W型火焰锅炉SNCR过程的数值模拟

W型火焰锅炉SNCR过程的数值模拟 应用能源技术2008年第l0期(总第130期) W型火焰锅炉SNCR过程的数值模拟 孔凡卓,周健,张树坡 (华北电力大学能源与动力工程学院,河北省保定市071003) 摘要:W型火焰锅炉,由于燃烧方式和所燃劣质煤种等原因,尾部烟气中NOx的含 量大 目前的低NOx燃烧技术都不能使其NOx排放量降低大高于我国环保规定要求. 到规定范围. 随着形势的发展对w型火焰锅炉必须考虑进行尾部烟气脱除NOx,而SNCR技术 较为可行.本 文针对这一问题利用国际大型计算软件CFX—TASCFIDW对某300MW型火焰 电站锅炉进行了 SNCR过程数值模拟.经模拟合理的选择设置了SNCR喷口,分别对SNCR设置前 后的炉内燃烧 过程的速度场,温度场和NOx浓度分布等进行了准确的数值计算,得出了合理的 结论,对采用 SNCR技术给予指导. 关键词:W型火焰锅炉;烟气脱除NOx;SNCR过程;数值模拟 中图分类号:TK223.21文献标识码:B文章编号:1009—3230(2008)10—0016—03 NumericalSimulationofSNCRProcessin"W"FlameBoiler KONGFan—zhuo,ZHOUJian,ZHANGShu—p. (SchoolofEnergyandPowerEngineering,NorthChinaElectricPower University,Baoaing071003,HebeiProvince,China) Abstract:TheNOxcontentoffluegasin"W''flameboilerusuallygreatlyexceedsthelimitsreq uiredby OUrcountry'Senvironmentalprotectionregulation,accordingtoitsspecialcombustionmod e,lowquality coalandetc..PresentlowNOxcombustiontechnologiescouldnothelptoreducetheNOxcontenttobelow therequiredmnge.ReducingNOxcontentoffluegasin"W"flameboilershallbeanecessaryconsider— ationunderpresenttrends,andSNCRcanbeafeasiblemethod.NumericalsimulationonSNCRina 300MW''W"flameboilerhasbeenperformedwiththecommercialsoftwareCFX— TASCFLOW.Proper13o— sitionoftheSNCRinjectorshasbeendeterminedthroughsimulation.Velocityfield,temperaturefieldand NOxconcentrationdistributionbeforeandaftersettinghavebeenob~nedbyaccuratenumericalcalcula— tion,andreasonableconclusionhasbeendrawn,whichprovidesaguideforSNCRapplication. Keywords:"W"flameboiler;NOxreductionfromfluegas;SNCRprocess;Numericalsimulation 1计算模型的选择 1.1计算模型 计算模型为300MW亚临界压力,中间一次再 热,自然循环,双拱单炉膛w火焰燃烧煤粉炉, 收稿日期:2008—08—22修订稿日期:2008—08—29 作者简介:孔凡卓(1980,),男,硕士研究生,主要从事高 效,清洁燃烧及环境污染控制的研究. 煤种为阳泉无烟煤.钢球磨煤机中间贮仓式 制粉系统,双旋风低NOx燃烧器.锅炉主要设计 参数如1所示. 1.2边界条件设定 CFX—TASCFLOW软件平台边界条件主要包 括三类:入口边界条件,出口边界条件和壁面边界 条件.入口边界条件主要有:一,二次风量,风温, 2008年第10期(总第130期)应用能源技术17 表1锅炉主要设计参数 项目单位MCRECR项目单位MCRECR 过热蒸汽流量t/h1025935再热蒸汽温度?327,54O318/540 过热蒸汽压力MP17.70l7.5O给水温度?274269 过热蒸汽温度?540540一次风温?20,3252o/319 再热蒸汽流量t,h851781二次风温?2O,31020,305 再热蒸汽压力MP3.92,3.733.6o,3.43排烟温度?127,l2Ol22,l14 锅炉设计效率%90.6490.85计算燃料量t/hl24.17l15.78 煤粉投入量.出口边界条件为出口截面压力.壁 面边界条件主要有壁面温度,壁面特性等.本文 边界条件值都来自于现场实测值,壁面边界条件 按照软件推荐计算曲线和实测炉膛温度水平与工 质温度共同拟合计算确定. 2工况选择与计算结果 2.1初始计算工况选择 对工况的选择主要是通过对额定负荷下的不 同燃烧组织方式进行比较,通过对燃烧的调整,对 主要关键区段和截面的温度场,流场,NOx浓度分 布场,适合SNCR的区间高度等的比较,找出最适 合加设SNCR进行脱除NOx的最佳工况.经过对 锅炉经优化燃烧调整试验所确定的实际运行调整 的五个工况进行计算比较,确定出最佳适合SNCR 过程的工况.确定原则为:在保证锅炉燃烧效率 的同时,确定出适合加设SNCR的温度区间的高 度位置;区间内烟气流场速度适合,分布相对较均 匀;此燃烧组织工况下通过低NOx燃烧组织使烟 气中的NOx浓度尽可能的最低. 2.2初始最佳工况各主要参数模拟结果 初始计算分别对现场满负荷运行的五种不同 燃烧组织工况进行模拟,通过对关键区段温度场, 流场,NOx浓度分布,SNCR区间位置高度等关键 参数的比较,确定出适合加设SNCR的初始最佳 工况.各参数计算结果如述下图. 2.3初始最佳运行工况结果 利用图1条件分析确定,计算寻求出额定负 荷下相对最佳组织燃烧工况.由图2可知,在适 合加设SNCR的炉膛高度为35m,36m高度处,此 图1锅炉几何模型图2SNCR区烟气流场 图3初始NOx浓度分布图4SNCR区域温度场 区间内烟气流场平均烟速为10m/s而且流场分布 较均匀,这有利于SNCR过程中NH3与烟气的混 合,良好的混合使脱销反应进行顺利且脱除率较 高.图3所示NOx分布看,整个区域内其平均浓 度约为913mg/Nrn3,这在低NOx运行工况中是相 对较低的水平.而且分布趋势为前墙侧浓度较 大,炉膛出口侧浓度较小,这样刚好利用炉膛前墙 空间大多加设氨喷口的现实情况.图4显示, SNCR区问入口截面温度场较为均匀,平均1012 ?,虽然靠近前墙偏高,但刚好喷氨有降低温度的 l8应用能源技术2008年第10期(总第130期) 作用,保证SNCR过程的正向进行. 3SNCR过程的数值计算 3.1SNCR喷口的设置与反应模型选择 根据所选最佳初始工况的计算结果可知,对 于本锅炉,SNCR喷口位置应在锅炉炉膛的35m, 36m高度位置.由2.3对NOx浓度分布与流场分 布分析,为使还原剂氨喷入后能与烟气充分混合, 并考虑反应时间与反应温度分布分配等影响因 素,确定在炉膛35m与36m高度处各加设一层氨 喷口.每层分别为前墙6个,左右侧墙各3个的 喷口布置方式.考虑到喷氨必须有较强的穿透 力,因此喷口均采用矩形喷口.SNCR过程氨氮比 确定为1:1.12.SNCR反应模型为计算软件提供 的N0x反应模型,其具体进行形式为:当NH3喷 入后,在满足SNCR过成进行条件时,NOx被还原 为. 3.2SNCR过程数值模拟结果 SNCR过程,还原剂氨采用上下两层各个喷口 均匀喷射的方式,经迭代计算,各参数均收敛.模 拟结果如下: 图5K喷口截面流场分布图6氓过程出口NOx浓度分布 3.3SNCR过程模拟结果分析 由结果图3.1可知,经计算设置的喷口,都能 使氨的喷入达到40m以上的速度,穿透性较好, 能达到炉膛烟气的中心区域,且分布较为均匀. 这样良好的反应物混合程度,能较好保证脱除反 应的进行,达到预期的NOx脱出率. 由图3.2可知,sNCR过程使的烟气中的NOx 有显着的下降,由初始工况的平均913mg,Nn13降 低为出VI的平均582mg/,脱除效果较为明显. 4结语 (1)本文以实际锅炉为基准,建立合理的模 型,以现场实测运行数据为边界条件,经过详细的 模拟计算,选择出相对最佳初始工况.然后在初 始工况的基础上,进行SNCR过程的模拟.模拟 过程严格按照SNCR技术基础,选择合理的反应 模型,确定出适合的过程反应区间,设计合理的喷 口形式与面积,计算合理的氨氮比.因此,模拟结 果较为准确具有一定的可信度. (2)经计算可知,反应在没有辅助添加剂的基 础上,只选择普通的过程进行模拟,有较好的NOx 脱除率. (3)由模拟结果可知,对于本文所选的w型 火焰锅炉,结合良好的低NOx燃烧技术然后加设 SNCR烟气脱除NOx技术,能起到很好的降低氮 氧化物排放的作用.假若SNCR技术过程合理, 使得脱除率能维持50%以上,则此锅炉的NOx排 放能达到目前对燃用劣质煤的排放标准要求. 参考文献 [1]阎维平.洁净煤发电技术[J].北京:中国电力出版 社.2002:217—222. [2]张海,吕俊复,等.w火焰锅炉燃烧问题的分析和解 决办法[J].动力工程,2005,10,25(1):125—130. [3]YinCG,CaillatS,HarionJL,BaudoinB,PerezE.In. vestigafionoftheflow,combttstion,heat—transferand emissionfroma609MWutilitytangentiallyfiredpulver— ized—coalboiler.F,ld2002,81:997—1006. [4]张颉,孙锐,昊少华,等.200MW旋流燃烧方式煤粉 妒炉内燃烧试验和数值研究[J].中国电机工程学 报,2003,23(8):215—220. [5]陈炳华.日照电厂350MW锅炉燃烧优化调整的数值 模拟研究:[硕士学位论文].哈尔滨:哈尔滨工业大 学,2003. [6]TerryF.Wal1.Combustionprocessesforcarboncapture. ProceedingoftheCombustionInstitute,2007,31(1):31 — 47