摻燒印尼煤對某鍋爐燃燒及結渣影響的數值模擬

陳麗霞

(廣東省機電設備招標中心，廣東 廣州510030)

0 引言

為了適應電煤市場形勢的變化，國內某電廠積極開展非設計煤種的試燒工作，其中印尼煤的摻燒工作是近期非設計煤種試燒工作的重點。雖然國內多數電廠均在摻燒印尼煤，但在多個電廠出現爆炸、結焦等事故，印尼煤摻燒技術并不成熟。所以該電廠對摻燒印尼煤的安全、環保及經濟特性進行評估，摸清摻燒印尼煤對鍋爐燃燒系統參數調整的潛在影響，對摻燒的安全性和經濟性進行全面的評估，并最終確定可行的印尼煤摻燒方案。

本文采用數值模擬方法對爐內流動、傳熱及燃燒進行仿真計算，獲得爐內速度場、溫度場以及氣氛場，對研究爐內燃燒情況、結渣情況，優化摻燒具有重要指導意義［1－3］。

1 鍋爐概況

根據項目需求，模擬對象為爐膛出口前的整個爐膛，結構尺寸如圖1所示。圖1中分別標注了鍋爐爐膛總體結構尺寸、冷灰斗結構尺寸、折焰角區域及爐膛出口區域的結構尺寸。

圖1 鍋爐爐膛結構尺寸圖(單位:mm)

該電站鍋爐原設計是采用同心三切圓燃燒方式，其特點是一次風、油風室二次風及下端部二次風射流形成一個逆時針旋轉的Φ1 047 mm小切圓，二次風及上端部風室射流形成一個逆時針旋轉的Φ7 366 mm大切圓。燃盡風室射流形成一個順時針旋轉的Φ4 855 mm中反切切圓，由于受燃燒器實際安裝的影響使得反切動量不夠，該電廠對2號機組的上端部風室進行了改造，形成15°順時針旋轉的直徑Φ3 410 mm假想反切切圓。

鍋爐燃燒器呈四角布置，每角所布置的燃燒器包括6層煤粉燃燒器、三層油風室、兩層中間二次風室、一層下端部二次風室、一層上端部風室和兩層燃盡風室。一次風周圍布置有周圍二次風。

2 數學模型及計算方法

鍋爐爐內的氣體流動為三維湍流反應流，其平均流可視為穩態流，因此，可用通常的守恒方程進行描述。對于工業運用比較成熟的湍流可采用標準的k－ε湍流模型、修正的k－ε湍流模型和RNG k－ε湍流模型，在此選用RNG k－ε湍流模型。顆粒運動的計算運用拉格朗日方法，已知氣體的流場，就可以按時間積分求出各個顆粒的運動軌跡。模擬中采用雙平行反應模型來模擬煤的熱解過程。輻射傳熱使用Lockwood和Shah等提出的離散傳播法(Discrete Transfer Method)計算輻射傳熱。這個方法以熱通量為基礎，兼具有區域法，Monte－Carlo法的優點，因而有較高的計算效率，并能夠得到很好的結果［4－11］。

3 模擬試驗研究

3.1 網格處理

模擬過程中流體網格采用73×68×135(X×Y×Z)的正交非均勻交錯網格，并在燃燒器和屏區邊界附近進行局部網格加密，輻射網格采用30×58×51(X×Y×Z)，其中沿燃燒器噴口截面、爐膛寬度和深度方向網格劃分如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 燃燒器噴口截面網格劃分

圖3 爐膛寬度截面網格劃分

圖4 爐膛深度截面網格劃分

3.2 模擬試驗工況條件

本文根據現場試驗要求，對100%負荷下印尼煤3號(簡稱印尼3)摻燒方案進行了模擬研究。在模擬試驗過程中，燃用煤種包括基礎煤種山優混和印尼3。

根據現場摻燒試驗，6臺磨煤機全部投入運行，其中4號、5號磨煤機依次摻燒印尼3，1～6號磨煤機對應的燃燒器分別為A－F。各配比下磨煤機投運情況如表1所示。

表1 各配比下磨煤機投運情況

煤質特性參數見表2。

表2 燃用煤質特性

基礎煤、印尼3及混煤灰熔點見表3。

表3 基礎煤、印尼3及混煤灰熔點

3.3 山優混摻燒印尼3模擬分析

(1)前后墻近壁面煙氣溫度及氧量場分布

圖5和圖6為山優混與印尼3在不同摻混比例下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量隨爐膛高的變化曲線。從圖中可以看出，三種工況下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量分布趨勢相同，高溫區(＞1 500℃)主要集中在15～25 m區域，處于燃燒器的中上部。單燒山優混時，此區域煙氣溫度明顯高于其他兩種混煤工況，而且分布面積大，所以摻燒一定量的印尼煤可以降低近壁面處高溫區的溫度，有利于減小爐膛水冷壁結渣傾向。但是由于印尼3灰熔點較低，摻燒過量的印尼煤，雖然能夠降低近壁面處高溫區的溫度，但由于降溫幅度不大，仍可能高于印尼3灰熔點，摻燒過量的印尼3會使爐膛內結渣更嚴重。

圖5 前后墻近壁面煙氣溫度分布

圖6 前后墻近壁面含氧量分布

從圖6可以看出，近壁面區域含氧量在燃燒器區域較大，隨著爐膛高度增加逐漸趨于穩定。摻燒印尼3的兩種工況燃燒器區域的含氧量明顯低于單燒山優混的含氧量，這是因為印尼3中揮發份含量大于山優混中揮發份含量，著火迅速，著火距離短，在爐墻區域耗氧量大。

(2)側墻近壁面處煙氣溫度及氧量場分布

圖7和圖8顯示的是山優混與印尼3在不同摻混比例下側墻近壁面處煙氣溫度和含氧量隨爐膛高度的變化曲線。

圖7 側墻近壁面處煙氣溫度分布

圖8 側墻近壁面處煙氣含氧量分布

從圖中可以看出，三種工況下的溫度和含氧量曲線變化趨勢相同，近壁面處煙氣溫度隨著爐膛高度呈現出先增大后減小的趨勢，氧濃度在燃燒器區域較大，在冷灰斗以及燃燒器以上區域氧濃度含量低。與前后墻近壁面處高溫區分布相比，側墻近壁面處高溫區面積較小，可能產生結渣區域面積也較小。從圖9可以看出，三種工況下高溫區分布隨著印尼3摻燒量的增大逐漸減小，但印尼3的灰熔點較低，摻燒量越大越易結渣，因此側墻的結渣傾向雖較前后墻小，但依舊存在結渣風險。

(3)屏區底端溫度場和氧量場分布

圖9和圖10為山優混與印尼3在不同摻混比例下屏區底端(爐膛高度為36 m)煙氣溫度和氧濃度隨爐膛深度的變化曲線。

圖9 屏區底端煙氣溫度分布

圖10 屏區底端煙氣氧量場分布

由圖9可看出，屏區底端煙氣溫度在爐膛中心溫度最高，然后向兩邊逐漸減小，三種工況最高溫度均小于1 400℃，單燒山優混和摻燒少量(混配比為5∶1)的印尼3時，煙氣溫度沒有達到山優混和混煤的灰熔點，結渣可能性小;印尼3摻燒量增大，雖然此區域溫度略有降低，但可能高于印尼3的灰熔點，容易在屏區底端產生結渣。

由圖10可看出，三種工況下屏區底端煙氣中氧濃度分布趨勢相同，爐膛中心氧濃度小，向兩側濃度略有增大，摻混印尼3比例越大，該區域氧濃度越小。

(4)爐膛出口信息

山優混與印尼3在三種工況下爐膛出口信息模擬結果如表4所示。

表4 爐膛出口信息統計表

從表中可以看出，隨著印尼3混配比例的增大，爐膛出口溫度逐漸升高，這是因為印尼3摻混比例較大時，總煤量較大，印尼3水分含量較大，燃燒后產生的煙氣量較大，由煙氣經過爐膛出口帶走熱損失大，爐膛出口煙溫較大。從三種工況下燃盡率比較可以看出，山優混的燃盡率優于印尼3，摻燒印尼3量越多，燃盡率越低。與燃盡率對應的飛灰含碳量隨著印尼3摻燒量的增多逐漸增大。模擬結果還顯示，三種工況下爐膛出口含氧量幾乎相同。

4 結論

混煤方案試驗研究表明:摻燒一定量的印尼煤有利于改善爐膛內的結渣特性。印尼3灰熔點較低，與高熱值基礎煤摻混時容易產生結渣，摻燒比例不宜過大，既能夠改善爐膛內的燃燒狀況，又有助于改善爐膛結渣性能。根據模擬結果分析，基礎煤與印尼3進行混配的最優推薦比例為5∶1。

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