某600 MW超超臨界對沖鍋爐二次風配風方式對燃燒及排放特性影響的數值模擬

李懷強，袁宏偉，馬 侖，劉 森，張 成，譚 鵬，方慶艷，夏 季

（1.廣東紅海灣發電有限公司，廣東 汕尾516623；2.華中科技大學煤燃燒國家重點實驗室，湖北 武漢430074；3.武漢華中思能科技有限公司，湖北 武漢430074）

0 引言

與四角切圓燃燒鍋爐相比，旋流對沖燃燒鍋爐具有風粉混合強烈、熱負荷分布均勻、NOx排放低等一系列優點，是電站煤粉鍋爐常見的燃燒方式之一［1］。為達到鍋爐高效低氮燃燒的目的，國內外許多學者在對沖燃燒鍋爐上開展了大量的試驗與模擬研究［2-4］。李超亮等［5］人對一臺超超臨界前后墻對沖燃燒鍋爐燃燒器外二次風旋流葉片開度對燃燒及排放特性影響開展了模擬研究，結果表明，減小外二次風旋流葉片開度有利于增大燃燒器出口附近區域旋流強度，提高卷吸高溫煙氣的能力，這有利于煤粉著火和燃盡，同時也有利于減小NOx排放量。方慶艷等人［6］對一臺1 000 MW超超臨界前后墻旋流對沖鍋爐不同磨煤機組合方式下的燃燒及排放特性進行了研究，結果表明，與6臺磨煤機全部運行相比，運行5臺磨煤機且停運上層燃燒器有利于降低飛灰含碳，提高煤粉燃盡程度；同時會強化燃燒器區域空氣分級效果，抑制NOx的生成；折焰角區域溫度降低有利于降低大屏過熱器掛渣的傾向。茅建波等［7］人通過現場試驗對對沖鍋爐排放特性進行了系統研究，發現燃用煤種、燃燒器投運方式、氧量對NOx排放特性影響較大；燃燒器負荷分配方式、內二次風擋板開度以及燃盡風開度、機組負荷對NOx排放特性影響較小；燃燒器和燃盡風噴口外二次風葉片開度、燃燒器中心風開度對NOx排放特性影響微弱。為了研究二次風配風方式對爐內燃燒及排放特性，本文利用FLUENT 16.0軟件，在4 種二次風配風方式下（正寶塔、倒寶塔、均等、縮腰），對爐內流動、燃燒及排放特性進行了數值模擬研究，以期為同類鍋爐運行提供相關參考。

1 鍋爐概況

某電廠600 MW超超臨界鍋爐為單爐膛、π型布置、全鋼架、懸吊結構鍋爐，鍋爐爐膛寬21 020 mm、深15 640 mm、高58 500 mm，三層新型低NOx旋流煤粉燃燒器對沖布置于前后墻。制粉系統為中速磨煤機直吹式正壓冷一次風制粉系統，每爐配6臺磨煤機，額定負荷下5臺磨運行，1臺備用；在BMCR 工況下，燃用設計煤種時，5 臺運行，1臺備用，鍋爐燃用煤質分析如表1所示。

表1 煤質分析Table 1 Coal quality analysis

2 數學模型及計算條件

鍋爐爐內的煤粉燃燒過程是一個非常復雜的過程，涉及到煤粉揮發份析出熱解、離散相流動、焦炭燃燒、氣相湍流流動和燃燒、爐內輻射傳熱、污染物生成等過程。在本文計算中，主要模型如下：氣相湍流流動采用修正的κ-ε 模，煤粉顆粒相的運動采用隨機軌道模型，煤粉揮發分析出采用雙平行競爭反應模型，氣相燃燒采用渦耗散模型，焦炭燃燒采用動力/擴散控制燃燒模型，輻射模型采用P-1模型［8-12］。熱力型NO通常采用擴展的Zeldovich 機理［13］，燃料型NO 的生成機理較為復雜，采用De Soete模型［14-16］。

對鍋爐進行了精細化的建模，使用六面體網格對不同區域進行了結構化網格劃分。網格結構如圖1所示，結果網格無關性測試之后采用了315萬網格。一、二次風以及燃盡風設置為質量入口邊界條件；鍋爐出口設置為壓力出口邊界條件（-50 Pa）；爐膛壁面溫度設置為690 K，輻射率為0.6；冷灰斗壁面溫度為473 K，輻射率為1。模擬計算在鍋爐滿負荷下開展，過量空氣系數保持為1.20。煤粉顆粒符合Rosin-Rammler 方法分布，其中最大粒徑300 μm，最小粒徑5 μm，平均粒徑54 μm，分布指數0.9。

圖1 爐膛網格結構Fig.1 Schematic diagram of meshing

3 模擬結果分析與討論

3.1 模擬結果合理性驗證

為驗證模擬結果的合理性，現場鍋爐出口試驗數據與模擬結果進行了對比，如表2所示?？梢钥闯觯M出口氧量與實際測量數據的絕對誤差為0.13%，NOx的排放模擬計算結果與實際測量數據誤差范圍為8.6%，模擬飛灰含碳量與實際測量數據誤差為7.2%。表明本文所建立的模型、網格和數學模型能夠合理地模擬爐膛內的流動、傳熱以及燃燒過程，可以用來研究不同二次風配風方式對鍋爐流動、燃燒及排放特性的影響。

表2 模擬結果與實際測量結果的對比Table 2 Comparison of the experimental and numerical results

3.2 不同二次風配風方式下爐內流動、燃燒及NO 排放特性

圖2為爐膛寬度中心截面速度場分布，可以看出，不同二次風配風方式下爐內氣流流動特性較為相似：爐膛中心截面速度分布都較均勻且對稱；爐膛燃燒器出口附近氣流湍流性較強，有利于強化煤粉的燃燒和提高爐膛內火焰充滿程度；前后墻氣流在爐膛中心區域對沖后形成向上流動的氣流。爐膛寬度中心截面溫度場分布如圖3所示，可以看出，爐膛中心截面的煙氣溫度分布都較均勻對稱，爐膛火焰充滿度良好；不同二次風配風方式下溫度分布差異相對較小。

圖2 爐膛寬度中心截面速度場分布（m/s）Fig.2 Flow field at the center cross section(m/s)

圖3 爐膛寬度中心截面溫度分布（K）Fig.3 Temperature at the center cross section(K)

圖4為爐膛寬度中心截面O2濃度分布，可以看出，由于煤粉在燃燒器附近區域劇烈燃燒消耗了大量的氧，形成了低氧區域；在燃盡風區域，燃盡風的噴入補充了大量的氧氣，導致該區域氧量處于較高水平。均等和縮腰配風方式下，最下層燃燒器與中層燃燒器之間低氧區域最大；正寶塔和倒寶塔配風方式下，最上層燃燒器與最下層燃盡風之間低氧區域最大；正寶塔和均等配風方式下，爐膛出口區域氧濃度最低。

圖4 爐膛寬度中心截面O2濃度分布（-）Fig.4 O2 distribution at the center cross section(-)

圖5為由爐膛寬度中心截面CO濃度分布，可以看出，不同二次風配風方式下，主燃燒區缺氧導致CO 主要集中于在主燃燒區。均等配風方式在燃燒器區域生成的CO 濃度較高，倒寶塔配風方式次之，收腰配風再次之，正寶塔配風方式在燃燒器區域生成的CO濃度較低；在燃盡風區域，不同二次風配風方式下CO 濃度都處于較低水平。

圖5 爐膛寬度中心截面CO濃度分布（-）Fig.5 CO distribution at the center cross section(-)

沿爐膛高度方向各參數平均值分布如圖6所示，從平均溫度曲線分布圖6（a）可以看出，從冷灰斗區域開始，爐內平均溫度隨著爐膛高度的增加整體呈上升趨勢，在最上層燃燒器與下層燃盡風噴口之間區域達到最高；在主燃燒區域，不同二次風的送入使得平均溫度曲線出現一定波動。在燃盡區，由于未燃盡煤粉及CO的繼續燃燒，該區域平均溫度又有所升高，之后由于水冷壁吸熱，平均溫度又逐漸降低。不同二次風配風方式下沿爐膛高度各截面溫度分布曲線差異不明顯。

沿爐膛高度平均氧濃度分布曲線圖6（b）可知，冷灰斗區域隨著爐膛高度增加氧量逐漸增加；在主燃區由于燃燒器空氣的噴入，氧量出現波動；在主燃燒區和燃盡風區域之間氧量達到較低水平；燃盡風噴入使得氧量迅速增加，之后未燃盡煤粉和CO繼續燃燒消耗氧量，又使得氧量逐漸降低。對比不同工況，在冷灰斗區，正寶塔和倒寶塔配風方式下氧量最低；在主燃燒區，倒寶塔配風方式下平均氧量最低，表明在該區域煤粉的燃盡程度最高；在燃盡區，不同二次風配風方式下差異不明顯。

沿爐膛高度CO 平均濃度分布曲線圖6（c）可以看出，由于主燃燒區處于缺氧環境，煤粉燃燒不充分，CO平均濃度處于較高水平；隨著燃盡風的噴入，CO 與氧充分反應，平均CO 濃度迅速降低。對比幾種工況下CO 分布可以看出，在燃燒器區域以及冷灰斗區，倒寶塔配風方式下CO平均濃度處于較高水平，正寶塔和縮腰配風方式下CO平均濃度處于較低水平。

圖6（d）為沿爐膛高度NO平均濃度分布曲線。空氣分級使得主燃燒區處于強還原性氣氛，生成的NO被CO、HCN等中間產物還原為N2，有效抑制了NO的生成，這使得主燃燒區NO平均濃度處于較低水平；隨著燃盡風的注入，燃盡區的氧氣含量增加，NO 含量會有所增加。對比幾種工況下NO分布可以看出，均等配風方式下，由于各燃燒器截面氧量都相對較高，NO平均濃度都處于較高水平；倒寶塔配風方式下，爐膛各區域的NO濃度都較低，這主要是由于倒寶塔配風方式下CO濃度處于較高水平，強還原性氣氛抑制了NO的生成。

圖6 沿爐膛高度方向各參數平均值分布Fig.6 Average value distribution along the furnace height

3.3 不同二次風配風方式下爐膛出口參數統計

爐膛出口參數統計如圖7所示，可以看出，收腰配風方式下出口氧量最高，正寶塔配風方式較高，倒寶塔配風方式次之，均等配風方式出口氧量最低；不同二次風配風方式下出口CO雖然存在一定差異，但都處于相對較低水平；均等配風方式下煤粉燃盡率最高，倒寶塔配風方式較高，正寶塔配風方式次之，收腰配風方式煤粉燃盡率最低；均等配風方式下NO排放量最高，正寶塔配風方式較高，縮腰配風方式次之，倒寶塔配風方式下最低。

圖7 爐膛出口參數統計Fig.7 Parameter at the furnace outlet

4 結論

本文利用FLUENT 軟件對某600 MW 對沖鍋爐二次風配風方式對燃燒及排放特性的影響開展了數值模擬研究。實驗結果表明：不同工況下爐內溫度分布差異性相對較小；收腰配風方式下出口氧量最高，正寶塔配風方式較高，倒寶塔配風方式次之，均等配風方式出口氧量最低；不同二次風配風方式下出口CO雖然存在一定差異，但都處于相對較低水平；均等配風方式下煤粉燃盡率最高，倒寶塔配風方式較高，正寶塔配風方式次之，收腰配風方式煤粉燃盡率最低；均等配風方式下NOx排放量最高，正寶塔配風方式較高，縮腰配風方式次之，倒寶塔配風方式最低。

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