W型火焰鍋爐內(nèi)無煙煤摻燒優(yōu)化數(shù)值模擬

朱光明， 姚 斌， 段學(xué)農(nóng)， 吳增金， 焦慶豐， 楊 奕， 陳一平

（1.湖南省電力公司科學(xué)研究院，長(zhǎng)沙410007；2.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武昌430074；3.大唐耒陽發(fā)電廠，衡陽421800）

湖南省某電廠300MW機(jī)組W型火焰鍋爐于2004年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)煤種為當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤.近幾年，由于煤炭市場(chǎng)持續(xù)緊張，電廠不能獲得足夠的設(shè)計(jì)煤種.為保證生產(chǎn)需要，電廠大量采購晉城無煙煤.由于晉城無煙煤與當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤均為典型無煙煤，電廠一直采用爐前摻燒方式，在摻燒晉城無煙煤的實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)現(xiàn)飛灰可燃物含量異常升高，鍋爐效率偏低.為探討不同無煙煤在不同摻燒方式下鍋爐的燃燒經(jīng)濟(jì)性，利用雙混合分?jǐn)?shù)理論（雙PDF）［1］進(jìn)行了數(shù)值模擬.

1 設(shè)備概述

該電廠300MW鍋爐是北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產(chǎn)的B＆WB－1025／17.2－M 型亞臨界中間再熱自然循環(huán)汽包爐，平衡通風(fēng)，露天布置.燃燒器布置在下爐膛前后拱上，采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)、W型火焰燃燒方式，尾部為雙煙道結(jié)構(gòu)，采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫.每臺(tái)鍋爐共配有16個(gè)濃縮型EI－XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流煤粉燃燒器和4套Metso minerals公司生產(chǎn)的14′－0″×18′－0″雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，磨煤機(jī)設(shè)計(jì)出力為45.6t／h.設(shè)計(jì)煤種為當(dāng)?shù)責(zé)o煙煤.

燃燒器在爐膛內(nèi)的布置方式見圖1（其中A、B、C、D為磨煤機(jī)編號(hào)，1、2、3、4為各磨煤機(jī)分離器出口各粉管編號(hào)）：

圖1 燃燒器在爐膛內(nèi)的布置方式Fig.1 Arrangement of burners in boiler furnace

設(shè)計(jì)燃料特性見表1.電廠當(dāng)前實(shí)際燃用煤種中，當(dāng)?shù)匕咨趁汉蜕轿鲿x城無煙煤數(shù)量較大，其主要煤質(zhì)參數(shù)見表2.

為獲取兩種無煙煤的燃燒特性，在試驗(yàn)室利用熱重分析方法獲得兩種無煙煤的熱重分析曲線［1－2］，見圖2和圖3.由圖2和圖3可知，晉城無煙煤的著火溫度比白沙煤的高，著火特性相對(duì)較差.

表1 設(shè)計(jì)燃料特性Tab.1 Property of designed fuel

表2 兩種無煙煤主要煤質(zhì)參數(shù)Tab.2 Coal quality parameters of two kinds of anthracite

圖2 白沙煤的熱重分析曲線Fig.2 Thermogravimetric analysis graph of Baisha coal

2 雙混合分?jǐn)?shù)模型

鍋爐燃用混煤時(shí)，混煤顆粒處于相同的空間，所處空間內(nèi)的環(huán)境氣氛由混合煤種燃燒共同決定，因此混燒過程中存在強(qiáng)烈耦合.一方面不同煤種混合燃燒過程中，在相同的氣氛下，由于煤質(zhì)特性的差異及著火溫度的不同，揮發(fā)分含量高、著火溫度較低的煤首先著火燃燒，釋放出的熱量一部分用于加熱自身煤粉顆粒，另一部分則直接（通過顆粒間的傳導(dǎo)和輻射）或間接（通過中間氣氛進(jìn)行對(duì)流傳熱）加熱著火溫度較高的煤粉顆粒，使其著火燃燒；另一方面由于不同煤種混合燃燒過程中，不斷消耗氧氣同時(shí)生成氣體產(chǎn)物，從而改變周圍的燃燒環(huán)境，而氣體成分濃度的改變對(duì)煤種揮發(fā)分析出、燃燒和焦炭的燃盡又有直接影響，因此煤種混燒過程中，存在燃燒環(huán)境的耦合.

圖3 晉城無煙煤的熱重分析曲線Fig.3 Thermogravimetric analysis graph of Jincheng anthracite

本文計(jì)算選擇RNG k－ε雙方程模型作為湍流氣相流動(dòng)模型；顆粒運(yùn)動(dòng)的計(jì)算選擇顆粒隨機(jī)軌道模型，運(yùn)用拉格朗日方法，當(dāng)已知?dú)怏w的流場(chǎng)時(shí)就可以按時(shí)間積分求出各個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡；揮發(fā)分析出采用雙平行反應(yīng)模型；爐內(nèi)各點(diǎn)化學(xué)組分的反應(yīng)過程及濃度分布采用雙混合分?jǐn)?shù)（PDF）模型；揮發(fā)分燃燒采用擴(kuò)散控制模型；焦炭燃燒采用動(dòng)力－擴(kuò)散控制燃燒模型；輻射傳熱模型采用DT法（Discrete Transfer Method）；采用正交的非均勻交錯(cuò)網(wǎng)格；采用控制容積法對(duì)微分方程進(jìn)行離散［3］.

3 W型火焰鍋爐無煙煤混煤摻燒數(shù)值模擬

3.1 網(wǎng)格劃分及模擬條件

3.1.1 網(wǎng)格劃分

計(jì)算網(wǎng)格劃分見圖4，采用較細(xì)密的網(wǎng)格（63×137×79），并對(duì)旋流燃燒器區(qū)域進(jìn)行細(xì)化，以便準(zhǔn)確地描述燃燒器區(qū)域的空氣動(dòng)力學(xué)特性，其中x坐標(biāo)為深度方向，y坐標(biāo)為寬度方向，z坐標(biāo)為高度方向.

圖4 計(jì)算網(wǎng)格Fig.4 The computing grid

根據(jù)殘差判斷收斂，以所有計(jì)算量（如u、v、w、k、ε等）的相對(duì)誤差都必須小于1.0×10－3作為收斂準(zhǔn)則.

3.1.2 壁面邊界條件

爐膛水冷壁采用溫度壁面邊界條件，根據(jù)水冷壁內(nèi)工質(zhì)的溫度并考慮水冷壁的安全裕度設(shè)置溫度壁面邊界條件如下：冷灰斗出渣口設(shè)置為373K；燃燒器區(qū)域鋪設(shè)了衛(wèi)燃帶，溫度設(shè)定為1 300K；根據(jù)水冷壁介質(zhì)溫度，爐膛除燃燒器以外的其他壁面溫度取為980K；由于爐膛出口為煙氣出口，根據(jù)出口煙氣的大致溫度設(shè)定爐膛出口溫度為1 300K.

3.1.3 入口條件

選16只燃燒器全部投運(yùn)的滿負(fù)荷狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.燃燒器的噴口截面作為計(jì)算區(qū)域的入口邊界，入口邊界上氣相的速度、溫度以及煤粉顆粒流量、溫度和粒徑根據(jù)鍋爐的運(yùn)行參數(shù)直接給定.表3給出了入爐風(fēng)量條件.

表3 入爐風(fēng)量條件Tab.3 Computing condition of inlet air volume

3.1.4 模擬工況

工況1：爐前摻燒；工況2：A、B磨煤機(jī)磨制晉城煤，C、D磨煤機(jī)磨制白沙煤；工況3：A、D磨煤機(jī)磨制晉城煤，B、C磨煤機(jī)磨制白沙煤；工況4：B、C磨煤機(jī)磨制晉城煤，A、D磨煤機(jī)磨制白沙煤.

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

圖5～圖9給出了對(duì)兩種無煙煤采用不同摻燒方式時(shí)爐膛內(nèi)不同區(qū)域煙氣溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果.從圖5～圖9可以看出，煤粉氣流自拱頂燃燒器出口進(jìn)入爐膛后，斜向下俯沖一定程度便著火燃燒，各工況下爐內(nèi)高溫區(qū)均在乏氣風(fēng)和分級(jí)風(fēng)之間高度，溫度在1 700～1 900K.爐前摻燒方式下，A1C2截面的爐膛溫度場(chǎng)對(duì)稱；分磨摻燒方式下，各燃燒器對(duì)應(yīng)的燃燒軌跡形成各自的V字型，未能形成W型火焰.晉城煤對(duì)應(yīng)燃燒器區(qū)域溫度較白沙煤對(duì)應(yīng)燃燒器區(qū)域溫度低，說明晉城煤著火較慢.在兩側(cè)墻處，晉城煤燃燒器附近爐膛煙溫偏低，這對(duì)于控制結(jié)焦有較大好處.在中心區(qū)域，工況1、工況3和工況4的燃燒均勻性較好，說明B、C磨煤機(jī)磨制同樣煤種的工況對(duì)爐膛燃燒的均勻性有益.

圖5 爐膛縱剖面溫度場(chǎng)（右墻附近，A1C2燃燒器截面）Fig.5 Temperature field on the longitudinal section（A1C2section，near the right wall）

圖6 爐膛縱剖面溫度場(chǎng)（左墻附近，D4B3燃燒器截面）Fig.6 Temperature field on the longitudinal section（D4B3section，near the left wall）

圖7 爐膛左墻剖面溫度場(chǎng)Fig.7 Temperature field on the left wall section

圖8 爐膛右墻剖面溫度場(chǎng)Fig.8 Temperature field on the right wall section

圖9 爐膛中心縱剖面溫度場(chǎng)Fig.9 Temperature field on the longitudinal center section

圖10給出了2種不同無煙煤在不同摻燒方式下爐膛中心縱剖面處的煙氣氧體積分?jǐn)?shù)分布場(chǎng).由圖10可知，在爐前摻燒工況和B、C磨煤機(jī)磨制晉城煤的工況下，爐膛內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)分布場(chǎng)基本對(duì)稱，不存在局部缺氧或氧量過剩情況.在工況2和工況3下，爐內(nèi)氧體積分?jǐn)?shù)明顯存在偏斜.工況2對(duì)應(yīng)A、B磨煤機(jī)磨制晉城煤的方式，此時(shí)后墻氧體積分?jǐn)?shù)下降較快；工況3對(duì)應(yīng)A、D磨煤機(jī)磨制晉城煤的方式，此時(shí)前墻氧體積分?jǐn)?shù)下降較快，對(duì)后期燃盡不利.

圖11給出了2種不同無煙煤在不同摻燒方式下爐膛中心縱剖面處的煙氣速度分布場(chǎng).從圖11可以看出，與爐膛溫度場(chǎng)和氧體積分?jǐn)?shù)分布相對(duì)應(yīng)，工況1和工況4下爐膛中心縱剖面速度分布基本對(duì)稱，說明在燃燒區(qū)域煙氣的流動(dòng)沒有發(fā)生紊亂.工況2的煙氣速度場(chǎng)向后墻偏斜，工況3的煙氣速度場(chǎng)向前墻偏斜，速度場(chǎng)分布不均勻，造成兩股煤粉氣流燃燒相互影響，不利于沿燃燒鋒面氧量的有序補(bǔ)給，影響飛灰可燃物含量.

表4給出了不同摻燒方式下爐膛出口煙氣參數(shù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的對(duì)比.從表4可以看出，分磨摻燒方式下煤粉燃盡率及爐膛出口煙氣溫度指標(biāo)均較爐前摻燒方式下的好.不同分磨摻燒方式下，煤粉燃盡率及爐膛出口煙氣溫度也有較明顯的區(qū)別.B、C磨煤機(jī)單獨(dú)磨制晉城無煙煤的工況有利于控制燃盡率和爐膛出口煙氣溫度.

圖10 爐膛中心縱剖面氧體積分?jǐn)?shù)分布Fig.10 Oxygen concentration distribution field on the longitudinal center section

圖11 爐膛中心縱剖面速度場(chǎng)Fig.11 Velocity field on the longitudinal center section

表4 爐膛出口煙氣參數(shù)比較Tab.4 Comparison of flue gas parameters at furnace outlet

4 結(jié) 論

（1）煤粉氣流自拱頂燃燒器出口進(jìn)入爐膛后斜向下俯沖一定程度便著火燃燒，釋放出大量的熱量，在乏氣風(fēng)和分級(jí)風(fēng)之間的爐膛區(qū)域形成高溫區(qū)，溫度在1 700～1 900K，有利于煤粉的著火、穩(wěn)燃和燃盡.溫度、氧體積分?jǐn)?shù)和速度分布場(chǎng)在不同摻燒方式下有不同的形態(tài).

（2）從爐膛縱剖面溫度場(chǎng)可以看出，當(dāng)前后墻兩個(gè)燃燒器燃用相同煤種時(shí)，下爐膛形成了對(duì)稱的W形狀，當(dāng)前后墻兩個(gè)燃燒器燃用不同煤種時(shí)，下爐膛形成了不對(duì)稱的W形狀，燃用晉城無煙煤燃燒器氣流下沖較深，著火距離較長(zhǎng).從爐膛左、右墻剖面溫度場(chǎng)可以看出，燃用晉城無煙煤燃燒器附近的左、右墻溫度較低.

（3）工況4下煤粉燃盡率最高，爐膛出口煙氣溫度最低；爐前摻燒的工況1下煤粉燃盡率最低，爐膛出口煙氣溫度最高；在晉城無煙煤和白沙煤摻燒時(shí)，分磨摻燒方式更有利于控制鍋爐燃燒效率.

［1］高正陽，方立軍，周健，等.混煤燃燒特性的熱重試驗(yàn)研究［J］.動(dòng)力工程，2002，22（3）：1764－1768.GAO Zhengyang，F(xiàn)ANG Lijun，ZHOU Jian，et al.Research on the combustion performance of blended coal in thermal balance［J］.Journal of Power Engineering，2002，22（3）：1764－1768.

［2］方慶艷，黃來，姚斌，等.采用雙混合分?jǐn)?shù)／PDF方法模擬混煤在四角切圓鍋爐內(nèi)的燃燒［J］.動(dòng)力工程，2006，26（2）：185－190.FANG Qingyan，HUANG Lai，YAO Bin，et al.Combustion process simulation with duo－mixture fraction／PDF approach of tangentially coal blend fired boilers［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（2）：185－190.

［3］王國(guó)忠，吳生來.無煙煤與煙煤混燒特性試驗(yàn)研究［J］.熱力發(fā)電，2009，38（3）：61－65.WANG Guozhong， WU Shenglai.Test study on mixedly buring characters of bituminous coal with anthracite coal［J］.Thermal Power Generation，2009，38（3）：61－65.