風(fēng)扇磨出口氧量對塔式爐燃燒特性影響數(shù)值模擬

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(1.中國能源建設(shè)集團(tuán) 華北電力試驗研究院有限公司，天津 300011;2.上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院，上海 200090)

0 引 言

風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)因其具有較好的干燥效果而廣泛應(yīng)用于燃燒高水分褐煤的機(jī)組，其干燥熱源主要有3種介質(zhì):熱一次風(fēng)、高溫?zé)煔?取自屏過底部)、低溫?zé)煔?取自引風(fēng)機(jī)出口)，同時風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)通過不同的煙風(fēng)配比實現(xiàn)對磨出口氧量和溫度的調(diào)節(jié)。目前國內(nèi)投運(yùn)的配有風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的塔式爐鍋爐存在抽煙口處易結(jié)焦、爐膛出口煙溫偏高、燃燒效率偏低和NOx波動較大等問題。張向群等[1]通過二次風(fēng)量配比試驗、磨煤機(jī)組合方式等對八角切圓褐煤鍋爐進(jìn)行燃燒調(diào)整，結(jié)果表明，對于燃用低發(fā)熱量的褐煤，設(shè)計爐膛容積熱負(fù)荷選取下限，可降低爐膛和受熱面結(jié)焦的可能性，同時采用“正寶塔”型配風(fēng)方式提高燃燒器區(qū)域的燃盡率。肖海平等[2]研究了燃燒調(diào)整對NOx排放和鍋爐效率的影響，結(jié)果表明，在保證一定鍋爐效率的前提下，經(jīng)燃燒調(diào)整，NOx排放降低10%～20%。馬煜等[3]研究了大型風(fēng)扇磨煤機(jī)磨制高水分褐煤的運(yùn)行特性，研究結(jié)果顯示，冷爐煙對磨出口溫度的調(diào)節(jié)效果明顯，同時煤粉水分增加1%，煤粉細(xì)度升高3.6%。郭曉克等[4]對帶廢熱回收的預(yù)干燥褐煤發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行理論研究。但對于風(fēng)扇磨出口氧量對塔式爐燃燒的影響研究鮮見報道，為此，筆者以國內(nèi)某配有風(fēng)扇磨制粉系統(tǒng)的660 MW超臨界燃煤機(jī)組塔式鍋爐為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對風(fēng)扇磨出口氧量變化對塔式爐內(nèi)褐煤的燃燒特性及NOx的生成規(guī)律進(jìn)行研究。

1 研究對象

研究對象為某660 MW超臨界燃煤機(jī)組，由哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司設(shè)計制造，型號為HG-2100/25.4-HM11型超臨界壓力、變壓運(yùn)行、帶內(nèi)置式再循環(huán)泵啟動系統(tǒng)的直流鍋爐，機(jī)組采用直吹式制粉系統(tǒng)，配備8臺MB3600/1000/490 型風(fēng)扇磨，6運(yùn)1備1檢修，采用四墻八角切向燃燒。一臺磨對應(yīng)“一角”燃燒器(分3組，共5層)，由下到上分別為A、B、C、D、E層，燃燒器分布及切向角如圖1所示。

圖1 燃燒器分布及切角大小Fig.1 Burner distribution and cut size

運(yùn)行過程中，在任意6臺磨煤機(jī)運(yùn)行時，均能保證鍋爐能長期帶滿負(fù)荷運(yùn)行，同時為保證爐內(nèi)較好的動力場，燃燒器盡量采用對角投運(yùn)或停運(yùn)的方式運(yùn)行，且為了防止火焰偏斜，未投粉的角同樣進(jìn)行投風(fēng)，即滿負(fù)荷時采用“8角投風(fēng)6角投煤”的方式運(yùn)行。本文按照實際運(yùn)行情況采用“8角投風(fēng)6角投煤”的燃燒組織方式進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 模型建立與網(wǎng)格劃分

2.1 幾何模型

由于塔式爐所有受熱面均布置在爐膛內(nèi)，考慮到再熱器、過熱器等對流受熱面對燃燒影響不大，而模擬主要研究爐內(nèi)的燃燒特性及NOx的生成，所以建模不包括爐膛頂部的過熱器、再熱器等受熱面，取屏過底部(即下爐膛出口)為爐膛出口。爐膛截面尺寸、燃燒器噴口尺寸等均采用1∶1比例進(jìn)行用全尺寸建模，幾何模型如圖2所示。

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

2.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時采用局部加密的方法對燃燒器噴口區(qū)域進(jìn)行加密處理，使整體網(wǎng)格質(zhì)量較高，保證模擬精度。全模型共劃分網(wǎng)格46.48萬，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.3 數(shù)學(xué)模型

煤粉氣流在爐內(nèi)的流動是涉及氣固兩相流動的復(fù)雜過程，煤粉顆粒燃燒分為揮發(fā)分析出、焦炭燃燒等階段[5-8]，因此在模擬煤粉流動和燃燒過程需合理選取數(shù)學(xué)模型。模擬選取的主要數(shù)學(xué)模型如下:

1)氣相湍流計算采用 Realizable 模型;

2)煤粉顆粒的跟蹤采用隨機(jī)軌道模型;

3)氣相湍流燃燒采用混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模型;

4)揮發(fā)分的釋放采用雙步競相反應(yīng)速率模型;

5)焦炭的燃燒采用動力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型;

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing

6)輻射傳熱采用 P-l 輻射模型;

7)NOx生成采用污染物排放模型。

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 邊界條件及煤質(zhì)分析

模擬邊界條件采用某660 MW超臨界機(jī)組鍋爐的設(shè)計參數(shù)，包括一次風(fēng)溫、一次風(fēng)速、二次風(fēng)溫、二次風(fēng)速等(表1)。燃料設(shè)定采用設(shè)計煤種，煤粉細(xì)度R90=45%，具體參數(shù)見表2。

3.2 工況設(shè)定

根據(jù)煤種特性，風(fēng)扇磨出口氧量可在8%～16%內(nèi)調(diào)整，不同氧量條件下煤粉在爐內(nèi)燃燒特性不同[9-14]。為準(zhǔn)確把握風(fēng)扇磨出口不同氧量條件下的燃燒特性，設(shè)定5個工況進(jìn)行模擬，磨出口氧量分別為8%、10%、12%、14%、16%。

3.3 動力場特性

表1邊界條件設(shè)定
Table1Boundaryconditionssetting

一次風(fēng)速/(m·s-1)二次風(fēng)速度/(m·s-1)夾心風(fēng)速度/(m·s-1)磨出口溫度/℃二次風(fēng)溫/℃二次風(fēng)率/%19503015032475.5

表2煤質(zhì)分析
Table2Coalqualityanalysis

Mt/%Mad/%Aar/%Vdaf/%Qnet,ar/(MJ·kg-1)w(Car)/%w(Har)/%w(Oar)/%w(Nar)/%w(St,ad)/%32.806.519.4944.2515.7543.212.6211.140.570.17

圖4 各截面速度分布及煤粉顆粒運(yùn)動軌跡Fig.4 Velocity distribution and pulverized coal particle motion trajectory

圖4為滿負(fù)荷、風(fēng)扇出口氧量為8%時的速度分布?？芍淮物L(fēng)、二次風(fēng)、燃盡風(fēng)爐內(nèi)速度場在爐內(nèi)均具有較好的對稱性，在各層燃燒器截面具有較好的充滿度和切圓直徑，同時煤粉噴出噴口后，基本上沿切圓方向旋轉(zhuǎn)上升，煤粉與氣流的跟隨性較好，但個別顆粒運(yùn)動軌跡表現(xiàn)出較大的隨機(jī)性，具有貼壁流動的特點。由圖4(d)可知，燃盡風(fēng)在噴入爐膛后很快被上升的煙氣流帶走，燃盡風(fēng)噴入爐膛的最遠(yuǎn)距離為1/4左右的爐膛深度，燃盡風(fēng)的剛性和穿透力較差，燃盡風(fēng)的削旋作用不明顯。

3.4 溫度場特性

圖5為磨出口氧量為8%、10%、12%、14%、16%時Y=0截面的溫度場分布?？芍?，在主燃燒區(qū)域最高溫度分別為1 921、1 923、2 015、2 029、2 074 K，即在不改變主燃區(qū)二次風(fēng)量的前提下，隨著磨出口氧量的增加，主燃區(qū)的最高溫度總體呈上升趨勢;在氧量由8%增到10%時，主燃燒區(qū)的最高溫度基本不變;當(dāng)風(fēng)扇磨出口氧量由10%增到16%時，主燃區(qū)的最高溫度升高了151 K，溫度增加明顯。

圖5 Y=0截面溫度分布Fig.5 Temperature distribution on Y=0 section

由圖5可得，不同磨出口氧量條件下，爐內(nèi)溫度分布不同，爐內(nèi)最高溫度點位置不同。在磨出口氧量為8%時，最高溫度出現(xiàn)在標(biāo)高36 m左右，即E層燃燒器位置;在磨出口氧量為10% 時，最高溫度出現(xiàn)在標(biāo)高35 m左右，即D層與E層燃燒器中間;在磨出口氧量為12%時，最高溫度出現(xiàn)在標(biāo)高33 m左右，即D層燃燒器位置;在磨出口氧量為14% 時，最高溫度出現(xiàn)在標(biāo)高31 m左右，即C層燃燒器與D層燃燒器中間;在磨出口氧量為16%時，最高溫度出現(xiàn)在30 m左右，即C層燃燒器位置。因此隨著磨出口氧量由8%增到16%，火焰中心位置降低了6 m，因此改變磨出口氧量可改變主燃區(qū)火焰中心位置，且效果明顯。

圖6為爐膛出口平均溫度隨風(fēng)扇磨出口氧量的變化?？芍?，在磨出口氧量分別為8%、10%、12%、14%、16%時，爐膛出口截面平均煙溫分別為1 548、1 496、1 480、1 469、1 454 K，隨著磨出口氧量的增加，爐膛出口平均煙溫逐漸降低。磨出口氧量由8%增至16%時，爐膛出口平均煙溫降低94 K;磨出口氧量由8%增到10%時，爐膛出口煙溫降低了52 K，效果明顯。爐膛出口煙溫降低，可有效緩解抽煙口結(jié)焦，因此適當(dāng)提高風(fēng)扇磨出口氧量可改善高溫爐煙抽取口處結(jié)焦問題。

圖6 爐膛出口平均煙溫 Fig.6 Average gas temperature of furnace outlet

3.5 濃度場特性

3.5.1 O2濃度特性

圖7為磨出口氧量為8%、10%、12%、14%、16%時，Y=0截面的氧量分布?？芍?，在磨出口5個氧量條件下，爐膛出口平均氧量分別為3.04%、3.17%、3.32%、3.7%、4.05%。主燃區(qū)的O2主要分布在靠近水冷壁1/4爐膛深度的位置，爐膛中心位置O2幾乎全部被燃燒消耗。在燃盡風(fēng)區(qū)域，O2主要分布在燃盡風(fēng)噴口附近，且濃度較高，而在中心區(qū)域缺氧，燃盡風(fēng)的作用未完全體現(xiàn)，燃盡風(fēng)剛性較差，穿透力不足。

3.5.2 CO濃度特性

圖8為磨出口氧量為8%、10%、12%、14%、16%時，Y=0截面的CO體積分?jǐn)?shù)分布，爐膛出口截面CO平均體積分?jǐn)?shù)分別為469×10-6、213×10-6、207×10-6、198×10-6、146×10-6，即隨著磨出口氧量的增加，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。由于在燃燒器噴口附近煤粉濃度較高，氧量相對較低，煤粉燃燒生成的CO主要集中在燃燒器噴口附近，隨著煤粉的擴(kuò)散和燃燒過程的進(jìn)行，在爐膛中心和主燃區(qū)上方CO體積分?jǐn)?shù)降低，但在燃盡區(qū)爐膛中心CO含量明顯高于水冷壁附近，主要原因是燃盡風(fēng)未能沖到爐膛中心與煙氣充分混合，而是在近壁面處直接被上升的煙氣流帶走。為降低爐膛出口CO含量，提高燃燒效率，可適當(dāng)提高磨出口氧量，但磨出口氧量的提高會導(dǎo)致主燃區(qū)截面熱負(fù)荷增加，結(jié)焦風(fēng)險增大，因此，需采取有效措施提高燃盡風(fēng)的剛性和穿透力，增強(qiáng)燃盡風(fēng)與煙氣的混合效果是降低爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)、提高燃燒效率的最佳途徑。

圖7 Y=0截面O2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 O2 concentration distribution on Y=0 section

圖8 Y=0截面CO體積分?jǐn)?shù)分布Fig.8 CO concentration distribution on Y=0 section

3.5.3 NOx濃度特性

圖9為磨出口不同氧量工況下，沿爐膛高度方向的NOx體積分?jǐn)?shù)變化曲線?？芍?，在各工況下NOx的生成趨勢基本相同，在主燃燒區(qū)下方由于爐內(nèi)煙氣相對氧含量較高，對來自空氣中的N2具有較強(qiáng)的氧化性，導(dǎo)致大量N2被氧化成NOx，而在主燃區(qū)雖然溫度較高，但煤粉燃燒處于強(qiáng)還原性氣氛，同時煤粉燃燒釋放出的還原性氣體HCN、NH3等將生成的NOx還原成N2，使主燃區(qū)NOx的生成量迅速降低，隨著煙氣上行和煤粉的進(jìn)一步燃燒，在燃盡區(qū)附近由于氧氣濃度相對較高，煙氣中的還原性氣體逐漸降低，NOx的生成緩慢增加。磨出口氧量分別為8%、10%、12%、14%、16%時，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度分別為202、227、362、430、487 mg/m3，即隨著磨出口氧量的增加，沿爐膛高度方向的NOx濃度整體增加。但氧量由8%增到10%時，NOx的生成量基本不變;而當(dāng)磨出口氧量由10%增到16%時,NOx的生成量迅速增加，因此在實際運(yùn)行過程中要合理選擇磨出口氧量，從而控制NOx的生成。

圖9 沿爐膛高度方向NOx濃度分布Fig.9 NOx concentration distribution along furnace height

4 結(jié) 論

1) 隨著風(fēng)扇磨出口氧量的增加，火焰中心下移，磨出口氧量由8%增至16%時，火焰中心下移6 m，改變風(fēng)扇磨出口氧量可有效調(diào)整火焰中心的位置。

2) 隨風(fēng)扇磨出口氧量的增加，爐膛出口煙氣溫度明顯降低，磨出口氧量由8%增至16%，爐膛出口煙溫降低94 K;磨出口氧量由8%增到10%時，爐膛出口煙溫降低52 K，效果明顯。

3) 隨著磨出口氧量的增加，爐膛出口CO體積分?jǐn)?shù)降低明顯，雖然磨出口氧量為16%時，CO濃度最低，但是高氧量會導(dǎo)致NOx生成量增加，因此不建議采用增加磨出口氧量的方法來降低爐膛出口CO的濃度。

4) 隨著磨出口氧量的增加，NOx生成量增加，但在一定范圍內(nèi)氧量的增加并不會導(dǎo)致NOx的大量生成。綜合考慮燃燒效率與NOx的生成量，風(fēng)扇磨出口氧量控制在10%左右為最佳工況。