炉内煤粉燃尽率及氮氧化物生成的简化预测模型

《Applied Thermal Engineering》：Simplified modeling for prediction of coal powder burnout and NO x generation in furnace

　　

构建了一个涉及燃烧与传热的简化耦合模型。基于每个燃烧器喷嘴建立了热平衡模型。揭示了沿炉膛高度粉煤燃尽率的变化规律。研究了负荷、煤种及风煤比对NOx生成特性的影响。给出了临界风煤比随运行边界条件变化的规律。引言：煤粉燃尽率和NOx的追踪与预测是调整锅炉燃烧的重要基础[1]。尤其是构建此类预测模型是燃烧监控的一项主要技术手段[2]。探索燃尽率和NOx的简化预测模型对研究者而言是一个具有挑战性的课题[3]。目前，零维模型在锅炉炉膛设计的工程领域中被广泛采用[4]。在炉膛的零维模型中，未燃碳损失的实测数据被选取作为经验值[5]。因此，煤的燃烧特性被大大简化，模型仅描述传热过程，而未描述粉煤的燃尽程度和NOx生成情况。实际上，沿炉膛高度的碳燃尽率分布影响炉膛热负荷的分布。反之，炉膛的热负荷分布也会影响煤的燃烧过程。这种耦合效应进一步导致煤粉燃尽率和NOx的变化。因此，燃烧与传热是相互依赖的过程[6]。然而，忽略这种耦合过程会引发过热和NOx排放过量等更多问题[5]。部分而言，由于缺乏预测模型，炉膛的燃烧条件难以进行监测与调节。随着燃煤发电机组向智能化方向发展，可视化煤粉燃尽率和NOx的分布具有极为必要性，从而可以最佳地设定燃烧器的配风。因此，建立煤粉燃尽率和NOx的预测模型以监控锅炉燃烧具有重要意义。真实的炉膛经历复杂的化学反应、辐射传热以及颗粒与气体的两相流过程[7]。因此，构建描述燃烧与传热耦合过程的机理模型极为费力。这些棘手的问题给当前研究工作增添了大量技术壁垒。研究者已谨慎地开发了一维和三维模型来描述炉膛的燃烧过程[4]、[8]。三维数值方法如计算流体力学模型（CFD）可以获得炉膛内烟气温度场和速度场[9]。因此，CFD方法因其对炉膛内燃烧特性较为理想的预测性能而被广泛采用[10]。为研究如何在高一次风煤比条件下防止锅炉性能恶化，文献[11]建立了一个660 MW壁燃褐煤锅炉的CFD模型。相应地选取未燃碳颗粒来分析不同工况下的锅炉性能。结果表明，随着一次风煤比的增加，混合过程变差，煤的燃烧行为恶化。这意味着未燃碳颗粒浓度上升，更多颗粒在主燃烧区未被消耗。Liu等人[12]研究了不同比例无烟煤对改造燃煤锅炉燃烧特性的影响。测试结果表明，随着无烟煤比例的增加，NOx排放减少，但未燃碳增加。Jiang等人[13]评估和分析了五种布置方案的燃烧与排放特性。该研究的目标是利用CFD优化分离式炉膛上二次风（SOFA）的安装位置和方向。结果表明，SOFA在锅炉中心墙面的送风会导致上升气流在下方产生显著阻塞，从而触发炉膛内不稳定的燃烧行为，使未燃碳（UBC）和NOx升高。Jiang等人[14]进行了数值模拟，评估了不同分级燃烧配置下锅炉的燃烧特性和NOx排放。研究表明，当SOFA比例达到20%时，飞灰中未燃碳从1.1%降低至0.65%，NOx排放从101 ppm降低至60 ppm。三维数值方法可用于获取炉膛空间的温度和热负荷分布，为调整炉膛燃烧提供指导价值[15]、[16]。值得注意的是，人们对炉膛内部燃烧过程的认识已得到拓展。然而，三维数值方法需综合考虑炉膛内的流动、燃烧和传热过程[17]。准确计算某一工况通常需要大量的计算工作量，可能需要数周甚至数月才能完成计算[18]。此外，在设定运行工况的初始和边界参数时，由于研究对象的复杂性，需考虑大量经验系数。然而，部分经验系数通常取自常规工况，并不适用于机组的所有工况[6]。换言之，某些过程或环节的表述不当可能导致不合理的结论[5]、[6]。基于以上原因，炉膛内的燃烧和传热过程应进行适度简化。应提出一种相对简单且精确的耦合机理模型来监控燃尽率和NOx。在预测模型方面的这一突破对燃烧调节具有变革性意义。随着三维模型的快速发展，一维燃烧模型（ODM）也在不断改进[6]。前苏联中央蒸汽轮机与锅炉研究院提出了锅炉炉膛的一维分段模型，该模型收录于1973版锅炉热力学计算标准方法中[4]。ODM能有效考虑沿炉膛高度的温度场不均匀性[5]、[6]。因此，该模型在工程设计中得到了应用，并受到学者的关注。Zhao等人[19]基于一维炉膛模型开发了一种面向控制的燃煤电站锅炉模型，用于低NOx燃烧控制器设计。结果表明，该模型可作为实时模拟器，用于高级锅炉燃烧控制策略的测试，属于面向控制的灰箱模型。Zhou等人[20]基于一维模型构建了超临界二氧化碳（S-CO2）锅炉的改进热力学方法。随后分析了参数和配置对S-CO2锅炉特性的影响。结果表明，增加分离式炉膛上二次风比例可以有效均衡热负荷分布，同时炉墙温度升高会影响炉膛辐射传热性能。此外还增加了烟气平均温度。然而，1973版一维热力计算模型中的燃尽率分布采用的是常数。实际上，燃尽率分布是通过三维数值方法分析得出的。不可否认的是，ODM对沿炉膛高度的热负荷计算极为有利。然而，分段式ODM也存在以下技术缺陷。首先，模型中沿炉膛高度的粉煤燃尽率采用了常数经验值[4]。因此，燃烧与传热的耦合效应未被充分考虑[5]。其次，大型锅炉的燃烧器区域高度可达10至20米甚至更高，燃烧器通常至少有4至6层。实际上，燃烧器的投切变化和煤质变化会导致燃烧器区域各部位温度发生显著变化[21]。1973版的ODM将整个燃烧器区域视为一个截面，而未考虑上述对传热具有决定性影响的因素[21]。此外，燃烧器下部冷渣斗产生的影响对主燃烧器区域最大释热部位的传热有显著影响。通常冷渣斗处烟气温度低于燃烧器区域温度超过200°C[21]。上述情况在1973版的ODM中均未涉及。因此，如果上述1973版ODM的缺陷能够得到改进，将获得更具实用性和便利性的工程方法。不可否认，煤粉燃尽率和NOx的预测方法是技术创新。1924年，Nusselt[22]首次提出了球体颗粒燃烧的简化模型。随后，Spalding[23]、Essenhigh[24]和Vulis[25]相继提出了类似的粉煤颗粒简化燃烧模型。此后，不同研究者以不同形式表达的思想被收集和组织，逐渐形成了单一球体粉煤燃烧模型。目前，球体颗粒简化燃烧模型的思想不断被应用，并逐渐获得认可[26]。然而，在该模型中，化学反应的燃尽速率需要利用炉膛内部环境烟气温度来计算。这一特性也与炉膛内部的传热有关。为此，本团队在先前的研究中将炉膛零维模型与单球体碳颗粒燃烧模型进行了耦合[27]。令人兴奋的是，该方法对炉膛出口碳的完全燃尽和炉膛内燃烧效率提供了良好的预测效果。然而，NOx计算未耦合入模型。此外，该研究采用的是1973版的零维模型，有效地利用经验方程从理论燃烧温度和炉膛出口烟气温度获得烟气平均温度[5]、[6]。显然，这种近似和简化导致在计算化学反应燃尽速率时产生一定计算误差。针对上述问题，1973版的一维热力计算模型得到了改进。二次风喷嘴以上的区域被视为燃尽区，包括二次风喷嘴本身。冷渣斗部分被视为独立区域。主燃烧区和燃尽区采用不同的处理方式。每个燃烧器喷嘴及其辅助风喷嘴被划分为一个截面，以克服主燃烧区作为单一截面的不利影响。在每个分段区域中建立了开放热系统的能量方程。随后，将单球体碳颗粒燃烧模型、NOx模型和一维传热模型有机耦合。研究了燃尽率和NOx随风煤比（WCR）的变化趋势。此处，WCR定义为炉膛每个燃烧分段中供给空气质量与粉煤质量的质量比。数学表达式为μ=mair/mcoal。对应燃烧区域的局部过量空气系数可以通过乘以空气密度转换为μ。随后，根据煤种和负荷确定合适的WCR。本文的主要创新点描述如下：首先，以每个燃烧器喷嘴作为基本计算单元，建立了相应的热平衡模型。在此基础上，将炉膛划分为多个区域，构建了炉膛传热模型。据此，进一步改进了炉膛分区和传热计算的整体方法。随后，将粉煤燃烧模型与炉膛传热模型耦合，建立了燃烧与传热的一维耦合机理模型。该模型可以同时对粉煤燃尽和NOx生成进行预测。此外，获得了燃尽率沿炉膛高度的分布规律。同时，研究了机组负荷、煤种和风煤比（WCR）对NOx生成的影响。最终，分析了不同运行边界条件下临界WCR的变化规律。本文余下部分组织如下：首先描述机组和燃烧系统。然后，呈现一维耦合模型。接着对改进的模型进行验证。随后展示WCR敏感性分析和讨论。最后给出结论。炉膛分区和传热计算方法得到了进一步开发。在此基础上，为每个燃烧器喷嘴建立了热平衡模型。随后构建了一个简化的燃烧与传热一维耦合模型。该模型可预测粉煤燃尽和NOx生成。此外，获得了燃尽率沿炉膛高度的变化规律。还研究了负荷、煤种和WCR对NOx生成的影响。最后，确定了不同运行边界条件下临界WCR的变化规律。章节摘要——机组描述：选取一台典型的600 MW超临界机组作为参考案例。图1展示了参考机组的热力系统[28]。系统主要包括锅炉和汽轮子系统。该锅炉是由上海锅炉厂生产的一种典型超临界直流锅炉，总容量为1918 t/h。锅炉的主蒸汽和再热蒸汽温度与压力分别为571°C/25.4 MPa和569°C/4.1 MPa。该锅炉为单炉膛结构，具有一个改进分段方法：图3展示了炉膛传热分区的改进方法。如图3所示，锅炉一角配备了六层煤粉喷嘴。正常工况下全负荷时五层煤粉喷嘴可满足运行要求。

通常，顶煤粉喷燃器不会在全负荷工况下投入运行。主燃烧区第三至第六段的分段原则如下：煤粉喷燃器本身及其上下各半个高度的范围。

模型求解过程

图6为模型求解过程的示意图。该模型基于Visual Studio 2022软件，采用C语言进行求解和计算。求解过程如下：

（1）设置边界参数，如烟气温度Tpy*和热风温度Trk*。同时，估算第二至第九段煤粉燃尽率β1及出口烟温T。

（2）求解一维分段传热与燃烧耦合数值模型。

WCR对碳燃尽率的影响

煤粉颗粒的燃尽程度与煤种、负荷、含氧量、烟气温度及在炉内的停留时间等因素有关[41]。WCR的变化主要表征运行过程中含氧量的变化。通过研究WCR变化对煤粉颗粒燃尽程度的影响，可以更好地理解锅炉运行的最佳配风方案。图7展示了炉内无烟煤煤粉颗粒燃尽程度的变化情况。

结论

选取一台600 MW超临界机组作为研究对象，建立一维模型对煤粉燃烧率和NOx进行求解。主要结论如下：

（1）随着WCR的增加，各段燃尽率先升高后降低。随着负荷降低，各段煤粉颗粒的停留时间增加，燃尽率也相应提高。以无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤在30% BMCR负荷下燃烧为例，最优……

NOx生成模型中使用的经验参数

| 经验参数 | 物理意义 | 选取依据 |
|---------|---------|---------|
| 69,000 K | 热力型NOx反应活化温度参数，用于描述温度对热力型NOx生成速率的影响。 | 参考文献[34]确定。 |
| 6 × 10^16 | 热力型NOx反应速率方程中的指前因子，用于确定热力型NOx生成速率的大小。 | 参考文献[34]确定。 |
| 0.925 | 炉内平均烟气温度的修正系数。 | |

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的与本文报告工作相冲突的财务利益关系或人际关系。

致谢

本文受国家自然科学基金（编号：52276174）资助。

作者：Bin Xiao、Zehui Wang、Yitong Liu、Yanhong Wang、WenPeng Hong、Yuen Liu、Qi Li