0、引言
随着钢铁工业的发展，生产中的副产煤气（高炉煤气、焦炉煤气及转炉煤气等）大量增加，这些煤气约占钢铁企业总能耗量的30%～40%。其中焦炉和转炉煤气热值较高可在生产或生活中利用，因此高炉煤气的回收和利用是钢铁企业节能降耗的重要环节。其中高炉煤气在钢铁企业中产量巨大，每炼1t生铁约可以得到高炉煤气3500m3。高炉煤气中可燃成分主要是CO，但是所占比例很小只有20%左右，不可燃成分体积分数高达80%左右。所以高炉煤气热值非常低，利用率很低而且燃烧不稳定。因此，如何有效地利用高炉煤气是目前面临的节能问题。
高炉煤气和煤粉在炉内掺烧是一种有效利用途径。然而由于高炉煤气的低热值，混燃锅炉的燃烧存在燃烧稳定性差、煤粉燃尽困难等问题。目前，国内外学者针对煤粉炉内燃烧进行了模拟。对煤粉／高炉煤气混燃锅炉模拟的研究较少，尤其针对煤粉／高炉煤气混燃炉膛内NO，的分布特性更为罕见。本文利用Fluent软件对煤粉／高炉煤气混燃锅炉进行模拟，以便对炉膛内NO，分布进行分析探讨，进而期望对今后研究煤粉／高炉煤气混燃锅炉NOx优化排放提供参考。富通新能源生产销售
生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧
颗粒机、
木屑颗�；�压制的生物质颗粒燃料，同时我们还有大量的杨木木屑颗粒燃料和玉米秸秆颗粒燃料出售。
1、研究对象
选取某钢厂300 MW机组煤粉／高炉煤气混燃锅炉为模拟对象。该锅炉为亚临界参数、一次中间再热、自然循环汽包炉，采用四角切圆燃烧方式，设计燃料为烟煤，设计燃烬风配比为10%，掺烧高炉煤气比例为20%。燃用煤的实验分析见表1，高炉煤气成分分析见表2。
锅炉为单炉膛，燃烧器为四角布置的摆动式燃烧器，切向燃烧，上下摆动的最大角度为±300。燃烧器出口射流中心线和水冷壁中心线的夹角分别为380和440，在炉膛中心形成逆时针旋向的两个直径不同的假想切圆。为了削弱炉膛出口烟气的旋转强度，减小四角燃烧引起炉膛出口烟温偏差，燃烬风室被设计成反切，使其喷嘴出口中心线同主喷嘴中心线成120的夹角。锅炉的宽、深为14048mm×12468mm，高为58 900mm。锅炉共布置7层燃烧器喷口，其中上5层为煤粉喷口，下2层为高炉煤气喷口。锅炉炉膛构架和燃烧器布置见图l。
2、计算方法
模拟软件采用Fluent，炉膛网格采用分段划分，从冷灰斗至炉膛出口划分为7部分。炉膛截面网格采用Paving方法生成非结构四边形网格，燃烧器体网格用Cooper方法沿着炉膛高度方向铺展生成六面体网格。Paving方法生成的辐射状网格线与四角射流的气流轨�；酒叫�，减小了网格线与流线的夹角，降低数值伪扩散。由于燃烧器区域的温度梯度较高，因此为保证数值计算的精确性，对该区域划分的网格较密。整个炉膛网格总数约为120万。
数值计算中湍流流动采用双方程模型，辐射传热采用P-I模型，离散相颗粒轨迹采用随机跟踪模型，焦炭燃烧采用动力一扩散限制模型，挥发份热解采用两步竞相反应模型，气相湍流燃烧采用混合分数／概率密度函数方法。
热力型NO，根据广义的Zeldovich机理计算，燃料型NO，根据DeSoete机理分为挥发份NO，和焦炭NO，两部分来计算，其中挥发分N占总燃料N的比例为45%~60%。在计算中挥发份N转化为中间产物HCN，焦炭N直接转化为NOx。
3、模拟结果及分析
为能整体描述炉膛内部CO和NO，的分布情况，本文CO浓度及NO，浓度所选用的为某一炉膛高度的截面平均浓度。
3-1燃烬风配比的影响
燃烬风是减小NOx排放的重要参数。选取高炉煤气掺烧比例为20%，过量空气系数为1.2，BMCR的运行工况下，分别模拟了燃烬风配比（占总风量的比例）为0%、5%、10%及15%4种工况。CO及NOx随炉膛高度的分布规律，模拟结果见图2。
如图2 (a)所示，4种工况下的CO浓度的变化趋势相近。例如，4种情况最高峰都出现在燃烧器区域，且随着燃烬风比例的增加CO浓度峰值有所升高。由于燃烧器区域温度很高，不添加燃烬风时，炉膛氧气量能够充足地保证燃料充分燃烧，因此造成CO浓度较小。而随着燃烬风的添加，减小了燃烧器区域的氧气量，甚至造成燃烧器区域的缺氧状态，导致了燃烧缓慢，有助于CO生成，不利于已存在CO迅速氧化。此外，燃烧器上部，随着炉膛高度升高，CO的截面浓度呈现出减小趋势，最后到达炉膛出口时已经很小了。
从图2 (b)可以看出，随着燃烬风比例的增加，NO，的排放量呈下降趋势。由于是在BMCR工况保持总风量不变的条件下进行的，可能是因为一部分二次风分出来改为燃烬风加在燃烧器上面，减小炉膛下层氧气量，形成富燃料的还原气氛，降低了燃烧区域的温度，减小了热力型NOx的生成。此外，锅炉上层氧气含量也将有所增加，进而降低了上层温度，从而对NOx的形成也产生了一定的抑制作用。根据多次模拟经验得出，分出来的燃烬风部分不宜太大。燃烬风过大，可能会将上层的氮进一步氧化成NOx，反而增大NOx的排放，因此对于不同的燃烧炉需要选择一个合适的燃烬风比例，本炉子在燃烬风为15%的情况下运行NO，的排放最优。
3.2 高炉煤气配比的影响
煤价的上涨和钢厂副产品高炉煤气的难以二次利用使得多数电厂开始尝试煤粉掺混高炉煤气进行混燃，在BMCR工况，过量空气系数为1.2，燃烬风比例为15%的条件下，分别模拟了高炉煤气掺烧比为0%，10%，20%，30%4种工况。CO及NO，随炉膛高度的分布规律，模拟结果见图30
从图3 (a)可以看出，纯燃煤工况的CO浓度最大，约为6%。随着高炉煤气掺烧量的增加，CO浓度峰值逐渐下降。比如，掺烧30%高炉煤气工况降至4%左右。由于高炉煤气的成分含有20%的CO，这可能是燃烧初期掺烧30%高炉煤气工况比其他工况的CO浓度高的主要原因。随着高炉煤气掺烧比增加，CO浓度的峰值逐渐降低且向右偏移�？赡苁且蛭呗浩肟掌壮浞只旌锨蚁啾扔诿悍鄹兹忌蘸腿季�。因此，随着高炉煤气掺混量的增加，炉膛内燃料更易完全燃烧；而煤粉与空气混合的充分性较差，致使燃烧不充分，从而CO的峰值较高。此外，高炉煤气热值低燃烧缓慢着火推迟导致峰值向右偏移，掺烧比例越大延迟越多。燃料在炉膛出口处均能基本燃尽。
如图3 (b)所示，随着高炉煤气掺烧比的增加，炉膛内整体NO；浓度分布明显降低。例如，当掺烧高炉煤气量达到30%时，NO，排放量达到225×10，相对纯煤粉的降低了一半。结合表2，高炉煤气中的氮元素主要以Nz的形式存在，而Nz转化为NO；的过程又相对困难，其可能是造成掺混高炉煤气NO，浓度分布下降的主要原因。此外，由于高炉煤气热值较低，从而燃烧纯煤时的炉膛温度相比于掺混高炉煤气后要高很多，致使热力型NO，成倍增加。
3.3过量空气系数的影响
过量空气系数是制约炉膛内燃烬程度的主要因素。在高炉煤气掺烧比例为20%、燃烬风比例为15%、运行工况为BMCR的情况下，分别对过量空气系数l，1.1，1. 15及1.2共4种工况进行了模拟，其结果见图4。
如图4 (a)4条CO浓度分布曲线所示，随着过量空气系数的增加，炉膛整体的CO浓度分布呈下降趋势。这是因为，过量空气的增加使炉膛内的氧量更为充足，从而有助于燃料的充分燃烧，最终表现为炉膛内部整体CO浓度的下降。此外，过量空气系数是l时炉膛出口CO浓度偏大，说明未能充分燃烧，而其余工况均较小。进而也说明了选择适当过量空气系数的必要性。从图4 (b)可以看出，随着过量空气系数的增加，炉膛出口NO，浓度排放量逐渐增加。例如，NO，浓度整体分布在过量空气系数为1.2时最大，过量空气系数为1时最小。由于过量空气系数的增加有利于燃料燃烧更充分，进而推测，在选取的过量空气范围内，过量空气系数越大，燃料燃烧越充分，使得炉膛内部的温度更高，从而促进了热力型NOx的生成。此外，过量空气系数的增加，有利于NHi等气体氧化成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的转化率随空气过量系数的增加呈上升趋势，因此从降低污染的角度来讲，在考虑最佳运行条件的同时，也应考虑过量空气系数的选择。
3.4运行工况的影响
电力需求的波动性决定了运行负荷的可调节性。因此对高炉煤气比例为20%、燃烬风为15%、过量空气系数为1.2时，选取不同运行工况(100% BMCR锅炉最大蒸发量、85% BMCR、70% BMCR)进行模拟，其结果见图5。
从图5 (a)可以看出，负荷变化对CO浓度影响不明显，CO浓度峰值随运行负荷减小略有上升且均为燃烬风出口附近。推测其原因可能为风量随着运行负荷增大而增加，从而对CO有一定的稀释作用，表现为CO浓度下降。如图5(b)所示。随着负荷的降低，NOx浓度呈下降趋势�？赡苁且蛭孀鸥汉山档停剂狭坑兴跎�，燃料NOx排放减少，同时炉内温度有所降低，热力NOx降低，所以总的氮氧化物减少，表现为NOx浓度分布下降。文献也得到类似结论。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗粒机压制的生物质颗粒燃料是客户们不错的选择。
5、结论
通过对某钢厂300 MW四角切圆煤粉／高炉煤气混燃锅炉进行数值模拟，探讨了燃烬风配比、高炉煤气配比、过量空气系数及运行负荷等因素对炉膛CO分布及NOx分布的影响规律。结果表明：燃烬风比例增加，燃烧器附近的CO浓度峰值增加且炉膛内部的NOx浓度整体降低；高炉煤气掺混比增加，炉膛内部的CO浓度的峰值下降，同时NOx浓度呈整体下降趋势；随着过量空气系数增加，燃烧器上部的CO浓度均有所下降，而NOx浓度逐渐上升；运行工况对炉膛内部CO浓度的分布影响不大，随着负荷的降低，峰值略有升高，然而NOx浓度分布在燃烧器上部受负荷影响较显著，随着负荷的下降，NOx浓度逐渐下降。
