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低nox燃烧器与常规直流生物质燃烧机的nox生成特性的研究
摘要：对350 mw电站锅炉采用低no。燃烧器和常规直流生物质燃烧机的no。生成特性进行了实验研究和数值模拟，结果表明：①最高温度、平均温度和中心温度等与炉膛高度的关系保持不变，即径向空气流分级不影响炉膛的燃烧特性；②采用低no。燃烧器时，其炉膛中心的氧气浓度比采用常规直流生物质燃烧机时要小；③炉膛截面平均no。浓度和中心no。浓度随炉膛高度的关系基本相似，但no。最大浓度随炉膛高度的分布规律不同，采用低no。燃烧器时no。最大浓度明显与一、二次凤布置有关，采用常规直流燃烧器的no。最大浓度在燃烧器区域随高度分布呈现双峰形；④它们对应的平均no。浓度最大值截面和平殉温度最大值的截面的高度分别相同，但平均no。浓度最大值截面比平均温度最大值的截面要低；采用低no。燃烧器时，截面no。浓度最大值区域比常规直流燃烧器有大幅度的减小；⑤低no。燃烧器可比常规直流燃烧器降低no。
    低no，燃烧技术是通过燃烧要素的重新调整达到降低no。排放的技术，它又可以进一步分为窒气分级和燃料分级技术。空气分级是以传统燃烧器为基准，通过推迟空气与燃料混合降低no，排放的方法，如炉膛整体空气分级(ofa)、同轴燃烧技术(cfs、tfs2000)、浓淡燃烧技术（旋风分离式、wr、pm和水平浓淡燃烧器）和低氧燃烧技术等，空气分级可降低no。排放25%～35%。燃料分级的特征是组织部分燃料(10%～20%)在主燃烧器的下游燃烧以降低no。排放的方法如细煤粉再燃、燃气再燃和生物质再燃等，燃料分级可降低no。排放50%～60%。烟气no，净化技术是运用非燃烧方法把已经生成的no。还原为n2，从而降低no。的排放量，烟气净化技术又可以进一步分为选择性催化还原法(scr)和选择性非催化还原法(sncr)。scr技术能大幅度地降低no。排放量（可达200 mg nm3以下），但scr法的配套设备价格昂贵，占电站投资的20%左右，而且其运行费用也很高。scr技术的脱硝率为50%～90%。sncr法设备简单，运行费用较低，但该技术的工作温度低于900℃时，nh3的还原反应不完全，会造成所谓的“氨穿透”，而工作温度高于1100 0c时nh3氧化为no的量增加，导致no，排放浓度增大。所以，sncr注的工作温度要严格控制在950～1050 0c~ -狭窄的温度范围内。sncr法的脱硝率为20%～50%，sncr投资为scr的1／6～1向。
    空气分级技术在我国的电站锅炉上得到了广泛应用，但燃烧技术的复杂性、电站锅炉与试验模型的不相似性以及数值模拟的只可定性不可定量分析等使得空气分级技术改造工作有时会出现在相同的炉型，相同的燃烧器结构、相同的运行参数和相同的煤种等条件下。技术提升后的2台锅炉其氧化氮排放值却相差很大的情况。这说明虽然人们对no。生成与破坏的许多基本机理达成共识，但对电站锅炉炉膛内no。反应特性的认识还有待进一步的深入。本文采用水平浓淡型低no，燃烧器和常规直流煤粉燃烧器对350 mw四角切圆电站锅炉的no。反应特性进行研究。
1 350 mw电站锅炉简介
    本研究以某电厂350 mw四角切圆燃煤锅炉为对象，炉膛结构如图1所示，其宽度、深度和高度分别为14. 62 m、12. 43 m和55. 80 m。燃烧器区域的实际高度为14. 476 m，折烟角的倾角为50。，仰角为300，深度为2.735 mo -次风喷嘴截面尺寸为0. 35mx 0.46 m，周界风宽度为0.065 m，二次风喷嘴截面尺寸为0. 58 mx0.72 m，-、二次风中心距为0. 734 m，生物质燃烧机分5段布置，一次风喷嘴从下往上编号分别为g、h、i、j、k，相邻一次风的上、下2个二次风喷嘴合并，生物质燃烧机组如图2所示。其中(a)表示水平浓淡型低no。燃烧器喷嘴；(b)表示常规直流生物质燃烧机喷嘴，锅炉炉膛火焰高度为24. 07 m，计算煤种为大同烟煤，燃料特性如表1所示。
2数值模拟方法
2.1计算模型选择
    紊流采用旋流修正k-e模型，煤粉流动采用颗粒轨道模型，挥发分析出采用双平行竞争反应模型，均相燃烧按快速反应模型，焦碳燃烧按扩散动力模型，辐射换热采用离散坐标模型，no。湍流反应生成率哭用有限反应率的pdf模型。氧化氮计算过程。
2.2计算方法
    数值模拟首先计算等温气相流场，单相流场收敛后，用颗粒轨道模型耦合煤粉颗粒相，同时进行煤粉燃烧过程计算，当煤粉燃烧过程收敛以后，冻结温度场和氧气浓度场，采用组分输运方程对no。生成和排放特性进行计算，直至收敛。
    炉膛进口边界条件如表2所示，出口条件采用自由出口，即所有变量在流动方向上的梯度为零，壁面采用无滑移边界条件，即认为垂直于壁面的速度梯度为零，锅炉过量空气系数取1.2。
3  试验结果及分析
    粉燃烧器的炉肉温度分布基本相同，即这2种燃烧图3、图4和图5分别示出了炉膛截面最高温  器的燃烧特性相同，燃烧器区域炉膛截面最大温度度、平均温度和中心温度随炉膛高度的变化关系。    与平均温度相差350～700℃，在折烟角下炉膛截面最大温度与平均温度相差100～400℃炉膛截面中心温度分布与模型试验结果吻合较好。这是因为燃烧煤粒比烟气温度高200℃多，使得燃烧器区域温度分布的不均匀性较大，越靠近炉膛出口，其截面温度分布越均匀。
    图6、图7分别表示炉内截面平均氧气质量分数、截面中心氧气赝量分数随高度的变化关系。由图可知：采用低no。燃烧器时，其炉膛中心的氧气质量分数明显低于常规直流生物质燃烧机的氧气质量分数，在燃烧器区域，对应这2种燃烧器的截面平均氧气质量分数有差别。这是因为低no、燃烧器组织径向空气分级的缘故，说明低no。燃烧器较常规直流生物质燃烧机能有效的防止炉壁结渣。
    图8、图9和图10分别是炉内截面最大nox浓度、平均no。浓度和中心no。浓度随炉膛高度的变化关系。可以看出，低no。燃烧器较常规直流煤粉燃烧器能明显降低no。排放，这2种燃烧器的截面平均no，浓度和炉膛中心no，浓度随高度的变化相似，但截面最大no。浓度的分布规律在燃烧器区域不同，低no。燃烧器的截面最大no。浓度在燃烧器区域随一、二次风布置不同，具有明显震荡，而常规直流生物质燃烧机的截面最大no。浓度在燃烧器区域随高度分布为不规则的双峰形。这是因为低no。燃烧器使燃烧要素氧气和燃料分布在燃烧器区域内发生了有利于减小no。生成的变化，截面最大no；浓度的不规则双峰分布说明烟煤的相邻各段煤粉燃烧喷嘴具有一定的燃料分级特性。
    图11表示k层一次风截面的no。浓度分布。可以看出：截面no。的最大值区域位于旋转火焰与两相邻射流的交汇处，低no。燃烧器对应截面no。
    图12表示炉膛纵截面上的no。浓度分布。可以看出：炉内最大no；浓度区城位于燃烧器区域，在燃烧器区域内，no。浓度分布随炉膛高度增加而增大，烟气离开燃烧器区域以后，其no。浓度变化较小，且趋于均匀。
    图13示出了350 mw电站锅炉分别采用低no，燃烧器和常规直流生物质燃烧机的no。排放试验值和计算结果的对比(6%oz)。可以看出：大型电站锅炉煤粉燃烧过程n0。反应的数值模拟与试验结果(a)常规直流生物质燃烧机
在趋势上吻合较好，但是仍然存在着一定的误差，低no。燃烧器锅炉nox排放浓度的试验值与计算值的偏差为5.1%，常规直流生物质燃烧机锅炉no，排放浓度的试验值与计算值的偏差为  20. 4%。造成试验与计算值误差的原因很多，如燃烧模型和no。
    图14为no。的截面平均生成速率随高度的变化关系。由图可知，no。的生成速率在燃烧器区域最大，说明电站锅炉的no。排放主要是在燃烧器区域生成的，低no。燃烧器的no。生成速率比常规直流生物质燃烧机的no。生成速率大1.5倍，所以，低no。燃烧器能有效降低no，的排放浓度。
4结论
    (1)电站锅炉采用低no。燃烧器或常规直流燃烧器日寸，炉膛截面最商温度、平均温度和中心温度随炉膛高度的关系基本相同，即径向空气流分级不影响炉膛的燃烧特性；
    (2)电站锅炉采用低no，燃烧器时，其炉膛中心的氧气浓度比采用常规直流生物质燃烧机时要小，导致2种燃烧器在燃烧器区域的截面氧气平均浓度有差别；
    (3)电站锅炉采用低no。燃烧器或常规直流煤粉燃烧器时，炉膛截面平均no。浓度和中心no。浓度随炉膛高度的关系基本相似，但这2种燃烧器对应的炉膛截面nox浓度最大值随炉膛高度的分布规律明显不同，采用低no。燃烧器的no。最大浓度在燃烧器区域随一、二次风布置不同，有明显震荡，采用常规直流生物质燃烧机的no。最大浓度在燃烧器区域随高度分布呈现双峰形；
    (4)电站锅炉采用低no。燃烧器或常规直流燃烧器日寸，它们对应的平均no。浓度最大值截面和平均温度最大值的截面的高度分别相同，平均no。浓度最大值截面比平均温度最大值的截面要低；
    (5)电站锅炉采用低no，燃烧器时，截面no。浓度最大值区域比采用常规直流燃烧器的有大幅度的减小，低nox燃烧器比常规直流燃烧器可降低no，排放28.6%，低nox燃烧器锅炉no。排放浓度的试验值与计算值的偏差为5.1%，常规直流煤粉燃烧器锅炉no，排放浓度的试验值与计算值的偏差为20.4%。
生物质燃烧机，
生物质气化站，