CN106021916B

CN106021916B - 一种适用于超超临界锅炉NOx排放量分析的计算方法

Info

Publication number: CN106021916B
Application number: CN201610329196.8A
Authority: CN
Inventors: 江青茵; 罗荡荡; 曹志凯; 周华; 师佳
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2016-05-18
Filing date: 2016-05-18
Publication date: 2018-08-21
Anticipated expiration: 2036-05-18
Also published as: CN106021916A

Abstract

一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法，涉及超超临界锅炉运行控制方法。1)根据炉膛结构与计算精度将炉膛自下而上分成若干个小室；2)输入进料参数；3)计算每个小室内各物质的反应速率；4)计算各小室内火焰和烟气对水冷壁的辐射传热量和相邻小室的辐射传热量；5)建立各小室的质量、能量平衡方程；6)对守恒方程进行求解，输出本操作条件下各小室的NO_x生成量的数据；7)改变进料参数，重复步骤2)～6)即可得到其它操作条件下各小室的NO_x生成量的数据。可对超超临界锅炉NO_x排放量分析计算，能直观反映进料参数对炉内NO_x排放量的影响，计算结果可用于指导超超临界锅炉在实际工业运行中NO_x排放的优化控制。

Description

一种适用于超超临界锅炉NOx排放量分析的计算方法

技术领域

本发明涉及超超临界锅炉运行控制方法，尤其是涉及一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法。

背景技术

随着我国工业化程度的不断提高，用电需求量快速增长，从2010年到2013年，我国电力生产量大约以每年10％的速度增长。其中，火力发电占总发电量的80％左右，而火力发电主要以燃煤发电为主，随着发电量的增加，发电耗煤量也逐年增加，同时导致大气污染问题也日益严峻。如何降低单位发电煤耗、减少环境污染是燃煤发电行业关注的热点问题。相比亚临界锅炉而言，超超临界锅炉具有发电效率高、煤耗低、污染物排放量少以及运行可靠性好等优点，超超临界锅炉在燃煤发电中的应用越来越广泛。

超超临界锅炉的燃烧系统一般采用多级进料的燃烧方式。原煤经过初步破碎和除铁、除木屑后经给煤机输送到磨煤机，磨制成合格的煤粉，由预热空气通过排粉风机将磨好的煤粉经各层燃烧器喷入炉膛内进行燃烧，燃料的化学能便转化为燃烧产物的热能。高温烟气经炉膛进入水平烟道和尾部烟道，烟气在流动过程中，以不同的换热方式将热量传递给布置在锅炉内的各种受热面。在炉膛内主要以辐射传热的方式将热量传递给布置在炉膛四周的水冷壁，在炉膛上部则以半辐射、半对流方式传递给屏式过热器，而在水平烟气和尾部烟道中主要以对流方式传热。来自给水泵的水，依次通过省煤器、水冷壁、屏式过热器和高温过热器，经多级加热到指定参数后送入汽轮机做功。

超超临界锅炉在我国起步较晚，在燃烧过程优化和NO_x排放量控制方面还存在较大的优化空间，由于超超临界锅炉运行过程中炉内温度较高，导致炉膛温度、氧气浓度、NO_x浓度等参数无法通过直接测量得到，而通过现场试验分析进料参数对NO_x排放量的影响耗费巨大。Rong He(Rong He et al.Analysis of low NO emission in high temperatureair combustion for pulverized coal.Fuel,2004,83,1133-1141.)曾发表了关于进风温度对NO_x排放量影响的文章，但该计算方法中的炉膛温度来自于实验测量而不是通过计算得到的。

发明内容

本发明的目的在于，提供可用于分析进料参数对超超临界锅炉NO_x排放量的影响，为超超临界锅炉实际运行中NO_x排放的优化控制提供指导的一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法。

本发明包括以下步骤：

1)根据炉膛结构与计算精度将炉膛自下而上分成若干个小室；

在步骤1)中，所述小室可作为全混流反应器。

2)输入进料参数；

在步骤2)中，所述进料参数包括给煤量、进风量、进风温度、给煤温度和煤质数据等。

3)计算每个小室内各物质的反应速率，其中焦炭燃烧速率和气体组分的反应速率可由以下方程计算：

R_g,n,i＝n_g,iΣ_rv_n,rR_r,i

式中，R_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的燃烧速率，m_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量，M_C代表碳的摩尔质量，k_C,i代表第i小室内焦炭燃烧的速率常数，代表第i小室内的氧气浓度，d_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭颗粒传递到第i 小室时的颗粒直径，ρ_C代表焦炭颗粒的密度，R_C,i代表第i小室内焦炭总的燃烧速率，R_g,n,i代表第i小室内组分n的反应速率，其中n包括O₂、N₂、HCN、NO、CH₄、C₂H₄、CO₂、H₂O八种物质，n_g,i表示第i小室内烟气的物质的量，v_n,r代表组分n在化学反应r中的化学计算数，R_r,i代表第i小室内化学反应r的反应速率。

4)计算各小室内火焰和烟气对水冷壁的辐射传热量和相邻小室的辐射传热量；

式中，Q_rw,i代表第i小室内火焰和烟气对水冷壁的辐射传热量，σ₀代表绝对黑体的辐射系数， a_l代表炉膛黑度，ψ_i代表第i小室内水冷壁的热有效系数，F_w,i代表第i小室内水冷壁的面积，T_b,i代表第i小室内的烟气温度，Q_rd,i代表第i小室对相邻小室的辐射传热量，a_h代表烟气黑度，F_i代表第i小室与第i+1小室的交界面面积，F_i-1代表第i小室与第i-1小室的交界面面积；

5)建立各小室的质量、能量平衡方程；

固相质量平衡方程为：

残炭质量平衡方程为：

气相质量平衡方程为：

能量平衡方程为：

式中，t代表时间，V_i代表第i小室的体积，C_m,i代表第i小室内固相质量的浓度，F_C,i代表第i小室的给煤量，C_m,i-1代表第i-1小室内固相质量的浓度，F_V,i-1代表第i-1小室出口的烟气流量，代表煤中水分含量，γ_CH代表煤中挥发分含量，F_V,i代表第i小室出口的烟气流量，C_mc,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，R_C,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的燃烧速率，C_mc,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，C_mc,j,i-1代表第j小室进煤中的焦炭在第i-1小室内的残炭质量浓度，x_g,n,i代表气体组分n在第i小室内的摩尔分数，F_g,n,i代表第i小室进料中气体组分n的量，x_g,n,i-1代表气体组分n在第i-1小室内的摩尔分数，F_out,i-1代表第i-1小室出口烟气的物质的量，F_out,i代表第 i小室出口烟气的物质的量，m_p,i代表第i小室内的固相质量，C_pd,i代表第i小室内固相的比热容，C_pg,i代表第i小室内烟气的比热容，F_g,i代表第i小室的进风量，C_pa代表进风的比热容，T_ba代表进风温度，C_pc代表给煤的比热容，T_bc代表给煤的温度，C_pg,i-1代表第i-1小室内烟气的比热容，T_b,i-1代表第i-1小室内的烟气温度，F_u,i-1代表第i-1小室流入第i小室的固相质量，C_pd,i-1代表第i-1小室内固相的比热容，H_C代表焦炭的热值，R_g,k,i代表可燃气体组分k在第i小室内的燃烧速率，其中k包括CH₄、C₂H₄、CO、H₂四种物质，M_k代表组分k的摩尔质量，H_k代表组分k的热值，Q_r,i代表第i内的辐射换热量，F_u,i代表第i小室流入第i+1 小室的固相质量；

6)对守恒方程进行求解，输出本操作条件下各小室的NO_x生成量的数据；

7)改变进料参数，重复步骤2)～6)即可得到其它操作条件下各小室的NO_x生成量的数据。

本发明通过数学建模的方法得到了一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法，可以用于分析进料参数对超超临界锅炉NO_x排放量的影响，从而为超超临界锅炉实际运行中 NO_x排放的优化控制提供指导。本发明根据炉内的化学反应和传热特性，采用小室法建立了适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的数学模型，通过给定进料的参数即可计算出炉膛温度以及炉内NO_x生成量的数据，可用于指导超超临界锅炉NO_x排放的优化控制。

本发明的有益效果为：本发明可以对超超临界锅炉NO_x排放量进行分析计算，能够直观反映进料参数对炉内NO_x排放量的影响，计算结果可用于指导超超临界锅炉在实际工业运行中 NO_x排放的优化控制。

附图说明

图1为超超临界锅炉炉膛小室划分示意图。

图2煤粉粒径对超超临界锅炉NO_x排放量的影响(图中d_C为煤粉粒径)。

具体实施方式

本发明可以为超超临界锅炉NO_x排放量的分析提供一种新的计算方法，并为工业生产中 NO_x排放量的优化控制提供指导，从而达到降低超超临界锅炉NO_x排放量的目的。

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明：

本发明将超超临界锅炉的炉膛划分为如图1所示的若干个小室，且每个小室视为一个全混流反应器，小室的个数需要根据炉膛结构和计算精度进行设定。超超临界锅炉一般采用多级进料方式，燃料由炉膛下部的若干个小室送入炉膛，煤粉送入炉膛后在烟气的作用下自下向上传递，直至燃尽。

下面结合某电厂的一台超超临界锅炉的实施例来说明本发明的具体实施方式。

以国内某电厂的一台1000MW超超临界锅炉为例，其额定负荷下主蒸汽流量3102t/h，炉顶标高93950mm，炉膛高度48833mm(从冷灰斗到折焰角的高度)，炉膛宽34290mm，深15545mm。 48只直流燃烧器分6层布置在炉膛四周，燃烧器上部布置有紧凑燃尽风和分离燃尽风。

本实施例中将炉膛分为12个小室，实施例分析了进料煤粉粒径对NO_x排放量的影响，三种煤粉的平均粒径分别为55、65、75μm，煤质分析数据和各小室的给煤量与进风量分别如表1、表2所示。

表1煤质分析

表2各小室的给煤量与进风量

本发明具体步骤如下：

步骤一：根据炉膛结构与计算精度将炉膛自下而上分成12个小室。

步骤二：输入进料参数，包括给煤量、进风量、进风温度、给煤温度以及煤质数据。

步骤三：计算每个小室内各物质的反应速率，其中焦炭燃烧速率和气体组分的反应速率可由以下方程计算：

R_g,n,i＝n_g,i∑_rv_n,rR_r,i

步骤四：计算各小室内火焰和烟气对水冷壁和相邻小室的辐射传热量：

式中，Q_rw,i代表第i小室内火焰和烟气对水冷壁的辐射传热量，σ₀代表绝对黑体的辐射系数， a_l代表炉膛黑度，ψ_i代表第i小室内水冷壁的热有效系数，F_w,i代表第i小室内水冷壁的面积，T_b,i代表第i小室内的烟气温度，Q_rd,i代表第i小室对相邻小室的辐射传热量，a_h代表烟气黑度，F_i代表第i小室与第i+1小室的交界面面积，F_i-1代表第i小室与第i-1小室的交界面面积。

步骤五：建立各小室的质量、能量平衡方程。

固相质量平衡方程为：

残炭质量平衡方程为：

气相质量平衡方程为：

能量平衡方程为：

式中，t代表时间，V_i代表第i小室的体积，C_m,i代表第i小室内固相质量的浓度，F_C,i代表第i小室的给煤量，C_m,i-1代表第i-1小室内固相质量的浓度，F_V,i-1代表第i-1小室出口的烟气流量，代表煤中水分含量，γ_CH代表煤中挥发分含量，F_V,i代表第i小室出口的烟气流量，C_mc,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，R_C,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的燃烧速率，C_mc,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，C_mc,j,i-1代表第j小室进煤中的焦炭在第i-1小室内的残炭质量浓度，x_g,n,i代表气体组分n在第i小室内的摩尔分数，F_g,n,i代表第i小室进料中气体组分n的量，x_g,n,i-1代表气体组分n在第i-1小室内的摩尔分数，F_out,i-1代表第i-1小室出口烟气的物质的量，F_out,i代表第 i小室出口烟气的物质的量，m_p,i代表第i小室内的固相质量，C_pd,i代表第i小室内固相的比热容，C_pg,i代表第i小室内烟气的比热容，F_g,i代表第i小室的进风量，C_pa代表进风的比热容，T_ba代表进风温度，C_pc代表给煤的比热容，T_bc代表给煤的温度，C_pg,i-1代表第i-1小室内烟气的比热容，T_b,i-1代表第i-1小室内的烟气温度，F_u,i-1代表第i-1小室流入第i小室的固相质量，C_pd,i-1代表第i-1小室内固相的比热容，H_C代表焦炭的热值，R_g,k,i代表可燃气体组分k在第i小室内的燃烧速率，其中k包括CH₄、C₂H₄、CO、H₂四种物质，M_k代表组分k的摩尔质量，H_k代表组分k的热值，Q_r,i代表第i内的辐射换热量，F_u,i代表第i小室流入第i+1 小室的固相质量。

步骤六：对守恒方程进行求解，输出本操作条件下各小室的NO_x生成量的数据。

步骤七：改变进料煤粉的粒径，重复步骤二至步骤六即可得到其它操作条件下各小室的 NO_x生成量的数据。

上述方法中的微分方程组采工程数学软件MATLAB进行求解。

图2为三种不同粒径的煤粉在炉内燃烧时NO_x的累积净生成速率，从图中可以看出，煤粉粒径越小NO_x排放量越低，这是由于焦炭颗粒的燃烧速率与煤粉粒径有关，焦炭颗粒越小燃烧速率越快，使得炉内温度较高的主燃烧器区氧气浓度降低，氧气浓度越低NO_x生成量也越少。

本发明基于超超临界锅炉内煤粉的燃烧机理以及NO_x的生成机理，采用小室法建立了适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的数学模型。根据超超临界锅炉的进料参数，通过求解数学模型可以得到超超临界锅炉NO_x排放量的数据。本发明可以用于分析进料参数变化对超超临界锅炉NO_x排放量的影响，克服实物试验代价昂贵的缺点，为超超临界锅炉运行过程中NO_x排放量的控制提供指导。

Claims

1.一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法，其特征在于包括以下步骤：

2)输入进料参数；

R_g,n,i＝n_g,i∑_rv_n,rR_r,i

式中，R_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的燃烧速率，m_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量，M_C代表碳的摩尔质量，k_C,i代表第i小室内焦炭燃烧的速率常数，C_O2,i代表第i小室内的氧气浓度，d_C,j,i代表第j小室进煤中的焦炭颗粒传递到第i小室时的颗粒直径，ρ_C代表焦炭颗粒的密度，R_C,i代表第i小室内焦炭总的燃烧速率，R_g,n,i代表第i小室内组分n的反应速率，其中n包括O₂、N₂、HCN、NO、CH₄、C₂H₄、CO₂、H₂O八种物质，n_g,i表示第i小室内烟气的物质的量，v_n,r代表组分n在化学反应r中的化学计算数，R_r,i代表第i小室内化学反应r的反应速率；

式中，Q_rw,i代表第i小室内火焰和烟气对水冷壁的辐射传热量，σ₀代表绝对黑体的辐射系数，a_l代表炉膛黑度，ψ_i代表第i小室内水冷壁的热有效系数，F_w,i代表第i小室内水冷壁的面积，T_b,i代表第i小室内的烟气温度，Q_rd,i代表第i小室对相邻小室的辐射传热量，a_h代表烟气黑度，F_i代表第i小室与第i+1小室的交界面面积，F_i-1代表第i小室与第i-1小室的交界面面积；

5)建立各小室的质量、能量平衡方程；

固相质量平衡方程为：

残炭质量平衡方程为：

气相质量平衡方程为：

能量平衡方程为：

式中，t代表时间，V_i代表第i小室的体积，C_m,i代表第i小室内固相质量的浓度，F_C,i代表第i小室的给煤量，C_m,i-1代表第i-1小室内固相质量的浓度，F_V,i-1代表第i-1小室出口的烟气流量，代表煤中水分含量，γ_CH代表煤中挥发分含量，F_V,i代表第i小室出口的烟气流量，C_mc,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，R_C,i,i代表第i小室进煤中的焦炭在第i小室内的燃烧速率，C_mc,j,i代表第j小室进煤中的焦炭在第i小室内的残炭质量浓度，C_mc,j,i-1代表第j小室进煤中的焦炭在第i-1小室内的残炭质量浓度，x_g,n,i代表气体组分n在第i小室内的摩尔分数，F_g,n,i代表第i小室进料中气体组分n的量，x_g,n,i-1代表气体组分n在第i-1小室内的摩尔分数，F_out,i-1代表第i-1小室出口烟气的物质的量，F_out,i代表第i小室出口烟气的物质的量，m_p,i代表第i小室内的固相质量，C_pd,i代表第i小室内固相的比热容，C_pg,i代表第i小室内烟气的比热容，F_g,i代表第i小室的进风量，C_pa代表进风的比热容，T_ba代表进风温度，C_pc代表给煤的比热容，T_bc代表给煤的温度，C_pg,i-1代表第i-1小室内烟气的比热容，T_b,i-1代表第i-1小室内的烟气温度，F_u,i-1代表第i-1小室流入第i小室的固相质量，C_pd,i-1代表第i-1小室内固相的比热容，H_C代表焦炭的热值，R_g,k,i代表可燃气体组分k在第i小室内的燃烧速率，其中k包括CH₄、C₂H₄、CO、H₂四种物质，M_k代表组分k的摩尔质量，H_k代表组分k的热值，Q_r,i代表第i内的辐射换热量，F_u,i代表第i小室流入第i+1小室的固相质量；

6)对守恒方程进行求解，输出步骤2)进料参数条件下各小室的NO_x生成量的数据；

7)改变步骤2)中的进料参数，重复步骤3)～6)即可得到改变步骤2)中进料参数后各小室的NO_x生成量的数据。

2.如权利要求1所述一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法，其特征在于在步骤1)中，所述小室作为全混流反应器。

3.如权利要求1所述一种适用于超超临界锅炉NO_x排放量分析的计算方法，其特征在于在步骤2)中，所述进料参数包括给煤量、进风量、进风温度、给煤温度和煤质数据。