王為術(shù),王 涵,唐遙義,王飛躍

(華北水利水電大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,河南 鄭州 450045)

新疆準(zhǔn)東高堿煤儲(chǔ)量近4 000億t[1]。準(zhǔn)東高堿煤具有燃燒性能好、揮發(fā)分高等優(yōu)點(diǎn)。但因其堿金屬含量高,導(dǎo)致在電站運(yùn)行過(guò)程中易出現(xiàn)受熱面沾污與過(guò)熱器超溫等問(wèn)題[2-5]。旋風(fēng)燃燒具有旋流強(qiáng)度大,燃燒溫度高等優(yōu)點(diǎn)。旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐耦合了旋風(fēng)燃燒與液態(tài)排渣的特點(diǎn),直接將熔融的富集堿金屬的煤灰排出爐膛,解決了長(zhǎng)期以來(lái)只能摻燒高堿煤發(fā)電的難題[6]?？諝夥旨?jí)燃燒技術(shù)通過(guò)分級(jí)補(bǔ)入的燃盡風(fēng)降低了燃燒溫度,有效抑制了鍋爐中生成的NOx,具有十分廣泛的應(yīng)用前景[7-9]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)研究空氣分級(jí)燃燒對(duì)NOx釋放的影響。張曉輝[10]對(duì)兩種不同的鍋爐機(jī)組進(jìn)行立體分級(jí)燃燒鍋爐工業(yè)試驗(yàn),NOx排放濃度較大程度降低,最低可控制至 250 mg/m3左右。楊建成[11]針對(duì)某 600 MW鍋爐采用了濃淡分離燃燒器及分離式燃盡風(fēng)布置耦合使用的方法,對(duì)鍋爐進(jìn)行了合理改造并進(jìn)行工業(yè)試驗(yàn),結(jié)果表明燃盡風(fēng)比例的提高與出口氧量的降低對(duì)抑制NOx的排放具有一定影響。李慧[12]自行設(shè)計(jì)搭建了一維滴管爐系統(tǒng)進(jìn)行了空氣分級(jí)對(duì)比實(shí)驗(yàn),探究了多種影響因素對(duì)NOx排放規(guī)律的研究,結(jié)果表明分級(jí)燃燒可以有效降低NOx濃度,脫硝率可高達(dá)80%。受限于研究成本與研究限制,很多學(xué)者采用數(shù)值模擬研究的方法進(jìn)行研究。彭丹[13]針對(duì)某循環(huán)流化床鍋爐進(jìn)行空氣分級(jí)數(shù)值模擬研究并對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)改造后的二次風(fēng)可有效降低NOx濃度,但爐膛溫度也會(huì)隨之降低。呂當(dāng)振[14]等針對(duì)某600 MW亞臨界鍋爐,數(shù)值研究了空氣分級(jí)燃燒技術(shù)對(duì)NOx排放的影響。劉帥[15]針對(duì)某電廠(chǎng)站四角切圓鍋爐,采用數(shù)值模擬的方法研究了不同燃盡風(fēng)布置方案對(duì)NOx排放特性的影響,確定了最佳燃盡風(fēng)布置方案。王為術(shù)[16]數(shù)值研究了整體過(guò)量空氣系數(shù)變化對(duì)旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐的影響,過(guò)量空氣系數(shù)為1.15時(shí),出口NOx濃度最低。

不同空氣分級(jí)方案對(duì)純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒及NOx釋放具有重大影響。本文根據(jù)團(tuán)隊(duì)研究結(jié)論,針對(duì)純?nèi)夹L(fēng)液態(tài)排渣鍋爐,基于Fluent 2020R2軟件,研究了過(guò)量空氣系數(shù)為1.15時(shí)深度空氣分級(jí)對(duì)旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒及NOx排放特性的影響,以期為工業(yè)示范鍋爐運(yùn)行優(yōu)化提供理論支持。

1 數(shù)值模擬模型及計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

論文研究對(duì)象為新型旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐,采用旋風(fēng)燃燒可以有效提高燃燒過(guò)程中的溫度,同時(shí)采用液態(tài)排渣的方法可以有效捕捉熔融灰渣中的堿金屬。將原有的旋流燃燒器替換為新型旋風(fēng)燃燒器,單只旋風(fēng)燃燒器的旋流角度及熱負(fù)荷與原始燃燒器保持一致。新型旋風(fēng)燃燒器為多層絕熱結(jié)構(gòu),均使用耐高溫材料,以期弱化熱輻射傳熱對(duì)出口煙溫及捕渣室溫度的影響。同時(shí)為實(shí)現(xiàn)空氣深度分級(jí)燃燒,減少鍋爐燃燒過(guò)程中NOx的生成,在熔渣室右側(cè)區(qū)域上部開(kāi)設(shè)燃盡風(fēng)I噴口,在左側(cè)燃盡室區(qū)域共布置8個(gè)燃盡風(fēng)Ⅱ、Ⅲ噴口從而實(shí)現(xiàn)深度空氣分級(jí)燃燒。使用煤種參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 燃料特性

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

由于純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐整體呈左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),在保證計(jì)算精度的前提下采用對(duì)稱(chēng)部分進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)鍋爐實(shí)際尺寸構(gòu)建1∶1液態(tài)排渣鍋爐幾何模型,鍋爐整體幾何模型如圖1(a)。在鍋爐燃盡室上方布置有兩排8只液態(tài)排渣旋風(fēng)燃燒器,布置方式為雙列逆向,布置方式如圖1(b)所示。旋流方向相反布置可強(qiáng)化了爐膛中氣流與煤粉混合程度,提高煤粉燃盡率,提升鍋爐總效率。

圖1 幾何模型與燃燒器布置形式

為優(yōu)化網(wǎng)格結(jié)構(gòu),提高計(jì)算精度。使用ICEM軟件將旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐劃分為不同區(qū)域,對(duì)不同網(wǎng)格區(qū)域分別采取不同劃分方法。旋風(fēng)燃燒器氣流高速旋轉(zhuǎn),湍流強(qiáng)度較大強(qiáng)烈混合,導(dǎo)致旋風(fēng)燃燒器模型較其他區(qū)域更為復(fù)雜,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分可以更準(zhǔn)確模擬復(fù)雜燃燒反應(yīng)過(guò)程;熔渣室區(qū)域和燃盡室區(qū)域形狀較為規(guī)則選用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分;因豎直煙道區(qū)域形狀比較規(guī)則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行劃分,網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算方法及模型選擇

燃燒過(guò)程中煙氣的旋流強(qiáng)度大且有局部渦流選用RNGk-ε可較好預(yù)測(cè);煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)選用拉格朗日隨機(jī)軌道模型;輻射傳熱采用P-1輻射模型;爐內(nèi)燃燒則選用PDF非預(yù)混燃燒模型,煤粉燃燒選用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型模擬;對(duì)于燃燒過(guò)程中生成NOx,主要考慮燃料型NOx和熱力型NOx[17-18]。

空氣分級(jí)燃燒主要受過(guò)量空氣系數(shù)、燃盡風(fēng)率和燃盡溫度等影響。選定過(guò)量空氣系數(shù)為1.15,數(shù)值研究深度空氣分級(jí)對(duì)爐內(nèi)燃燒及NOx釋放特性的影響。其中工況1～工況3主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.85,工況4、工況5主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.9,工況6主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.95。工況設(shè)置詳見(jiàn)表2。

表2 模擬工況匯總 kg/s

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

對(duì)網(wǎng)格依次進(jìn)行加密,選取網(wǎng)格數(shù)量分別為430萬(wàn)、550萬(wàn)、620萬(wàn)、690萬(wàn)、7 300萬(wàn),設(shè)置相同的邊界條件,進(jìn)行迭代計(jì)算,以鍋爐出口溫度和鍋爐出口NOx濃度作為計(jì)算標(biāo)準(zhǔn),進(jìn)行無(wú)關(guān)性驗(yàn)證,結(jié)果如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

從圖3中可以看出,網(wǎng)格1、網(wǎng)格2與加密之后其他網(wǎng)格存在明顯差異,難以滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求,網(wǎng)格三的差異已較小,但仍存在一定差異。網(wǎng)格4與網(wǎng)格5,雖然網(wǎng)格尺寸減小,密度加大,但模擬結(jié)果已基本無(wú)差距。因此選取方案4進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

2 結(jié)果與分析

2.1 爐內(nèi)溫度分布特性

圖4中給出了深度空氣分級(jí)工況下燃燒過(guò)程中沿?zé)煔饬鲃?dòng)方向平均溫度分布。由圖4可知,不同深度空氣分級(jí)工況下?tīng)t膛內(nèi)氣體溫度變化規(guī)律一致,爐內(nèi)燃燒整體較好,溫度分布合理。一、二次風(fēng)在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)發(fā)生強(qiáng)烈擾動(dòng)迅速混合發(fā)生劇烈燃燒該區(qū)域溫度迅速上升,在燃盡風(fēng)I入口前達(dá)到峰值 1 973.6 K。隨后分級(jí)補(bǔ)入的常溫燃盡風(fēng)會(huì)稀釋煙氣為目的導(dǎo)致截面平均溫度稍有降低,而后煤粉中未燃盡的焦炭顆粒與補(bǔ)入的三次風(fēng)混合均勻充分燃燒,該區(qū)域溫度再次升高,在豎直煙道區(qū)域溫度趨于穩(wěn)定。工況1～工況3主燃區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)為0.85低于工況4～工況6,因此在主燃區(qū)溫度較低。隨后因補(bǔ)入的燃盡風(fēng)風(fēng)量存在差異,在燃盡室區(qū)域溫度變化趨勢(shì)發(fā)生改變,燃盡風(fēng)風(fēng)量越大,爐膛截面平均溫度越低,爐膛出口最低溫度為1 375.45 K。對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),鍋爐爐膛出口溫度為 1 405.63 K,與模擬結(jié)果爐膛出口最大差值為 57.45 K,誤差為 4.05%,可以驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖4 不同工況下沿?zé)煔饬鞒虦囟确植?/p>

2.2 爐內(nèi)各組分分布特性

圖5～圖7中給出了不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐沿?zé)煔饬鞒谭较騉2、CO2與CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。從圖5～圖7中可以看出,各組分分布規(guī)律具有一致性,在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)快速下降,這是由于在燃燒初期消耗了大量的O2,同時(shí)生成了大量的CO2與CO,兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨之升高。燃盡室區(qū)域所有工況下O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)小幅升高,這是由于分級(jí)送入的三次風(fēng)的補(bǔ)入,同時(shí)也導(dǎo)致CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,但由于補(bǔ)充的風(fēng)量的差異導(dǎo)致變化速率不同。在熔渣室右側(cè)區(qū)域,此處為富氧區(qū)域,CO會(huì)與O2繼續(xù)反應(yīng)生成CO2導(dǎo)致該區(qū)域CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有上升,CO與O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則呈現(xiàn)相反趨勢(shì)。CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在旋風(fēng)燃燒器出口區(qū)域迅速下降,其主要原因是由旋風(fēng)燃燒器過(guò)度至燃盡室區(qū)域時(shí),煙氣在此區(qū)域流動(dòng)范圍大幅增大,從而使得CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大程度下降。在燃盡室區(qū)域,旋風(fēng)燃燒器的布置方式強(qiáng)化了煙氣與未燃盡焦炭顆?；旌铣潭?提高了煤粉燃盡率,起到強(qiáng)化燃燒的作用,故此區(qū)域CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)仍保持升高趨勢(shì)。當(dāng)煙氣流經(jīng)熔渣室左側(cè)與左側(cè)燃盡室區(qū)域到達(dá)豎直煙道區(qū)域時(shí),各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本保持穩(wěn)定。通入燃盡風(fēng)比例越高,局部O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升速率越高,CO與CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨后也會(huì)升高。

圖5 不同工況下沿?zé)煔饬鞒蘋(píng)2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖6 不同工況下沿?zé)煔饬鞒藽O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖7 不同工況下沿?zé)煔饬鞒藽O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

2.3 爐內(nèi)NOx濃度分布特性

圖8給出了各工況旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒過(guò)程中NOx質(zhì)量濃度分布。由圖8中可以得知,工況1～工況6爐膛內(nèi)NOx質(zhì)量濃度變化規(guī)律基本相同,在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域,處于燃燒初始階段時(shí),爐內(nèi)O2較為充足,燃燒初期煤粉會(huì)有揮發(fā)分大量析出,旋風(fēng)燃燒器內(nèi)溫度驟升,大量消耗O2,在此區(qū)域內(nèi)呈現(xiàn)強(qiáng)氧化性氣氛,熱力型NOx與燃料型NOx在此區(qū)域大量生成。至主燃區(qū)出口處升至最高,NOx質(zhì)量濃度迅速上升至 992.41 mg/m3,當(dāng)煙氣從旋風(fēng)燃燒器區(qū)域流經(jīng)燃盡室時(shí),由于通流面積的突增,NOx質(zhì)量濃度在此區(qū)域下降。當(dāng)煙氣流經(jīng)燃盡風(fēng)I入口區(qū)域時(shí),燃盡風(fēng)的補(bǔ)入有助于煤粉中未燃盡的焦炭顆粒完全燃盡,同時(shí)溫度較低的燃盡風(fēng)會(huì)稀釋該區(qū)域煙氣溫度,該區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升,O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)下降,NOx在該還原性氣氛下被還原,此區(qū)域NOx質(zhì)量濃度故呈下降趨勢(shì)。隨后煙氣流經(jīng)熔渣室區(qū)域,剩余部分CO繼續(xù)還原NOx,最后到達(dá)豎直煙道區(qū)域趨于穩(wěn)定。由圖8中還可知,工況1鍋爐出口NOx質(zhì)量濃度最低,這是由于工況1中燃盡風(fēng)II和燃盡風(fēng)III的風(fēng)量占比最高,可有效稀釋燃燒溫度,抑制熱力型NOx的生成。在鍋爐出口處,不同工況下NOx濃度分別為391.14、407.25、428.35、451.21、466.39、471.73 mg/m3。工況1對(duì)比原始無(wú)空氣分級(jí)條件下鍋爐出口NOx濃度降低了42.15%。

圖8 不同工況下沿?zé)煔饬鞒蘊(yùn)Ox濃度分布

3 結(jié) 論

(1)深度空氣分級(jí)顯著影響旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒特性,優(yōu)化不同空氣分級(jí)方案可有效降低爐膛NOx排放。

(2)不同深度空氣分級(jí)方案下,鍋爐內(nèi)溫度分布規(guī)律一致。隨著深度空氣分級(jí)程度加深,燃盡風(fēng)比例增加,爐膛出口溫度從1 495.46 K下降至1 367.68 K。工況1～工況6爐內(nèi)各組分分布規(guī)律一致,由于燃盡風(fēng)的補(bǔ)入,O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著燃盡風(fēng)的補(bǔ)入會(huì)略有上升,最后趨于穩(wěn)定;CO變化趨勢(shì)呈現(xiàn)兩個(gè)先上升后下降趨勢(shì)最后趨于穩(wěn)定;CO2變化趨勢(shì)與O2相反。

(3)在所研究各深度空氣分級(jí)工況中,選定主燃區(qū)最佳過(guò)量空氣系數(shù)為0.85,三層燃盡風(fēng)最佳風(fēng)量比例為0.15、0.1、0.05。此時(shí)鍋爐內(nèi)部溫度分布合理,鍋爐出口NOx濃度最低為391.14 mg/m3。綜合考慮爐內(nèi)溫度分布與爐膛出口NOx濃度,采用深度空氣分級(jí)燃燒技術(shù)可有效降低NOx排放。