陳 磊, 范浩杰, 吳 磊, 張 健, 章明川

(1.上海交通大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院,上海 200240;2.上海吳涇第二發(fā)電有限責(zé)任公司,上海 200241)

隨著全國火電廠裝機(jī)容量加大,燃煤機(jī)組耗油量也逐年增加.目前,中國電力工業(yè)年耗油量已達(dá)1.6×107t,其中電廠鍋爐啟停耗油量占60%,低負(fù)荷穩(wěn)燃耗油量占40%.我國的石油資源相對匱乏,現(xiàn)階段每年需要進(jìn)口原油1.5×108t,預(yù)計2020年中國的石油消費量將達(dá)到4×108t以上,其中需要進(jìn)口2×108t以上,節(jié)約石油資源對我國來說至關(guān)重要[1].面對如此嚴(yán)峻的形勢,開發(fā)煤粉直接點火技術(shù),降低點火耗油具有重要意義.

針對煤粉氣流點火,科研工作者開發(fā)出許多新型點火燃燒裝置:(1)少油點火燃燒器,采用高壓配風(fēng)油燃燒器,適用于各煤種;(2)氣化小油槍點火,適用于高揮發(fā)分的褐煤、煙煤,采用多級送粉;(3)等離子點火燃燒器,利用電離空氣產(chǎn)生高溫氣流來引燃煤粉,由于引燃的煤粉產(chǎn)生的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x不夠,容易熄火,且維修費用較貴,近幾年該技術(shù)發(fā)展停滯;(4)感應(yīng)加熱無油直接點火燃燒器,可用于點燃揮發(fā)分含量較高的煙煤;(5)激光加熱點火燃燒器,利用激光直接加熱煤粉顆粒,而不是加熱著火環(huán)境.在上述各種點火燃燒器中,后兩種目前尚處于實驗研究階段.從煤種的適用范圍及運行穩(wěn)定性的角度來說,少油點火燃燒器有廣闊的應(yīng)用前景,目前也已在多家電站成功地應(yīng)用.

煤粉鍋爐燃燒器點火的研究方法主要分試驗方法和數(shù)值計算方法兩類.燃燒器的試驗研究要求運行條件苛刻、成本消耗大且周期長,國內(nèi)外僅有少油點火燃燒技術(shù)的零散試驗研究,Liu Chunlong[2]采用全尺度試驗方法研究不同供煤量時燃燒器內(nèi)煤粉的點火.相對于試驗方法,對燃燒器進(jìn)行數(shù)值計算的方法簡便、成本低廉且可操作性強(qiáng),有廣泛的應(yīng)用,如Askarova等[3]考慮116種化學(xué)反應(yīng)模擬了等離子燃燒器中煤粉著火及燃燒過程,考察揮發(fā)分析出及焦炭燃燒受動力控制的影響,但忽略了煤粉顆粒升溫、動力/擴(kuò)散聯(lián)合控制的炭粒燃燒本質(zhì).對于煤粉少油燃燒器的點火燃燒情況,付忠廣[1]、閆高程[4]等都成功地進(jìn)行了模擬研究,而國外對該技術(shù)的數(shù)值計算研究還較少.

筆者運用Fluent計算軟件對上海吳涇第二發(fā)電有限責(zé)任公司600 MW超臨界四角切圓燃燒鍋爐中的少油點火燃燒器點火進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了少油點火技術(shù)改造后促進(jìn)煤粉著火及燃燒的影響因素,這對該技術(shù)的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義.

1 少油點火燃燒器介紹

雙強(qiáng)少油煤粉燃燒器長約3.5 m,出口尺寸為0.64 m×0.605 m,見圖1(a).煤粉濃縮裝置用于調(diào)整煤粉的濃淡分布.油槍套管保護(hù)著油槍管、點火器以及火檢裝置,并為高壓油霧提供最初的著火場所.然后,油火焰進(jìn)入煤粉燃燒器內(nèi)點燃煤粉.保護(hù)套筒用于保護(hù)燃燒器壁面不被高溫火焰燒壞.在燃燒器后部壁面上置有氣膜風(fēng)保護(hù)燃燒器口.

圖1 少油燃燒器結(jié)構(gòu)圖及網(wǎng)格劃分Fig.1 Schematic and meshing of the tiny-oil burner

2 少油點火燃燒器的數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模擬計算方法

科研工作者對油燃燒器的結(jié)構(gòu)、油燃燒的影響因素等方面進(jìn)行了比較詳盡的研究[4-5].在模擬油燃燒方面,Reitz[6]模擬了燃油液滴破碎現(xiàn)象,Kim等[7]利用顆粒軌跡方法模擬燃油噴入燃燒器的過程.本文重點研究影響煤粉著火的因素,避開了較為復(fù)雜的油火焰模擬,采用發(fā)熱源區(qū)的方法簡化油的燃燒模型.燃油量為100 kg/h、一次風(fēng)速為23 m/s時,燃燒器內(nèi)沿軸向中心線上最高溫度約為1 350 K,溫度分布與文獻(xiàn)[2]中的試驗結(jié)果非常吻合.

煤粉燃燒反應(yīng)需要建立一系列描述其物理、化學(xué)變化過程的數(shù)學(xué)模型,包括表述氣固兩相流動,氣固兩相間動量、能量和質(zhì)量的傳遞,煤粉干燥,揮發(fā)分析出及反應(yīng),焦炭燃燒反應(yīng)模型及其輻射傳熱等過程的模型.將氣相作為連續(xù)相介質(zhì),在歐拉(Eulerian)坐標(biāo)系中描述,采用 Realizab le k-ε湍流模型模擬氣相湍流運輸,用2組分混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)(mixture 2 fraction/PDF)模擬氣相湍流燃燒;將煤粉顆粒作為離散相物質(zhì),在拉格朗日(langrangian)坐標(biāo)系中描述;采用拉格朗日法處理煤粉顆粒的揮發(fā)分析出、燃燒和煤焦燃燒過程,以及氣固兩相間的質(zhì)量、動量和能量的相互作用;對揮發(fā)分的析出采用雙平行模型,采用動力/擴(kuò)散反應(yīng)速率模型模擬煤粉表面的燃燒,該模型假定表面反應(yīng)速率同時受到擴(kuò)散過程和動力過程的影響;考慮顆粒輻射和空間輻射,用DO輻射模型開展輻射傳熱模擬.

已知爐內(nèi)氣相流場、溫度場和組分場等分布情況,可在拉格朗日坐標(biāo)系下根據(jù)顆粒受力的微分方程求出煤粉顆粒的運動軌跡,煤粉在運動過程中放出的組分、熱量和動量均認(rèn)為是氣相場中的源項.交替求解離散相和連續(xù)相的控制方程,實現(xiàn)了氣固兩相的耦合計算.

在出口后加長3 m的計算區(qū)域,以研究煤粉噴出燃燒器后的著火燃燒情況(圖1(b)).

2.2 模擬工況設(shè)計

采用設(shè)計煤種(神木煤)作為計算煤種,其工業(yè)及元素分析見表1.

影響燃燒器內(nèi)煤粉著火的主要因素包括燃油量、輸送煤粉的空氣氣流速度、煤粉顆粒粒徑以及煤粉與空氣的質(zhì)量比(簡稱煤粉濃度).在進(jìn)行數(shù)值模擬過程中,每次只改變一個參數(shù),而固定其他幾個參數(shù)不變,研究這一參數(shù)對煤粉著火的影響.模擬參數(shù)的分布見表2.

表1 神木煤煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)Tab.1 Proximate and ultimate analysis of Shenmu coal

表2 模擬參數(shù)分布Tab.2 Simulation parameters

3 計算結(jié)果分析與討論

從燃燒器內(nèi)揮發(fā)分析出、燃燒以及焦炭燃燒方面研究了燃油量、一次風(fēng)速、煤粉粒徑以及煤粉與空氣的質(zhì)量比對燃燒的影響.

3.1 燃油量對煤粉著火的影響

煤粉少油點火燃燒器是將燃油和煤粉同時噴入燃燒器內(nèi),利用油火焰放熱一次性點燃煤粉.燃油量的大小直接影響煤粉著火,燃油量過小造成點火困難甚至無法點火,而過大會增加成本,還可能燒壞燃燒器壁面.

圖2給出了供煤量為5 t/h、燃油量(從左向右依次是)60 kg/h、70 kg/h、80 kg/h 、90 kg/h、100 kg/h時的溫度分布.燃油量為60 kg/h,燃燒器內(nèi)溫度在800 K左右,初步判斷煤粉沒能成功著火.隨著燃油量變大,燃燒器內(nèi)整體溫度變高,并且煤粉著火位置逐步提前.燃油量為80 kg/h時,煤粉顆粒經(jīng)過油火焰區(qū)后,首先吸收熱量,然后揮發(fā)分開始析出并燃燒,燃燒放熱促進(jìn)焦炭的燃燒,燃燒器內(nèi)部氣流局部溫度達(dá)到約2 000 K,煤粉已經(jīng)成功著火.在滿足燃燒器內(nèi)煤粉著火的前提下,應(yīng)盡可能降低燃油量的消耗.

圖2 各燃油量下燃燒器內(nèi)溫度分布Fig.2 Temperature distribution inside the burner at different oil feed rates

不同燃油量下燃燒器內(nèi)煤粉著火情況見圖3.燃油量小于70 kg/h時,揮發(fā)分析出燃燒以及焦炭燃燒比率都非常低,這表示煤粉在燃燒器內(nèi)很難著火;燃油量為80 kg/h時,少量焦炭已經(jīng)著火,但是煤粉燃燒比率還較低.隨著燃油量的增加,揮發(fā)分析出燃燒以及焦炭燃燒的量逐漸增大.

圖3 不同燃油量下煤粉著火燃燒情況Fig.3 Ignition and combustion conditions at different oil feed rates

在實際啟動過程中,尾部煙道的灰分含碳量達(dá)到39.9%左右,煤粉的燃盡率較低.電廠冷爐點火啟動采用80 kg/h燃油量,改造前每次啟動平均耗油為442 t,改造后每次啟動僅耗油12 t,節(jié)油率達(dá)到97.3%.

3.2 一次風(fēng)速對煤粉著火的影響

在燃油量為80 kg/h、供煤量為5 t/h時研究一次風(fēng)速分別為 16 m/s、18 m/s、20 m/s、22 m/s、24 m/s時煤粉點火燃燒情況.圖4為一次風(fēng)速改變時燃燒器內(nèi)煤粉的著火情況.隨著一次風(fēng)速增大,圖中所示3個比率都減小,風(fēng)速高于20 m/s時,點燃煤粉變得比較困難.風(fēng)速為18 m/s時,在燃燒器內(nèi)部有9%左右揮發(fā)分燃燒,燃燒器出口的最高溫度達(dá)到約2 000 K.另外,一次風(fēng)速變大,煤粉著火位置延后,一次風(fēng)速超過22m/s后,燃燒器內(nèi)氣流最高溫度降到約1 150 K.

在燃燒器結(jié)構(gòu)及一次風(fēng)溫確定的情況下,一次風(fēng)速大小代表著風(fēng)量的多少,一次風(fēng)速度過快,導(dǎo)致氣流帶走的熱量過多,煤粉的著火位置偏后.在滿足輸送煤粉的風(fēng)速要求下,點火初期盡量降低一次風(fēng)速,隨著爐內(nèi)溫度升高及供煤量增大而相應(yīng)增大一次風(fēng)速.

圖4 不同一次風(fēng)速下煤粉著火燃燒情況Fig.4 Ignition and combustion conditions at different prim ary air velocities

3.3 煤粉粒徑對煤粉著火的影響

煤粉粒徑是點火階段可控因素之一.電站鍋爐用煤粉粒徑一般在0～100μm,其中 20～50μm占絕大多數(shù).圖5給出了不同煤粉粒徑時煤粉著火燃燒情況.

圖5 不同煤粉粒徑下煤粉著火燃燒情況Fig.5 Ignition and com bustion conditions with different sizes of pulverized coal

煤粉顆粒粒徑取20μm時,燃燒器內(nèi)部有78%的揮發(fā)分析出,超過62%的揮發(fā)分燃燒,超過22%的煤粉顆粒完全燃燒.隨著顆粒粒徑增大,揮發(fā)分析出燃燒以及焦炭燃燒比率很快下降,當(dāng)煤粉粒徑達(dá)到80μm以上時,煤粉顆粒中只有12%的揮發(fā)分析出.因此可以認(rèn)為,煤粉粒徑較小時,單位質(zhì)量的煤粉顆粒與空氣的接觸面積增大,氣流熱量更快地傳遞給顆粒,而焦炭燃燒時的熱量擴(kuò)散影響變小,更有利于著火.

煤粉顆粒粒徑為20μm時,燃燒器出口氣流平均溫度為1 435 K,粒徑為40μm時出口溫度就降到約800 K,粒徑為100μm時,燃燒器出口氣流平均溫度僅為503 K,可見煤粉粒徑對煤粉著火的影響非常明顯.在鍋爐點火階段,煤粉粒徑是較易控制的因素,以較小的代價減小煤粉粒徑,會有效地促進(jìn)煤粉點火.

3.4 煤粉濃度對煤粉著火的影響

吳涇第二發(fā)電有限責(zé)任公司鍋爐冷啟動點火時僅開底層燃燒器,啟動1臺磨煤機(jī),磨煤機(jī)最低出粉量為12 t/h,最高出粉量為55 t/h.在鍋爐點火啟動的大部分時間里是采用固定的煤量對爐膛進(jìn)行升溫,研究煤粉濃度對煤粉著火的影響以確定鍋爐冷態(tài)啟動時磨煤機(jī)的進(jìn)煤量.筆者模擬煤粉濃度為0.199、0.319、0.477 、0.637、0.795(kg/kg)5 種工況的煤粉點火情況,對應(yīng)的磨煤機(jī)出粉量分別為12.5 t/h 、20 t/h 、30 t/h 、40 t/h 和 50 t/h.

計算得到氣流溫度云圖見圖6.在相同供油量下,煤粉濃度變大,煤粉著火位置延后,其原因是煤粉濃度較低時,油火焰提供的熱量比較充分,煤粉中揮發(fā)分析出燃燒更容易.但在5種模擬工況下,當(dāng)煤粉濃度為0.319時的氣流高溫區(qū)域最大.

圖6 各煤粉濃度下的氣流溫度分布圖Fig.6 Temperature distribution of gas flow at different coal concentrations

圖7為各種煤粉濃度時煤粒揮發(fā)分析出比率、揮發(fā)分燃燒比率和焦炭燃燒比率的變化。從圖7可見,由于煤粉濃度的增大,煤粉顆粒內(nèi)揮發(fā)分析出、燃燒以及焦炭燃燒比率都降低.但是由于送入的煤粉濃度的不同,這3個比率的高低并不能完全說明揮發(fā)分析出量的變化規(guī)律.另外,煤粉燃燒放熱反過來也會促進(jìn)煤粉的著火燃燒,實際上在煤粉濃度為0.319時燃燒器出口截面平均溫度最高,為778.77 K.

為進(jìn)一步描述煤粉濃度的影響,圖8列出大范圍內(nèi)(包含燃燒器后面3 m計算區(qū)域內(nèi))的煤粉揮發(fā)分析出、燃燒以及焦炭燃燒的比率.

圖7 不同煤粉濃度下煤粉著火燃燒情況Fig.7 Ignition and combustion conditions at different coal concentrations

從圖8可見,煤粉濃度為0.362時,包含燃燒器后3 m計算區(qū)域內(nèi)揮發(fā)分析出比率達(dá)到80.21%,近77%的揮發(fā)分完全燃燒,焦炭燃燒比率也達(dá)到15.21%,燃燒效果最好.可以認(rèn)為,燃燒器內(nèi)部煤粉著火主要依賴于燃油的放熱量,隨著著火的煤粉氣流進(jìn)入爐膛,已燃煤粉對未燃煤粉的加熱作用也逐漸體現(xiàn)出來.

圖8 不同煤粉濃度下計算區(qū)域內(nèi)煤粉燃燒情況Fig.8 Combustion conditions of pulverized coal in computational zone at different coal concentrations

綜上所述,對應(yīng)一定燃油量必然存在一個最佳的煤粉濃度,若煤粉濃度過低,使得煤粉著火燃燒后放熱量降低,致使氣流溫度升高;若煤粉濃度過高,則使煤粉著火燃燒前吸熱量不夠,使煤粉中的碳不能充分燃燒,導(dǎo)致灰分含碳量變高.文獻(xiàn)[5]對不同煤粉濃度的煙煤點火進(jìn)行了試驗研究,得到一定燃油量等條件下的最佳煤粉濃度,這也驗證了本文的模擬結(jié)果.在 80 kg/h的燃油量下,煤粉濃度為0.362,即供煤量在22 t/h時,煤粉著火燃燒情況最好,有利于降低飛灰含碳量和防止鍋爐快速升溫,與文獻(xiàn)[8]中的著火適宜的煤粉濃度在0.27～0.43結(jié)果相吻合.

4 結(jié) 論

(1)燃油量增加,煤粉的著火位置提前.從經(jīng)濟(jì)性考慮,點火油量控制在80 kg/h為佳,既能保證煤粉顆粒在點火階段成功點燃,又能降低燃油消耗.

(2)一次風(fēng)速對煤粉點燃的影響明顯,風(fēng)速越小越有利于煤粉的快速點燃.在啟動的初始階段,可保持一次風(fēng)速小于18 m/s,隨著供煤量的變大,風(fēng)速相應(yīng)變大,總體上一次風(fēng)速控制在16～24m/s.

(3)減小煤粉粒徑可以促進(jìn)煤粉點燃.煤粉粒徑為20μm時燃燒器內(nèi)煤粉燃燒比率比粒徑為40 μm時大一倍左右.

(4)一定的燃油量相應(yīng)地存在一個最優(yōu)的煤粉濃度,在燃油量為 80 kg/h時,煤粉濃度控制在0.362最佳.煤粉濃度過低導(dǎo)致煤粉著火燃燒放熱量降低;煤粉濃度過高不僅增加煤粉著火難度,而且造成鍋爐尾部出口氣流中的灰分含碳量增大.

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