摘要：為了緩解燃煤鍋爐摻混燃燒準(zhǔn)東煤引發(fā)結(jié)焦的問(wèn)題，對(duì)某330MW燃煤鍋爐結(jié)構(gòu)參數(shù)和滿負(fù)荷運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究理論切圓直徑、一次風(fēng)率、摻混準(zhǔn)東煤比例等運(yùn)行參數(shù)對(duì)爐內(nèi)溫度、一氧化碳（CO）和氮氧化物（NOx）分布的影響。結(jié)果表明：當(dāng)理論切圓直徑從580mm增至1365mm時(shí)，主燃區(qū)溫度降低，屏底熱力學(xué)溫度降低27K，C層燃燒器以下區(qū)域CO生成量增加，C層燃燒器以上區(qū)域CO生成量減少，出口一氧化氮（NO）排放量減少24.1%；當(dāng)一次風(fēng)率從20%增至35%時(shí)，爐內(nèi)整體溫度升高，屏底熱力學(xué)溫度上升32K，CO生成量減小，出口NO排放量增加69.8%；當(dāng)摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增至90%時(shí)，爐內(nèi)整體溫度升高，屏底熱力學(xué)溫度上升17K，CO生成量減少，出口NO排放量減少9.9%；推薦的運(yùn)行參數(shù)為理論切圓直徑為900mm，一次風(fēng)率為25%，摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；結(jié)焦；理論切圓；一次風(fēng)率；準(zhǔn)東煤；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TK229.6；TQ534

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

第一作者簡(jiǎn)介：吳雪佼（1996—），男（回族），新疆烏魯木齊人。碩士研究生，研究方向?yàn)榛C(jī)械計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬與優(yōu)化。Email：

347563043@qq.com。

通信作者簡(jiǎn)介：魏博（1985—），男，陜西高陵人。教授，博士，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楣腆w顆粒燃燒及其污染物控制技術(shù)。Email：

weiboxju@163.com。

準(zhǔn)東煤儲(chǔ)量豐富，預(yù)測(cè)儲(chǔ)量達(dá)3.9×1011t，已被廣泛使用［1］；但是，由于堿金屬含量較高，準(zhǔn)東煤在燃燒過(guò)程中容易發(fā)生嚴(yán)重的結(jié)焦［2］、沾污［3］和腐蝕［4］等問(wèn)題，因此極大地限制了其安全、高效和大規(guī)模利用。

準(zhǔn)東煤結(jié)焦的原因主要有2個(gè)方面：一是煤中堿金屬在高溫下被氣化，并在溫度較低的換熱器表面凝結(jié)，引發(fā)結(jié)焦［5］；二是未氣化的部分與硅、鋁元素反應(yīng)，形成熔點(diǎn)較低的鋁硅酸鹽顆粒，在撞擊換熱器或已沉積表面時(shí)引發(fā)結(jié)焦［6］。此外，爐膛溫度升高促進(jìn)了煤中堿金屬的氣化，也使結(jié)焦問(wèn)題更嚴(yán)重［7］；一氧化碳（CO）等還原性氣氛增強(qiáng)也會(huì)促進(jìn)低熔點(diǎn)硫化亞鐵（FeS）、氧化亞鐵（FeO）的生成，從而更容易沉積、捕捉灰顆粒，導(dǎo)致結(jié)焦［8］，因此，通過(guò)分析爐內(nèi)溫度、CO分布等氣相參數(shù)即可間接判斷爐內(nèi)結(jié)焦的程度。針對(duì)水冷壁、屏式過(guò)熱器的結(jié)焦問(wèn)題，可以分別通過(guò)降低壁面附近區(qū)域溫度及CO產(chǎn)生量、控制屏底煙氣溫度來(lái)解決。針對(duì)新建鍋爐，采用降低燃燒器區(qū)域熱負(fù)荷、爐膛容積熱負(fù)荷等措施可以顯著降低屏底煙氣溫度，可解決純燒準(zhǔn)東煤的結(jié)焦問(wèn)題［9-10］。對(duì)于已建成鍋爐，只能采用摻混燃燒、燃燒調(diào)整等方法來(lái)調(diào)整爐內(nèi)流場(chǎng)和溫度分布，達(dá)到控制準(zhǔn)東煤燃燒結(jié)焦的目的［11］。

鍋爐仿真技術(shù)已成為研究爐內(nèi)燃燒狀態(tài)、溫度分布等的重要技術(shù)手段。趙盼龍等［12］對(duì)鍋爐屏底進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)屏底煙氣溫度隨一次風(fēng)速的增大而上升。趙斯楠等［13］對(duì)不同一次風(fēng)理論切圓大小工況進(jìn)行仿真研究，發(fā)現(xiàn)隨著一次風(fēng)理論切圓的減小，主燃區(qū)溫度變化不大，而屏區(qū)入口煙氣溫度升高。程凱［14］對(duì)混煤燃燒的仿真模擬結(jié)果表明，低揮發(fā)分煤摻混越多，爐內(nèi)溫度越低，CO產(chǎn)量越多。通過(guò)上述研究可見(jiàn)，煤質(zhì)變化、一次風(fēng)率、一次風(fēng)理論切圓直徑等均對(duì)鍋爐爐內(nèi)溫度分布產(chǎn)生較大影響。此外，由于氮氧化物（NOx）對(duì)大氣環(huán)境損害作用極大，國(guó)家環(huán)保部門(mén)對(duì)NOx排放制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)［15］，因此在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中必須保證NOx排放量盡可能少。

為了緩解現(xiàn)役鍋爐燃燒準(zhǔn)東煤引發(fā)結(jié)焦的問(wèn)題，本文中采用數(shù)值模擬的方法，對(duì)某330MW燃煤鍋爐進(jìn)行研究，探索理論切圓直徑、一次風(fēng)體積分?jǐn)?shù)（一次風(fēng)率）及摻混準(zhǔn)東煤比例對(duì)爐膛內(nèi)部溫度、CO和NOx分布的影響，為緩解鍋爐燃燒準(zhǔn)東煤出現(xiàn)的結(jié)焦問(wèn)題，調(diào)整鍋爐運(yùn)行參數(shù)提供參考。

1研究對(duì)象

本文中的研究對(duì)象為某330MW燃煤鍋爐，型號(hào)為SG-1180/17.5-M4004，鍋爐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

燃燒器排列在主燃區(qū)四角，風(fēng)、煤射流在主燃區(qū)中心位置形成切圓（見(jiàn)圖1（a）、（b））。爐膛斷面深度為15390mm，寬度為13640mm，爐膛總高度為60400mm。該鍋爐配置5臺(tái)磨煤機(jī)，分別對(duì)應(yīng)A、B、C、D、E共5層燃燒器，用于輸入一次風(fēng)與煤粉，如圖1（c）所示。采用A、B、C、D層燃燒器運(yùn)行方式，鍋爐運(yùn)行參數(shù)如表1，其中鍋爐負(fù)荷、主蒸汽流量、壓力以及溫度等參數(shù)均為鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行工況下的參數(shù)。該鍋爐燃料為準(zhǔn)東煤和附近產(chǎn)地的貧煤，煤質(zhì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，其中準(zhǔn)東煤與貧煤的揮發(fā)分的干燥無(wú)灰基質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為27.68%、12.95%。

2計(jì)算方法

2.1網(wǎng)格劃分

使用Gambit2.4.6軟件對(duì)鍋爐爐膛區(qū)域進(jìn)行1∶1三維建模。為了更準(zhǔn)確地體現(xiàn)爐內(nèi)燃燒情況，在劃分網(wǎng)格時(shí)對(duì)燃燒器區(qū)域幾何體進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。為了減小偽擴(kuò)散帶來(lái)的誤差，采用攤鋪（Paving）方法生成燃燒器區(qū)域幾何體橫截面網(wǎng)格，以減小流動(dòng)方向與網(wǎng)格線的夾角［16］。

為了縮短計(jì)算時(shí)間，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，計(jì)算前開(kāi)展了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試［17］。在C層燃燒器一次風(fēng)截面處取較長(zhǎng)的軸對(duì)稱線，不同網(wǎng)格個(gè)數(shù)時(shí)的爐膛溫度計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖可以看出，網(wǎng)格個(gè)數(shù)分別為1029570、1904343時(shí)的計(jì)算結(jié)果非常近似，因此選擇網(wǎng)格個(gè)數(shù)為1029570。

2.2計(jì)算模型的選取

爐內(nèi)燃燒所采用的模型如表3所示。此外，NOx的生成模擬采用后處理方式，其中熱力型NOx和燃料型NOx分別采用擴(kuò)展的Zeldovich機(jī)理、de-Soete模型進(jìn)行描述［18-19］；焦炭氮的轉(zhuǎn)化系數(shù)取為0.5［20］。

2.3求解控制條件設(shè)置

設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)的迭代收斂精度如表4所示，其中能量和P1輻射收斂殘差設(shè)置為10-6，后處理數(shù)據(jù)中一氧化氮（NO）、氰氧氫（HCN）、氨氣（NH3）的摩爾分?jǐn)?shù)收斂殘差設(shè)置為10-8。

2.4計(jì)算工況與方法

不同計(jì)算工況具體參數(shù)見(jiàn)表5，其中所有工況的煤粉細(xì)度參數(shù)R90=20%（R90為粒徑大于90μm的煤粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)），分布指數(shù)n為1.15，基準(zhǔn)工況和其他工況的具體參數(shù)從現(xiàn)場(chǎng)鍋爐常用運(yùn)行參數(shù)中獲得。摻準(zhǔn)東煤的煤質(zhì)數(shù)據(jù)根據(jù)表2加權(quán)平均計(jì)算獲得。

3結(jié)果與分析

3.1理論切圓直徑對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

圖4所示為理論切圓直徑不同時(shí)爐膛截面平均溫度和CO濃度沿爐膛高度方向的變化趨勢(shì)。由圖4（a）可以看出：理論切圓直徑不同時(shí)爐膛截面平均溫度的變化趨勢(shì)基本一致。爐內(nèi)溫度沿爐膛高度方向呈現(xiàn)先升高且在主燃區(qū)內(nèi)達(dá)到峰值后有稍微波動(dòng)，再逐漸下降的總體趨勢(shì)，原因主要是主燃區(qū)內(nèi)煤粉燃燒放熱形成高溫區(qū)，灰斗煙溫因主燃區(qū)高溫輻射而上升，而主燃區(qū)上部煙溫因水冷壁吸熱而下降。從圖中還可以看出，理論切圓直徑從580mm增至1365mm，主燃區(qū)及爐膛出口附近煙溫降低，這是切圓周長(zhǎng)增加，顆粒流動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，導(dǎo)致火焰高度下降的緣故［13］。由圖4（b）可以看出，理論切圓直徑不同時(shí)爐內(nèi)CO濃度變化趨勢(shì)基本一致。CO濃度沿爐膛高度方向出現(xiàn)4個(gè)峰值，這是由燃燒器投運(yùn)A、B、C、D層，各燃燒器區(qū)域氧量不足所致。從圖中還可以看出，隨著理論切圓直徑從580mm增至1365mm，A、B、C層區(qū)域CO濃度稍有增加，而C層以上區(qū)域CO濃度稍有減小，這是因?yàn)槔碚撉袌A周長(zhǎng)增加，A、B、C層燃燒器燃燒產(chǎn)物停留時(shí)間較長(zhǎng)，C層燃燒器以上區(qū)域“接收”下游未燃盡產(chǎn)物減少的緣故。

圖5所示為理論切圓直徑不同時(shí)屏底截面溫度分布。從圖中可看出：隨著理論切圓直徑從580mm增至1365mm，屏底最高熱力學(xué)溫度從1731K降至1692K，平均熱力學(xué)溫度從1582K降至1555K，共降低了27K。

由于C層燃燒器的一次風(fēng)截面（爐膛高度為17218mm）溫度較高，CO濃度最大，在鍋爐運(yùn)行過(guò)程中主燃區(qū)中C層一次風(fēng)附近壁面結(jié)焦及高溫腐蝕的可能性較大，因此C層燃燒器一次風(fēng)截面的溫度情況需要具體討論。理論切圓直徑不同時(shí)C層燃燒器一次風(fēng)截面溫度分布如圖6所示。由圖可以看出：當(dāng)理論切圓直徑從580mm增至1365mm時(shí)，C層燃燒器一次風(fēng)截面中心熱力學(xué)溫度從1900K降低至小于1800K，熱力學(xué)溫度大于2000K的區(qū)域范圍減小，且逐漸遠(yuǎn)離截面中心區(qū)域，四周壁面溫度上升，幅度超過(guò)100K。綜上所述，為了緩解主燃區(qū)內(nèi)高溫腐蝕及結(jié)焦的情況，理論切圓直徑不宜過(guò)大。

圖7所示為理論切圓直徑不同時(shí)爐膛出口NO濃度對(duì)比。由圖可以看出，理論切圓直徑為900、1365mm時(shí)，爐膛出口NO質(zhì)量濃度約為270mg/m3，比切圓直徑為580mm時(shí)的NO濃度低約24.1%。這是因?yàn)槔碚撉袌A直徑增大，爐內(nèi)火焰高度降低，主燃區(qū)至出口距離變長(zhǎng)，生成的NO被還原量增加，導(dǎo)致出口NO排放量減?。?1］。

綜上所述，為了減小主燃區(qū)附近壁面高溫腐蝕、結(jié)焦以及屏區(qū)結(jié)焦的可能性，同時(shí)減小NO排放量，理論切圓直徑為900mm的工況最合適。

3.2一次風(fēng)率對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

一次風(fēng)率不同時(shí)爐膛截面平均溫度和CO濃度沿爐膛高度方向的變化趨勢(shì)如圖8所示。由圖8（a）可以看出，隨著一次風(fēng)率從20%增至35%，爐膛截面平均溫度逐漸上升，其中D層一次風(fēng)截面熱力學(xué)溫度從1915K升至1966K，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)率增大使氧化劑含量提升，所以加快了燃燒反應(yīng)。

由圖8（b）可以看出：一次風(fēng)率不同時(shí)爐內(nèi)CO濃度變化趨勢(shì)基本一致。由于一次風(fēng)率增加使燃燒器區(qū)域氧氣量增加，爐內(nèi)燃燒更加完全，CO濃度逐漸減小。根據(jù)表2數(shù)據(jù)推算得出，當(dāng)一次風(fēng)率小于21%時(shí)，由一次風(fēng)提供的氧氣不足以與煤中揮發(fā)分充分反應(yīng)，因而一次風(fēng)率從20%增至25%時(shí)CO濃度減小幅度遠(yuǎn)高于一次風(fēng)率從25%增至35%時(shí)的減小幅度。

圖9、10所示為一次風(fēng)率不同時(shí)屏底截面溫度和C層燃燒器一次風(fēng)截面溫度分布。由圖9可以看出，隨著一次風(fēng)率從20%增至35%，屏底最高熱力學(xué)溫度從1691K增至1718K，平均熱力學(xué)溫度從1536K升至1568K，原因是在總風(fēng)量不變情況下，一次風(fēng)率增大，二次風(fēng)率減小，二次風(fēng)對(duì)火焰的穿透能力減弱，對(duì)應(yīng)側(cè)火焰高度上升［22］。從圖10中可以看出，隨著一次風(fēng)率從20%增至35%，C層一次風(fēng)截面中心熱力學(xué)溫度從1747K升高至1824K，爐壁溫度變化較小，熱力學(xué)溫度約為1700K。當(dāng)一次風(fēng)率從20%增至35%時(shí)，熱力學(xué)溫度高于2000K的高溫區(qū)域逐漸增大，這是氧氣增加使煤粉燃燒速度加快，放熱得到強(qiáng)化的緣故。

圖11所示為一次風(fēng)率不同時(shí)爐膛出口NO濃度對(duì)比。由圖中可以看出，當(dāng)一次風(fēng)率從20%增至35%時(shí)，爐膛出口NO質(zhì)量濃度從189mg/m3增至321mg/m3，共增加了69.8%。

綜上所述，為了減小爐膛壁面及屏區(qū)結(jié)焦的可能性，同時(shí)減小NO排放量，一次風(fēng)率存在一個(gè)中間值，一次風(fēng)率為25%～30%的工況較為合適。在這2個(gè)工況的仿真結(jié)果中，一次風(fēng)率為25%工況的屏底煙氣溫度較低，因此該工況最合適。

3.3摻混準(zhǔn)東煤比例對(duì)爐內(nèi)燃燒的影響

摻混準(zhǔn)東煤比例不同時(shí)爐內(nèi)截面平均溫度和CO濃度沿爐膛高度方向的變化趨勢(shì)如圖12所示。從圖12（a）中可以看出，隨著摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增至90%，爐膛截面平均溫度增加，其中D層一次風(fēng)截面熱力學(xué)溫度從1908K升至1965K。因?yàn)闇?zhǔn)東煤的揮發(fā)分含量高于貧煤的，并且兩者低位發(fā)熱量有差異，因此摻混準(zhǔn)東煤比例越高，輸入燃燒器的煤粉中揮發(fā)分含量越高，燃燒更快，燃燒器區(qū)域放熱量增加。從圖12（b）中可以看出，隨著摻混準(zhǔn)東煤比例的增加，CO排放量大幅減少，這是貧煤固定碳含量較高，并且難以燃盡的緣故。

圖13為摻混準(zhǔn)東煤比例不同時(shí)屏底溫度分布。由圖可知，隨著摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增至90%，屏底最高熱力學(xué)溫度從1690K升至1717K，平均熱力學(xué)溫度從1549K升至1566K。

圖14所示為摻混準(zhǔn)東煤比例不同時(shí)爐膛出口NO濃度對(duì)比。由圖可以看出，當(dāng)摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增至90%，爐膛出口NO質(zhì)量濃度從284mg/m3減至256mg/m3，共減少9.9%，這是由準(zhǔn)東煤中的氮（N）元素含量比貧煤中的低所致。

綜上所述，為了減小爐壁及屏區(qū)結(jié)焦的可能性，同時(shí)減小NO排放量，摻混準(zhǔn)東煤比例不應(yīng)過(guò)大，也不應(yīng)過(guò)小，因此，摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%的工況最合適。

4結(jié)論

本文中對(duì)某330MW燃煤鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，研究理論切圓直徑、一次風(fēng)率以及摻混準(zhǔn)東煤比例對(duì)爐內(nèi)溫度分布、CO濃度分布以及NO濃度分布的影響，得到如下結(jié)果：

1）理論切圓直徑從580mm增至1365mm，主燃區(qū)溫度小幅度減小，屏底熱力學(xué)溫度降低27K，C層以下區(qū)域CO生成量增加，C層以上區(qū)域CO生成量減少，C層截面熱力學(xué)溫度高于2000K區(qū)域減小，出口NO排放量減少24.1%。

2）一次風(fēng)率從20%增至35%，爐內(nèi)整體溫度增加，C層熱力學(xué)溫度高于2000K區(qū)域增加，屏底煙氣熱力學(xué)溫度提高32K，CO生成量減小，出口NO排放量增加69.8%。

3）摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)從50%增至90%，爐內(nèi)整體溫度升高，屏底熱力學(xué)溫度上升17K，CO生成量減少，爐膛出口NO排放量減少9.9%。

4）根據(jù)研究結(jié)果可以得出，推薦摻混燃燒準(zhǔn)東煤的燃煤鍋爐運(yùn)行參數(shù)如下：理論切圓直徑為900mm，一次風(fēng)率為25%，摻混準(zhǔn)東煤質(zhì)量分?jǐn)?shù)為70%。

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（責(zé)任編輯：劉飚）