CN112382344A - 一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法 - Google Patents

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CN112382344A CN202011181828.3A CN202011181828A CN112382344A CN 112382344 A CN112382344 A CN 112382344A CN 202011181828 A CN202011181828 A CN 202011181828A CN 112382344 A CN112382344 A CN 112382344A
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Abstract

本发明公开了一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，包括，利用燃煤锅炉实际设计的结构数据和运行参数数据，建立三维锅炉模型并进行燃烧仿真实验；根据燃烧仿真实验条件下的燃烧结果与同条件下燃煤锅炉实际运行的燃烧结果对比分析，验证燃烧仿真结果的准确性；对燃煤锅炉燃烧过程中温度场、速度流场、NOx浓度场进行场协同性分析，从能量流、动量流、物质流3个角度明析锅炉热系统的热、质、气及其转换关系；采用插值拟合策略，获得锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度的相关数学表达式，进一步分析燃煤锅炉设计、燃烧运行、污染物控制的联系规律。本发明为多场耦合、燃态复杂的锅炉热系统提供一种NOx排放的分析和预测方法。

Description

一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法
技术领域
本发明涉及煤粉燃烧与排放性能控制的技术领域，尤其涉及一种基于场协 同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法。
背景技术
电站锅炉燃煤是大气污染物NOx的主要来源之一，火电厂大气污染物排放 标准(GB13223-2011)要求燃煤电厂NOx排放控制在100mg/m3以下，超低排放 要求控制在50mg/m3以下，随着燃煤电厂污染物排放限值日益降低，优化燃煤 锅炉燃烧工况、明晰燃煤锅炉NOx生成及迁移规律、研判燃煤锅炉NOx排放与 其影响因素的关系，对燃煤电厂的污染物监测及控制有重要意义。
煤燃烧过程中影响NOx生成的主要因素有:①煤种的特性，包括煤的挥发 分含量、氮量、固定碳/挥发分比值等；②可燃物在反应区的停留时间；③燃 烧区域温度峰值；④反应区中氧、氮、一氧化碳和烃根等的含量；针对以上 NOx的形成机理和影响因素，相关的NOx控制技术有：①减少燃料周围的氧 气浓度；②在氧气浓度较低的条件下，增加燃料反应时间，促进NOx均相或 多相还原；③在合理空气量条件下，降低燃煤锅炉温度峰值。
现有控制NOx排放的措施，往往从单个影响因素来考虑控制NOx排放，不 能协调其他影响因素对NOx排放的作用，易造成NOx排放降幅有限或不降甚至 上升的情况，无法有效实现煤粉锅炉燃烧时多场耦合、燃态复杂的NOx排放控 制，目前，亟需建立一种多因素协同、主因素突出的燃煤锅炉NOx排放的分析 方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明提供了一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法， 能够从流场和温度场相互配合的角度重新审视燃煤锅炉传热、传质的物理机制， 不仅可以指导发展新的传热强化技术，而且适合节能减排和工程应用。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括，利用燃煤锅炉实 际设计的结构数据和运行参数数据，建立三维锅炉模型并进行燃烧仿真实验； 根据所述燃烧仿真实验条件下的燃烧结果与同条件下燃煤锅炉实际运行的燃 烧结果对比分析，验证所述燃烧仿真结果的准确性；对所述燃煤锅炉燃烧过程 中温度场、速度流场、NOx浓度场进行场协同性分析，从能量流、动量流、 物质流3个角度明析锅炉热系统的热、质、气及其转换关系；采用插值拟合策 略，获得所述锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度的相关数学表达式，进一步分析所述燃煤锅炉设计、燃烧运行、污染物控制的联系规律。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：获得所述相关数学表达式包括，构建温度梯度和速度矢量的 协同角β表达式，同时获取所述炉膛高度方向上的若干处的水平横截面上的温 度分布图、速度分布图、协同角分布图、NOx浓度分布图；基于所述协同角 分布图、所述温度分布图和所述速度分布图分析所述锅炉炉膛内温度场和所述 速度流场的协同程度和变化规律；基于所述NOx浓度分布图研判所述锅炉炉 膛内温度场和所述速度流场的协同程度对所述NOx的生成及迁移的影响；获 取所述炉膛高度方向上的若干处的横截面上的平均温度值、平均速度值、平均 NOx浓度值、平均协同角值，利用所述插值拟合策略建立沿炉膛高度方向上 平均温度变化的数学表达式、平均速度变化的数学表达式、平均NOx浓度变 化的数学表达式、平均协同角变化的数学表达式；基于所述数学表达式进一步 得到关于NOx浓度变化与所述温度场和所述速度流场的协同程度的所述数学 表达式。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：所述锅炉模型为1:1尺寸建模，所述燃烧仿真实验是基于所 述燃煤锅炉实际燃烧运行工况条件进行。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：所述燃烧结果包括，所述锅炉出口处的氧气浓度值和所述 NOx浓度值；所述验证仿真燃烧结果的准确性包括，所述燃烧仿真结果和所 述燃煤锅炉实际运行结果误差小于或等于5％。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：所述温度梯度和所述速度矢量的所述协同角β包括，
Figure BDA0002750391690000031
β-协同角，取值范围0～90°
T-温度
U-速度矢量
x,y,z-三维正交坐标系
u,v,w-三维正交坐标系下的速度分量
其中，所述协同角β的物理意义是指协同角越小，其温度场和速度流场协 同程度越高，沿速度矢量方向，传热速度越快，温升也越快；反之，其协同程 度越低，沿速度矢量方向，传热速度越慢，温升也较慢。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：所述炉膛高度方向上的若干处的水平横截面依次为一次风水 平横截面、二次风水平横截面、分离燃烬风(SOFA风)水平横截面、炉顶水 平烟道处横截面。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：基于同一炉膛高度横截面上的温度分布、速度流场分布、协 同角分布分析所述锅炉炉膛内温度场和所述速度流场的所述协同程度及所述 变化规律。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：若干处的横截面是沿着炉膛高度方向上进行等间距或非等间 距获取的。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：基于所取横截面上的面积平均得到平均温度值、平均速度值、 平均NOx浓度值、平均协同角值。
作为本发明所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法的一种 优选方案，其中：包括，所述平均温度变化、所述平均速度变化、所述平均 NOx浓度变化、所述平均协同角变化的数学表达式进行插值拟合过程中的误 差率在5％以下。
本发明的有益效果：本发明基于场协同思想，提出一种多因素协同、主因 素突出的燃煤锅炉NOx排放的分析评价体系，通过“场”的概念，从能量流 (温度场)、动量流(速度场)、物质流(NOx浓度场)3个角度明析锅炉热系 统的热、质、气及其转换关系，采用插值拟合的方法，获得锅炉炉膛内温度、 速度、NOx浓度的相关数学表达式，为锅炉设计、燃烧运行、污染物控制等 提供借鉴。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明第一个实施例所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放 分析方法的流程示意图；
图2为本发明第一个实施例所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放 分析方法的三维视图下的锅炉模型示意图；
图3为本发明第二个实施例所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放 分析方法的一次风(z＝13.97m)横截面示意图；
图4为本发明第二个实施例所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放 分析方法的二次风(z＝15.35m)横截面示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的 一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的 保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在 一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施 例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明， 表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例， 其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及 深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述 本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第 一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广 义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械 连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件 内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1和图2，为本发明的第一个实施例，提供了一种基于场协同思想 的燃煤锅炉NOx排放分析方法，包括：
S1：利用燃煤锅炉实际设计的结构数据和运行参数数据，建立三维锅炉模 型并进行燃烧仿真实验。参照图2，其中需要说明的是：
获取燃煤锅炉实体的结构尺寸数据，利用三维建模软件进行1:1尺寸三维 视图下的锅炉本体建模；
锅炉模型包括冷灰斗区域、燃烧器区域、炉膛上部区域、竖直烟道区域， 其中燃烧器区域有5层一次风煤喷口、7层二次风喷口与一次风煤喷口相间布 置，上部设有1层燃烬风喷口(OFA风)和4层高位分离燃烬风喷口(SOFA 风)；
获取燃煤锅炉的实际运行参数，利用三维仿真软件对燃煤锅炉模型进行实 际运行负荷工况下的燃烧仿真实验；
其中燃煤锅炉低NOx燃烧优化控制技术包括空气分级燃烧、煤粉浓淡分 离式低NOx燃烧器，一、二次风反向切圆燃。
S2：根据燃烧仿真实验条件下的燃烧结果与同条件下燃煤锅炉实际运行的 燃烧结果对比分析，验证燃烧仿真结果的准确性。本步骤需要说明的是，燃烧 结果包括：
锅炉出口处的氧气浓度值和NOx浓度值；
验证仿真燃烧结果的准确性包括，燃烧仿真结果和燃煤锅炉实际运行结果 误差小于或等于5％。
具体的，包括：
获取燃煤锅炉燃烧仿真实验条件下的烟道出口氧气含量值、NOx排放量 值，与实际运行工况下燃煤锅炉的烟道出口氧气含量值、NOx排放量做对比 分析；
在满足误差率≤5％条件下，即认为燃烧仿真的实验结果准确。
S3：对燃煤锅炉燃烧过程中温度场、速度流场、NOx浓度场进行场协同性 分析，从能量流、动量流、物质流3个角度明析锅炉热系统的热、质、气及其 转换关系。其中还需要说明的是：
基于燃烧仿真结果准确的前提下，获取燃煤锅炉一次风、二次风、SOFA 风、炉顶水平烟道处等4处的水平横截面上的温度分布图；
基于燃烧仿真结果准确的前提下，获取燃煤锅炉一次风、二次风、SOFA 风、炉顶水平烟道处等4处的水平横截面上的速度分布图；
基于燃烧仿真结果准确的前提下，获取燃煤锅炉一次风、二次风、SOFA 风、炉顶水平烟道处等4处的水平横截面上的NOx浓度分布图。
S4：采用插值拟合策略，获得锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度的相关数 学表达式，进一步分析燃煤锅炉设计、燃烧运行、污染物控制的联系规律。本 步骤还需要说明的是，获得相关数学表达式包括：
构建温度梯度和速度矢量的协同角β表达式，同时获取炉膛高度方向上的 若干处的水平横截面上的温度分布图、速度分布图、协同角分布图、NOx浓 度分布图；
基于协同角分布图、温度分布图和速度分布图分析锅炉炉膛内温度场和速 度流场的协同程度和变化规律；
基于NOx浓度分布图研判锅炉炉膛内温度场和速度流场的协同程度对NOx的生成及迁移的影响；
获取炉膛高度方向上的若干处的横截面上的平均温度值、平均速度值、平 均NOx浓度值、平均协同角值，利用插值拟合策略建立沿炉膛高度方向上平 均温度变化的数学表达式、平均速度变化的数学表达式、平均NOx浓度变化 的数学表达式、平均协同角变化的数学表达式；
基于数学表达式进一步得到关于NOx浓度变化与温度场和速度流场的协 同程度的数学表达式。
进一步的，还包括：
温度梯度和速度矢量的协同角β包括，
Figure BDA0002750391690000071
β-协同角，取值范围0～90°
T-温度
U-速度矢量
x,y,z-三维正交坐标系
u,v,w-三维正交坐标系下的速度分量
其中，协同角β的物理意义是指协同角越小，其温度场和速度流场协同程 度越高，沿速度矢量方向，传热速度越快，温升也越快；反之，其协同程度越 低，沿速度矢量方向，传热速度越慢，温升也较慢；
炉膛高度方向上的若干处的水平横截面依次为一次风水平横截面、二次风 水平横截面、分离燃烬风(SOFA风)水平横截面、炉顶水平烟道处横截面；
基于同一炉膛高度横截面上的温度分布、速度流场分布、协同角分布分析 锅炉炉膛内温度场和速度流场的协同程度及变化规律；
若干处的横截面是沿着炉膛高度方向上进行等间距或非等间距获取的；
基于所取横截面上的面积平均得到平均温度值、平均速度值、平均NOx 浓度值、平均协同角值；
平均温度变化、平均速度变化、平均NOx浓度变化、平均协同角变化的 数学表达式进行插值拟合过程中的误差率在5％以下。
进一步的，设自变量为炉膛高度H＝(h1,h2,h3,...),因变量有温度平均值
Figure BDA0002750391690000081
速度平均值
Figure BDA0002750391690000082
协同角平均值
Figure BDA0002750391690000083
NOx浓度平均值，利用插值拟合软件工具，建立因变量和自变量的数学表达 式：
Figure BDA0002750391690000084
包括基于
Figure BDA0002750391690000085
4个数学表达式，可获取锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度和协同角等变量之间的数学表达式， 达到精准分析锅炉燃烧状况，及时预测NOx排放的目的。
实施例2
参照图3和图4，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施 例的是，以一次风截面(z＝13.97m)和二次风截面(z＝15.35m)为例，对本发 明方法做进一步的验证说明，包括：
本实施例在锅炉满负荷工况条件下，获取燃煤锅炉炉膛内各因素变化数学 表达式，如表1所示：
表1：各因素的数学表达式表。
Figure BDA0002750391690000086
基于
Figure BDA0002750391690000087
4个基本数学表达式，进一步可获取锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度和协同角等变量之间的数学 表达式。
表2：各变量之间的数学表达式表。
Figure BDA0002750391690000088
Figure BDA0002750391690000091
本实施例基于燃煤锅炉一次风、二次风、SOFA风、炉顶水平烟道处等4 处的水平横截面上的温度分布图、速度分布图、NOx浓度分布图、协同角分 布图，分析沿炉膛高度方向上温度场、速度场、协同角的变化规律、NOx的 生成及迁移规律、温度和速度的场协同程度对NOx的影响。
参照图3，关于速度场与温度场的协同分析包括，同一炉膛高度横截面上， 沿主气流喷射方向，协同角较小，温度场和速度场的协同程度较高，温升较快， 而在主气流的尾部，协同角较大，温度场和速度场的协同程度降低，温度变得 较为稳定；关于NOx浓度场与温度、速度的协同程度的关系分析包括，在主 气流尾部的局部高温区域(≥1500K)内，NOx浓度最高(≥300mg/m3)，其 协同角也较小(≤30°)，因此温度场和速度场协同程度越高的区域，其传热 速率越大，温升也越快，促进了热力型NOx的生成。
本实施例获取炉膛高度H方向上的多个横截面上的温度平均值、速度平均 值、NOx浓度平均值、协同角平均值，其中多个横截面的选取是等间距或变 间距的；设自变量为炉膛高度H＝(h1,h2,h3,...),因变量有温度平均值
Figure BDA0002750391690000092
速度平均值
Figure BDA0002750391690000093
协同角平均值
Figure BDA0002750391690000094
NOx浓度平均值，利用插值拟合软件工具，建立因变量和自变量的数学表达 式：
Figure BDA0002750391690000095
参照图4，关于NOx浓度场与速度场的关系分析包括，速度场的变化不仅 影响着与温度场的协同程度，而且影响着NOx的迁移；关于NOx迁移规律分 析包括，在同一高度横截面上，环形的速度流场分布具有切圆形式的旋转动量， 使得NOx被离心偏转至四面炉墙，且风速越大(二次风速远大于一次风速)， NOx浓度局部富集程度越明显，因此四面炉墙附近NOx浓度较高；沿着炉膛 高度方向，炉膛中心的旋转动量较小，也富集了高浓度的NOx；综上在旋转 动量作用下，NOx沿着四面炉墙和炉膛中心向上迁移。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：包括，
利用燃煤锅炉实际设计的结构数据和运行参数数据，建立三维锅炉模型并进行燃烧仿真实验；
根据所述燃烧仿真实验条件下的燃烧结果与同条件下燃煤锅炉实际运行的燃烧结果对比分析，验证所述燃烧仿真结果的准确性；
对所述燃煤锅炉燃烧过程中温度场、速度流场、NOx浓度场进行场协同性分析，从能量流、动量流、物质流3个角度明析锅炉热系统的热、质、气及其转换关系；
采用插值拟合策略，获得所述锅炉炉膛内温度、速度、NOx浓度的相关数学表达式，进一步分析所述燃煤锅炉设计、燃烧运行、污染物控制的联系规律。
2.根据权利要求1所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：获得所述相关数学表达式包括，
构建温度梯度和速度矢量的协同角β表达式，同时获取所述炉膛高度方向上的若干处的水平横截面上的温度分布图、速度分布图、协同角分布图、NOx浓度分布图；
基于所述协同角分布图、所述温度分布图和所述速度分布图分析所述锅炉炉膛内温度场和所述速度流场的协同程度和变化规律；
基于所述NOx浓度分布图研判所述锅炉炉膛内温度场和所述速度流场的协同程度对所述NOx的生成及迁移的影响；
获取所述炉膛高度方向上的若干处的横截面上的平均温度值、平均速度值、平均NOx浓度值、平均协同角值，利用所述插值拟合策略建立沿炉膛高度方向上平均温度变化的数学表达式、平均速度变化的数学表达式、平均NOx浓度变化的数学表达式、平均协同角变化的数学表达式；
基于所述数学表达式进一步得到关于NOx浓度变化与所述温度场和所述速度流场的协同程度的所述数学表达式。
3.根据权利要求2所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：所述锅炉模型为1:1尺寸建模，所述燃烧仿真实验是基于所述燃煤锅炉实际燃烧运行工况条件进行。
4.根据权利要求2或3所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：所述燃烧结果包括，所述锅炉出口处的氧气浓度值和所述NOx 浓度值；
所述验证仿真燃烧结果的准确性包括，所述燃烧仿真结果和所述燃煤锅炉实际运行结果误差小于或等于5％。
5.根据权利要求4所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：所述温度梯度和所述速度矢量的所述协同角β包括，
Figure RE-FDA0002893582220000021
β-协同角，取值范围0～90°
T-温度
U-速度矢量
x，y，z-三维正交坐标系
u，v，w-三维正交坐标系下的速度分量
其中，所述协同角β的物理意义是指协同角越小，其温度场和速度流场协同程度越高，沿速度矢量方向，传热速度越快，温升也越快；反之，其协同程度越低，沿速度矢量方向，传热速度越慢，温升也较慢。
6.根据权利要求5所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：所述炉膛高度方向上的若干处的水平横截面依次为一次风水平横截面、二次风水平横截面、分离燃烬风(SOFA风)水平横截面、炉顶水平烟道处横截面。
7.根据权利要求6所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：基于同一炉膛高度横截面上的温度分布、速度流场分布、协同角分布分析所述锅炉炉膛内温度场和所述速度流场的所述协同程度及所述变化规律。
8.根据权利要求7所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：若干处的横截面是沿着炉膛高度方向上进行等间距或非等间距获取的。
9.根据权利要求8所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：基于所取横截面上的面积平均得到平均温度值、平均速度值、平均NOx浓度值、平均协同角值。
10.根据权利要求9所述的基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法，其特征在于：包括，
所述平均温度变化、所述平均速度变化、所述平均NOx浓度变化、所述平均协同角变化的数学表达式进行插值拟合过程中的误差率在5％以下。
CN202011181828.3A 2020-10-29 2020-10-29 一种基于场协同思想的燃煤锅炉NOx排放分析方法 Active CN112382344B (zh)

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