濃淡分離燃燒器等離子改造的數值模擬研究

摘要：針對濃淡分離燃燒器進行等離子點火改造，常規的改造方案是將濃、淡兩股煤粉氣流合二為一。但這種改造方案無法滿足現場一些特殊需求，如某前后墻對沖鍋爐的濃淡分離燃燒器的淡側煤粉是引至側墻，可以起到防止側墻結焦的目的，在進行等離子改造時需要保留淡側煤粉，等離子燃燒器只能布置于濃側噴口。鑒于此，針對保留濃淡分流裝置的等離子改造進行數值模擬研究，結果表明：通過對煤粉管道、濃淡分流裝置和等離子燃燒器的一些特殊設計，可以保證濃淡分離裝置的分離效果不變，等離子燃燒器內部的煤粉濃度和一次風速可以滿足等離子點火的要求。

關鍵詞：濃淡分離；燃燒器；等離子改造；數值模擬

中圖分類號：TM621.2" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2024）17-0066-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.17.016

0" " 引言

濃淡分離燃燒器在不同鍋爐廠、不同爐型上都有應用，包括北京巴威鍋爐廠用在前后墻對沖鍋爐上的Half-PAX型濃淡分離燃燒器和哈爾濱鍋爐廠用在四角切圓鍋爐上的PM燃燒器等。

對這種燃燒器進行等離子點火改造的常規方案是將濃、淡兩股煤粉氣流合二為一，同時為了保證一次風噴口的風速與原來保持不變，需要將等離子燃燒器噴口面積擴大為濃、淡噴口面積之和，將等離子燃燒器布置于原濃側噴口處，將淡側噴口位置進行封堵。

但是，在對某電廠前后墻對沖鍋爐的濃淡分離燃燒器進行等離子[1-2]改造時，電廠提出保留淡側煤粉管道，這樣可以有效防止側墻結焦問題出現。因此，上述常規改造方案不適用，需要設法改造濃淡分離燃燒器，保證等離子點火改造后，濃淡分離效果保持不變，不會對鍋爐的整體性能產生不利影響。

1" " 鍋爐概況

1.1" " 機組簡介

某電廠#1鍋爐采用北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產的Bamp;WB-1098/25.4-M型超臨界鍋爐，為350 MW燃煤粉、成套超臨界參數變壓運行螺旋管圈直流爐，單爐膛、一次中間再熱、前后墻對沖燃燒方式、平衡通風、固態排渣、前煤倉（或側煤倉）布置、半露天布置、爐頂設大罩殼、全鋼懸吊結構∏型鍋爐。

鍋爐采用雙進雙出磨煤機，冷一次風機、正壓直吹式制粉系統，前后墻對沖燃燒方式。鍋爐尾部設置分煙道，采用煙氣調溫擋板調節再熱器出口汽溫。鍋爐豎井下設置兩臺三分倉回轉式空氣預熱器。鍋爐尾部煙道配有SCR脫硝裝置。

1.2" " 燃煤煤質

現下層（A層）制粉系統使用神華煤或神混煤。本次改造設計煤質分析如表1所示。

2" " 等離子改造方案

原濃淡分離燃燒器[3]布置如圖1所示，主要是由管道彎頭、豎直管道、濃淡分離裝置、濃側粉管和淡側粉管組成。一次風粉被濃淡分離裝置分成濃、淡兩股，濃粉進入濃側粉管，由前后墻噴入爐膛；淡粉進入淡側粉管，由側墻噴入爐膛，可以起到防止側墻結焦的作用。其中濃淡分離裝置的分配效果為：濃、淡側空氣比例為50：50，濃、淡側煤粉比例為80：20。

本次改造等離子燃燒器安裝在前后墻最下層A層，對應A磨煤機。等離子改造后的布置如圖2所示，主要是由管道彎頭、豎直管道、濃淡分離裝置、等離子彎頭、等離子燃燒器和淡側粉管組成。本次改造的范圍包括：1）等離子燃燒器布置在濃側粉管處，并且增設等離子彎頭，用于等離子體發生器的安裝；2）對濃淡分離裝置進行內部改造，一是為了給等離子燃燒器騰出安裝空間，二是為了保證改造后的濃淡分離效果保持不變，不會影響鍋爐的整體性能；3）在管道彎頭內部增設均流板，減少由于豎直管道縮短造成的煤粉聚集影響。

3" " 數值模擬

3.1" " 建立模型和劃分網格

為了更加準確地對改造前后濃淡分離裝置的分離效果進行數值模擬對比，1：1畫出其中一個角的管道布置圖，并且設計了一個小爐膛來模擬煤粉在爐膛內部的流動，具體的三維模型示意圖如圖3所示。

此模型包括管道彎頭、煤粉管道、濃淡分離裝置、等離子燃燒器等，結構非常復雜，為了能夠準確地模擬內部煤粉的流動情況，選用非結構四面體網格對計算域進行網格劃分，并且對濃淡分離裝置和等離子燃燒器部分進行局部網格加密，網格劃分如圖4所示。

3.2" " 邊界條件

根據電廠磨煤機BMCR運行工況，單根煤粉管道的一次風量為3.123 kg/s，煤粉質量流量為1.962 kg/s。根據上述參數對邊界條件進行設置：

1）煤粉管道一次風入口采用質量流量，入口一次風量設為3.123 kg/s（BMCR工況），入口煤粉質量流量為1.962 kg/s（BMCR工況）；

2）煤粉細度：20%（煙煤）；

3）煤粉管道一次風入口風速：31.6 m/s（BMCR工況）；

4）出口邊界條件：壓力出口，-50 Pa；

5）煤粉管道內徑：？準370 mm（變徑之前管道內徑？準406 mm）。

3.3" " 模擬結果

此次等離子改造需要關注兩個問題：1）等離子改造前后濃淡分離效果和一次風速是否有影響；2）等離子改造后是否適合等離子點火。影響等離子燃燒器點火的因素很多，關鍵因素為各級筒內的一次風速和煤粉濃度。

此次數值模擬[4]主要對BMCR工況下等離子改造前后濃淡分離效果和一次風速進行了對比，另外還對等離子點火工況下等離子燃燒器中心筒和二級筒內的一次風速和煤粉濃度進行了對比，具體如表2、表3所示。

4" " 結論

通過數值模擬結果，可得到如下結論：

1）BMCR工況下，原燃燒器模擬結果的濃淡分離效果為：濃、淡側空氣比例為57：43，濃、淡側煤粉比例為72：28，與設計預想的濃淡分離效果存在些許偏差，但在可接受的范圍內。

2）BMCR工況下，改造后的濃淡分離效果為：濃、淡側空氣比例為56：44，濃、淡側煤粉比例為74：26，與原燃燒器的濃淡分離效果基本保持一致，不會對鍋爐性能造成不利影響，滿足改造要求。

[參考文獻]

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[2] 馬國智，趙永國，劉新坤，等.防止等離子燃燒器噴口燒損技術研究[J].電站系統工程，2024，40（1）：32-33.

[3] 邊彩霞，王偉成.一種帶乏氣風的濃淡旋流燃燒器結構的設計及優化[J].機械管理開發，2020，35（3）：1-2.

[4] 閆金山，王建宇，尚慶.高水分、低熱值褐煤機組鍋爐大功率等離子點火特性數值模擬[J].工業爐，2019，41（6）：18-23.

收稿日期：2024-05-07

作者簡介：周劍（1977—），男，江西湖口人，工程師，研究方向：電站鍋爐節能改造。

通信作者：宋繼坤（1987—），男，山東青州人，高級工程師，研究方向：電站鍋爐節油改造。