呂　太，王新東

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

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600MW墻式切圓鍋爐變配風方式數(shù)值實驗研究

呂太，王新東

(東北電力大學 能源與動力工程學院，吉林 吉林 132012)

通過Fluent軟件，對某電廠一臺600 MW超臨界墻式切圓鍋爐變配風方式爐內(nèi)流動、傳熱、燃燒以及NO排放特性進行了數(shù)值模擬研究，通過模擬結果以及現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對三種工況進行了比較分析。結果表明：三種工況爐內(nèi)速度場和溫度場分布合理且均勻，充滿度較好；爐內(nèi)氧氣、一氧化碳和二氧化碳濃度場有著一些差別，但是基本符合要求；綜合考慮三種工況爐內(nèi)和爐膛出口模擬結果，工況1燃盡程度好，NO的排放量合適，再通過SCR可以進一步降低氮氧化物的排放，工況1更適合做為電廠運行工況，所得結果可以為電廠的擇優(yōu)運行提供一定的依據(jù)。

變配風方式；鍋爐燃燒；混煤；數(shù)值試驗

墻式切圓煤粉鍋爐是當前我國比較常用的超臨界煤粉鍋爐之一，其燃燒效果好，高溫腐蝕和結焦這類問題控制效果佳，但有時候也會出現(xiàn)問題。某電廠入爐煤種類多、品質(zhì)多變，尤其是近期燃用海外進口煤量越來越大，導致燃燒設備不能適應煤質(zhì)變化、飛灰和爐渣可燃物偏高、再熱汽溫偏低、末級再熱器管壁超溫嚴重等問題，為了減少問題的發(fā)生，本文利用數(shù)值計算軟件Fluent，對某電廠1號機組變配風方式組合爐內(nèi)的流動特性、燃燒特性以及爐膛出口排放特性進行了研究，并與現(xiàn)場熱態(tài)試驗進行對比分析，確定工況1為三種工況中最優(yōu)工況，為電廠的良好運行提供一定的參考，避免出現(xiàn)嚴重問題。

1　研究對象

圖1　爐膛截面示意圖

本文以某電廠1號哈爾濱鍋爐廠研發(fā)的超超臨界機組HG-2035/26.15-YM3四角墻式切圓鍋爐為數(shù)值模擬研究對象。鍋爐的爐膛深、寬、高分別為19 230 mm、19 268 mm、68 550 mm，直流鍋爐，采用П型布置、單爐膛、改進型低NOX分級送風燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，爐膛采用內(nèi)螺紋管垂直上升膜式水冷壁、帶再循環(huán)泵的啟動系統(tǒng)、一次中間再熱。制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹式系統(tǒng)，每爐配6臺ZGM113G-I磨煤機，B-MCR工況下5臺運行，1臺備用。每臺磨供一層共4只燃燒器，燃燒器為低NOX并配有分級送風系統(tǒng)，以進一步降低NOX生成量。爐膛側視圖和俯視圖，如圖1所示。由于設計煤種匱乏，燃用的煤種為(澳煤∶興業(yè)煤=4∶1)的煤以取代設計煤種，燃用煤質(zhì)分析如表1所示。

表1　燃用煤煤質(zhì)分析

圖2　爐膛網(wǎng)格圖

2　數(shù)學模型及計算方法

2.1計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分

模型選取從冷灰斗到上爐膛出口為數(shù)值模擬計算區(qū)域，利用Gambit對網(wǎng)格進行劃分，將整個區(qū)域一共主要分成以下4個區(qū)域：冷灰斗區(qū)、主燃燒器區(qū)域、燃盡風區(qū)域、上爐膛區(qū)域。由于燃燒器附近流動和燃燒劇烈，對主燃燒器區(qū)域和燃盡風區(qū)域用局部加密的方法進行網(wǎng)格劃分，以避免偽擴散的影響[1-2]和提高數(shù)值計算的準確性，經(jīng)過網(wǎng)格無關性驗證，最終確定網(wǎng)格類型為六面體網(wǎng)格[3]，總的數(shù)量約72萬，網(wǎng)格質(zhì)量為3.26。進行數(shù)值計算的時候，首先進行流場的冷態(tài)計算，大概為600步左右，爐膛流場穩(wěn)定后，再進行點火對爐內(nèi)熱態(tài)進行計算，大概為3000多步收斂。爐膛縱截面和橫截面網(wǎng)格，如圖2所示。

2.2數(shù)學與幾何模型

鍋爐爐膛內(nèi)煤粉顆粒的燃燒是一個非常復雜的過程，包含輻射傳熱、湍流流動及燃燒等，涉及到傳熱學、多相流及燃燒學等多個學科。本文用數(shù)值計算軟件Fluent對燃燒過程進行計算，采用三維穩(wěn)態(tài)[4]計算，Simple方法，可實現(xiàn)的k-ε雙方程模型[5-6]，P-1輻射模型模擬爐內(nèi)傳熱過程，采用隨機軌道模型對煤粉顆粒運動軌跡進行跟蹤。

顆粒大小符合Rosin-Rammlar分布，煤粉的揮發(fā)份析出采用雙步競爭反應模型，焦炭燃燒采用擴散動力控制燃燒模型，氣相湍流燃燒采用PDF(混合分數(shù)/概率密度函數(shù)，Probability Density Function)模型。

爐膛內(nèi)的NO的主要有三類，即：熱力型NO、燃料型NO和快速型NO[7]?？焖貼O的量則非常少，主要存在于富碳氫燃燒中，在此可以忽略不計；并且采用“后處理”(先計算爐膛內(nèi)燃燒狀況，然后再設置條件對NO進行計算)的方法對NO進行數(shù)值計算。

2.3邊界條件與計算工況

在保持氧氣量基本不變的情況下，改變二次風配風方式進行數(shù)值計算，燃煤器從上到下一共有8個二次風噴口，分為4組，分別為上二次風、中上二次風、中下二次風、下二次風，計算的工況為3個，采用的二次風配風方式分別為均等配風、倒塔配風、正塔配風，具體配風見表2所示。

表2　計算工況參數(shù)表

3　數(shù)值模擬結果及分析

3.1速度場

鍋爐爐膛內(nèi)流體流動的好壞一定程度上，決定著爐內(nèi)燃燒的好壞[8-10]。因此，在分析爐內(nèi)燃燒特性之前一定要先分析爐內(nèi)速度分布情況，圖3為不同配風方式下縱截面速度云圖?？傮w上，在E層燃燒器以上三者都呈現(xiàn)旋轉上升氣流，在E層燃燒器以下呈現(xiàn)旋轉下降氣流，燃燒器區(qū)域的速度較大，靠近爐膛壁速度就較大，而在爐膛中心速度小，速度場分布合理，有利于煤粉和空氣的混合和燃燒。從圖3中可知，三種配風方式比較可以看出，在燃燒器區(qū)域靠近壁面處，均等配風情況下的速度大小均勻，而正寶塔配風情況下的速度由下到上在變小，相反的倒寶塔配風情況下的速度由下到上在變大，且三種情況下高速度區(qū)域離壁面的距離合適，沒有出現(xiàn)煤粉氣流嚴重刷墻。

圖3　縱截面速度圖

最下層二次風橫截面速度云圖，如圖4所示。三種不同配風方式下均能形成完整逆時針切圓，由于受旋轉下降空氣流的擠壓和鄰角空氣流的沖擊，空氣射流發(fā)生一定程度的偏轉。比較三種工況可見，倒寶塔配風和均等配風切圓明顯優(yōu)于正寶塔配風方式，前兩種工況最下層二次風速大小合適，有利于煤粉和空氣的混合和燃燒，而正寶塔配風條件下速度達到61 m/s，空氣量過剩，空氣流的擾動和臨界的沖刷使切圓偏轉且不連續(xù)。

圖4　最下層二次風橫截面速度圖

3.2溫度場

三種配風方式下的爐膛縱截面溫度場，如圖5所示。燃料燃燒中心高低是鍋爐運行調(diào)整的關鍵因素，燃燒中心的好壞有可能導致爐膛結焦以及超溫爆管等問題的發(fā)生。由圖5可以看出，三種配風方式高溫區(qū)域主要集中在燃燒器和燃盡風區(qū)域，溫度由燃燒中心向冷灰斗區(qū)域及爐膛出口逐漸減小。倒塔配風燃燒中心高度明顯高于前兩種工況，前兩種火焰中心距離爐膛出口較遠，增加了煤粉在爐膛的燃燒時間，能夠更好的使煤粉完全燃燒，相反工況3的燃盡時間縮短不僅增加飛灰含碳量，而且增加了排煙熱損失。從這方面考慮，均等配風和正塔配風要比倒塔配風經(jīng)濟性更好。

圖5　縱截面溫度圖

圖6　沿爐膛高度O2濃度分布

3.3濃度場

變配風方式組合三種工況沿爐膛高度方向的橫截面氧氣平均摩爾濃度的線圖，如圖6所示。爐膛高度68米，在燃燒器區(qū)域取6個點，冷灰斗區(qū)域3個，上爐膛區(qū)域7個點。由圖4可以看出，在0到25米的區(qū)間內(nèi)工況2的氧氣量完全高于工況1和工況3，這是因為正寶塔配風方式底層燃燒器空氣過量，而均等配風方式和倒寶塔配風方式底層燃燒器空氣量不足。經(jīng)過第二層燃燒器后，工況1和工況3的空氣量得到補充，燃燒后剩余氧氣濃度接近工況2，三種在經(jīng)過燃燒器區(qū)域后氧氣濃度有個突降，工況1的降幅最大，燃盡風區(qū)域氧氣量增加，氧氣量保持不變。

圖7 沿爐膛高度CO濃度分布圖8 沿爐膛高度CO2濃度分布

變配風方式組合三種工況沿爐膛高度方向的橫截面CO和CO2平均摩爾濃度的線圖，如圖7、圖8所示。由圖7可以看出，CO主要分布在燃燒器區(qū)域，且工況3的CO摩爾濃度明顯高于工況1和工況2的CO摩爾濃度，這因為倒寶塔配風方式爐膛下部缺氧不能使煤粉顆粒充分燃燒。由于工況3下部缺氧而上部氧氣量多，這也推遲了煤粉顆粒的燃燒，使得煤粉顆粒不能充分燃盡，增加爐膛出口的飛灰含碳量。由圖8可以看出，工況1的CO2摩爾濃度高于工況2和工況3的CO2摩爾濃度，說明工況1二次風分配更加合理，比工況2和工況 3燃燒更加充分。

3.4爐膛出口參數(shù)

變配風方式三種工況爐膛出口的飛灰含碳量和NO排放量，如圖9所示。由圖9可以看出，工況1、工況2和工況3數(shù)值模擬所得到的飛灰含碳量為1.72%、1.92%和2.31%，而NO排放量為349 mg/m3、335 mg/m3和315 mg/m3，電科院在現(xiàn)場所做的飛灰含碳量實驗數(shù)據(jù)為1.89%、1.98%和2.42%及NO排放量數(shù)據(jù)為340.8 mg/m3、323.7 mg/m3和308.5 mg/m3。模擬結果與現(xiàn)場試驗結果進行對比，誤差可以忽略不計，證明數(shù)值模擬結果的正確性?？梢钥闯?，工況1的飛灰含碳量最小，而爐膛出口NO排放量最多，但是都在SCR進一步處理后達到排放要求，說明均等配風風量安排合理，能夠很好的組織鍋爐內(nèi)煤粉燃燒，控制污染物的生成。所以，工況1相比工況2和工況3更加適合電廠運行，可以為電廠的合理運行提供一定的參考。

圖9　爐膛出口飛灰含碳量和NO排放量

4　結　　論

(1)由爐內(nèi)速度場和溫度場可得，爐內(nèi)煤粉與氣流混合良好，有利于煤粉的燃燒與燃盡，沒有煤粉氣流刷墻，壁面溫度合適，可以避免高溫腐蝕和結焦。

(2)由于配風方式不同，三種工況爐內(nèi)濃度場有著一定程度的區(qū)別。在燃燒器區(qū)域以下，工況2氧氣量偏多，工況1在此區(qū)域氧氣量合適，而在此區(qū)域的二氧化碳量正好相反，在燃燒區(qū)域以后工況1的CO2摩爾濃度含量最高，說明工況1的燃盡程度高。一氧化碳主要是工況3前期氧氣量不足，造成CO摩爾濃度偏高。

(3)數(shù)值計算所得出的三種工況爐膛出口飛灰含碳量和NO摩爾濃度與現(xiàn)場實驗測量數(shù)據(jù)進行對比分析。工況1爐膛出口的飛灰含碳量最少，說明煤炭燃盡程度高，而爐膛出口NO摩爾含量稍高，但符合環(huán)保標準。綜合考慮，工況1可以作為電廠運行的最佳工況，可以為電廠運行提供一定的參考。

[1]王志剛，禚玉群，陳昌，等.四角切圓鍋爐流場偽擴散效應網(wǎng)格的研究[J].中國電機工程學報，2011，31(5)：22-27.

[2]潘偉，池作和，斯東坡，等.四角切圓燃燒鍋爐爐膛網(wǎng)格生成方法的研究[J].動力工程，2005，25(3)：359-363.

[3]王頂輝，王曉天，郭永紅.燃盡風噴口位置對NOx排放的影響[J].動力工程學報，2012，32(7)：524-527.

[4]呂太，崔體磊.600MW超超臨界墻式切圓鍋爐爐內(nèi)流動與燃燒特性研究[J].東北電力大學學報，2014，34(5)：11-16.

[5]呂太，閆晨帥，劉維岐.300MW煤粉鍋爐燃燒器優(yōu)化改造數(shù)值模擬分析[J].熱力發(fā)電，2014，43(7)：56-60.

[6]呂太，趙凱，許賀.600MW墻式切圓鍋爐燃燒器數(shù)值模擬優(yōu)化及改造研究[J].電站系統(tǒng)工程，2015，31(2)：1-4.

[7]閻維平，劉亞芝.300MW四角切圓煤粉鍋爐燃燒工況的數(shù)值模擬及優(yōu)化研究[J].鍋爐技術，2007，38(6)：14-18.

[8]Fan WD，Lin ZC，Li YY，Li Y.Effect of temperature on NO release during combustion of coals with different ranks[J].Energy Fuels，2010(34)：1573-1583.

[9]李文艷.電站鍋爐煤粉燃燒過程及結渣的數(shù)值模擬.[D].北京：華北電力大學，2002，34-57.

[10] 王奇.600MW超臨界W火焰鍋爐燃燒過程數(shù)值研究.[D].吉林：東北電力大學，2014，6-18.

Optimal Simulation and Experiment on Combustion Characteristics of Air Distribution for 600 MW Unit Wall Type Tangentially Fired Boiler

LV Tai，WANG Xin-dong

(Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

Flow，heat transfer，combustion，NO emission were studied through numerical simulation under different combination modes of air distribution for a 600 MW unit wall type tangentially fired boiler with Fluent.Three kinds of conditions were compared through simulation results and field test data，The results show the velocity and temperature distribution of three kinds of working conditions are reasonable，uniform and have good fullness.The O2，CO，CO2distribution of furnace have some differences，but basically meet the requirements.Considering the three kinds of working conditions of the simulation results of the furnace and the furnace exit，for the first work condition，degree burn is better and NO of the furnace exit is suitable，NO of the furnace exit can be reduced by SCR again，so the first work condition is more suitable for power plant operation.so the results can provide some guidance for the better operation of Power plant.

Different combination modes of air distribution；Combustion of boiler；Mixed coal；Simulation and experiment

2016-04-12

呂太(1957-)，男，吉林省吉林市人，東北電力大學能源與動力工程學院教授，碩士，主要研究方向：高納煤利用與脫鈉技術.

1005-2992(2016)04-0055-06

TK223.23

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