風扇磨出口氧量對塔式爐燃燒特性影響數值模擬

2018-12-27 06:11:22，，，，，

潔凈煤技術 2018年6期

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(1.中國能源建設集團華北電力試驗研究院有限公司，天津 300011;2.上海電力學院能源與機械工程學院，上海 200090)

0 引言

風扇磨制粉系統因其具有較好的干燥效果而廣泛應用于燃燒高水分褐煤的機組，其干燥熱源主要有3種介質:熱一次風、高溫煙氣(取自屏過底部)、低溫煙氣(取自引風機出口)，同時風扇磨制粉系統通過不同的煙風配比實現對磨出口氧量和溫度的調節。目前國內投運的配有風扇磨制粉系統的塔式爐鍋爐存在抽煙口處易結焦、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]通過二次風量配比試驗、磨煤機組合方式等對八角切圓褐煤鍋爐進行燃燒調整，結果表明，對于燃用低發熱量的褐煤，設計爐膛容積熱負荷選取下限，可降低爐膛和受熱面結焦的可能性，同時采用“正寶塔”型配風方式提高燃燒器區域的燃盡率。肖海平等[2]研究了燃燒調整對NOx排放和鍋爐效率的影響，結果表明，在保證一定鍋爐效率的前提下，經燃燒調整，NOx排放降低10%～20%。馬煜等[3]研究了大型風扇磨煤機磨制高水分褐煤的運行特性，研究結果顯示，冷爐煙對磨出口溫度的調節效果明顯，同時煤粉水分增加1%，煤粉細度升高3.6%。郭曉克等[4]對帶廢熱回收的預干燥褐煤發電系統進行理論研究。但對于風扇磨出口氧量對塔式爐燃燒的影響研究鮮見報道，為此，筆者以國內某配有風扇磨制粉系統的660 MW超臨界燃煤機組塔式鍋爐為研究對象，采用數值模擬方法對風扇磨出口氧量變化對塔式爐內褐煤的燃燒特性及NOx的生成規律進行研究。

1 研究對象

研究對象為某660 MW超臨界燃煤機組，由哈爾濱鍋爐廠有限責任公司設計制造，型號為HG-2100/25.4-HM11型超臨界壓力、變壓運行、帶內置式再循環泵啟動系統的直流鍋爐，機組采用直吹式制粉系統，配備8臺MB3600/1000/490 型風扇磨，6運1備1檢修，采用四墻八角切向燃燒。一臺磨對應“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

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

2 模型建立與網格劃分

2.1 幾何模型

由于塔式爐所有受熱面均布置在爐膛內，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 網格劃分

網格采用六面體結構化網格進行劃分，同時采用局部加密的方法對燃燒器噴口區域進行加密處理，使整體網格質量較高，保證模擬精度。全模型共劃分網格46.48萬，網格劃分如圖3所示。

2.3 數學模型

煤粉氣流在爐內的流動是涉及氣固兩相流動的復雜過程，煤粉顆粒燃燒分為揮發分析出、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學模型。模擬選取的主要數學模型如下:

1)氣相湍流計算采用 Realizable 模型;

2)煤粉顆粒的跟蹤采用隨機軌道模型;

3)氣相湍流燃燒采用混合分數-概率密度函數模型;

4)揮發分的釋放采用雙步競相反應速率模型;

5)焦炭的燃燒采用動力學/擴散控制反應速率模型;

圖3 網格劃分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 模擬結果及分析

3.1 邊界條件及煤質分析

模擬邊界條件采用某660 MW超臨界機組鍋爐的設計參數，包括一次風溫、一次風速、二次風溫、二次風速等(表1)。燃料設定采用設計煤種，煤粉細度R90=45%，具體參數見表2。

3.2 工況設定

根據煤種特性，風扇磨出口氧量可在8%～16%內調整，不同氧量條件下煤粉在爐內燃燒特性不同[9-14]。為準確把握風扇磨出口不同氧量條件下的燃燒特性，設定5個工況進行模擬，磨出口氧量分別為8%、10%、12%、14%、16%。

3.3 動力場特性

表1邊界條件設定
Table1Boundaryconditionssetting

一次風速/(m·s-1)二次風速度/(m·s-1)夾心風速度/(m·s-1)磨出口溫度/℃二次風溫/℃二次風率/%19503015032475.5

表2煤質分析
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動軌跡Fig.4 Velocity distribution and pulverized coal particle motion trajectory

圖4為滿負荷、風扇出口氧量為8%時的速度分布。可知，一次風、二次風、燃盡風爐內速度場在爐內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上升，煤粉與氣流的跟隨性較好，但個別顆粒運動軌跡表現出較大的隨機性，具有貼壁流動的特點。由圖4(d)可知，燃盡風在噴入爐膛后很快被上升的煙氣流帶走，燃盡風噴入爐膛的最遠距離為1/4左右的爐膛深度，燃盡風的剛性和穿透力較差，燃盡風的削旋作用不明顯。

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。可知，在主燃燒區域最高溫度分別為1 921、1 923、2 015、2 029、2 074 K，即在不改變主燃區二次風量的前提下，隨著磨出口氧量的增加，主燃區的最高溫度總體呈上升趨勢;在氧量由8%增到10%時，主燃燒區的最高溫度基本不變;當風扇磨出口氧量由10%增到16%時，主燃區的最高溫度升高了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，爐內溫度分布不同，爐內最高溫度點位置不同。在磨出口氧量為8%時，最高溫度出現在標高36 m左右，即E層燃燒器位置;在磨出口氧量為10% 時，最高溫度出現在標高35 m左右，即D層與E層燃燒器中間;在磨出口氧量為12%時，最高溫度出現在標高33 m左右，即D層燃燒器位置;在磨出口氧量為14% 時，最高溫度出現在標高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火焰中心位置，且效果明顯。

圖6為爐膛出口平均溫度隨風扇磨出口氧量的變化。可知，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焦，因此適當提高風扇磨出口氧量可改善高溫爐煙抽取口處結焦問題。

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。可知，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。在燃盡風區域，O2主要分布在燃盡風噴口附近，且濃度較高，而在中心區域缺氧，燃盡風的作用未完全體現，燃盡風剛性較差，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體積分數分布，爐膛出口截面CO平均體積分數分別為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體積分數逐漸降低。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，隨著煤粉的擴散和燃燒過程的進行，在爐膛中心和主燃區上方CO體積分數降低，但在燃盡區爐膛中心CO含量明顯高于水冷壁附近，主要原因是燃盡風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，可適當提高磨出口氧量，但磨出口氧量的提高會導致主燃區截面熱負荷增加，結焦風險增大，因此，需采取有效措施提高燃盡風的剛性和穿透力，增強燃盡風與煙氣的混合效果是降低爐膛出口CO體積分數、提高燃燒效率的最佳途徑。

圖7 Y=0截面O2體積分數分布Fig.7 O2 concentration distribution on Y=0 section

圖8 Y=0截面CO體積分數分布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體積分數變化曲線。可知，在各工況下NOx的生成趨勢基本相同，在主燃燒區下方由于爐內煙氣相對氧含量較高，對來自空氣中的N2具有較強的氧化性，導致大量N2被氧化成NOx，而在主燃區雖然溫度較高，但煤粉燃燒處于強還原性氣氛，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NOx的生成量迅速降低，隨著煙氣上行和煤粉的進一步燃燒，在燃盡區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，因此在實際運行過程中要合理選擇磨出口氧量，從而控制NOx的生成。