摘要：对一台600MW超超临界墙式布置切圆燃烧锅炉进行数值模拟。详细分析了深度分级条件下，燃料型NO，热力型NO和总NO生成速率在炉内的分布特性，以及一次风射流初期NO和HCN生成特性。结果表明：挥发份析出阶段会产生大量的燃料型NO，焦炭在缺氧的气氛下燃烧促进了焦炭燃烧时释放产生HCN与已经产生的NO发生均相消减反应生成N2。在焦炭剧烈燃烧区，温度较高，SOFA(Seperated Over Fire Air)区域温度和氧气浓度都较高，这两区域热力型NO生成较多。主燃区总NO与燃料型NO生成速率分布基本相同，SOFA区 NO生成速率大致为燃料型和热力型NO二者的叠加。距离燃烧器3m内，NO生成速率变化较大。HCN与NO的生成速率变化趋势相同都与早期挥发份析出与焦炭燃烧密切相关。组织空气分级低氮燃烧技术的关键为主燃区焦炭燃烧在缺氧条件下进行，SOFA区域氧浓度不能太高，合理的优化主燃区与SOFA区氧量配比是关键。

　　关键字：深度分级燃烧 热力型NO 燃料型NO 总NO

　　中图分类号: TK229.6文献标识码:A0前言

　　空气分级燃烧技术，低NOx燃烧器，低

　　过量空气系数运行和再燃技术都是燃烧中减少NOx排放的方法。在这些方法中空气分

　　级燃烧技术是其中最有效的一种减少NOx排放的方法[1]。其中空气分级又可分为燃烧器空气分级和炉膛空气分级燃烧[2]，火上风 (Over Fire Air) 技术由于可以大大降低氮氧化物生成，同时方法较为简单，现场易于实施而应用广泛。国内外众多学者都对该技术有过研究[3~6]。在分析氮氧化物生成时，大多采用了浓度量的分布，例如：氧气浓度，一氧化碳浓度，NO浓度，HCN浓度等。还有的采用面平均方法分析，氮氧化物生成规律。但是该方法不能直观的描述各区域反应速率的快慢。由于炉内氮氧化物生成的复杂性，通过面平均量很难反应氮氧化物生成细节。本文的研究采用反应速率的新方法对炉内氮氧化物生成做了研究。该方法是针对在氮氧化物生成过程中起主要反应的各个量

　　的反应速率在空间的变化来寻求对炉内燃烧过程中氮氧化物生成的准确描述。研究的对象为国内一台采用深度分级燃烧技术的600MW超超临界墙式切圆锅炉。本文的研究不仅能够对炉内燃烧中各阶段氮氧化物生成过程有更为深入的了解，同时为今后改进低氮燃烧技术，以及优化配风打下坚实的基础。

　　1 计算对象

模拟对象采用型布置，墙式切圆燃烧方式，采用低NOx燃烧技术为PM+MACT技术[7]，达到分级燃烧降低NOx目的，主燃区布置有6层PM燃烧器，运行时，最上面一组燃烧器不投运。在OFA区布置有2层喷口。在SOFA区布置有8层喷口，采用角式布置。主燃烧区采用墙式布置。计算域下至锅炉冷灰斗底部，上至顶棚，炉膛高为65.95m。炉膛横截面尺寸为17.666m×17.628m。主燃区假想切圆直径8.811m。图1显示了炉膛结构示意图和燃烧器的布置形式。

a)炉膛结构b)单列燃烧c)主燃区横截面布置简图

　　图1 炉膛结构示意图 及单列燃烧器喷口结构简图

　　2 数学模型

　　本文模型的选取参考了公认的成熟的方法，数值模拟采用三维稳态算法，采用有限容积法来离散微分方程,对控制方程的求解采用SIMPLE算法。气相湍流流动采用Realizable κ-ε双方程模型[8]，气固两相流动采用拉格朗日随机颗粒轨道模型，辐射传热采用P-1模型，气相湍流燃烧采用混合分数法概率密度函数PDF模型，挥发份析出采用双步竞争反应模型，焦炭燃烧采用扩散-动力控制燃烧模型[9,10]。NOx生成采用后处理方法[11,12],热力型NO生成采用Extended Zeldovich机理，挥发份氮均相反应转化机理选用De'Soete模型[13~15]，焦炭氮异相反应转化机理选用L.D.Smoot模型[16]，认为固定碳氮首先转化为HCN，再部分转化为NO[17~19]。

　　3 计算结果分析

　　3.1 热态工况简介

　　煤质的元素分析及工业分析见表1。SOFA风率为35%工况下，炉内风量分布情况如表2。

　　表1 燃用煤质的工业分析和元素分析 工业分析/% Mar Mad Aar Vdaf 10.29 1.53 21.94 33.33 元素分析/% Car Har Oar Nar Sar Qnet,ar(MJ/kg) 55.63 3.29 7.5 0.86 0.492 22.03 表2 炉内风量分配情况 SOFA风率 35% 主燃区的总空气量与理论空气量的比值 0.7 OFA风量与理论空气量的比值 0.056 SOFA风量与理论空气量的比值 0.419 过量空气系数 1.175 3.2燃料型NO生成特性

　　由图2燃料型NO的生成速率分析来看，燃料型NO的产生区域主要在射流的初期和SOFA区及以上区域。并且能够看到NO在SOFA区域及以上区域大量产生，该区域的范围要比主燃区射流初期的NO的范围大得多。燃料型NO的产生主要为HCN的氧化产生的[16]，所以燃料型NO的大量生成需要有较高的氧气浓度，和较高的HCN浓度，而HCN的产生最初是由挥发份析出，焦炭的燃烧引起的，HCN的释放正比于焦炭的燃烧速率[17]。因此，燃料型NO将会主要产生在挥发份析出阶段和焦炭燃烧阶段。从图3挥发份析出速率和图4的氧浓度分布图来看，挥发份析出阶段发生在燃烧器入口处不远处，在该区域既存在较高的氧气浓度，又有较高的挥发份析出速率，因此会产生大量的NO。从图5和图2中的d)图来看，在距离喷口一定距离处的焦炭燃烧区域，NO的生成速率为负值，图6中的在该区域HCN的反应速率也为负值。这种分布趋势形成是由于焦炭的燃烧消耗大量的氧气，造成该区域处于缺氧状态，因此，虽然有较高的焦炭燃烧速率，但不会有大量NO生成。由于该区域焦炭的燃烧速率较高，因此会产生大量的HCN，HCN与挥发份析出阶段时大量氧化的NO反应生成N2。因此焦炭在缺氧的气氛下燃烧促进了焦炭燃烧时释放产生HCN与已经产生的NO发生均相消减反应生成N2。因此，主燃区焦炭在还原性气氛下燃烧是降低主燃区的氮氧化物排放的关键，这也是炉内空气分级燃烧的主要目的。在图2中SOFA区域NO生成速率很高，因此大量的NO会在该区域产生。从图5的焦炭燃烧速率图，图4的氧浓度分布图和图6的HCN生成速率图中图c)可以看出，SOFA区域焦炭燃烧速率与氧气浓度都很高。一方面，由于主燃烧区未燃尽的焦炭会在该SOFA区域燃烧，另一方面，该区域由于SOFA风的喷入，使该区域氧浓度很高。因此，焦炭燃烧产生的HCN会在氧气充足下转化为NO，因此，在该区域有大量的NO生成。综合上述分析，燃尽区氧量太大对于氮氧化物排放时不利的，会使SOFA区域NO浓度大幅度增加，不利于NO的减排。

　　a) b) c) d)

　　图2燃料型NO生成速率(gmol/m3s)

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