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摘要：NOX作为燃煤锅炉排放物中的主要污染物之一，对环境造成严重的污染。我国北方地区供热锅炉在整个燃煤锅炉中还占有一定的份额，它们对城市以及大气环境污染的贡献率非常高，控制其污染物的排放对我国的可持续发展有着重要的意义。本文以四角切圆燃煤锅炉为例，通过理论研究和数值模拟的方法，研究锅炉的低NOX燃烧技术。
关键词：供热锅炉；NOX；数值模拟
中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：
随着我国改革开放以来现代化进程的推进，能源的过度消耗，对环境的污染也日益严重，而煤燃烧对生态环境的破坏也十分严重，其中燃烧产物中NOX占总排放量的比例为70%[1]。我国在控制NOX排放方面起步却比较晚，与发达国家还是存在着一定差距的。燃煤锅炉在用于控制氮氧化物排放方面主要有两类技术，分别是低NOX燃烧技术和烟气净化技术[2] 。现有的供热煤粉锅炉燃烧器布置基本以四角切圆为主，通过比较现有的降低NOX的各种技术，针对目前的应用情况，结合四角切圆锅炉的特点，以四角切圆煤粉锅炉为例，结合空气分级技术，通过理论研究和数值模拟相结合的方法，制定出相应的低NOX燃烧器改进方案。
1.前言
燃烧过程中产生的NOX是化石燃料與空气在高温燃烧时产生的。燃烧过程中生成的NOX有三种途径：1）热力型NOX，系燃烧过程中，空气中的氮气在高温下氧化而产生的氮氧化物；2）快速型NOX，系碳化氢燃料过浓时燃烧产生的氮氧化物；3）燃料型NOX，系燃料中所含的氮及其化合物在高温下经热分解和氧化而形成的氮氧化物。燃料燃烧的过程中，NOX的生成受到很多因素的影响，上述三种类型的NOX随燃烧条件的变化生成量也有所差异，要想控制NOX的排放总量，关键就是要抑制燃料型NOX和热力型NOX的生成[3]达到降低NOX排放的目的。
2.数学模型
本次研究的对象为一台160t/h的锅炉，属于高压自然循环、单锅筒、悬浮燃烧、集中下降管、固态排渣煤粉炉，每套制粉系统带4只喷燃器。燃烧器采用正四角布置，炉膛一次风、二次风几何中心形成逆时针切圆，燃烧器喷口皆带有周界风。锅炉的具体结构如图1所示。
3. 划分网格
本次模拟采用Cooper的方法进行网格的划分。划分网格的过程中尽量使用六面体结构化网格，使流体的运动方向与网格边界一致，把伪扩散的影响降到最小，与此同时这种划分方法也可以提高网格的质量，降低网格的数量，加快收敛的速度，提高计算的精度。划分完网格后的炉膛模型，网格数量约为80万。
4.计算模型
炉膛的燃烧过程是一个典型的气固两相湍流流动的过程，涉及到流体力学、传热学、燃烧学等学科的知识，是十分复杂的物理化学变化。本次模拟属于三维稳态，采用SIMPLE算法求解。主要用的模型有：湍流流动模型、非预混燃烧模型、动力学/扩散控制反应速率模型、P-1辐射模型、双平行反应模型、PDF模型以及NOX生成模型。
5.计算工况及边界条件
本次模拟的主要目的是要掌握燃烧器改造前后炉膛内温度分布的变化情况以及NOX浓度分布的变化情况。因此，模拟计算分为两个工况，即燃烧器改变前的状况和燃烧器改变后的状况。
设计中保持一次风不变的原则，不改变总风量以及原各次风喷口的位置，增加了燃尽风喷口。通过减缓部分二次风与煤粉的混合，延长主燃烧区域到燃尽区域的距离，并使用枣核型二次风，使煤粉燃烧得到细化，设计后的分级燃烧器如图2所示。
两个工况中燃烧器的喷口作为入口条件设置为速度入口，炉膛出口作为出口条件设置为压力出口，炉膛四周的水冷壁以及炉膛下部的冷灰斗设置为墙壁。燃烧过程中可认为流体在炉膛四周的墙壁上无湍动流动。燃烧过程中的入口按照第一类边界条件给定入口速度及温度，初始条件分别设定炉膛主燃烧区域壁温为1400K，炉膛下部冷灰斗温度为500K，燃烧区域以上至炉膛出口前温度为900K，炉膛出口处为1100K，出口压力为-35Pa。
6.炉膛内的温度场
对燃烧器进行改造后，各个喷口的风量将被重新分配，风量的改变直接影响到炉膛内的燃烧状况，会改变整个炉内的温度场，图3所示为改造前后炉内纵向中心切面的温度分布。
改造前煤粉从一次风喷口出来后与全部足量的二次风混合燃烧，燃烧器附近就是燃烧区域，在此区域中煤粉充分燃烧，温度达到最高，温度线比较密集，随着烟气的上升温度逐渐降低，炉膛出口处降到了1191K。改造以后，由于增加了燃尽风喷口，二次风的风量有所降低，主燃烧区的煤粉未能充分燃烧，所以燃烧器区域的温度并不是最高的。当混有未完全燃烧煤粉的烟气经过燃尽风喷口时，空气得以补给，燃烧得以继续进行，温度达到最高。随后，温度逐渐降低，到出口处降到了1206K，与改造前基本相同。
a）改造前 b）改造后
图3两种工况下炉膛纵向切面的温度分布（单位：K）
7.炉膛内CO的浓度分布
a）改造前 b）改造后
图4 两种工况下炉膛纵向切面的CO的浓度分布（单位：%）
图4是改造前后炉膛内纵向切面CO的浓度分布图。比较两个工况下CO的浓度分布，可以看出其浓度的分布和温度的分布有着密切的关系。在炉膛的高温区域CO的浓度较高，这主要是因为煤粉与空气发生剧烈的反应，反应的第一生成物就是CO，随后CO向上流动，炉膛的温度逐渐降低，CO与剩余的空气继续反应生成了CO2，CO的浓度也就随之降低了。沿烟气的流动方向，随着炉膛高度的增加CO的浓度一直在减小。改造后炉膛出口CO的浓度要高于改造之前，这主要是加装燃尽风喷口后，延缓了煤粉的燃烧，从而造成了这种情况的产生，但此时的温度还比较高，而且尚有多余的空气，氧化反应还会继续发生，CO会继续被氧化成CO2。
8.炉膛内NOX的浓度分布
a）改造前 b）改造后
图5 两种工况下炉膛纵向切面的NOX的浓度分布（单位：mg/m3）
从图5可以看出，燃烧器未改造时，NOX主要集中在燃烧器上方附近，主要有两个原因：一是煤粉中的N从一次风喷口出来后，二次风提供了充足的空气，除了供应煤粉燃烧外，还有足量的氧气将N完全氧化，生成燃料型NOX；二是炉膛内的高温主要集中在燃烧器上方附近，这里模拟出的温度达到了1600K，已经符合了热力型NOX生成的条件，所以在这里NOX的浓度最高。改造之后，在主燃烧区供给的空气量小于正常燃烧时所需的空气量，属于缺氧燃烧，这样就可以抑制燃料型NOX的生成。同时，由于煤粉未完全燃烧，该区域的温度并不是最高，也抑制了热力型NOX的生成，所以该处NOX的浓度最低。烟气继续上升，剩余的煤粉遇到燃尽风后，此时氧气富裕，主燃烧区部分的N被氧化成NOX，所以在经历了燃尽风后NOX的浓度有所增长，改造后炉膛的出口浓度约为改造前的40%。
9.结论
通过对改造前后整个炉膛燃烧状况的模拟，分析比较两个工况炉膛内的温度的分布情况、CO浓度的分布情况、NOX浓度的分布情况，可以看出锅炉燃烧器改造以后达到了NOX减排的目的，而且有效的降低了炉膛的出口温度，从数值模拟计算的理论上证实了改造方案是成功的，为实际工作提供了一定的理论支持。
参考文献：
[1] 谌天兵，武建军，韩甲业．燃煤污染现状及其治理技术综述．煤，2006，15（2）:1~7
[2] 何华庆，朱跃，潘志强，等．低NOX燃烧技术综述．锅炉制造，2000，（4）：34~38
[3]C．K．Man，J．R．Gibbins，J．G．Witkamp． Coal characterisation for NOX prediction in air-staged combustion of pulverised coal． Fuel，2005，84：2190~2195
关键词：供热锅炉；NOX；数值模拟
中图分类号：TU833 文献标识码：A 文章编号：
随着我国改革开放以来现代化进程的推进，能源的过度消耗，对环境的污染也日益严重，而煤燃烧对生态环境的破坏也十分严重，其中燃烧产物中NOX占总排放量的比例为70%[1]。我国在控制NOX排放方面起步却比较晚，与发达国家还是存在着一定差距的。燃煤锅炉在用于控制氮氧化物排放方面主要有两类技术，分别是低NOX燃烧技术和烟气净化技术[2] 。现有的供热煤粉锅炉燃烧器布置基本以四角切圆为主，通过比较现有的降低NOX的各种技术，针对目前的应用情况，结合四角切圆锅炉的特点，以四角切圆煤粉锅炉为例，结合空气分级技术，通过理论研究和数值模拟相结合的方法，制定出相应的低NOX燃烧器改进方案。
1.前言
燃烧过程中产生的NOX是化石燃料與空气在高温燃烧时产生的。燃烧过程中生成的NOX有三种途径：1）热力型NOX，系燃烧过程中，空气中的氮气在高温下氧化而产生的氮氧化物；2）快速型NOX，系碳化氢燃料过浓时燃烧产生的氮氧化物；3）燃料型NOX，系燃料中所含的氮及其化合物在高温下经热分解和氧化而形成的氮氧化物。燃料燃烧的过程中，NOX的生成受到很多因素的影响，上述三种类型的NOX随燃烧条件的变化生成量也有所差异，要想控制NOX的排放总量，关键就是要抑制燃料型NOX和热力型NOX的生成[3]达到降低NOX排放的目的。
2.数学模型
本次研究的对象为一台160t/h的锅炉，属于高压自然循环、单锅筒、悬浮燃烧、集中下降管、固态排渣煤粉炉，每套制粉系统带4只喷燃器。燃烧器采用正四角布置，炉膛一次风、二次风几何中心形成逆时针切圆，燃烧器喷口皆带有周界风。锅炉的具体结构如图1所示。
3. 划分网格
本次模拟采用Cooper的方法进行网格的划分。划分网格的过程中尽量使用六面体结构化网格，使流体的运动方向与网格边界一致，把伪扩散的影响降到最小，与此同时这种划分方法也可以提高网格的质量，降低网格的数量，加快收敛的速度，提高计算的精度。划分完网格后的炉膛模型，网格数量约为80万。
4.计算模型
炉膛的燃烧过程是一个典型的气固两相湍流流动的过程，涉及到流体力学、传热学、燃烧学等学科的知识，是十分复杂的物理化学变化。本次模拟属于三维稳态，采用SIMPLE算法求解。主要用的模型有：湍流流动模型、非预混燃烧模型、动力学/扩散控制反应速率模型、P-1辐射模型、双平行反应模型、PDF模型以及NOX生成模型。
5.计算工况及边界条件
本次模拟的主要目的是要掌握燃烧器改造前后炉膛内温度分布的变化情况以及NOX浓度分布的变化情况。因此，模拟计算分为两个工况，即燃烧器改变前的状况和燃烧器改变后的状况。
设计中保持一次风不变的原则，不改变总风量以及原各次风喷口的位置，增加了燃尽风喷口。通过减缓部分二次风与煤粉的混合，延长主燃烧区域到燃尽区域的距离，并使用枣核型二次风，使煤粉燃烧得到细化，设计后的分级燃烧器如图2所示。
两个工况中燃烧器的喷口作为入口条件设置为速度入口，炉膛出口作为出口条件设置为压力出口，炉膛四周的水冷壁以及炉膛下部的冷灰斗设置为墙壁。燃烧过程中可认为流体在炉膛四周的墙壁上无湍动流动。燃烧过程中的入口按照第一类边界条件给定入口速度及温度，初始条件分别设定炉膛主燃烧区域壁温为1400K，炉膛下部冷灰斗温度为500K，燃烧区域以上至炉膛出口前温度为900K，炉膛出口处为1100K，出口压力为-35Pa。
6.炉膛内的温度场
对燃烧器进行改造后，各个喷口的风量将被重新分配，风量的改变直接影响到炉膛内的燃烧状况，会改变整个炉内的温度场，图3所示为改造前后炉内纵向中心切面的温度分布。
改造前煤粉从一次风喷口出来后与全部足量的二次风混合燃烧，燃烧器附近就是燃烧区域，在此区域中煤粉充分燃烧，温度达到最高，温度线比较密集，随着烟气的上升温度逐渐降低，炉膛出口处降到了1191K。改造以后，由于增加了燃尽风喷口，二次风的风量有所降低，主燃烧区的煤粉未能充分燃烧，所以燃烧器区域的温度并不是最高的。当混有未完全燃烧煤粉的烟气经过燃尽风喷口时，空气得以补给，燃烧得以继续进行，温度达到最高。随后，温度逐渐降低，到出口处降到了1206K，与改造前基本相同。
a）改造前 b）改造后
图3两种工况下炉膛纵向切面的温度分布（单位：K）
7.炉膛内CO的浓度分布
a）改造前 b）改造后
图4 两种工况下炉膛纵向切面的CO的浓度分布（单位：%）
图4是改造前后炉膛内纵向切面CO的浓度分布图。比较两个工况下CO的浓度分布，可以看出其浓度的分布和温度的分布有着密切的关系。在炉膛的高温区域CO的浓度较高，这主要是因为煤粉与空气发生剧烈的反应，反应的第一生成物就是CO，随后CO向上流动，炉膛的温度逐渐降低，CO与剩余的空气继续反应生成了CO2，CO的浓度也就随之降低了。沿烟气的流动方向，随着炉膛高度的增加CO的浓度一直在减小。改造后炉膛出口CO的浓度要高于改造之前，这主要是加装燃尽风喷口后，延缓了煤粉的燃烧，从而造成了这种情况的产生，但此时的温度还比较高，而且尚有多余的空气，氧化反应还会继续发生，CO会继续被氧化成CO2。
8.炉膛内NOX的浓度分布
a）改造前 b）改造后
图5 两种工况下炉膛纵向切面的NOX的浓度分布（单位：mg/m3）
从图5可以看出，燃烧器未改造时，NOX主要集中在燃烧器上方附近，主要有两个原因：一是煤粉中的N从一次风喷口出来后，二次风提供了充足的空气，除了供应煤粉燃烧外，还有足量的氧气将N完全氧化，生成燃料型NOX；二是炉膛内的高温主要集中在燃烧器上方附近，这里模拟出的温度达到了1600K，已经符合了热力型NOX生成的条件，所以在这里NOX的浓度最高。改造之后，在主燃烧区供给的空气量小于正常燃烧时所需的空气量，属于缺氧燃烧，这样就可以抑制燃料型NOX的生成。同时，由于煤粉未完全燃烧，该区域的温度并不是最高，也抑制了热力型NOX的生成，所以该处NOX的浓度最低。烟气继续上升，剩余的煤粉遇到燃尽风后，此时氧气富裕，主燃烧区部分的N被氧化成NOX，所以在经历了燃尽风后NOX的浓度有所增长，改造后炉膛的出口浓度约为改造前的40%。
9.结论
通过对改造前后整个炉膛燃烧状况的模拟，分析比较两个工况炉膛内的温度的分布情况、CO浓度的分布情况、NOX浓度的分布情况，可以看出锅炉燃烧器改造以后达到了NOX减排的目的，而且有效的降低了炉膛的出口温度，从数值模拟计算的理论上证实了改造方案是成功的，为实际工作提供了一定的理论支持。
参考文献：
[1] 谌天兵，武建军，韩甲业．燃煤污染现状及其治理技术综述．煤，2006，15（2）:1~7
[2] 何华庆，朱跃，潘志强，等．低NOX燃烧技术综述．锅炉制造，2000，（4）：34~38
[3]C．K．Man，J．R．Gibbins，J．G．Witkamp． Coal characterisation for NOX prediction in air-staged combustion of pulverised coal． Fuel，2005，84：2190~2195