660MW四角切圓鍋爐混煤燃燒數(shù)值模擬分析

程智海 趙玉偉 時(shí)光輝 劉海龍

上海電力大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，各行業(yè)對(duì)電能的需求不斷擴(kuò)大。近年來，風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電、光伏發(fā)電等多種新能源發(fā)電方式在不斷興起。但是，由于受到地理或自然條件的限制，有關(guān)技術(shù)尚未取得突破性的進(jìn)展[1]，燃煤火力發(fā)電在發(fā)電形式中仍然處于重要地位。然而，大型火電機(jī)組對(duì)煤炭的巨大需求量與煤炭供應(yīng)緊張的矛盾局面[2]使電廠難以長期使用單一煤種。為解決此問題，很多電廠通過對(duì)兩種或多種煤粉進(jìn)行合理的配比分析，再將這幾種煤粉進(jìn)行摻混燃燒。由此不僅緩解了單一煤種供應(yīng)不足的局面，而且保證了鍋爐的安全運(yùn)行和燃燒效率。

在混煤燃燒技術(shù)方面，許多學(xué)者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索及模擬分析，通過熱重實(shí)驗(yàn)分析混煤的摻混效果、揮發(fā)分變化、結(jié)渣情況等[3]。馬侖[4]對(duì)煙煤和貧煤的摻混做了實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果表明，易燃煤種與難燃煤種摻混燃燒時(shí)，抑制作用和促進(jìn)作用同時(shí)存在。促進(jìn)作用表現(xiàn)在煙煤易燃燒，迅速提高燃燒溫度，有益于不易燃煤種的燃燒；抑制作用體現(xiàn)在易燃煤種優(yōu)先燃燒的同時(shí)消耗大量的氧氣，使不易燃煤種氧氣量不足；徐遠(yuǎn)綱等[5]對(duì)優(yōu)質(zhì)煤和劣質(zhì)煤的摻混做了熱重分析。當(dāng)劣質(zhì)煤含量越來越大時(shí)，SOX，NOX等會(huì)提前析出。汪小華等[6]通過數(shù)值模擬的方法研究了混煤燃燒情況，發(fā)現(xiàn)如果兩種摻混煤種品質(zhì)相差較小，在CFD中可以將其當(dāng)作單一煤種進(jìn)行處理。在實(shí)際操作中，由于鍋爐型號(hào)的不同，煤粉種類也參差不齊，為了保證混煤燃燒的穩(wěn)定性及最大效率，需要進(jìn)行針對(duì)性的研究。以某電廠660MW四角切圓鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬分析，通過對(duì)比設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種A的幾種摻混狀態(tài)，分析了NOX，O2，CO2等的變化情況，為該電廠混煤燃燒比例的選擇提供了參考。

1 模擬對(duì)象介紹

本文選取了某電廠660MW超超臨界鍋爐作為模擬對(duì)象，該鍋爐采用π型的布置方式，燃燒方式采用四角切圓，排渣方式為固態(tài)排渣。配有6臺(tái)磨煤機(jī)，在正常運(yùn)行狀態(tài)下，5臺(tái)工作，1臺(tái)作為備用。鍋爐高度、寬度、深度分別為70．151 m×19．23 m×20．336 m，共有6層燃燒器，每層分布1個(gè)一次風(fēng)噴口及上下2個(gè)二次風(fēng)噴口，在燃燒器上端還設(shè)有OFA風(fēng)和SOFA風(fēng)噴口，使煤粉充分接觸空氣燃燒，產(chǎn)生較少的氮氧化物。

2 網(wǎng)格劃分及模型選擇

本文使用CFD軟件對(duì)所選模型進(jìn)行模擬分析，首先使用Gambit 6．3對(duì)660 MW超超臨界四角切圓燃燒的鍋爐進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為獲得質(zhì)量較高的網(wǎng)格保證模擬結(jié)果的正確度，采用了分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法。鍋爐從上往下依次分為水平煙道區(qū)、頂部換熱器區(qū)、燃燒器上端區(qū)、燃燒器本體區(qū)、燃燒器下端區(qū)、灰斗區(qū)幾個(gè)部分。對(duì)燃燒器噴口進(jìn)行了適當(dāng)?shù)姆指钐幚恚瑒澐殖伤倪呅尉W(wǎng)格；對(duì)燃燒器本體區(qū)的上下截面劃分成四邊形網(wǎng)格，并對(duì)邊緣進(jìn)行適當(dāng)加密處理；建模網(wǎng)格總計(jì)約為150萬個(gè)，如圖1所示。

圖1 建模及網(wǎng)格劃分

使用Fluent14．5為燃燒過程選擇了合適的模型，湍流采用標(biāo)準(zhǔn)k-?模型，非預(yù)混燃燒模型作為氣相燃燒模型，由燃料發(fā)熱量、比熱容、燃料組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氧化劑溫度等生成焓溫表，并對(duì)離散相、材料物性參數(shù)、燃燒顆粒參數(shù)、邊界條件等進(jìn)行了設(shè)置。

3 工況設(shè)置

為了充分考慮設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種摻混的燃燒特性，共設(shè)置3個(gè)工況，分別為A、B、C。A為燃燒標(biāo)準(zhǔn)單一煤種（設(shè)計(jì)煤種），B為設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按4:1比例摻混，C為設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按3:2摻混，單質(zhì)煤粉參數(shù)及工況設(shè)置如表1～表3所示。

3.1 O2濃度分析

圖2顯示了單獨(dú)燃燒設(shè)計(jì)煤種，設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按4:1比例摻混燃燒，設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按3:2比例摻混燃燒。即A、B、C三種工況下在爐膛高度方向上O2的濃度云圖。由圖2可見，在燃燒器中心高溫燃燒區(qū)，氧氣濃度較低，而溫度較低處氧氣濃度較高。其原因?yàn)樵诟邷貐^(qū)域由于煤粉的燃燒會(huì)釋放出大量的熱，而釋放熱量的同時(shí)又需要消耗氧氣，因此，在云圖上可見，高溫區(qū)氧量少；在低溫區(qū)由于煤粉放出的熱量較少，釋放這些熱量所需要的空氣量較少，所以低溫區(qū)O2濃度較高。在燃燒器上端出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的高O2濃度區(qū)域，主要是由于在此處為了使煤粉完全燃燒噴入了燃盡風(fēng)。由A、B、C三個(gè)工況可見，這三種摻混狀態(tài)下O2濃度分布均比較合理。

3.2 NOX濃度分析

NOX的生成機(jī)理在工業(yè)上一般分為三種：熱力型NOX，快速型NOX和燃料型NOX。熱力型NOX主要是在較高的溫度及充足的氧氣情況下產(chǎn)生[7，8]。在溫度小于1 500℃的條件下，熱力型NOX的生成量很小，當(dāng)溫度在1 500℃以上時(shí)，熱力型NOX將成倍增加。快速型NOX的生成主要是與碳氧化合物的濃度有關(guān)，如果在富氧狀態(tài)下，快速型NOX的生成量很少，但是如果氧氣量不足時(shí)，快速型NOX的生成將會(huì)增多[9]。燃料型NOX的產(chǎn)生取決于燃料本身含氮化合物和過量空氣系數(shù)，氮氧化物首先遇熱生成NH3和HCN，之后NH3和HCN與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成NOX。

表1 單質(zhì)煤粉參數(shù)

表2 單質(zhì)煤灰分特性

表3 模擬工況設(shè)置

A、B、C三種工況下爐膛高度方向上NOX的濃度分布云圖，如圖3所示。明顯可見NOX分布近似成對(duì)稱分布。在燃燒器中心區(qū)域，由于溫度較高，煤粉燃燒所需要的O2含量較多，熱力型NOX不易生成。當(dāng)設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按照4:1混合時(shí)，NOX量明顯增多；當(dāng)設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按照3:2比例混合時(shí)，與僅燃燒單一設(shè)計(jì)煤種相差不大，從NOX分布云圖可見，方案C比方案B更有優(yōu)勢(shì)。

3.3 CO2分析

圖4分別顯示了在A、B、C三種配比方案下沿著爐膛高度方向CO2的分布情況。從圖4中可以看出，CO2基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布。在距離一次風(fēng)噴口較近的區(qū)域CO2的濃度相對(duì)較少，主因是煤粉剛從噴口噴出，未達(dá)到燃燒條件，以至大部分煤粉還未能開始燃燒，使CO2濃度較低；隨著煤粉在射流速度的影響下，從一次風(fēng)噴口噴入的煤粉顆粒在爐膛中心開始劇烈燃燒，爐膛中心附近CO2含量升高。在壁面處，部分煤粉顆粒流動(dòng)受阻，局部CO2變高，但由于煤粉主要在爐膛切圓四周劇烈燃燒，對(duì)整個(gè)鍋爐燃燒影響較小。

圖2 爐膛高度方向O2濃度分布

圖3 爐膛高度方向NOX濃度分布

圖4 爐膛高度方向CO2濃度分布

通過三種配比方案燃燒狀態(tài)可以看出，CO2在這三種狀態(tài)下基本都呈對(duì)稱分布。在方案A中，煤粉在爐膛中心大量燃燒，部分未完全燃盡煤粉隨著氣流上升，遇到OFA風(fēng)及SOFA風(fēng)的作用再次燃燒。通過對(duì)比方案B與方案C，粉煤在切圓附近開始劇烈燃燒，而隨著煤粉氣流的上升，CO2含量減少。相比而言，方案C與僅燃燒設(shè)計(jì)煤種的方案A最接近。

4 結(jié)論

對(duì)單一設(shè)計(jì)煤種和摻混煤種的燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬分析結(jié)果表明，當(dāng)設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按照4:1的比例混合時(shí)，爐內(nèi)生成的NOX量明顯增多；當(dāng)設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種按照3:2比例混合時(shí)，與僅燃燒單一設(shè)計(jì)煤種相差不大。在燃燒器中心高溫燃燒區(qū)，氧氣濃度較低，而溫度較低的區(qū)域氧氣濃度較高，并在燃燒器上端出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的高O2濃度區(qū)域。CO2基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布，在距離一次風(fēng)噴口比較近的區(qū)域CO2的濃度相對(duì)較少；在壁面處，部分煤粉顆粒流動(dòng)受阻，局部CO2變高。本文的研究可使此電廠混煤摻燒更具有針對(duì)性，對(duì)該電廠設(shè)計(jì)煤種與現(xiàn)有煤種摻混比例的選取提供一定的參考。