660MW 旋流對沖燃煤鍋爐燃燒過程的數值模擬及結渣分析

鄧念念，周 臻，肖 祥，黃歆雅

（長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙410004）

近幾年，不同類型鍋爐的燃燒技術都得到了顯著提高，而旋流對沖燃煤鍋爐則是其中的一個典型代表，并被國內多家電廠開始選用.隨著技術的不斷完善，旋流對沖燃煤鍋爐將會得到進一步推廣［1］，但是在實際運行中仍然存在諸多問題［2］，如燃燒器冷卻風的控制、火焰貼墻、結渣和高溫腐蝕［3］等問題.隨著計算機的飛速發展，數值模擬技術已經成為研究爐內燃燒過程的一種常用手段，它可以清楚地反映負荷和煤質變化對整個爐內燃燒過程的影響［4-7］，并且具有很高的準確性.

1 模擬對象

所模擬的對象為湖南某電廠的一臺660 MW旋流對沖燃煤鍋爐，采用一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、全懸吊結構.在鍋爐爐膛的前后墻上布置燃燒器，并采用對沖燃燒和旋流式燃燒相結合的燃燒系統.圖1為燃燒器與磨煤機之間的匹配示意圖，其中字母A、B、C、D、E 和F 代表磨煤機，1、2、3和4代表對應于磨煤機四周的燃燒器.

圖1 燃燒器與磨煤機之間的匹配示意圖Fig.1 Matching diagram of burner with mill

2 計算網格及數學模型

采用Fluent前處理軟件Gambit對鍋爐爐膛進行網格劃分，其中模擬比例為1∶1［8］.由于實際鍋爐本體較大，劃分網格比較麻煩，考慮到該爐型結構左右對稱，因此取爐膛的一半進行網格劃分［9］.最終劃分的網格（見圖2）總數為42萬.

爐內煤粉燃燒過程的模擬采用RNGk-ε模型、非預混燃燒模型和簡化PDF模型，爐內輻射換熱計算采用P-1輻射模型，焦炭顆粒的表面燃燒反應采用動力／擴散模型等.

圖2 爐膛網格劃分示意圖Fig.2 Grid division of the furnace

3 模擬結果及分析

3.1 不同負荷下爐內溫度場分布及結渣分析

圖3 給出了不同負荷下爐內距右墻x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布.由圖3可以看出，爐內溫度場大致呈對稱分布，且溫度分布合理.其中從鍋爐下部的冷灰斗到第3層燃燒器附近，溫度隨著爐膛高度的升高先逐漸升高后逐漸降低.由圖3還可以看出，隨著鍋爐負荷的降低，整個爐膛的溫度也隨之下降.

圖3 不同負荷下x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the section x＝7 880.8mm at different loads

圖4給出了不同負荷下爐內壁面溫度與煤灰變形溫度（TD）和軟化溫度（TS）的比較.圖5給出了不同負荷下不同爐膛高度截面的平均溫度.由圖4和圖5可以看出，在100%負荷下，爐膛左右墻13～33 m 高度截面的壁面溫度高于煤灰變形溫度，由此得知該區域易出現結渣情況，在該區域的19～24 m高度截面，爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度，因此該區域結渣的可能性增加，出現結渣的概率最大.另外根據沿著爐膛高度方向的觀察，爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度，所以該區域一般不會出現結渣情況.同理，在75%負荷下最易出現結渣的區域為21～23m 高度截面；在50%負荷下爐內出現結渣現象的可能性較低.綜上所述可知，爐膛的整體溫度隨著鍋爐負荷的降低而降低，爐內可能出現結渣情況的區域面積隨之減小.

圖4 不同負荷下爐內壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.4 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation／softening temperature at different loads

圖5 不同負荷下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.5 Average temperature in sections at different furnace heights and different loads

3.2 不同煤粉細度下爐內溫度場分布及結渣分析

圖6給出了煤粉細度（D）分別為16μm 和10 μm 時爐內x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布.圖7給出了不同煤粉細度下不同爐膛高度截面的平均溫度.將圖6和圖7與圖3和圖4對比，可以看出其相同之處是爐內的溫度分布比較均勻且溫度場大致呈對稱分布，不同之處是圖6和圖7中爐膛整體溫度略有提高.由圖6和圖7還可以看出，當煤粉細度為10μm 時，爐膛上部的溫度比煤粉細度為16μm 時有所升高，且燃燒區變長，這是因為煤粉細度減小，在相同的體積內會有更多的煤粉顆粒與氧氣接觸，使得煤粉著火加快并充分燃燒，提高了鍋爐燃燒效率，爐內平均溫度升高，所以爐膛整體溫度會隨著煤粉細度的減小而升高.

圖6 不同煤粉細度下x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in the section x＝7 880.8mm for different particle size of pulverized coal

圖8給出了不同煤粉細度下爐內壁面溫度的分布與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較.由圖8可以看出，當燃燒煤粉細度為10μm 的設計煤種時，左右墻15～35m高度截面的壁面實際溫度高于煤灰變形溫度，由此得知該區域易出現結渣情況，再結合中間氣流沖刷側墻的速度場分析，可知該區域結渣的可能性增加，在該區域的23～28m高度截面，爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度，因此該區域結渣的可能性增加.另外根據沿著爐膛高度方向的觀察，爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度，所以該區域一般不易結渣.綜上所述可知，爐膛的整體溫度隨著煤粉細度的減小而升高，爐內可能出現結渣情況的區域面積則隨之增大.

圖7 不同煤粉細度下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.7 Average temperatue in sections at different furnace heights for different particle size of pulverized coal

圖8 不同煤粉細度下爐內壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.8 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation／softening temperature for different particle size of pulverized coal

在整個爐膛上部，特別是在燃盡區，由于大部分氧氣被消耗，該區域具有還原性氣氛，煤灰的變形溫度和軟化溫度均有所降低，但是由圖8可知，該區域壁面的實際溫度較低，所以結渣的可能性很小.

3.3 模擬結果與實測結果的對比分析

為了更好地檢驗模擬的準確性，選取爐內10個具有代表性的測點，然后利用電廠的檢測軟件讀取溫度，并與數值模擬計算結果進行比較，結果見表1.

表1 爐內溫度計算值與實測值的比較Tab.1 Comparison of in-furnace temperture between calculated results and actual measurements

在整個數值模擬過程中，由于模型某些條件（如邊界溫度等）與鍋爐實際運行工況有所差別，因此不可避免地會出現一定誤差.由表1可知，數值模擬計算結果非常接近實測值，兩者的相對誤差控制在允許誤差5%以內，所以能夠應用于實際工程中.

4 結 論

（1）該660MW 旋流對沖燃煤鍋爐的爐膛溫度總體上分布比較合理且呈對稱分布，在第3層燃燒器附近區域出現最高溫度點，之后爐膛溫度隨高度的升高而逐漸降低.其中側墻溫度高于前后墻溫度，為最容易出現結渣情況的區域，符合實際運行工況.

（2）爐膛的整體溫度隨著鍋爐負荷的降低而降低，爐內可能出現結渣情況的區域面積隨之減小.爐膛的整體溫度隨著煤粉細度的減小而升高，爐內可能出現結渣情況的區域面積隨之增大.

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