徐志斌，田莉勤，張 健

（1.上海鉑納森環(huán)境科技有限公司，上海 200090；2.上海理工大學(xué) 環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093）

隨著國家對環(huán)保的重視和對環(huán)境治理力度的逐漸加大，各地紛紛收嚴(yán)標(biāo)準(zhǔn)將天然氣鍋爐NOx的排放值降低至50 mg/m3、30 mg/m3等，并施行環(huán)保補(bǔ)貼，鼓勵用戶進(jìn)行低氮改造[1-3]。采用低氮燃燒的方式，將中心回燃天然氣鍋爐的NOx排放降低至30 mg/m3具有重要的環(huán)保意義。一方面，采用低氮燃燒的方式可以減少NOx的排放，避免了采用昂貴的SCR進(jìn)行尾部脫氮，且采用SCR技術(shù)時還存在進(jìn)入SCR反應(yīng)器煙氣溫度過低的問題；另一方面，中心回燃鍋爐還可以繼續(xù)使用，不會因NOx排放不達(dá)標(biāo)而被禁用，而需要新建鍋爐以滿足實(shí)際供熱的需求。

中心回燃鍋爐是燃料在爐前燃燒，煙氣經(jīng)爐前到爐后，再從爐膽外緣流向爐前，進(jìn)入爐前中的煙箱、再從爐前煙管中流出的特殊鍋爐[4]。中心回燃鍋爐最大的特點(diǎn)是煙氣流程比較特殊，比較難做低氮，且中心回燃式鍋爐對低氮燃燒器的要求也比較高。為中心回燃鍋爐配置符合其爐型特點(diǎn)的低氮燃燒器，對鍋爐的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

仿真可以分析并顯示流場中的現(xiàn)象，從而在較短的時間內(nèi)預(yù)測流場，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中[5-7]。本文對2.5 t/h中心回燃天然氣鍋爐進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，模擬出其速度場、溫度場及NOx生成量，以驗(yàn)證所配置的低氮燃燒器性能是否適合中心回燃鍋爐。

1 2.5 t/h中心回燃鍋爐關(guān)鍵參數(shù)介紹

某酒店2.5 t/h中心回燃天然氣鍋爐型號為WNS2.5-1.0-Y（Q），采用更換低氮燃燒器+煙氣再循環(huán)的低氮燃燒改造方式，將NOx降低至30 mg/m3以下。

該鍋爐的爐膛直徑為850 mm，爐膛長度為2 750 mm，前煙箱室寬度為50 mm，煙管個數(shù)90個，其中兩個煙管管徑45 mm，壁厚3.5 mm，其余煙管管徑45 mm，壁厚3 mm，如圖1所示。

圖1 中心回燃鍋爐結(jié)構(gòu)示意圖

中心回燃鍋爐的煙氣流程不同于普通爐型，中心回燃鍋爐煙氣流程如圖2所示。燃料自燃燒器向前噴入爐膽，在爐膽（爐膛）內(nèi)正壓燃燒；由于高速火焰引起煙氣在爐膽中回流（卷吸）作用，高溫?zé)煔庠趶臓t膽尾部返回到前煙箱，再進(jìn)入煙管進(jìn)行充分換熱，最后經(jīng)煙囪排入大氣[8]。進(jìn)入鍋爐前煙箱的煙氣溫度基本在900～1 100℃[9-10]。

圖2 中心回燃鍋爐煙氣流程示意圖

特殊的煙氣流程，對低氮燃燒器提出了更高的要求。除要求燃燒實(shí)現(xiàn)30 mg/m3的要求外，還要滿足煙氣流程的需求，即高溫?zé)煔馔笞?，?jīng)爐膛換熱煙氣降溫后，再從爐膽周圍從后往前進(jìn)入前煙箱，確保低氮燃燒改造對鍋爐的安全性能沒有影響。

2 中心回燃鍋爐及燃燒器仿真建模

根據(jù)鍋爐及燃燒器尺寸1:1建模，進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，驗(yàn)證所配置的低氮燃燒器的煙氣流程及進(jìn)入鍋爐前煙箱的煙氣溫度和NOx生成量。三維模型如圖3所示，燃燒器布置在鍋爐前墻，單機(jī)輸出功率1.94 MW，前煙箱位于鍋爐前端，前煙箱后端上有多個煙管出口（分左右兩組，即out1和out2）。

圖3 三維模型示意圖

燃燒器結(jié)構(gòu)如圖4所示。燃?xì)夥譃閮?nèi)圈燃?xì)夂屯馊θ細(xì)?，助燃空氣分為?nèi)圈空氣和外圈空氣。內(nèi)圈燃?xì)獠贾?根內(nèi)燃?xì)鈽?，其中?根燃?xì)鈽尩葟酵S布置。外圈布置24支燃?xì)鈽?，其?支燃?xì)鈽尩墓軓较鄬Υ笠恍?，和其他的小管徑燃?xì)鈽岄g隔布置。

圖4 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

模型應(yīng)用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，總網(wǎng)格數(shù)達(dá)210萬，爐膽采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，燃燒器及與爐膽交接處采用致密的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。網(wǎng)格模型如圖5所示，通過檢測非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格扭曲率低，可以看出該網(wǎng)格為高質(zhì)量網(wǎng)格。

圖5 網(wǎng)格模型示意圖

仿真的邊界條件：燃料為天然氣，鍋爐負(fù)荷100%，煙循用量為18%，燃?xì)饬?75 m3/h，空氣量1 750 m3/h。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 燃燒速度場

中心回燃的鍋爐配合低氮燃燒器，燃燒后的速度場如圖6～圖8所示，燃料燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，從爐前走到爐后，再從爐膽的外緣從后往前走進(jìn)入前煙箱，進(jìn)而進(jìn)入煙管。仿真速度場的結(jié)果說明，為中心回燃鍋爐定制化設(shè)計的燃燒器，滿足中心回燃鍋爐對煙氣回程的要求，并不會存在部分高溫?zé)煔馕唇?jīng)過換熱直接進(jìn)入前煙箱中。

圖6 爐膛截面速度圖

圖7 圖6中1處的爐膛尾部煙氣折返局部放大圖

圖8圖6中2處的爐膛前端煙箱處煙氣局部放大圖

3.2 燃燒溫度場

圖9 為燃燒器中心對應(yīng)爐膛截面的溫度云圖，由溫度云圖可以看出，局部高溫區(qū)較少，高溫區(qū)主要集中在燃燒器喉口處，爐膛內(nèi)整體的溫度較為平均。高溫?zé)煔饨?jīng)爐膛換熱后進(jìn)入前煙箱，在該截面處，進(jìn)入前煙箱的煙氣溫度基本在1 100～1 280 K（827～1 007℃）溫度區(qū)間范圍內(nèi)。進(jìn)入前煙箱處的平均煙氣溫度為1 204 K。

圖9 燃燒器中心對應(yīng)爐膛截面的溫度云圖

煙管出口處煙氣溫度如圖10所示，即煙箱處的煙氣溫度為931℃。

圖10 煙管出口處煙氣溫度示數(shù)圖

由仿真輸出的溫度場可以看出，為本次中心回燃鍋爐配置的燃燒器，滿足了中心回燃鍋爐特殊煙氣流程的要求，燃燒后的高溫?zé)煔獯_實(shí)是經(jīng)過爐中水的吸熱降溫后，才進(jìn)入前煙箱的，進(jìn)入前煙箱的煙氣平均溫度為1 204 K，即931℃，煙氣溫度正常。

3.3 煙氣出口處NOx

在設(shè)定的模擬工況下，經(jīng)仿真結(jié)果輸出和換算，爐膛出口NOx的濃度為22.68 mg/m3。

4 總結(jié)

為2.5 t/h中心回燃鍋爐所配置的低氮燃燒器，并配合煙氣再循環(huán)技術(shù)，經(jīng)仿真數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

（1）所配的低氮燃燒器符合中心回燃鍋爐對煙氣流程的特殊需求，爐膛內(nèi)速度場高溫?zé)煔鈴臓t前走到爐后，再從爐膽的外緣從后往前進(jìn)入前煙箱中，并不會存在部分高溫?zé)煔馕唇?jīng)過換熱直接進(jìn)入前煙箱。

（2）所配的低氮燃燒器燃燒后，進(jìn)入前煙箱中的煙氣平均溫度為931℃，進(jìn)入前煙箱中的煙氣溫度正常，不偏高。

（3）爐膛出口NOx的溫度為22.68 mg/m3，小于30 mg/m3。

綜上所述，所配的低氮燃燒器符合中心回燃鍋爐對安全性和低氮的要求，低氮燃燒器長期運(yùn)行不會給鍋爐的安全運(yùn)行造成影響。