600 MW鍋爐小差異特性混煤燃燒數值模擬

程 凱， 陳鴻偉， 王朝陽， 朱 樓， 朱棟琦

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

我國的能源結構決定了我國電力行業仍然以火力發電為主[1]。近年來，煤炭價格大幅度上漲導致發電成本進一步增加，再加之煤炭市場的緊張，燃煤電站很難長期獲得設計煤種，實際運行過程中通常采用兩種或多種煤進行摻燒[2]。在混燃過程中，組分煤之間存在復雜的耦合傳熱傳質和化學反應的交互作用[3]。混煤配置合理，可以提高鍋爐效率和經濟性。因此，如何經濟穩定地摻燒具有十分重要的應用意義。

混燃摻燒方式主要分為爐前摻混與爐內摻混兩種方式[4]。混煤的燃燒特性不能認為是各單煤燃燒特性的線性加權，段學農等[5]提出混煤的燃燒接近組成混煤單煤中易著火的煤；Chi等[6,7]研究指出摻燒的兩種煤性能差異性越大，燃盡特性越差；朱光明[8]通過對煙煤和無煙煤的摻燒，發現在一定范圍內摻燒無煙煤，對混煤燃燼特性影響不大；文獻[9]利用沉降爐對高揮發分煙煤與貧煤進行摻燒試驗，結果表明，當煙煤摻燒比例超過75%時，混煤燃燼特性明顯變差，出現“搶風”現象。夏銘劭[10]提出灰色聚類判別法對混煤摻混方式進行分級評判，并針對3種爐型的鍋爐進行混煤不同摻混方式的對比試驗，分析其經濟性與燃燒穩定性。上述研究對確定合理的混煤摻燒方式具有重要的指導意義。但這些研究大多針對中大差異特性混煤摻燒，而對小差異特性混煤的摻燒研究較少。本研究以某電廠600 MW鍋爐為研究對象，進行小差異特性煤種摻燒的數值模擬，以期為相關研究提供參考。

1 模擬對象介紹

模擬對象為某電廠600 MW亞臨界壓力中間一次再熱控制循環鍋爐，單爐膛Π型緊身封閉布置，四角切向燃燒，全鋼架懸吊結構，固態排渣。爐膛截面寬度為19 558 mm×深16 940.5 mm。

鍋爐采用正壓直吹式制粉系統，配6臺ZGM113G型中速磨煤機，對應布置6層煤粉燃燒器，鍋爐BMCR和ECR負荷時均采用“五運一備”的運行方式。配風方式采用空氣分級燃燒配風方式，主燃區一、二次風相間布置，分離燃燼風(SOFA)布置在主燃區上部，共7層。煤粉燃燒器采用垂直濃淡分離方式，噴嘴四周布置有周界風。燃燒器采用四角布置，對沖同心正反切向燃燒，即一次風煤粉氣流按對沖的燃燒器中心線進入爐膛，被偏轉的二次風裹在爐膛中央，形成富燃料區，四周水冷壁附近則形成富空氣區。分離燃燼風噴嘴與主燃區噴嘴同軸布置，在爐內形成φ125正反切圓。

2 計算模型及網格劃分

采用ANSYS 17.0對鍋爐燃燒以及NOx排放等進行三維穩態數值模擬，計算區域為從冷灰斗至后屏出口，如圖1所示。采用標準k-ε湍流模型，在近壁面處采用標準壁面函數法處理[11]，輻射模型采用P-1模型，揮發分的析出和燃燒分別采用兩步競爭模型和非預混燃燒模型[12]，焦炭燃燒采用動力/擴散控制反應速率模型[13]，煤粉顆粒運動采用DPM模型，并采用隨機軌道模型進行對顆粒的跟蹤[14]。考慮到煤粉燃燒產生的快速型NOx較小，所以本研究只考慮燃料型NOx和熱力型NOx[15]。邊界條件采用速度進口，壓力出口(計示壓力-50 Pa)。

圖1 計算模型及網格劃分

運用Gambit軟件生成網格，為了獲得高質量六面體網格，采用分區域劃分網格技術，將整個計算區域分為7個區域，分別為：冷灰斗區域、主燃區域、過渡區域、燃燼風區域、折焰角區域、屏式過熱器區域和出口區域。在燃燒器區域采用Map/Submap方法生成結構化的四邊形網格，采用Cooper方法沿爐膛高度六面體網格，爐膛橫截面網格劃分如圖2所示。

圖2 爐膛橫截面網格劃分

網格劃分不合理將導致流場模擬出現偽擴散問題，偽擴散系數定義如下：

(1)

由式(1)可以得知，當θ為45°時，偽擴散最強。因此，為減少偽擴散，生成的網格線應與一、二次風噴口速度方向接近平行。在燃燒器區域網格進行了加密處理，提高計算精度。在網格數分別為70萬，120萬，190萬，212萬的劃分方式下進行了網格獨立性驗證，以沿爐膛高度方向溫度分布、出口氧量、NOx濃度等作為測試指標。結果表明，當網格數達到190萬，已經可以取得較為可信的計算結果，網格數量繼續增加，計算精度未見提高。因此，數值模擬最終選擇總網格數為190萬。

3 工況設置

本文分別對摻燒石炭煤混燒熱量比為0.2，0.4，0.6，0.8和1，設置5個工況，過量空氣系數為1.20，燃燼風率為0.218。BMCR工況下，設計煤種的燃煤量為310 t/h，不同摻燒比例工況下燃煤量依次為307 t/h，304 t/h，303 t/h，301 t/h，299 t/h。設計煤種煤粉細度R90為15.51%，R200為1.17%；石炭煤煤粉細度R90為20.12%，R200為1.08%。

兩種煤種的煤質特性參數及灰分特性參數分別如表1和表2所示。兩種煤的煤質相近，軟化溫度較高，均屬于輕微結渣煤種，石炭煤揮發分含量較高，較容易著火。兩種煤摻混屬于小差異特性混煤。

表1 單煤煤質參數

表2 單煤灰分特性

4 結果與討論

4.1 模擬結果驗證

根據試驗數據進行數值模擬，得到單燒設計煤種的模擬結果與試驗數據對比見表3。爐溫模擬結果比試驗數據偏高，但各點溫度誤差不超過±8%，在允許范圍內。飛灰含碳量(CIA)、爐膛出口含氧量以及爐膛出口NOx濃度均與實際值較接近。因此本研究采用的計算模型及參數所得結果是可信的。

表3 模擬數據與試驗數據對比

4.2 溫度場分析

取爐膛不同高度截面平均溫度如圖3所示，為方便顯示，本研究僅顯示部分工況的煙氣溫度隨爐膛高度的分布趨勢。各工況溫度分布趨勢基本相同，主燃區溫度變化呈現鋸齒狀，這主要是由于一、二次風相間布置造成的。由于采用空氣分級燃燒，主燃區過量空氣系數小于1，燃燒處于“欠氧”狀態，煤粉顆粒在主燃區燃燒不充分，大量未燃燼顆粒進入燃燼風區域，進一步燃燒，因此燃燼風區域截面煙氣平均溫度較高。隨摻燒比例的增加，爐膛主燃區煙氣溫度增加，經過燃燼風區域后，煙氣溫度稍有下降。這一現象主要由兩方面原因：一方面，石炭煤的熱值比設計煤種高，隨摻燒比例增加，煙氣溫度稍有增加；另一方面石炭煤的揮發分含量較高，著火性能較好，石炭煤預先著火，提高了煤粉氣流周圍的溫度，有利于設計煤種的著火和燃燼，從而提高了主燃區的溫度。

圖3 爐膛高度方向平均溫度

4.3 煙氣成分分析

圖4到圖6分別表示O2、CO、CO2沿爐膛高度方向的分布。僅對燃燼風區域內煙氣成分分布的情況可以看出，只燒設計煤種時，燃燼風區域內氧氣濃度變化率最大，CO濃度最高，同時CO2濃度最低；摻燒石炭煤的各工況，O2、CO、CO2濃度變化并不明顯。通過對比分析可以看出，單燒設計煤種的工況下，主燃區顆粒燃燼份額相對較少，更多的未燃燼顆粒在燃燼風區域內燃燒，提高了該區域內的溫度。因此，相對于單燒設計煤種，摻燒石炭煤有利于提高主燃區內的煤粉顆粒的燃燼份額。

圖4 爐膛高度方向O2平均濃度

圖5 爐膛高度方向CO平均濃度

圖6 爐膛高度方向CO2平均濃度

4.4 爐膛出口NOx分析

圖7表示不同摻燒比例下，爐膛出口NOx濃度值變化。隨摻燒比例增加，爐膛出口NOx濃度值總體呈下降趨勢。

圖7 爐膛出口NOx濃度與摻燒比例的關系

4.5 噴口顆粒燃燼率分析

利用Fluent軟件的后處理可以提取每個噴口的CIA數值，表4和表5分別為設計煤種和石炭煤各噴口的CIA匯總表。

從每層燃燒器的飛灰含碳量的結果中可以看出，A、B、C三層顆粒燃燼率相當，D層和E層的顆粒燃燼率明顯低于下面的三層，特別是E層燃燒器飛灰含碳量達到8.06%，超過總體飛灰含碳量的50%；就濃側和淡側噴口分析，總體上濃側噴口的飛灰含碳量大于淡側噴口。

表4 設計煤種各噴口CIA匯總 %

表5 石炭煤各噴口CIA匯總 %

為方便分析，僅列舉E層噴口顆粒燃燒飛灰含碳量情況。圖8和圖9分別表示不同工況下E層濃側和淡側噴口飛灰含碳量變化曲線。

圖8 E層濃側噴口CIA與摻燒比例的關系

圖9 E層淡側噴口CIA與摻燒比例的關系

圖10為不同摻燒比例下，爐膛出口總的飛灰含碳量變化曲線。對比原始工況可以看出，摻燒易燃煤種，可以提高噴口的燃燼率，當摻燒比例由0.2增加到0.6時，E層各噴口的飛灰含碳量均不斷下降，但摻燒比例達到0.8時，濃側和淡側噴口的飛灰含碳量稍有增加，這說明小差異特性的混煤在摻燒過程中同樣會出現“搶風”的現象。

圖10 爐膛出口CIA與摻燒比例的關系

5 結論

(1)爐外摻燒燃燒特性存在差異的煤種時，易燃煤種在混燃中起到兩方面作用，一方面，易燃煤種較早著火，提高燃燒區域內的局部溫度，從而可以促進難燃煤種的著火；另一方面，易燃煤種預先燃燒消耗掉大量的氧氣，推遲難燃煤種的著火過程，降低混煤整體燃燼率。這兩方面作用使得實際摻燒過程中，出現摻燒過量易燃煤種導致造成“搶風”現象。

(2)對于兩種小差異特性煤種摻燒，易燃煤種在混燃中起到的上述兩方面作用依然存在，但并不明顯。對于本研究而言，僅當摻燒比例達到0.8時，飛灰含碳量稍有增加，總體上，煤粉顆粒的燃燼率隨摻燒比例的增加而增加。

(3)爐膛高度方向上各層燃燒器噴口的煤粉顆粒燃燼率分布并不均勻，來自最上層燃燒器噴口的煤粉顆粒燃燼率明顯低于下層，所以燃煤電站在實際運行過程中應該保證最上層燃燒器噴口周圍氧量的充足和均勻分布。

(4)小差異特性混煤摻燒，隨摻燒比例的增加，燃燒性能接近混煤中著火性能較好的煤種。