小只有20%左右，不可燃成分體積分?jǐn)?shù)高達(dá)80%左右。所以高爐煤氣熱值非常低，利用率很低而且燃燒不穩(wěn)定。因此，如何有效地利用高爐煤氣是目前面臨的節(jié)能問(wèn)題。
高爐煤氣和煤粉在爐內(nèi)摻燒是一種有效利用途徑。然而由于高爐煤氣的低熱值，混燃鍋爐的燃燒存在燃燒穩(wěn)定性差、煤粉燃盡困難等問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)煤粉爐內(nèi)燃燒進(jìn)行了模擬。對(duì)煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐模擬的研究較少，尤其針對(duì)煤粉／高爐煤氣混燃爐膛內(nèi)NO，的分布特性更為罕見(jiàn)。本文利用Fluent軟件對(duì)煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進(jìn)行模擬，以便對(duì)爐膛內(nèi)NO，分布進(jìn)行分析探討，進(jìn)而期望對(duì)今后研究煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐NOx優(yōu)化排放提供參考。富通新能源生產(chǎn)銷售
生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒
顆粒機(jī)、
木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、研究對(duì)象
選取某鋼廠300 MW機(jī)組煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐為模擬對(duì)象。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為煙煤，設(shè)計(jì)燃燼風(fēng)配比為10%，摻燒高爐煤氣比例為20%。燃用煤的實(shí)驗(yàn)分析見(jiàn)表1，高爐煤氣成分分析見(jiàn)表2。
鍋爐為單爐膛，燃燒器為四角布置的擺動(dòng)式燃燒器，切向燃燒，上下擺動(dòng)的最大角度為±300。燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為380和440，在爐膛中心形成逆時(shí)針旋向的兩個(gè)直徑不同的假想切圓。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，減小四角燃燒引起爐膛出口煙溫偏差，燃燼風(fēng)室被設(shè)計(jì)成反切，使其噴嘴出口中心線同主噴嘴中心線成120的夾角。鍋爐的寬、深為14048mm×12468mm，高為58 900mm。鍋爐共布置7層燃燒器噴口，其中上5層為煤粉噴口，下2層為高爐煤氣噴口。鍋爐爐膛構(gòu)架和燃燒器布置見(jiàn)圖l。
2、計(jì)算方法
模擬軟件采用Fluent，爐膛網(wǎng)格采用分段劃分，從冷灰斗至爐膛出口劃分為7部分。爐膛截面網(wǎng)格采用Paving方法生成非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，燃燒器體網(wǎng)格用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網(wǎng)格。Paving方法生成的輻射狀網(wǎng)格線與四角射流的氣流軌跡基本平行，減小了網(wǎng)格線與流線的夾角，降低數(shù)值偽擴(kuò)散。由于燃燒器區(qū)域的溫度梯度較高，因此為保證數(shù)值計(jì)算的精確性，對(duì)該區(qū)域劃分的網(wǎng)格較密。整個(gè)爐膛網(wǎng)格總數(shù)約為120萬(wàn)。
數(shù)值計(jì)算中湍流流動(dòng)采用雙方程模型，輻射傳熱采用P-I模型，離散相顆粒軌跡采用隨機(jī)跟蹤模型，焦炭燃燒采用動(dòng)力一擴(kuò)散限制模型，揮發(fā)份熱解采用兩步競(jìng)相反應(yīng)模型，氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)／概率密度函數(shù)方法。
熱力型NO，根據(jù)廣義的Zeldovich機(jī)理計(jì)算，燃料型NO，根據(jù)DeSoete機(jī)理分為揮發(fā)份NO，和焦炭NO，兩部分來(lái)計(jì)算，其中揮發(fā)分N占總?cè)剂螻的比例為45%~60%。在計(jì)算中揮發(fā)份N轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物HCN，焦炭N直接轉(zhuǎn)化為NOx。
3、模擬結(jié)果及分析
為能整體描述爐膛內(nèi)部CO和NO，的分布情況，本文CO濃度及NO，濃度所選用的為某一爐膛高度的截面平均濃度。
3-1燃燼風(fēng)配比的影響
燃燼風(fēng)是減小NOx排放的重要參數(shù)。選取高爐煤氣摻燒比例為20%，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，BMCR的運(yùn)行工況下，分別模擬了燃燼風(fēng)配比（占總風(fēng)量的比例）為0%、5%、10%及15%4種工況。CO及NOx隨爐膛高度的分布規(guī)律，模擬結(jié)果見(jiàn)圖2。
如圖2 (a)所示，4種工況下的CO濃度的變化趨勢(shì)相近。例如，4種情況最高峰都出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域，且隨著燃燼風(fēng)比例的增加CO濃度峰值有所升高。由于燃燒器區(qū)域溫度很高，不添加燃燼風(fēng)時(shí)，爐膛氧氣量能夠充足地保證燃料充分燃燒，因此造成CO濃度較小。而隨著燃燼風(fēng)的添加，減小了燃燒器區(qū)域的氧氣量，甚至造成燃燒器區(qū)域的缺氧狀態(tài)，導(dǎo)致了燃燒緩慢，有助于CO生成，不利于已存在CO迅速氧化。此外，燃燒器上部，隨著爐膛高度升高，CO的截面濃度呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)，最后到達(dá)爐膛出口時(shí)已經(jīng)很小了。
從圖2 (b)可以看出，隨著燃燼風(fēng)比例的增加，NO，的排放量呈下降趨勢(shì)。由于是在BMCR工況保持總風(fēng)量不變的條件下進(jìn)行的，可能是因?yàn)橐徊糠侄物L(fēng)分出來(lái)改為燃燼風(fēng)加在燃燒器上面，減小爐膛下層氧氣量，形成富燃料的還原氣氛，降低了燃燒區(qū)域的溫度，減小了熱力型NOx的生成。此外，鍋爐上層氧氣含量也將有所增加，進(jìn)而降低了上層溫度，從而對(duì)NOx的形成也產(chǎn)生了一定的抑制作用。根據(jù)多次模擬經(jīng)驗(yàn)得出，分出來(lái)的燃燼風(fēng)部分不宜太大。燃燼風(fēng)過(guò)大，可能會(huì)將上層的氮進(jìn)一步氧化成NOx，反而增大NOx的排放，因此對(duì)于不同的燃燒爐需要選擇一個(gè)合適的燃燼風(fēng)比例，本爐子在燃燼風(fēng)為15%的情況下運(yùn)行NO，的排放最優(yōu)。
3.2 高爐煤氣配比的影響
煤價(jià)的上漲和鋼廠副產(chǎn)品高爐煤氣的難以二次利用使得多數(shù)電廠開始嘗試煤粉摻混高爐煤氣進(jìn)行混燃，在BMCR工況，過(guò)量空氣系數(shù)為1.2，燃燼風(fēng)比例為15%的條件下，分別模擬了高爐煤氣摻燒比為0%，10%，20%，30%4種工況。CO及NO，隨爐膛高度的分布規(guī)律，模擬結(jié)果見(jiàn)圖30
從圖3 (a)可以看出，純?nèi)济汗r的CO濃度最大，約為6%。隨著高爐煤氣摻燒量的增加，CO濃度峰值逐漸下降。比如，摻燒30%高爐煤氣工況降至4%左右。由于高爐煤氣的成分含有20%的CO，這可能是燃燒初期摻燒30%高爐煤氣工況比其他工況的CO濃度高的主要原因。隨著高爐煤氣摻燒比增加，CO濃度的峰值逐漸降低且向右偏移。可能是因?yàn)楦郀t煤氣與空氣易充分混合且相比于煤粉更易燃燒和燃盡。因此，隨著高爐煤氣摻混量的增加，爐膛內(nèi)燃料更易完全燃燒；而煤粉與空氣混合的充分性較差，致使燃燒不充分，從而CO的峰值較高。此外，高爐煤氣熱值低燃燒緩慢著火推遲導(dǎo)致峰值向右偏移，摻燒比例越大延遲越多。燃料在爐膛出口處均能基本燃盡。
如圖3 (b)所示，隨著高爐煤氣摻燒比的增加，爐膛內(nèi)整體NO；濃度分布明顯降低。例如，當(dāng)摻燒高爐煤氣量達(dá)到30%時(shí)，NO，排放量達(dá)到225×10，相對(duì)純煤粉的降低了一半。結(jié)合表2，高爐煤氣中的氮元素主要以Nz的形式存在，而Nz轉(zhuǎn)化為NO；的過(guò)程又相對(duì)困難，其可能是造成摻混高爐煤氣NO，濃度分布下降的主要原因。此外，由于高爐煤氣熱值較低，從而燃燒純煤時(shí)的爐膛溫度相比于摻混高爐煤氣后要高很多，致使熱力型NO，成倍增加。
3.3過(guò)量空氣系數(shù)的影響
過(guò)量空氣系數(shù)是制約爐膛內(nèi)燃燼程度的主要因素。在高爐煤氣摻燒比例為20%、燃燼風(fēng)比例為15%、運(yùn)行工況為BMCR的情況下，分別對(duì)過(guò)量空氣系數(shù)l，1.1，1. 15及1.2共4種工況進(jìn)行了模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖4。
如圖4 (a)4條CO濃度分布曲線所示，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，爐膛整體的CO濃度分布呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)椋^(guò)量空氣的增加使?fàn)t膛內(nèi)的氧量更為充足，從而有助于燃料的充分燃燒，最終表現(xiàn)為爐膛內(nèi)部整體CO濃度的下降。此外，過(guò)量空氣系數(shù)是l時(shí)爐膛出口CO濃度偏大，說(shuō)明未能充分燃燒，而其余工況均較小。進(jìn)而也說(shuō)明了選擇適當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)的必要性。從圖4 (b)可以看出，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，爐膛出口NO，濃度排放量逐漸增加。例如，NO，濃度整體分布在過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)最大，過(guò)量空氣系數(shù)為1時(shí)最小。由于過(guò)量空氣系數(shù)的增加有利于燃料燃燒更充分，進(jìn)而推測(cè)，在選取的過(guò)量空氣范圍內(nèi)，過(guò)量空氣系數(shù)越大，燃料燃燒越充分，使得爐膛內(nèi)部的溫度更高，從而促進(jìn)了熱力型NOx的生成。此外，過(guò)量空氣系數(shù)的增加，有利于NHi等氣體氧化成NOx，也可能是造成NO．增加的重要因素。由于燃料中的N生成NOx的轉(zhuǎn)化率隨空氣過(guò)量系數(shù)的增加呈上升趨勢(shì)，因此從降低污染的角度來(lái)講，在考慮最佳運(yùn)行條件的同時(shí)，也應(yīng)考慮過(guò)量空氣系數(shù)的選擇。
3.4運(yùn)行工況的影響
電力需求的波動(dòng)性決定了運(yùn)行負(fù)荷的可調(diào)節(jié)性。因此對(duì)高爐煤氣比例為20%、燃燼風(fēng)為15%、過(guò)量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，選取不同運(yùn)行工況(100% BMCR鍋爐最大蒸發(fā)量、85% BMCR、70% BMCR)進(jìn)行模擬，其結(jié)果見(jiàn)圖5。
從圖5 (a)可以看出，負(fù)荷變化對(duì)CO濃度影響不明顯，CO濃度峰值隨運(yùn)行負(fù)荷減小略有上升且均為燃燼風(fēng)出口附近。推測(cè)其原因可能為風(fēng)量隨著運(yùn)行負(fù)荷增大而增加，從而對(duì)CO有一定的稀釋作用，表現(xiàn)為CO濃度下降。如圖5(b)所示。隨著負(fù)荷的降低，NOx濃度呈下降趨勢(shì)。可能是因?yàn)椋S著負(fù)荷降低，燃料量有所減少，燃料NOx排放減少，同時(shí)爐內(nèi)溫度有所降低，熱力NOx降低，所以總的氮氧化物減少，表現(xiàn)為NOx濃度分布下降。文獻(xiàn)也得到類似結(jié)論。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。
5、結(jié)論
通過(guò)對(duì)某鋼廠300 MW四角切圓煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，探討了燃燼風(fēng)配比、高爐煤氣配比、過(guò)量空氣系數(shù)及運(yùn)行負(fù)荷等因素對(duì)爐膛CO分布及NOx分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明：燃燼風(fēng)比例增加，燃燒器附近的CO濃度峰值增加且爐膛內(nèi)部的NOx濃度整體降低；高爐煤氣摻混比增加，爐膛內(nèi)部的CO濃度的峰值下降，同時(shí)NOx濃度呈整體下降趨勢(shì)；隨著過(guò)量空氣系數(shù)增加，燃燒器上部的CO濃度均有所下降，而NOx濃度逐漸上升；運(yùn)行工況對(duì)爐膛內(nèi)部CO濃度的分布影響不大，隨著負(fù)荷的降低，峰值略有升高，然而NOx濃度分布在燃燒器上部受負(fù)荷影響較顯著，隨著負(fù)荷的下降，NOx濃度逐漸下降。
