1990年-2010年我国氮氧化物排放量逐年上升，年均增长率达5.2%[1]。NOx是大气污染的主要污染源之一，它不仅会产生硝酸形成酸雨，而且NOx经阳光照射后会释放出活性氧原子，形成强氧化物对环境和人身体产生危害[2]。因此，控制燃煤电厂NOx的产生很有必要。孙保民等[3]对空气分级燃烧下NOX的生成特性进行了研究，结果表明，NOX主要生成在燃烧的初期，燃料与O2混合不充分时就会发生NOx的还原反应。唐昭帆等[4]研究了不同空气分级深度下联用偏转二次风前后对锅炉运行的影响程度，结果表明，单独采用空气分级和偏转二次风均能降低NOx排放。周昊等[5]研究了偏转二次风系统燃煤锅炉NOx排放特性，结果表明，炉膛横截面和高度方向的分级燃烧能抑制炉内结渣并降低NOx的排放量。但是对偏转二次风偏转角度对燃烧及NOx排放的影响仍缺少相关研究。数值模拟是进行炉内燃烧及NOx排放研究的高效工具[6]。因此，本文通过对超超临界塔式锅炉的燃烧过程进行数值模拟，研究偏转二次风对NOx的排放影响。

1 模拟对象

本文以某台1 000 MW超超临界塔式锅炉为模拟对象，该锅炉为单炉膛，配有直吹式制粉系统，采用四角切圆燃烧，主燃烧器喷嘴采用摆动结构，固态排渣。炉膛深度和宽度为21.48 m，炉顶管中心标高为119.3 m，燃用神府东胜煤，煤质特性见表1。

 

表1 煤质特性

  

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煤粉燃烧器采用典型的LNTFS燃烧器布置，空气分级燃烧，共设有3组燃烧器，每组燃烧器又包括两层燃烧器，共6层。锅炉满负荷运行时开上5层燃烧器，每层燃烧器有2个一次风喷嘴、1个燃油辅助风喷嘴、1个端部二次风喷嘴、1个组合喷嘴，其中偏转二次风和直吹二次风各占组合喷嘴通流面积的50%，为了降低结焦现象，采用同心切圆（CFS）燃烧方式，偏转二次风预设一定的水平偏角，包围在一次风外侧形成大切圆，二次风和一次风间隔排列，在上层燃烧器顶部布置有2层紧凑燃尽风（CCOFA）和6层分离燃尽风（SOFA）。燃烧器布置和锅炉横截面如图1所示。

  

图1 燃烧器布置和锅炉横截面示意图

2 数学模型与计算方法

2.1 网格划分

采用Gambit软件进行建模及网格划分，网格质量会影响数值计算的精度，由于空气和煤粉主要从燃烧器喷入，因此对燃烧器区域的网格进行加密处理。炉膛横截面采用Map方法生成四边形结构化网格，沿高度方向Cooper生成六面体网格，网格线与射流轨迹基本平行，降低数值计算的伪扩散。经过网格无关性验证，最终确定网格总数为180万个。计算区域及燃烧器横截面网格划分如图2所示。

  

图2 计算区域及燃烧器横截面网格划分

2.2 模型选取

数值计算采用Realizable双方程湍流模型，该模型不会产生负应力；煤粉挥发分的析出采用双平行竞争反应模型；焦炭的燃烧采用动力/扩散燃烧模型；辐射模型采用p-1模型；采用随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；气相湍流燃烧采用混合分数概率密度模型（PDF）。

燃烧过程中产生的NOx只考虑热力型NOx和燃料型NOx。燃料型NOx的生成模型采用De soete机理[7]，分为挥发分NOx和焦炭NOx；热力型NOx的生成模型采用扩展的Zeldovich机理。燃料型NOx的N来源于焦炭和挥发分，挥发分N转化的中间产物为HCN和NH3，焦炭N转化为NOx，中间产物能被还原为N2，可以与O2反应生成NOx。

[3]孙保民，王顶辉，段二朋，等.空气分级燃烧下NOx生成特性的研究[J].动力工程学报，2013，33(04)：261-266.

 

表2 数值计算边界条件

  

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3 模拟结果与分析

沿着炉膛高度，随着各级燃烧器空气的加入，涡流强度逐渐增加，取最上层一次风喷口中心截面（标高41 240 mm）速度的矢量图，从图3可以看出，在4种工况下均可形成良好的顺时针切圆，切圆位于炉膛中心，由于受到动量较大的偏置风的引射和上游邻角气流的挤压，一次风射流发生偏斜，当偏置风偏转角增大时，一次风射流变短，切圆直径增大。前3种工况并没有产生明显的火焰偏斜导致射流冲刷水冷壁的现象，当偏转角增大到35°时，出现了明显的一次风射流刷墙现象，因此工况4在后文中不做讨论。

  

图3 一次风喷口中心截面速度的矢量图

图4为不同工况下最上层一次风横截面NOx质量浓度分布。由图4可以看出，沿着射流，燃烧器出口处的NOx质量浓度逐渐增大，由0升高至750 mg/m3，在炉膛中心四周形成较高的NOx浓度分布。原因是煤粉从燃烧器出口喷入炉膛后，受高温烟气的影响，挥发分及焦炭开始燃烧，O2体积分数急剧下降，煤粉中的氮有机化合物和空气中的的O2反应生成大量NOx。由于一次风截面速度旋流场尚未完全扩散加上偏转二次风的存在，近壁面处煤粉浓度及温度较低，NOx浓度相对较低。对3种工况一次风截面NOx质量浓度进行对比，随着偏置风偏转角度的增大，NOx质量浓度有所减少，壁面处NOx质量浓度由660 mg/m3降低至500 mg/m3，这是因为偏置风偏转角度的增大，降低了燃烧初期煤粉与氧气的混合速度，延迟了燃烧过程，炉内燃烧温度降低，形成强烈的还原性气氛，使NOx的反应速率降低，从而抑制了热力型NOx及燃料型NOx的生成。

3）最下层燃烧器区域NOx浓度最高，随着炉膛高度增加，NOx质量浓度逐渐减少。偏置风偏转角度增加后，炉膛内最高NOx质量浓度由860 mg/m3降低至750 mg/m3。偏置风偏转角度30°与偏转角度10°时相比较，炉膛出口处NOx质量浓度下降了10.3%。

  

图4 不同工况下最上层一次风横截面NOx质量浓度分布

图5为炉膛中心截面NOx质量浓度分布图。由图5可以看出，NOx在燃烧器区域有较高浓度分布，在燃烧器区域，随着炉膛高度的增加，NOx质量浓度逐渐减少，呈三角形分布，靠近壁面处及燃尽风上方区域的NOx浓度较低。原因是最下层燃烧器靠近冷灰斗，冷灰斗区域为下层燃烧器煤粉的燃烧提供了较多的O2，呈富氧状态，且最下层燃烧器温度约为1 480℃，有利于NOx的生成，故下部燃烧器区域产生较多NOx。最下层燃烧器起到稳燃作用，使上层燃烧器燃烧稳定，随着高度增加O2质量浓度逐渐降低，还原性气氛逐渐增强。偏置风偏转角度增大之后，由于二次风气流在水平方向分级，煤粉和空气的混合燃烧得以推迟，炉膛内最高NOx浓度由860 mg/m3降低至750 mg/m3，在燃烧器区域NOx浓度降低尤为明显。在燃尽风区域，由于大量空气的加入起到稀释的作用，造成燃尽风区域呈现较低的NOx分布。

（1）焊接试件准备 ①试件规格尺寸： NUS N08367，168.3mm×7.11mm管，长度：200mm 、2段，坡口形式为V形、坡口角度60°±5°、钝边1～2mm。②焊接材料：GTAW：E R N i C r M o-3、φ2.0m m，S M A W：E N i C r M o-3、φ3.2mm。③保护气体： 99.99%Ar。④组对要求：间隙2～5mm，错边量≤0.5mm，焊接位置5G。

[2]李钧，阎维平，李春燕，等.基于数值计算的煤粉锅炉NOx释放规律研究[J].中国电机工程学报，2009，29(23)：13-19.

从当前机械设计制造与自动化的运行发展现状分析，自动化技术作为机械设计制造与自动化技术应用的核心技术，自动化技术应用的可靠性和稳定性，则为技术发展中的主要影响因素。因此实际分析为确保机械设计制造与自动化运行的稳定性和可靠性，加强自动化系统研发中的模拟测试，落实自动化技术的试运行，则为技术发展中的主要注意事项。

  

图5 炉膛中心截面NOX质量浓度分布

  

图6 不同工况下NOX质量浓度沿炉膛高度的分布

  

图7 炉膛出口处的NOX质量浓度柱状图

4 结语

参考文献：

2）增大偏转二次风偏转角度，降低了燃烧初期煤粉与氧气的混合速度，炉膛中心四周NOx质量明显下降，壁面处NOx质量浓度由660 mg/m3降低至500 mg/m3。

为进一步分析客源市场结构的变化，本文依据各月网络关注度数据，计算各月首位度指数和首位度省区市场占有率(表1)。从表1中同样可以看出，张家界各月客源市场结构存在明显的变化，各月二省区指数、四省区指数和十一省区指数都存在差异，其中，3月、10～12月首位度指数较高，客源市场较集中，其它月份首位度相对较小且差异不大。二省区指数、四省区指数和十一省区指数均较小，说明张家界客源市场分布较均衡，结构较正常。市场占有率年内变化相似，二省、四省、十一省区市场占有率都呈现差异较小的“U”型变化，中间低，两端高。

1）以对角线45°角为基准，偏转二次风偏转角度在30°以内时，随着偏转角度增大，切圆直径逐渐增大，炉膛内均形成良好切圆，没有产生明显的射流偏斜冲刷水冷壁的现象。

[1]施亚岚，崔胜辉，许肃，等.需求视角的中国能 源消费氮氧化物排放研究[J].环境科学学报，2014，34(10)：2684-2692.

图6为不同工况下NOx质量浓度沿炉膛高度的分布曲线，从图6可以看出NOX质量浓度的分布在燃烧器区域呈上下波动，沿炉膛高度略微下降并最终趋于平稳。这是由于，在燃烧器区域同时发生着NO的氧化与还原反应，两个反应之间存在竞争，在富燃料区，部分NOx被还原为N2，使燃烧器区域的NOx质量浓度呈现波动。在燃烧器区域上方，SOFA风的加入使少量未燃尽的煤粉再次燃烧，NOx质量浓度略微升高，最终趋于平稳。对比3种工况下NOx质量浓度分布曲线可以看出，偏置风偏转角度增加后，炉膛内NOx质量浓度有明显的下降,由于燃烧初期缺氧延迟了煤粉的燃尽，在燃烧器区域产生的燃料型NOx较少，同时燃烧温度降低，热力型NOx也相应减少。图7为炉膛出口处的NOx质量浓度柱状图，由图7可以看出，炉膛出口处的NOx质量浓度随偏转二次风偏转角度增大呈减小趋势，与工况1相比，当工况3偏置风偏转角度为30°时，炉膛出口处的NOX质量浓度下降了10.3%。

数值计算采用simple算法，三维稳态计算，煤粉的颗粒直径分布遵循Rosin-Rammler公式，最小颗粒直径为10μm，最大直径为250μm，分布指数为1.15。炉膛壁面为无滑移边界条件，壁面辐射率设置为0.8。炉膛出口处过量空气系数为1.2，由于空气分级燃烧，主燃区过量空气系数小于1，燃尽区过量空气系数大于1。将偏置风喷射角度与炉墙呈45°认为是0°摆角，沿逆时针方向依次选取水平摆角10°、20°、30°和 35°，记为工况 1、工况 2、工况 3 和工况4。数值计算边界条件如表2所示。

能耗监测是能源管理的基础。一方面，只有知道各环节有多少能耗，各区域需要多少能耗，才能通过比对，发现不合理的用能模式，继而通过优化系统的运行模式，实现管理节能。另一方面，没有实际用能数据指导下的技术节能，很可能成为仅仅攀比“节能技术”的使用数量，将节能工作引入歧途。这是北医三院节能工作始终坚持以数据为导向的原因所在。

在适应新能源发展的电力规划过程中，在风力发电、太阳能发电等新能源的选址方面，要求必须综合考虑风能、太阳能等自然能源的分布情况。但是，在实际工作中发现，有些地区能源条件良好，但是地质环境恶劣，或者在海上。因此，在新能源发电厂的规划建设过程中，选址一般与负荷中心之间为逆向分布的关系。有些新能源发电厂与负荷中心之间的距离比较大，对于输电通道的要求比较高，同时，由于新能源发电厂的建设周期比较短，在电网的各类配套设施建设过程中，容易出现输电线路阻塞，输电线路稳定性比较差等问题。由此可见，在基于新能源的电力规划过程中，必须对输电线路容量进行科学合理的规划，为电力系统运行稳定性奠定基础。

[4]唐昭帆，卢玫，王克，等.空气分级与偏转二次风联用对炉膛燃烧特性的影响[J].锅炉技术，2016，47(06)：41-48.

[5]周昊,孙平,岑可法.偏转二次风系统600MW燃煤锅炉NOx排放特性及数值模拟[J].环境科学学报，2001，(02)：198-202.

[6]刘亚明，方勇，徐齐胜，等.600 MW对冲燃烧锅炉NOx排放特性的数值模拟[J].动力工程学报，2015，35(05)：341-347.

[7]DE SOETE G G.Overall reaction rates of NO and N2formation from fuel nitrogen[J].Symposium on Combustion，1975，15(1)：1093-1102.

文献[6-9]针对几种较大口径管道的打磨机器人进行了结构设计，实现利用行走机构完成管道内部的打磨工作；文献[10-11]提出了适用于小口径管道工作的小型机器人，它可携带特殊设备，完成对小口径管道内部的打磨、检测等工作；文献[12-14]分别针对V形刚构桥、扭杆结构和直线导轨建立了可靠性设计模型并进行了动态可靠性分析；文献[15-17]利用随机摄动方法完成了对机械零部件或机构的可靠度和灵敏度分析，为机械构件的设计奠定了基础。但很少有采用随机摄动方法对打磨机器人进行可靠性分析的研究。