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        W火焰鍋爐低NOx燃燒新系統(tǒng)C風(fēng)風(fēng)率優(yōu)化數(shù)值模擬研究

        2021-06-29 02:08:18周安鸝繆倫奇
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年17期
        關(guān)鍵詞:煤粉爐膛湍流

        周安鸝 繆倫奇

        (1、汕尾職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 汕尾516600 2、廣東紅海灣發(fā)電有限公司,廣東 汕尾516600)

        W火焰鍋爐因其特別適用于燃燒如無煙煤、貧煤等揮發(fā)分含量少、活性差的煤而在近年來快速發(fā)展起來。目前W火焰鍋爐主要有:FW(Foster Wheeler)型、B&W(Babcock&Wilcox)型、MBEL(Mitsui Babcock Energy Limited)型,Stein型這四種類型[1],本文所研究的是一臺FW型W火焰鍋爐。雖然W火焰鍋爐具有下爐膛溫度水平高、煤粉顆粒路徑長、停留時(shí)間長等優(yōu)勢,但在實(shí)際運(yùn)行中還是存在一些如NOx排放量較高的問題。根據(jù)中國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對燃煤機(jī)組NOx的排放標(biāo)準(zhǔn),要求在脫銷之后W火焰鍋爐的NOx排放要低于200mg/m3[2]。因此,在飛灰含碳量沒有顯著增加的情況下,對W火焰鍋爐進(jìn)行一些減少或控制NOx排放的措施是十分必要的。

        本文的研究內(nèi)容就是基于這樣一種對飛灰含碳量沒有顯著影響但可以降低近50%的NOx排放量的低NOx燃燒新系統(tǒng)進(jìn)行的,對該系統(tǒng)C層二次風(fēng)(文中簡稱C風(fēng))的風(fēng)率進(jìn)行了優(yōu)化研究,以期對實(shí)際運(yùn)行過程提供參考。

        1 鍋爐概況

        本文研究對象為一臺采用了低NOx燃燒新系統(tǒng)的600MW FW型W火焰鍋爐。W火焰鍋爐被爐拱分成了上爐膛和下爐膛兩部分,爐拱上對稱布置有雙旋風(fēng)燃燒器。圖1為該低NOx燃燒新系統(tǒng)示意圖,這種新系統(tǒng)主要具有以下特征[3]:(1)將淡煤粉一次風(fēng)噴嘴位置從拱上移動(dòng)到拱下,并且將72組噴嘴合并為36組;(2)A層二次風(fēng)由原始的環(huán)形噴口變?yōu)閳A形噴口噴入爐膛;(3)原始的D、E層二次風(fēng)合并,通過環(huán)形噴口噴入爐內(nèi),同時(shí)冷卻乏氣風(fēng)噴嘴;(4)原始的F1、F2層二次風(fēng)合并為F層二次風(fēng);(5)部分二次風(fēng)(約占總風(fēng)率的20%)用來作為分離燃盡風(fēng)(SOFA風(fēng)),并將SOFA風(fēng)布置在上爐膛位置。該鍋爐高50.150 m,上爐膛寬9.906 m,深34.480 m;下爐膛寬16.062 m,深34.480 m。研究中燃用的煤種信息見表1。

        圖1 低NOx燃燒新系統(tǒng)

        表1 燃用煤種工業(yè)分析和元素分析

        2 數(shù)學(xué)模型與計(jì)算條件

        利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件Fluent 6.3.26 對該低NOx燃燒新系統(tǒng)鍋爐爐內(nèi)湍流流動(dòng)、煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)、湍流燃燒、輻射傳熱以及NOx生成等過程進(jìn)行數(shù)值模擬。計(jì)算中所采用的模型如下[4-6]:采用可實(shí)現(xiàn)k-ε湍流模型對湍流流動(dòng)進(jìn)行計(jì)算;對氣相湍流燃燒則采用混合分?jǐn)?shù)/PDF模型;采用隨機(jī)軌道模型對煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行模擬;采用雙方程競爭模型對煤的熱解過程進(jìn)行模擬;焦炭燃燒過程則采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型進(jìn)行模擬;輻射傳熱計(jì)算采用P1模型。熱力型NO采用擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理進(jìn)行計(jì)算;燃料型NO采用De Soete模型模擬。

        對該鍋爐進(jìn)行建模后進(jìn)行分區(qū)域、結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分,如圖2所示。為了減少計(jì)算誤差,對主燃燒區(qū)的網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化,并使燃燒器出口區(qū)域的網(wǎng)格方向與爐內(nèi)氣流流動(dòng)方向一致。對該模型劃分了2.80 ×106、3.26 ×106、3.82 ×106及4.27 ×106這4個(gè)不同數(shù)量的網(wǎng)格體系,通過網(wǎng)格獨(dú)立性測試后采用了由3.82 ×106個(gè)網(wǎng)格組成的網(wǎng)格模型進(jìn)行模擬研究。研究中以3%的C層二次風(fēng)風(fēng)率為梯度設(shè)置工況,其工況設(shè)置如表2所示。

        圖2 鍋爐模型及網(wǎng)格劃分

        表2 工況設(shè)置

        3 計(jì)算結(jié)果及分析

        3.1 不同C風(fēng)風(fēng)率下爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒及NO排放特性

        圖3為爐膛寬度中心截面上的速度場分布,可以看到:在不同的C風(fēng)風(fēng)率下,爐內(nèi)氣流在下沖一段距離后均轉(zhuǎn)而上行,在主燃燒區(qū)形成兩個(gè)回流區(qū),氣流流動(dòng)呈明顯的“W”形,說明所建立的模型可以正確反映出該FW型W火焰鍋爐爐內(nèi)的空氣動(dòng)力特性。但隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,拱上氣流下沖深度逐漸減小,回流區(qū)有所上移,這可能是因?yàn)殡S著C風(fēng)風(fēng)量的減小,C風(fēng)對煤粉氣流的引射作用減弱造成的。

        圖3 速度場

        圖4為爐膛寬度中心截面上的溫度場分布,可以看到在爐膛中心截面上爐內(nèi)溫度分布基本對稱,各不同工況下爐內(nèi)最高溫度在1900K左右。但隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,高溫區(qū)域的面積逐漸減小,爐內(nèi)溫度水平降低,主燃燒區(qū)略有下移,火焰充滿度降低。這是因?yàn)殡S著C風(fēng)風(fēng)率的減小,拱上氣流下沖深度減小,爐拱回流區(qū)減小,部分煤粉停留時(shí)間變短,從而使得燃盡率降低,釋放的熱量減少。

        圖4 溫度場

        圖5為爐膛寬度中心截面上的氧量分布,可以看到:隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,下爐膛主燃燒區(qū)的氧含量逐漸降低,上爐膛氧含量升高,靠近冷灰斗區(qū)域的氧含量略有增加。這是因?yàn)殡S著C風(fēng)風(fēng)量的減少,對煤粉氣流的托舉作用減弱,導(dǎo)致少量煤粉落入下爐膛燃燒,爐渣也會相應(yīng)有所增加。

        圖5 氧量分布

        圖6為NO含量沿爐膛高度的變化曲線??梢钥吹?,隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,NO含量逐漸降低。這是因?yàn)殡S著C風(fēng)風(fēng)率的減小,主燃燒區(qū)的氧含量降低,還原性氣氛增強(qiáng),因而對NOx還原作用增加;同時(shí),隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小使得空氣分級程度增加,燃燒劇烈程度減弱,爐內(nèi)溫度水平降低,有利于熱力型NOx的降低。

        圖6 NO含量沿爐膛高度的變化曲線

        3.2 不同C風(fēng)風(fēng)率下爐膛出口燃盡特性

        圖7為不同C風(fēng)風(fēng)率下燃盡率的變化曲線。從圖中可以看到,隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小燃盡率不斷降低。這是因?yàn)殡S著C風(fēng)風(fēng)率的減小,爐內(nèi)回流區(qū)減小,拱上氣流下沖深度減小,部分煤粉停留時(shí)間變短,而煤粉的著火距離變長,從而使得燃盡率降低。另一方面由于C風(fēng)風(fēng)率的減小,使得空氣分級程度增加,因而燃盡率降低。

        圖7 燃盡率隨C風(fēng)風(fēng)率的變化曲線

        4 結(jié)論

        本文利用數(shù)值模擬的方法,研究了某低NOx燃燒新系統(tǒng)W火焰鍋爐的C風(fēng)風(fēng)率對燃燒特性及NO排放特性的影響。得到的主要結(jié)論有:

        4.1 隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,對煤粉氣流的托舉作用減弱,拱上氣流下沖深度減小,爐內(nèi)燃燒劇烈程度減弱使得溫度水平降低。

        4.2 隨著C風(fēng)風(fēng)率的減小,空氣分級程度增加,主燃燒區(qū)的氧含量降低,還原性氣氛增強(qiáng);且爐內(nèi)溫度水平降低,均有利于降低NO排放量。

        4.3 C風(fēng)風(fēng)率對煤粉燃盡率有較大的影響;隨著C風(fēng)風(fēng)率的降低,爐內(nèi)回流區(qū)減小,部分煤粉停留時(shí)間變短,而煤粉的著火距離變長,使得煤粉燃盡率不斷降低。

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