0、引言
    隨著鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，生產(chǎn)中的副產(chǎn)煤氣（高爐煤氣、焦爐煤氣及轉爐煤氣等）大量增加，這些煤氣約占鋼鐵企業(yè)總能耗量的30%～40%。其中焦爐和轉爐煤氣熱值較高可在生產(chǎn)或生活中利用，因此高爐煤氣的回收和利用是鋼鐵企業(yè)節(jié)能降耗的重要環(huán)節(jié)。其中高爐煤氣在鋼鐵企業(yè)中產(chǎn)量巨大，每煉1t生鐵約可以得到高爐煤氣3500m3。高爐煤氣中可燃成分主要是CO，但是所占比例很小只有20%左右，不可燃成分體積分數(shù)高達80%左右。所以高爐煤氣熱值非常低，利用率很低而且燃燒不穩(wěn)定。因此，如何有效地利用高爐煤氣是目前面臨的節(jié)能問題。
    高爐煤氣和煤粉在爐內(nèi)摻燒是一種有效利用途徑。然而由于高爐煤氣的低熱值，混燃鍋爐的燃燒存在燃燒穩(wěn)定性差、煤粉燃盡困難等問題。目前，國內(nèi)外學者針對煤粉爐內(nèi)燃燒進行了模擬。對煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐模擬的研究較少，尤其針對煤粉／高爐煤氣混燃爐膛內(nèi)NO，的分布特性更為罕見。本文利用Fluent軟件對煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進行模擬，以便對爐膛內(nèi)NO，分布進行分析探討，進而期望對今后研究煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐NOx優(yōu)化排放提供參考。富通新能源生產(chǎn)銷售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
1、研究對象
    選取某鋼廠300 MW機組煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐為模擬對象。該鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、自然循環(huán)汽包爐，采用四角切圓燃燒方式，設計燃料為煙煤，設計燃燼風配比為10%，摻燒高爐煤氣比例為20%。燃用煤的實驗分析見表1，高爐煤氣成分分析見表2。
    鍋爐為單爐膛，燃燒器為四角布置的擺動式燃燒器，切向燃燒，上下擺動的最大角度為±300。燃燒器出口射流中心線和水冷壁中心線的夾角分別為380和440，在爐膛中心形成逆時針旋向的兩個直徑不同的假想切圓。為了削弱爐膛出口煙氣的旋轉強度，減小四角燃燒引起爐膛出口煙溫偏差，燃燼風室被設計成反切，使其噴嘴出口中心線同主噴嘴中心線成120的夾角。鍋爐的寬、深為14048mm×12468mm，高為58 900mm。鍋爐共布置7層燃燒器噴口，其中上5層為煤粉噴口，下2層為高爐煤氣噴口。鍋爐爐膛構架和燃燒器布置見圖l。
2、計算方法
    模擬軟件采用Fluent，爐膛網(wǎng)格采用分段劃分，從冷灰斗至爐膛出口劃分為7部分。爐膛截面網(wǎng)格采用Paving方法生成非結構四邊形網(wǎng)格，燃燒器體網(wǎng)格用Cooper方法沿著爐膛高度方向鋪展生成六面體網(wǎng)格。Paving方法生成的輻射狀網(wǎng)格線與四角射流的氣流軌跡基本平行，減小了網(wǎng)格線與流線的夾角，降低數(shù)值偽擴散。由于燃燒器區(qū)域的溫度梯度較高，因此為保證數(shù)值計算的精確性，對該區(qū)域劃分的網(wǎng)格較密。整個爐膛網(wǎng)格總數(shù)約為120萬。
    數(shù)值計算中湍流流動采用雙方程模型，輻射傳熱采用P-I模型，離散相顆粒軌跡采用隨機跟蹤模型，焦炭燃燒采用動力一擴散限制模型，揮發(fā)份熱解采用兩步競相反應模型，氣相湍流燃燒采用混合分數(shù)／概率密度函數(shù)方法。
    熱力型NO，根據(jù)廣義的Zeldovich機理計算，燃料型NO，根據(jù)DeSoete機理分為揮發(fā)份NO，和焦炭NO，兩部分來計算，其中揮發(fā)分N占總燃料N的比例為45%~60%。在計算中揮發(fā)份N轉化為中間產(chǎn)物HCN，焦炭N直接轉化為NOx。
3、模擬結果及分析
    為能整體描述爐膛內(nèi)部CO和NO，的分布情況，本文CO濃度及NO，濃度所選用的為某一爐膛高度的截面平均濃度。
3-1燃燼風配比的影響
    燃燼風是減小NOx排放的重要參數(shù)。選取高爐煤氣摻燒比例為20%，過量空氣系數(shù)為1.2，BMCR的運行工況下，分別模擬了燃燼風配比（占總風量的比例）為0%、5%、10%及15%4種工況。CO及NOx隨爐膛高度的分布規(guī)律，模擬結果見圖2。
    如圖2 (a)所示，4種工況下的CO濃度的變化趨勢相近。例如，4種情況最高峰都出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域，且隨著燃燼風比例的增加CO濃度峰值有所升高。由于燃燒器區(qū)域溫度很高，不添加燃燼風時，爐膛氧氣量能夠充足地保證燃料充分燃燒，因此造成CO濃度較小。而隨著燃燼風的添加，減小了燃燒器區(qū)域的氧氣量，甚至造成燃燒器區(qū)域的缺氧狀態(tài)，導致了燃燒緩慢，有助于CO生成，不利于已存在CO迅速氧化。此外，燃燒器上部，隨著爐膛高度升高，CO的截面濃度呈現(xiàn)出減小趨勢，最后到達爐膛出口時已經(jīng)很小了。
    從圖2 (b)可以看出，隨著燃燼風比例的增加，NO，的排放量呈下降趨勢。由于是在BMCR工況保持總風量不變的條件下進行的，可能是因為一部分二次風分出來改為燃燼風加在燃燒器上面，減小爐膛下層氧氣量，形成富燃料的還原氣氛，降低了燃燒區(qū)域的溫度，減小了熱力型NOx的生成。此外，鍋爐上層氧氣含量也將有所增加，進而降低了上層溫度，從而對NOx的形成也產(chǎn)生了一定的抑制作用。根據(jù)多次模擬經(jīng)驗得出，分出來的燃燼風部分不宜太大。燃燼風過大，可能會將上層的氮進一步氧化成NOx，反而增大NOx的排放，因此對于不同的燃燒爐需要選擇一個合適的燃燼風比例，本爐子在燃燼風為15%的情況下運行NO，的排放最優(yōu)。
3.2  高爐煤氣配比的影響
    煤價的上漲和鋼廠副產(chǎn)品高爐煤氣的難以二次利用使得多數(shù)電廠開始嘗試煤粉摻混高爐煤氣進行混燃，在BMCR工況，過量空氣系數(shù)為1.2，燃燼風比例為15%的條件下，分別模擬了高爐煤氣摻燒比為0%，10%，20%，30%4種工況。CO及NO，隨爐膛高度的分布規(guī)律，模擬結果見圖30
    從圖3 (a)可以看出，純?nèi)济汗�況的CO濃度最大，約為6%。隨著高爐煤氣摻燒量的增加，CO濃度峰值逐漸下降。比如，摻燒30%高爐煤氣工況降至4%左右。由于高爐煤氣的成分含有20%的CO，這可能是燃燒初期摻燒30%高爐煤氣工況比其他工況的CO濃度高的主要原因。隨著高爐煤氣摻燒比增加，CO濃度的峰值逐漸降低且向右偏移�？赡苁且驗楦郀t煤氣與空氣易充分混合且相比于煤粉更易燃燒和燃盡。因此，隨著高爐煤氣摻混量的增加，爐膛內(nèi)燃料更易完全燃燒；而煤粉與空氣混合的充分性較差，致使燃燒不充分，從而CO的峰值較高。此外，高爐煤氣熱值低燃燒緩慢著火推遲導致峰值向右偏移，摻燒比例越大延遲越多。燃料在爐膛出口處均能基本燃盡。
    如圖3 (b)所示，隨著高爐煤氣摻燒比的增加，爐膛內(nèi)整體NO；濃度分布明顯降低。例如，當摻燒高爐煤氣量達到30%時，NO，排放量達到225×10，相對純煤粉的降低了一半。結合表2，高爐煤氣中的氮元素主要以Nz的形式存在，而Nz轉化為NO；的過程又相對困難，其可能是造成摻混高爐煤氣NO，濃度分布下降的主要原因。此外，由于高爐煤氣熱值較低，從而燃燒純煤時的爐膛溫度相比于摻混高爐煤氣后要高很多，致使熱力型NO，成倍增加。
3.3過量空氣系數(shù)的影響
    過量空氣系數(shù)是制約爐膛內(nèi)燃燼程度的主要因素。在高爐煤氣摻燒比例為20%、燃燼風比例為15%、運行工況為BMCR的情況下，分別對過量空氣系數(shù)l，1.1，1. 15及1.2共4種工況進行了模擬，其結果見圖4。
    如圖4 (a)4條CO濃度分布曲線所示，隨著過量空氣系數(shù)的增加，爐膛整體的CO濃度分布呈下降趨勢。這是因為，過量空氣的增加使爐膛內(nèi)的氧量更為充足，從而有助于燃料的充分燃燒，最終表現(xiàn)為爐膛內(nèi)部整體CO濃度的下降。此外，過量空氣系數(shù)是l時爐膛出口CO濃度偏大，說明未能充分燃燒，而其余工況均較小。進而也說明了選擇適當過量空氣系數(shù)的必要性。從圖4 (b)可以看出，隨著過量空氣系數(shù)的增加，爐膛出口NO，濃度排放量逐漸增加。例如，NO，濃度整體分布在過量空氣系數(shù)為1.2時最大，過量空氣系數(shù)為1時最小。由于過量空氣系數(shù)的增加有利于燃料燃燒更充分，進而推測，在選取的過量空氣范圍內(nèi)，過量空氣系數(shù)越大，燃料燃燒越充分，使得爐膛內(nèi)部的溫度更高，從而促進了熱力型NOx的生成。此外，過量空氣系數(shù)的增加，有利于NHi等氣體氧化成NOx，也可能是造成NO．增加的重要因素。由于燃料中的N生成NOx的轉化率隨空氣過量系數(shù)的增加呈上升趨勢，因此從降低污染的角度來講，在考慮最佳運行條件的同時，也應考慮過量空氣系數(shù)的選擇。
3.4運行工況的影響
    電力需求的波動性決定了運行負荷的可調(diào)節(jié)性。因此對高爐煤氣比例為20%、燃燼風為15%、過量空氣系數(shù)為1.2時，選取不同運行工況(100% BMCR鍋爐最大蒸發(fā)量、85% BMCR、70% BMCR)進行模擬，其結果見圖5。
    從圖5 (a)可以看出，負荷變化對CO濃度影響不明顯，CO濃度峰值隨運行負荷減小略有上升且均為燃燼風出口附近。推測其原因可能為風量隨著運行負荷增大而增加，從而對CO有一定的稀釋作用，表現(xiàn)為CO濃度下降。如圖5(b)所示。隨著負荷的降低，NOx濃度呈下降趨勢�？赡苁且驗�，隨著負荷降低，燃料量有所減少，燃料NOx排放減少，同時爐內(nèi)溫度有所降低，熱力NOx降低，所以總的氮氧化物減少，表現(xiàn)為NOx濃度分布下降。文獻也得到類似結論。富通新能源生產(chǎn)銷售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
5、結論
    通過對某鋼廠300 MW四角切圓煤粉／高爐煤氣混燃鍋爐進行數(shù)值模擬，探討了燃燼風配比、高爐煤氣配比、過量空氣系數(shù)及運行負荷等因素對爐膛CO分布及NOx分布的影響規(guī)律。結果表明：燃燼風比例增加，燃燒器附近的CO濃度峰值增加且爐膛內(nèi)部的NOx濃度整體降低；高爐煤氣摻混比增加，爐膛內(nèi)部的CO濃度的峰值下降，同時NOx濃度呈整體下降趨勢；隨著過量空氣系數(shù)增加，燃燒器上部的CO濃度均有所下降，而NOx濃度逐漸上升；運行工況對爐膛內(nèi)部CO濃度的分布影響不大，隨著負荷的降低，峰值略有升高，然而NOx濃度分布在燃燒器上部受負荷影響較顯著，隨著負荷的下降，NOx濃度逐漸下降。