王小龍，張飛龍，王 里，劉 興，譚厚章

（1.神華神東煤炭集團有限責任公司，陜西 神木 719315； 2.西安交通大學熱流科學與工程教育部重點實驗室，陜西 西安 710049； 3.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

由于低揮發(fā)分煤儲量巨大[1]、具有成本優(yōu)勢，我國有50多臺300 MW及以上容量的四角切圓鍋爐燃用低揮發(fā)分煤[2]。然而，低揮發(fā)分煤因揮發(fā)分能夠提供的加熱作用有限，送入爐膛后穩(wěn)定燃燒較難，燃盡特性較差，這一問題在低氮燃燒模式下主燃燒區(qū)缺氧運行時更為突出[3-5]。采用特別設計的爐膛結構能夠對低揮發(fā)分煤的穩(wěn)定燃燒起到促進作用，例如W型爐或鋪設衛(wèi)燃帶可以通過提高主燃區(qū)溫度改善著火燃盡狀況[6-8]，但氮氧化物排放較高[9]。煤粉預燃技術在實驗室層面被證實能夠同時實現(xiàn)高燃盡率和低氮氧化物排放[10-11]，但對于正在運行的鍋爐，改造難度較大。

在已有電站鍋爐對低揮發(fā)分煤進行高效潔凈利用的可行途徑是與高揮發(fā)分煤進行摻燒利用。研究結果[12]表明，與爐外摻燒方式相比，進行爐內摻燒能夠減少高揮發(fā)分煤在燃燒初期“搶風”的不利影響。但是，對于實際電站鍋爐中低揮發(fā)分煤摻燒比例、摻燒位置影響的研究，仍然存在爭議[13-14]。低揮發(fā)分煤采用更小的煤粉細度是獲得良好燃燒穩(wěn)定性的關鍵[15]，但需要研究煤粉細度在空間位置分布對燃盡率的影響，以避免磨煤成本的浪費。

本文針對燃用低揮發(fā)分貧煤的300 MW機組四角切圓鍋爐，通過數(shù)值模擬的方法研究低揮發(fā)分貧煤摻燒位置、摻燒比例及煤粉粒徑對爐內燃燒過程及焦炭燃盡率的影響，為低氮燃燒模式下低揮發(fā)分煤摻燒應用提供理論指導。

1 研究對象與數(shù)值模型

某300 MW機組四角切圓鍋爐采用中間一次再熱、自然循環(huán)、單爐膛Π型布置。爐膛高度為64 m，截面為正方形，主燃燒區(qū)截面積為163 m2。24只燃燒器分6層布置，其中B—F層燃燒器為百葉窗水平濃淡燃燒器，噴口中心布置水平鈍體結構強化穩(wěn)燃。A層燃燒器中心布置點火油槍，內部不布置百葉窗結構及穩(wěn)燃鈍體，燃燒器假想切圓直徑為 790 mm，逆時針旋轉（俯視）。考慮到A層結構的特殊性，本文低揮發(fā)分煤摻燒計算僅針對B—F層展開。同時，基于該鍋爐實際結構按照1:1的比例建立幾何模型，采用ICEM網(wǎng)格劃分軟件進行分區(qū)網(wǎng)格劃分。冷灰斗區(qū)域及爐膛頂部區(qū)域網(wǎng)格較為稀疏，對主燃燒區(qū)及燃盡區(qū)網(wǎng)格進行局部加密，經(jīng)網(wǎng)格無關性驗證后，最終選取200萬網(wǎng)格進行計算。爐膛結構示意及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 爐膛結構示意及網(wǎng)格劃分Fig.1 Schematic diagram of the furnace and its mesh generation

爐內燃燒是湍流流動與劇烈燃燒反應耦合過程，本文建立配煤摻燒數(shù)值模型，對貧煤爐內摻燒過程進行模擬。其中，氣相湍流流動采用可實現(xiàn)k-ε模型；氣相組分之間的反應采用組分輸運渦耗散模型；固體顆粒跟蹤采用拉格朗日隨機軌道模型； 顆粒粒徑分布采用Rosin-rommler分布，平均粒徑40 μm；輻射傳熱采用DO模型；揮發(fā)分釋放采用雙競爭速率模型；焦炭燃燒采用動力/擴散控制模型。輸入煤質為該鍋爐運行煤質，其工業(yè)分析及元素分析見表1。由表1可見，低揮發(fā)分煤與高揮發(fā)分煤的揮發(fā)分、H及O質量分數(shù)差異明顯。

表1 煤質工業(yè)分析與元素分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of the coals

2 結果與討論

2.1 摻燒位置對燃盡率的影響

為了研究爐內摻燒時低揮發(fā)分煤送入位置的影響，僅從2層一次風噴口送入低揮發(fā)分煤，其余4層一次風噴口送入煙煤，通過改變低揮發(fā)分煤的送入位置，低揮發(fā)分煤分別從BC層、CD層、DE層及EF層一次風送入爐內進行摻燒，以研究摻燒位置的影響。

圖2為不同摻燒位置下爐膛中心截面的溫度分布。由圖2可以看出，分離燃盡風至屏式過熱器之間的區(qū)域，煙氣溫度隨著低揮發(fā)分煤摻燒層高度的增加而上移。這說明低揮發(fā)分煤在較高位置摻入后，火焰中心上移，著火燃燒過程推遲。

圖2 摻燒位置對爐膛溫度分布的影響Fig.2 Effect of co-firing position on furnace temperature distribution

在爐膛出口位置統(tǒng)計所有送入煤粉顆粒的焦炭燃盡率，結果如圖3所示。由圖3可以看出，隨著低揮發(fā)分煤的摻燒位置逐漸由B、C層上移至E、F層，焦炭燃盡率由98.9%降低至98.2%。

圖3 摻燒位置對燃盡率的影響Fig.3 Effect of blended position on burnout ratio

造成這一現(xiàn)象的主要原因有：送入高度增加后，焦炭在爐內停留時間降低；同時，下層燃燒器送入的燃料能夠在初始階段及燃燒過程中，與相鄰二次風供給的氧氣進行接觸，而E、F層送入的煤粉僅能在燃燒初始階段與相鄰二次風進行反應，且需要與下層送入后上行煤粉爭奪新補入的氧氣，不利于E、F層送入煤粉著火燃盡。

對每一工況下通過每層噴口送入的煤粉顆粒進行追蹤，能夠統(tǒng)計到每層噴口送入低揮發(fā)分煤至爐膛出口位置的焦炭燃盡率，其結果如圖4所示。由圖4可以看出，通過E、F層一次風噴口送入的煤粉其焦炭燃盡率明顯低于通過其他層一次風噴口送入的煤粉。這也是導致煤粉從較高位置送入后總體焦炭燃盡率顯著降低的原因。與E層相比，盡管F層送入的煤粉其停留時間較短，但是由于F層與頂置FF層二次風相鄰，在燃燒初期具備優(yōu)于 E層的補氧條件，F(xiàn)層煤粉的燃盡率高于E層。

圖4 不同送入位置煤粉的焦炭燃盡率Fig.4 The coal char burnout ratios with different nozzles

2.2 摻燒比例對燃盡率的影響

分別對低揮發(fā)分煤摻燒比例為17%（B層）、33%（B、C層）、50%（B、C、D層）、67%（B、C、D、E層）及83%（B、C、D、E、F層）的燃燒過程進行計算，結果如圖5所示。

圖5 爐膛出口位置焦炭燃盡率Fig.5 The coal char burnout ratios at the furnace outlet

從圖5可以看出：焦炭燃盡率隨著摻燒比例增加而降低，隨著低揮發(fā)分煤摻燒比例由17%變?yōu)?3%，爐膛出口焦炭燃盡率由99.1%降低至97.2%；同時，摻燒層數(shù)由3層增加至4層時焦炭燃盡率顯著減小，4—5層摻燒的燃盡率顯著低于1—3層。這與圖3和圖4不同位置摻燒的結果一致，即從上兩層一次風（E及F層）送入的低揮發(fā)分煤，其燃盡率顯著低于從其他層送入的煤粉，進一步增加低揮發(fā)分煤摻燒比例受到E層和F層送入煤粉的燃盡率限制。因此，提高低揮發(fā)分煤在這兩層的焦炭燃盡率有利于進一步增加低揮發(fā)分煤的利用率。

2.3 小粒徑煤粉分層摻燒對燃盡率的影響

低揮發(fā)分煤從高位送入燃盡率較低這一特性，限制了低揮發(fā)分煤摻燒比例的進一步增加。而通過更小粒徑煤粉燃燒的方式來提高焦炭燃盡率會導致磨煤成本的增加。本節(jié)將探討如何通過較低的煤粉磨制成本實現(xiàn)低揮發(fā)分煤的變粒徑分層摻燒，以獲得較高的焦炭燃盡率。

計算基礎工況低揮發(fā)分煤摻燒比例為83%，所有低揮發(fā)分煤（BCDEF層）粒徑均為70 μm。在此基礎上，分別對不同比例的低揮發(fā)分煤粒徑減小至40 μm進行摻燒，考慮到E層和F層的焦炭燃盡率較低，因此摻燒順序為從高層開始、逐漸向低層擴展。摻燒比例分別為：17%（F層為40 μm，CDEF層為70 μm）、33%（EF層）、50%（DEF層）、67%（CDEF層）及83%（BCDEF層為40 μm）。對不同小粒徑低揮發(fā)分煤摻燒時，沿著爐膛高度橫截面的平均溫度進行統(tǒng)計，結果如圖6所示。

圖6 爐膛截面平均溫度Fig.6 The average temperatures at the furnace cross sections

由圖6可以看出：在從EF層送入小粒徑低揮發(fā)分煤工況下，爐膛溫度在下4層燃燒器對應區(qū)域并無顯著差別，而在E、F層爐膛溫度顯著增大，這說明爐膛溫度的上升是更小粒徑顆粒送入后所致；隨著小粒徑低揮發(fā)分煤的送入，主燃區(qū)的整體溫度水平相應提高，這說明小粒徑煤粉著火及燃燒反應提前發(fā)生，所釋放的熱量提升了爐膛溫度。

圖7為不同比例的小粒徑低揮發(fā)分煤摻燒時爐膛出口的焦炭燃盡率。從圖7可以看出：焦炭燃盡率隨著小粒徑低揮發(fā)分煤摻燒比例增加，先迅速上升，高于2層后增長率趨緩；小粒徑煤摻燒比例由0層增加至5層時，焦炭燃盡率由97.6%增加至99.2%；但僅通過從E、F這2層一次風噴口送入小粒徑煤粉，爐膛出口焦炭燃盡率即可達到98.9%；將E、F層替換為小粒徑煤時焦炭燃盡率提升1.33%，進一步將B、C、D 3層低揮發(fā)分煤替換為小粒徑煤，僅僅能使焦炭燃盡率提升0.26%。因此，從最上2層送入小粒徑低揮發(fā)分煤能夠在較少磨煤成本投入的前提下，獲得較高的燃盡率。而進一步增加小粒徑煤層數(shù)獲得的燃盡率提升較小。

圖7 不同比例的小粒徑低揮發(fā)分煤摻燒時 爐膛出口的焦炭燃盡率Fig.7 The coal char burnout rates at the furnace outlet when different proportions of small particle size low volatile coal is co-fired

3 結論

1）低揮發(fā)分煤摻燒位置對燃盡率有顯著影響，低揮發(fā)分煤經(jīng)最上2層（E、F層）燃燒器送入后其焦炭燃盡率顯著低于中下層燃燒器（B、C、D）送入的低揮發(fā)分煤。這是由于煤粉停留時間與局部氧擴散效應在不同高度送入的差異所致。

2）焦炭燃盡率隨著低揮發(fā)分煤摻燒比例的增加而降低。隨著低揮發(fā)分煤摻燒比例由17%增加至83%，焦炭燃盡率由99.1%降低至97.2%。

3）采用較小粒徑低揮發(fā)分煤替代大粒徑煤粉進行摻燒時，當其摻燒比例由0層增加至5層時，焦炭燃盡率由97.6%增加至99.2%。但僅通過最上2層一次風噴口送入小粒徑煤粉，爐膛出口焦炭燃盡率即可達到98.9%。因此，合理選擇低揮發(fā)分煤摻燒位置和粒徑，對低揮發(fā)分煤高效摻燒具有指導意義。

4）本文建立的配煤摻燒數(shù)值模型能夠模擬同類煤粉鍋爐爐內配煤摻燒過程，獲得爐內溫度分布及飛灰含碳量的定量數(shù)據(jù)，替代大量現(xiàn)場試驗，提前獲得最優(yōu)配煤摻燒方案。