摻燒印尼煤對某鍋爐燃燒及結(jié)渣影響的數(shù)值模擬

陳麗霞

(廣東省機電設(shè)備招標(biāo)中心，廣東 廣州510030)

0 引言

為了適應(yīng)電煤市場形勢的變化，國內(nèi)某電廠積極開展非設(shè)計煤種的試燒工作，其中印尼煤的摻燒工作是近期非設(shè)計煤種試燒工作的重點。雖然國內(nèi)多數(shù)電廠均在摻燒印尼煤，但在多個電廠出現(xiàn)爆炸、結(jié)焦等事故，印尼煤摻燒技術(shù)并不成熟。所以該電廠對摻燒印尼煤的安全、環(huán)保及經(jīng)濟特性進行評估，摸清摻燒印尼煤對鍋爐燃燒系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整的潛在影響，對摻燒的安全性和經(jīng)濟性進行全面的評估，并最終確定可行的印尼煤摻燒方案。

本文采用數(shù)值模擬方法對爐內(nèi)流動、傳熱及燃燒進行仿真計算，獲得爐內(nèi)速度場、溫度場以及氣氛場，對研究爐內(nèi)燃燒情況、結(jié)渣情況，優(yōu)化摻燒具有重要指導(dǎo)意義［1－3］。

1 鍋爐概況

根據(jù)項目需求，模擬對象為爐膛出口前的整個爐膛，結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。圖1中分別標(biāo)注了鍋爐爐膛總體結(jié)構(gòu)尺寸、冷灰斗結(jié)構(gòu)尺寸、折焰角區(qū)域及爐膛出口區(qū)域的結(jié)構(gòu)尺寸。

圖1 鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸圖(單位:mm)

該電站鍋爐原設(shè)計是采用同心三切圓燃燒方式，其特點是一次風(fēng)、油風(fēng)室二次風(fēng)及下端部二次風(fēng)射流形成一個逆時針旋轉(zhuǎn)的Φ1 047 mm小切圓，二次風(fēng)及上端部風(fēng)室射流形成一個逆時針旋轉(zhuǎn)的Φ7 366 mm大切圓。燃盡風(fēng)室射流形成一個順時針旋轉(zhuǎn)的Φ4 855 mm中反切切圓，由于受燃燒器實際安裝的影響使得反切動量不夠，該電廠對2號機組的上端部風(fēng)室進行了改造，形成15°順時針旋轉(zhuǎn)的直徑Φ3 410 mm假想反切切圓。

鍋爐燃燒器呈四角布置，每角所布置的燃燒器包括6層煤粉燃燒器、三層油風(fēng)室、兩層中間二次風(fēng)室、一層下端部二次風(fēng)室、一層上端部風(fēng)室和兩層燃盡風(fēng)室。一次風(fēng)周圍布置有周圍二次風(fēng)。

2 數(shù)學(xué)模型及計算方法

鍋爐爐內(nèi)的氣體流動為三維湍流反應(yīng)流，其平均流可視為穩(wěn)態(tài)流，因此，可用通常的守恒方程進行描述。對于工業(yè)運用比較成熟的湍流可采用標(biāo)準的k－ε湍流模型、修正的k－ε湍流模型和RNG k－ε湍流模型，在此選用RNG k－ε湍流模型。顆粒運動的計算運用拉格朗日方法，已知氣體的流場，就可以按時間積分求出各個顆粒的運動軌跡。模擬中采用雙平行反應(yīng)模型來模擬煤的熱解過程。輻射傳熱使用Lockwood和Shah等提出的離散傳播法(Discrete Transfer Method)計算輻射傳熱。這個方法以熱通量為基礎(chǔ)，兼具有區(qū)域法，Monte－Carlo法的優(yōu)點，因而有較高的計算效率，并能夠得到很好的結(jié)果［4－11］。

3 模擬試驗研究

3.1 網(wǎng)格處理

模擬過程中流體網(wǎng)格采用73×68×135(X×Y×Z)的正交非均勻交錯網(wǎng)格，并在燃燒器和屏區(qū)邊界附近進行局部網(wǎng)格加密，輻射網(wǎng)格采用30×58×51(X×Y×Z)，其中沿燃燒器噴口截面、爐膛寬度和深度方向網(wǎng)格劃分如圖2、圖3和圖4所示。

圖2 燃燒器噴口截面網(wǎng)格劃分

圖3 爐膛寬度截面網(wǎng)格劃分

圖4 爐膛深度截面網(wǎng)格劃分

3.2 模擬試驗工況條件

本文根據(jù)現(xiàn)場試驗要求，對100%負荷下印尼煤3號(簡稱印尼3)摻燒方案進行了模擬研究。在模擬試驗過程中，燃用煤種包括基礎(chǔ)煤種山優(yōu)混和印尼3。

根據(jù)現(xiàn)場摻燒試驗，6臺磨煤機全部投入運行，其中4號、5號磨煤機依次摻燒印尼3，1～6號磨煤機對應(yīng)的燃燒器分別為A－F。各配比下磨煤機投運情況如表1所示。

表1 各配比下磨煤機投運情況

煤質(zhì)特性參數(shù)見表2。

表2 燃用煤質(zhì)特性

基礎(chǔ)煤、印尼3及混煤灰熔點見表3。

表3 基礎(chǔ)煤、印尼3及混煤灰熔點

3.3 山優(yōu)混摻燒印尼3模擬分析

(1)前后墻近壁面煙氣溫度及氧量場分布

圖5和圖6為山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量隨爐膛高的變化曲線。從圖中可以看出，三種工況下前后墻近壁面煙氣溫度和含氧量分布趨勢相同，高溫區(qū)(＞1 500℃)主要集中在15～25 m區(qū)域，處于燃燒器的中上部。單燒山優(yōu)混時，此區(qū)域煙氣溫度明顯高于其他兩種混煤工況，而且分布面積大，所以摻燒一定量的印尼煤可以降低近壁面處高溫區(qū)的溫度，有利于減小爐膛水冷壁結(jié)渣傾向。但是由于印尼3灰熔點較低，摻燒過量的印尼煤，雖然能夠降低近壁面處高溫區(qū)的溫度，但由于降溫幅度不大，仍可能高于印尼3灰熔點，摻燒過量的印尼3會使?fàn)t膛內(nèi)結(jié)渣更嚴重。

圖5 前后墻近壁面煙氣溫度分布

圖6 前后墻近壁面含氧量分布

從圖6可以看出，近壁面區(qū)域含氧量在燃燒器區(qū)域較大，隨著爐膛高度增加逐漸趨于穩(wěn)定。摻燒印尼3的兩種工況燃燒器區(qū)域的含氧量明顯低于單燒山優(yōu)混的含氧量，這是因為印尼3中揮發(fā)份含量大于山優(yōu)混中揮發(fā)份含量，著火迅速，著火距離短，在爐墻區(qū)域耗氧量大。

(2)側(cè)墻近壁面處煙氣溫度及氧量場分布

圖7和圖8顯示的是山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下側(cè)墻近壁面處煙氣溫度和含氧量隨爐膛高度的變化曲線。

圖7 側(cè)墻近壁面處煙氣溫度分布

圖8 側(cè)墻近壁面處煙氣含氧量分布

從圖中可以看出，三種工況下的溫度和含氧量曲線變化趨勢相同，近壁面處煙氣溫度隨著爐膛高度呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，氧濃度在燃燒器區(qū)域較大，在冷灰斗以及燃燒器以上區(qū)域氧濃度含量低。與前后墻近壁面處高溫區(qū)分布相比，側(cè)墻近壁面處高溫區(qū)面積較小，可能產(chǎn)生結(jié)渣區(qū)域面積也較小。從圖9可以看出，三種工況下高溫區(qū)分布隨著印尼3摻燒量的增大逐漸減小，但印尼3的灰熔點較低，摻燒量越大越易結(jié)渣，因此側(cè)墻的結(jié)渣傾向雖較前后墻小，但依舊存在結(jié)渣風(fēng)險。

(3)屏區(qū)底端溫度場和氧量場分布

圖9和圖10為山優(yōu)混與印尼3在不同摻混比例下屏區(qū)底端(爐膛高度為36 m)煙氣溫度和氧濃度隨爐膛深度的變化曲線。

圖9 屏區(qū)底端煙氣溫度分布

圖10 屏區(qū)底端煙氣氧量場分布

由圖9可看出，屏區(qū)底端煙氣溫度在爐膛中心溫度最高，然后向兩邊逐漸減小，三種工況最高溫度均小于1 400℃，單燒山優(yōu)混和摻燒少量(混配比為5∶1)的印尼3時，煙氣溫度沒有達到山優(yōu)混和混煤的灰熔點，結(jié)渣可能性小;印尼3摻燒量增大，雖然此區(qū)域溫度略有降低，但可能高于印尼3的灰熔點，容易在屏區(qū)底端產(chǎn)生結(jié)渣。

由圖10可看出，三種工況下屏區(qū)底端煙氣中氧濃度分布趨勢相同，爐膛中心氧濃度小，向兩側(cè)濃度略有增大，摻混印尼3比例越大，該區(qū)域氧濃度越小。

(4)爐膛出口信息

山優(yōu)混與印尼3在三種工況下爐膛出口信息模擬結(jié)果如表4所示。

表4 爐膛出口信息統(tǒng)計表

從表中可以看出，隨著印尼3混配比例的增大，爐膛出口溫度逐漸升高，這是因為印尼3摻混比例較大時，總煤量較大，印尼3水分含量較大，燃燒后產(chǎn)生的煙氣量較大，由煙氣經(jīng)過爐膛出口帶走熱損失大，爐膛出口煙溫較大。從三種工況下燃盡率比較可以看出，山優(yōu)混的燃盡率優(yōu)于印尼3，摻燒印尼3量越多，燃盡率越低。與燃盡率對應(yīng)的飛灰含碳量隨著印尼3摻燒量的增多逐漸增大。模擬結(jié)果還顯示，三種工況下爐膛出口含氧量幾乎相同。

4 結(jié)論

混煤方案試驗研究表明:摻燒一定量的印尼煤有利于改善爐膛內(nèi)的結(jié)渣特性。印尼3灰熔點較低，與高熱值基礎(chǔ)煤摻混時容易產(chǎn)生結(jié)渣，摻燒比例不宜過大，既能夠改善爐膛內(nèi)的燃燒狀況，又有助于改善爐膛結(jié)渣性能。根據(jù)模擬結(jié)果分析，基礎(chǔ)煤與印尼3進行混配的最優(yōu)推薦比例為5∶1。

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