陳麗霞

(廣東省機(jī)電設(shè)備招標(biāo)中心，廣東 廣州510030)

0 引言

為了適應(yīng)電煤市場(chǎng)形勢(shì)的變化，國(guó)內(nèi)某電廠積極開(kāi)展非設(shè)計(jì)煤種的試燒工作，其中印尼煤的摻燒工作是近期非設(shè)計(jì)煤種試燒工作的重點(diǎn)。雖然國(guó)內(nèi)多數(shù)電廠均在摻燒印尼煤，但在多個(gè)電廠出現(xiàn)爆炸、結(jié)焦等事故，印尼煤摻燒技術(shù)并不成熟。所以該電廠對(duì)摻燒印尼煤的安全、環(huán)保及經(jīng)濟(jì)特性進(jìn)行評(píng)估，摸清摻燒印尼煤對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的潛在影響，對(duì)摻燒的安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面的評(píng)估，并最終確定可行的印尼煤摻燒方案。

本文采用數(shù)值模擬方法對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、傳熱及燃燒進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及氣氛?qǐng)?，?duì)研究爐內(nèi)燃燒情況、結(jié)渣情況，優(yōu)化摻燒具有重要指導(dǎo)意義［1－3］。

1 鍋爐概況

根據(jù)項(xiàng)目需求，模擬對(duì)象為爐膛出口前的整個(gè)爐膛，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。圖1中分別標(biāo)注了鍋爐爐膛總體結(jié)構(gòu)尺寸、冷灰斗結(jié)構(gòu)尺寸、折焰角區(qū)域及爐膛出口區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖1 鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位:mm)

該電站鍋爐原設(shè)計(jì)是采用同心三切圓燃燒方式，其特點(diǎn)是一次風(fēng)、油風(fēng)室二次風(fēng)及下端部二次風(fēng)射流形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ1 047 mm小切圓，二次風(fēng)及上端部風(fēng)室射流形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ7 366 mm大切圓。燃盡風(fēng)室射流形成一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ4 855 mm中反切切圓，由于受燃燒器實(shí)際安裝的影響使得反切動(dòng)量不夠，該電廠對(duì)2號(hào)機(jī)組的上端部風(fēng)室進(jìn)行了改造，形成15°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的直徑Φ3 410 mm假想反切切圓。

鍋爐燃燒器呈四角布置，每角所布置的燃燒器包括6層煤粉燃燒器、三層油風(fēng)室、兩層中間二次風(fēng)室、一層下端部二次風(fēng)室、一層上端部風(fēng)室和兩層燃盡風(fēng)室。一次風(fēng)周?chē)贾糜兄車(chē)物L(fēng)。

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

鍋爐爐內(nèi)的氣體流動(dòng)為三維湍流反應(yīng)流，其平均流可視為穩(wěn)態(tài)流，因此，可用通常的守恒方程進(jìn)行描述。對(duì)于工業(yè)運(yùn)用比較成熟的湍流可采用標(biāo)準(zhǔn)的k－ε湍流模型、修正的k－ε湍流模型和RNG k－ε湍流模型，在此選用RNG k－ε湍流模型。顆粒運(yùn)動(dòng)的計(jì)算運(yùn)用拉格朗日方法，已知?dú)怏w的流場(chǎng)，就可以按時(shí)間積分求出各個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。模擬中采用雙平行反應(yīng)模型來(lái)模擬煤的熱解過(guò)程。輻射傳熱使用Lockwood和Shah等提出的離散傳播法(Discrete Transfer Method)計(jì)算輻射傳熱。這個(gè)方法以熱通量為基礎(chǔ)，兼具有區(qū)域法，Monte－Carlo法的優(yōu)點(diǎn)，因而有較高的計(jì)算效率，并能夠得到很好的結(jié)果［4－11］。

3 模擬試驗(yàn)研究

3.1 網(wǎng)格處理

模擬過(guò)程中流體網(wǎng)格采用73×68×135(X×Y×Z)的正交非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格，并在燃燒器和屏區(qū)邊界附近進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，輻射網(wǎng)格采用30×58×51(X×Y×Z)，其中沿燃燒器噴口截面、爐膛寬度和深度方向網(wǎng)格劃分如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 燃燒器噴口截面網(wǎng)格劃分

圖3 爐膛寬度截面網(wǎng)格劃分

圖4 爐膛深度截面網(wǎng)格劃分

3.2 模擬試驗(yàn)工況條件

本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)要求，對(duì)100%負(fù)荷下印尼煤3號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)印尼3)摻燒方案進(jìn)行了模擬研究。在模擬試驗(yàn)過(guò)程中，燃用煤種包括基礎(chǔ)煤種山優(yōu)混和印尼3。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)摻燒試驗(yàn)，6臺(tái)磨煤機(jī)全部投入運(yùn)行，其中4號(hào)、5號(hào)磨煤機(jī)依次摻燒印尼3，1～6號(hào)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的燃燒器分別為A－F。各配比下磨煤機(jī)投運(yùn)情況如表1所示。

表1 各配比下磨煤機(jī)投運(yùn)情況

煤質(zhì)特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 燃用煤質(zhì)特性

基礎(chǔ)煤、印尼3及混煤灰熔點(diǎn)見(jiàn)表3。

表3 基礎(chǔ)煤、印尼3及混煤灰熔點(diǎn)

3.3 山優(yōu)混摻燒印尼3模擬分析

(1)前后墻近壁面煙氣溫度及氧量場(chǎng)分布

圖5和圖6為山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量隨爐膛高的變化曲線。從圖中可以看出，三種工況下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量分布趨勢(shì)相同，高溫區(qū)(＞1 500℃)主要集中在15～25 m區(qū)域，處于燃燒器的中上部。單燒山優(yōu)混時(shí)，此區(qū)域煙氣溫度明顯高于其他兩種混煤工況，而且分布面積大，所以摻燒一定量的印尼煤可以降低近壁面處高溫區(qū)的溫度，有利于減小爐膛水冷壁結(jié)渣傾向。但是由于印尼3灰熔點(diǎn)較低，摻燒過(guò)量的印尼煤，雖然能夠降低近壁面處高溫區(qū)的溫度，但由于降溫幅度不大，仍可能高于印尼3灰熔點(diǎn)，摻燒過(guò)量的印尼3會(huì)使?fàn)t膛內(nèi)結(jié)渣更嚴(yán)重。

圖5 前后墻近壁面煙氣溫度分布

圖6 前后墻近壁面含氧量分布

從圖6可以看出，近壁面區(qū)域含氧量在燃燒器區(qū)域較大，隨著爐膛高度增加逐漸趨于穩(wěn)定。摻燒印尼3的兩種工況燃燒器區(qū)域的含氧量明顯低于單燒山優(yōu)混的含氧量，這是因?yàn)橛∧?中揮發(fā)份含量大于山優(yōu)混中揮發(fā)份含量，著火迅速，著火距離短，在爐墻區(qū)域耗氧量大。

(2)側(cè)墻近壁面處煙氣溫度及氧量場(chǎng)分布

圖7和圖8顯示的是山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下側(cè)墻近壁面處煙氣溫度和含氧量隨爐膛高度的變化曲線。

圖7 側(cè)墻近壁面處煙氣溫度分布

圖8 側(cè)墻近壁面處煙氣含氧量分布

從圖中可以看出，三種工況下的溫度和含氧量曲線變化趨勢(shì)相同，近壁面處煙氣溫度隨著爐膛高度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，氧濃度在燃燒器區(qū)域較大，在冷灰斗以及燃燒器以上區(qū)域氧濃度含量低。與前后墻近壁面處高溫區(qū)分布相比，側(cè)墻近壁面處高溫區(qū)面積較小，可能產(chǎn)生結(jié)渣區(qū)域面積也較小。從圖9可以看出，三種工況下高溫區(qū)分布隨著印尼3摻燒量的增大逐漸減小，但印尼3的灰熔點(diǎn)較低，摻燒量越大越易結(jié)渣，因此側(cè)墻的結(jié)渣傾向雖較前后墻小，但依舊存在結(jié)渣風(fēng)險(xiǎn)。

(3)屏區(qū)底端溫度場(chǎng)和氧量場(chǎng)分布

圖9和圖10為山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下屏區(qū)底端(爐膛高度為36 m)煙氣溫度和氧濃度隨爐膛深度的變化曲線。

圖9 屏區(qū)底端煙氣溫度分布

圖10 屏區(qū)底端煙氣氧量場(chǎng)分布

由圖9可看出，屏區(qū)底端煙氣溫度在爐膛中心溫度最高，然后向兩邊逐漸減小，三種工況最高溫度均小于1 400℃，單燒山優(yōu)混和摻燒少量(混配比為5∶1)的印尼3時(shí)，煙氣溫度沒(méi)有達(dá)到山優(yōu)混和混煤的灰熔點(diǎn)，結(jié)渣可能性小;印尼3摻燒量增大，雖然此區(qū)域溫度略有降低，但可能高于印尼3的灰熔點(diǎn)，容易在屏區(qū)底端產(chǎn)生結(jié)渣。

由圖10可看出，三種工況下屏區(qū)底端煙氣中氧濃度分布趨勢(shì)相同，爐膛中心氧濃度小，向兩側(cè)濃度略有增大，摻混印尼3比例越大，該區(qū)域氧濃度越小。

(4)爐膛出口信息

山優(yōu)混與印尼3在三種工況下?tīng)t膛出口信息模擬結(jié)果如表4所示。

表4 爐膛出口信息統(tǒng)計(jì)表

從表中可以看出，隨著印尼3混配比例的增大，爐膛出口溫度逐漸升高，這是因?yàn)橛∧?摻混比例較大時(shí)，總煤量較大，印尼3水分含量較大，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量較大，由煙氣經(jīng)過(guò)爐膛出口帶走熱損失大，爐膛出口煙溫較大。從三種工況下燃盡率比較可以看出，山優(yōu)混的燃盡率優(yōu)于印尼3，摻燒印尼3量越多，燃盡率越低。與燃盡率對(duì)應(yīng)的飛灰含碳量隨著印尼3摻燒量的增多逐漸增大。模擬結(jié)果還顯示，三種工況下?tīng)t膛出口含氧量幾乎相同。

4 結(jié)論

混煤方案試驗(yàn)研究表明:摻燒一定量的印尼煤有利于改善爐膛內(nèi)的結(jié)渣特性。印尼3灰熔點(diǎn)較低，與高熱值基礎(chǔ)煤摻混時(shí)容易產(chǎn)生結(jié)渣，摻燒比例不宜過(guò)大，既能夠改善爐膛內(nèi)的燃燒狀況，又有助于改善爐膛結(jié)渣性能。根據(jù)模擬結(jié)果分析，基礎(chǔ)煤與印尼3進(jìn)行混配的最優(yōu)推薦比例為5∶1。

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