CN108870384A - 低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与sncr脱硝协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，在低氮燃烧循环流化床锅炉炉膛内水冷壁区域敷设绝热材料；首先借助CFD软件对锅炉进行炉膛燃烧和旋风分离器处SNCR脱硝反应的全系统数值模拟，然后根据锅炉实际工况制定绝热材料布置方案、代入CFD软件中进行设计验证，在满足超低排放的基础上，以炉膛出口的焦炭质量浓度与旋风分离器出口的氨逃逸量作为评价指标确定绝热材料最终的敷设位置及敷设面积。采取在循环流化床锅炉水冷壁区域敷设绝热材料的方法，提高了进入旋风分离器内的烟气温度，可提高SNCR脱硝效率，避免过量喷氨；同时，敷设绝热材料实现了温度上升，降低了炉膛处口处的飞灰含碳量，实现了燃烧与脱硝的协同优化。

Description

低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法

技术领域

本发明涉及一种低氮燃烧循环流化床锅炉燃烧效率与SNCR脱硝效率的协同优化方法，属于循环流化床锅炉高效燃烧与污染物脱除领域。

背景技术

在我国，燃煤电站是煤炭消耗的主要途径，煤在燃烧过程中会产生大量的氮氧化物、二氧化硫、粉尘等，破坏了生态环境、严重影响了人民的生活质量。为此，国家发改委、环保部、能源局于2014年9月印发了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》，要求到2020年，东部地区新建的燃煤发电机组大气污染物的排放浓度达到燃气轮机的排放限值(即烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度不高于10、35、50毫克每标准立方米)。

面对上述要求，我国燃煤电厂纷纷进行了低氮燃烧改造。当前，循环流化床锅炉低氮燃烧改造普遍采用的做法为过度空气分级技术，将一次风量压低至50％以下，使得密相区积存大量焦炭，整个密相区处于一个强还原性的状态，达到降低NOx的初始生成浓度的效果，但该法会导致炉膛内部焦炭燃烧不充分，飞灰含碳量过高，锅炉燃烧效率降低。

由于SNCR脱硝反应对温度的要求极为苛刻，对采用尿素作为还原剂的脱硝系统来讲，其温度区间为850℃-1000℃，最佳反应温度为950℃，低氮改造的循环流化床锅炉，炉膛出口温度下降，一般为850℃左右，偏离旋风分离处SNCR最佳反应温度，脱硝效率较低。为保证SNCR脱硝效率，当前普遍采取的做法是通过过量喷氨的方式，该法一方面会因还原剂使用量增多带来脱硝成本增加，另一方面则因还原剂喷射过度易出现“氨泄漏”的风险，造成二次污染。

发明内容

发明目的：针对当前低氮燃烧循环流化床锅炉炉膛因飞灰含碳量升高导致燃烧效率降低以及为保证SNCR脱硝效率喷氨过量而引起氨逃逸量超标的问题，本发明提供一种低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法。

技术方案：本发明所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，为在低氮燃烧循环流化床锅炉炉膛内水冷壁区域敷设绝热材料；具体而言，首先借助CFD软件对低氮燃烧循环流化床锅炉进行炉膛燃烧和旋风分离器处SNCR脱硝反应的全系统数值模拟，然后根据数值模拟计算结果和目标锅炉的实际工况制定绝热材料布置方案、代入CFD软件中进行设计验证，在满足超低排放的基础上，以炉膛出口的焦炭质量浓度与旋风分离器出口的氨逃逸量作为评价指标确定绝热材料最终的敷设位置及敷设面积。

该优化方法可具体包括下述步骤：

1)根据目标锅炉的结构和尺寸，采用三维建模软件对该锅炉的炉膛、水平烟道以及旋风分离器部分进行1：1建模，并将所得物理模型导入到ICEM软件中划分网格；

2)借助CFD软件，根据锅炉实际运行工况完成炉膛边界条件的初始设置，做炉膛内的燃烧计算，得到炉膛内的温度场、组分场的分布情况，将模拟结果与目标锅炉DCS系统上的数据做比对，完成模型验证；

3)结合上述数据分析炉膛出口烟气中的焦炭含碳量、烟温以及NOx浓度，判定目标锅炉存在的关键问题；

4)结合炉膛内燃烧温度沿着高度方向变化的规律，以温降出现的位置作为绝热材料的敷设位置的依据点，根据锅炉实际运行情况以及步骤2)中数值计算结果确定绝热材料的敷设目标区域，完成绝热材料布置方案的初步设计；

5)将绝热材料敷设的目标区域划分为多个小方块，通过对每个小方块的边界条件的设定，实现绝热材料敷设位置与面积的调整；

6)将调整后的绝热材料布置方案代入CFD软件中进行燃烧数值模拟及SNCR处脱硝数值模拟，得到可降低炉膛出口焦炭浓度并满足逃逸量指标的绝热材料敷设方案。

上述步骤2)中，具体可根据锅炉实际运行工况下的用煤、一次风量、二次风量以及水冷壁面温度完成炉膛边界条件的初始设置。

上述步骤3)中，目标锅炉存在的关键问题为飞灰含碳量过高而造成燃烧效率下降或为保证SNCR脱硝效率而引起氨逃逸量超标；当目标锅炉存在的关键问题为飞灰含碳量过高时，说明目标锅炉实际运行工况为低负荷运行；当目标锅炉的关键问题为氨逃逸量超标时，说明目标锅炉实际运行工况为高负荷运行。

进一步的，当锅炉实际运行工况为低负荷运行时，步骤4)中，采取绝热材料下置的布置方法，即绝热材料的敷设目标区域为温降点以下高度；当该锅炉实际运行工况为高负荷运行时，采取绝热材料上置的布置方法，即绝热材料的敷设的目标区域为温降点以上高度。

具体的，步骤5)中，每个小方块的边界条件的设定方式为：将绝热材料敷设位置处的小方块的边界条件设置为绝热，未敷设绝热材料的位置处的小方块边界条件设置为水冷壁的壁面实际温度。将小方块的边界条件设置为绝热是指该小方块区域的热流量为0，不存在吸热效应。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)本发明的方法从SNCR脱硝反应机理的角度考虑，分析影响SNCR脱硝效率的外在因素，如温度，采取在循环流化床锅炉水冷壁区域敷设绝热材料的方法，提高进入旋风分离器内的烟气温度，改善旋风分离器处SNCR脱硝反应环境，达到提高SNCR脱硝效率的效果，避免了常规过量喷氨方法而造成的氨逃逸量增多的问题，既可以满足环保标准又可以节约运行成本；同时，通过在炉膛水冷壁面的特定位置敷设绝热材料，实现了温度上升，降低了炉膛处口处的飞灰含碳量，提高了锅炉的燃烧效率，实现了燃烧与脱硝的协同优化；(2)本发明结合数值模拟手段，针对不同运行工况下锅炉提出不同绝热材料布置方案，综合考量炉膛出口的焦炭含碳量以及旋风分离器出口的氨逃逸量，在满足超低排放的基础上，最大化降低运行成本，做到精确设计。

附图说明

图1为低氮燃烧循环流化床锅炉的主结构布置示意图；

图2为绝热材料敷设目标区域划分以及两种绝热材料敷设位置的布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，以低氮燃烧循环流化床锅炉为对象，借助CFD软件对该类锅炉进行炉膛燃烧和旋风分离器处SNCR脱硝反应的全系统数值模拟，获得绝热材料的敷设位置、敷设面积对飞灰含碳量、NOx脱除效率以及氨排放的影响规律，并以炉膛出口的焦炭质量浓度与旋风分离器出口氨逃逸量作为优化的评价指标，有效节约运行成本与工作时间。

图1为本发明的研究对象低氮燃烧循环流化床锅炉的全尺寸的结构示意图。低氮燃烧循环流化床锅炉包括炉膛1，炉膛1通过水平烟道2连接至旋风分离器3，旋风分离器3的底部连接返料系统4，将反料导入炉膛进行循环，水平烟道2上设有喷氨系统5，炉膛下部的给煤进料口连接给煤系统7，炉膛1底部设有设有一次风系统8和二次风系统9，炉膛1的水冷壁表面敷设绝热材料6。

本发明的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法包括下述步骤为：

1)根据目标锅炉的结构和尺寸，采用三维建模软件按照1：1的比例对该锅炉的炉膛、水平烟道以及旋风部分进行建模，并将所得物理模型导入到ICEM软件中划分网格。

2)借助CFD软件，根据锅炉实际运行工况下的用煤、一次风量、二次风量以及水冷壁面温度完成炉膛边界条件的初始设置，选用欧拉-欧拉模型对炉膛内燃烧做计算，得到炉膛内的温度场、组分场的分布情况，将模拟的结果与目标锅炉DCS系统上的数据做比对，完成模型的验证，保证数值计算的可靠性。

3)结合上述数据，分析炉膛出口的焦炭含碳量、出口烟温以及出口烟气中NOx浓度，判定该锅炉存在的关键问题是飞灰含碳量过高而造成燃烧效率下降，还是为保证SNCR脱硝效率而导致氨逃逸量超标，当目标锅炉存在的关键问题为飞灰含碳量过高时，说明目标锅炉实际运行工况为低负荷运行；当目标锅炉的关键问题为氨逃逸量超标时，说明目标锅炉实际运行工况为高负荷运行。

4)结合炉膛内燃烧温度沿着高度方向变化的规律，以温降出现的位置作为绝热材料的敷设位置的依据点，根据锅炉实际运行情况确定绝热材料的敷设目标区域，完成绝热材料布置方案的初步设计；

当锅炉处于低负荷运行，采取绝热材料下置的布置方法，即绝热材料的敷设目标区域为温降点以下高度；锅炉处于低负荷运行时，NOx初始排放浓度较低，即使旋风分离器处的SNCR脱硝反应处于低位运行依旧可以满足超低排放的标准，因此在炉膛内敷设绝热材料的目的是降低炉膛出口的飞灰含碳量，达到提高锅炉的燃烧效率的目的；

当该锅炉为高负荷运行时，采取绝热材料的敷设上置方法，即绝热材料的敷设的目标区域为温降点以上高度；锅炉高负荷运行时，NOx初始排放浓度较高，脱硝压力大，故炉膛内敷设绝热材料的目的是提高烟气进入旋风分离器内的温度，使其接近SNCR脱硝反应的最佳温度(一般为950℃)，达到提升SNCR脱硝效率的目的，避免了过量喷氨，相应的氨逃逸量也会减少。

由于锅炉运行工况具有可调节性，而绝热材料一旦布置后其位置与面积却不具有可调节性，故设计时以该类锅炉多数运行工况作为设计依据，满足正常运行需求，如果实际运行过程中出现变负荷情况，可通过对燃烧的调整以满足绝热材料的设计需求。如当锅炉运行负荷由高负荷降到低负荷时，可通过将二次风的入射角度向上倾斜，当锅炉由低负荷调整到高负荷时，应当将二次风的角度向下倾斜，倾斜角度一般在30°以内，具体角度根据观察锅炉调整后的运行工况确定。

5)对绝热材料的敷设目标区域划分为多个面积相同的小方块，设定小方块边界条件，实现绝热材料的敷设位置与面积的调整；

具体而言，设定小方块边界条件时，将绝热材料敷设位置对应的小方块的边界条件处理为绝热边界条件(即该小方块区域的热流量为0，不存在吸热效应)，未敷设绝热材料位置处对应的小方块的边界条件设置为水冷壁的壁面实际温度。

通过小方块边界条件的设定，可形成多种具体的绝热材料敷设布置方案，如图2，该图显示了绝热材料敷设目标区域小方块划分情况以及两种绝热材料敷设位置的布置情况。

6)将几种可能的布置方案代入CFD软件中做数值计算，得到炉膛的出口参数(烟气温度、速度、NOx浓度)，通过profile文件将以上参数导入到旋风分离器3入口处，做旋风分离器处SNCR脱硝数值模拟研究，最终在满足超低排放的基础上，比较炉膛出口焦炭浓度以及旋风分离器出口的氨逃逸量，并以此作为低氮燃烧循环流化床锅炉改造设计的依据。

Claims (6)

1.一种低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，在所述低氮燃烧循环流化床锅炉炉膛内水冷壁区域敷设绝热材料；首先借助CFD软件对低氮燃烧循环流化床锅炉进行炉膛燃烧和旋风分离器处SNCR脱硝反应的全系统数值模拟，然后根据数值模拟计算结果和目标锅炉的实际工况制定绝热材料布置方案、代入CFD软件中进行设计验证，在满足超低排放的基础上，以炉膛出口的焦炭质量浓度与旋风分离器出口的氨逃逸量作为评价指标确定绝热材料最终的敷设位置及敷设面积。

2.根据权利要求1所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，具体包括下述步骤：

1)根据目标锅炉的结构和尺寸，采用三维建模软件对该锅炉的炉膛、水平烟道以及旋风分离器部分进行1：1建模，并将所得物理模型导入到ICEM软件中划分网格；

2)借助CFD软件，根据锅炉实际运行工况完成炉膛边界条件的初始设置，做炉膛内的燃烧计算，得到炉膛内的温度场、组分场的分布情况，将模拟结果与目标锅炉DCS系统上的数据做比对，完成模型验证；

3)结合上述数据分析炉膛出口烟气中的焦炭含碳量、烟温以及NOx浓度，判定目标锅炉存在的关键问题；

4)结合炉膛内燃烧温度沿着高度方向变化的规律，以温降出现的位置作为绝热材料的敷设位置的依据点，根据锅炉实际运行情况以及步骤2)中数值计算结果确定绝热材料的敷设目标区域，完成绝热材料布置方案的初步设计；

5)将绝热材料敷设的目标区域划分为多个小方块，通过对每个小方块的边界条件的设定，实现绝热材料敷设位置与面积的调整；

6)将调整后的绝热材料布置方案代入CFD软件中进行燃烧数值模拟及SNCR处脱硝数值模拟，得到可降低炉膛出口焦炭浓度并满足逃逸量指标的绝热材料敷设方案。

3.根据权利要求2所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，步骤2)中，根据锅炉实际运行工况下的用煤、一次风量、二次风量以及水冷壁面温度完成炉膛边界条件的初始设置。

4.根据权利要求2所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，步骤3)中，所述目标锅炉存在的关键问题为飞灰含碳量过高而造成燃烧效率下降或者为保证SNCR脱硝效率而引起氨逃逸量超标；当目标锅炉存在的关键问题为飞灰含碳量过高时，说明目标锅炉实际运行工况为低负荷运行；当目标锅炉的关键问题为氨逃逸量超标时，说明目标锅炉实际运行工况为高负荷运行。

5.根据权利要求4所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，当锅炉实际运行工况为低负荷运行时，步骤4)中，采取绝热材料下置的布置方法，即绝热材料的敷设目标区域为温降点以下高度；当该锅炉实际运行工况为高负荷运行时，采取绝热材料上置的布置方法，即绝热材料的敷设目标区域为温降点以上高度。

6.根据权利要求2所述的低氮燃烧循环流化床锅炉的燃烧与SNCR脱硝协同优化方法，其特征在于，步骤5)中，所述每个小方块的边界条件的设定方式为：将绝热材料敷设位置处的小方块的边界条件设置为绝热，未敷设绝热材料的位置处的小方块边界条件设置为水冷壁的壁面实际温度。