W爐旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的數(shù)值模擬研究與應(yīng)用

蒲學(xué)森，肖宏博，錢 鋒，謝明均，趙興華，金 黃

(1.深圳東方鍋爐控制有限公司，廣東 深圳 518057;2.四川華電珙縣發(fā)電有限公司，四川 珙縣 644500)

0 前言

近年來(lái)隨著燃油供應(yīng)日益緊張及油價(jià)不斷上漲，為降低火力發(fā)電廠煤粉鍋爐在基建調(diào)試、啟動(dòng)和低負(fù)荷穩(wěn)燃油耗，微油點(diǎn)火技術(shù)在150～1000 MW級(jí)四角切圓燃燒鍋爐和前后墻對(duì)沖燃燒鍋爐上已得到了廣泛的應(yīng)用。而對(duì)W型火焰鍋爐，由于其燃用較難點(diǎn)燃的無(wú)煙煤、空間結(jié)構(gòu)緊湊、燃燒方式特殊，采用節(jié)油燃燒技術(shù)的應(yīng)用較為困難。

現(xiàn)有一些針對(duì)W型火焰鍋爐提出的節(jié)油燃燒器方案，由于對(duì)燃燒器改動(dòng)較大，因而帶來(lái)對(duì)鍋爐正常運(yùn)行時(shí)性能影響尚不明確。針對(duì)采用雙旋風(fēng)煤粉燃燒器的W型火焰鍋爐，提出了一種旋風(fēng)微油煤粉燃燒器，利用微油點(diǎn)火降低鍋爐啟動(dòng)和低負(fù)荷穩(wěn)燃的油耗，重點(diǎn)關(guān)注其作為正常燃燒器運(yùn)行時(shí)與原雙旋風(fēng)煤粉燃燒器的性能對(duì)比。

1 雙旋風(fēng)煤粉燃燒器

針對(duì)無(wú)煙煤難著火的特點(diǎn)，雙旋風(fēng)煤粉燃燒器利用旋風(fēng)分離將煤粉濃縮，煤粉氣流經(jīng)過(guò)均分器，切向進(jìn)入燃燒器兩個(gè)旋風(fēng)筒。在離心力作用下，煤粉顆粒被甩向外周，一部分含粉較少的乏氣在燃燒器中心部分被引出后，通過(guò)乏氣管，在拱上的靠近爐膛中心的部位送入爐內(nèi)高溫區(qū)域。從燃燒器噴口下射的主煤粉氣流由于風(fēng)量的減少，風(fēng)粉比降低，提高了燃燒器主噴口煤粉濃度［1］。燃燒器主噴口裝有消旋葉片，可以使燃燒器煤粉氣流旋流減小，增大其剛性。燃燒器的主噴口和乏氣噴口均設(shè)有環(huán)形二次風(fēng)。拱上每只燃燒器還設(shè)有兩個(gè)二次風(fēng)開(kāi)口，其中一個(gè)插入大油槍和點(diǎn)火槍。下?tīng)t膛水冷壁區(qū)域有D擋板控制的一層二次風(fēng)和F擋板分別控制的兩層二次風(fēng)。

2 旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的技術(shù)原理

旋風(fēng)微油煤粉燃燒器將旋風(fēng)分離技術(shù)和微油點(diǎn)火技術(shù)結(jié)合，保持了原有的旋風(fēng)分離，在煤粉主噴口直段內(nèi)部設(shè)分級(jí)煤粉燃燒室，帶有獨(dú)立配風(fēng)的微油油槍從燃燒器乏氣彎頭軸向插入至一級(jí)煤粉燃燒室入口。其關(guān)鍵在于在燃燒器旋風(fēng)筒內(nèi)的消旋濃縮裝置，將煤粉從旋風(fēng)筒邊壁區(qū)域濃縮至中心一級(jí)燃燒室。煤粉在一級(jí)燃燒室內(nèi)被高溫微油火焰點(diǎn)燃，在燃燒器噴口處即形成較為穩(wěn)定的煤粉火焰。保留原有的大油槍，保持燃燒器噴口的位置和大小不變，保持原有的風(fēng)量配比風(fēng)速和燃燒組織不變。圖1為旋風(fēng)微油煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖(單噴口)。

3 旋風(fēng)微油煤粉燃燒器性能分析

3.1 燃燒器噴口消旋效果對(duì)比

采用FLUENT流體計(jì)算軟件，對(duì)旋風(fēng)微油煤粉燃燒器內(nèi)部空氣流場(chǎng)進(jìn)行了分析。幾何模型選取從煤粉均分器出口到燃燒器主噴口和乏氣噴口的范圍。根據(jù)王海剛等人［2］的研究，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型在計(jì)算旋風(fēng)分離時(shí)有明顯缺陷，RNG k-ε模型仍然是基于渦粘性假設(shè)同樣不適用于旋風(fēng)分離計(jì)算。RSM湍流模型的計(jì)算精度較高［2］，因此采用RSM模型模擬旋風(fēng)分離器內(nèi)部的氣流湍流流動(dòng)。

圖1 旋風(fēng)微油煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2和圖3分別為原燃燒器與旋風(fēng)微油煤粉燃燒器主噴口切向速度分布計(jì)算結(jié)果。原燃燒器主噴口由于消旋葉片的作用，明顯分為3個(gè)區(qū)域。但由于消旋葉片位置位于燃燒器噴口附近，噴口靠近外圈部分區(qū)域切向速度較大，最高達(dá)16 m/s。而旋風(fēng)微油燃燒器的消旋效果較好，切向速度分布均勻，最高切向速度僅為6～8 m/s。

上述結(jié)果表明旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的消旋效果顯著。

3.2 風(fēng)量分配和阻力

圖2 原燃燒器主噴口切向速度分布

圖3 旋風(fēng)微油燃燒器主噴口切向速度分布

通過(guò)對(duì)原雙旋風(fēng)煤粉燃燒器和旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比，原燃燒器乏氣比例約占33%(假設(shè)乏氣風(fēng)門全開(kāi))，與張杰等人［3］的試驗(yàn)結(jié)果較接近。旋風(fēng)微油煤粉燃燒器乏氣比例約為34%～42%，根據(jù)內(nèi)部消旋濃縮裝置結(jié)構(gòu)變化有所差異。

在相同條件下旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的阻力增大約100 Pa，相對(duì)原燃燒器設(shè)計(jì)阻力變化不大。

3.3 燃燒器外流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

為研究旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的應(yīng)用對(duì)爐膛內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生的影響，對(duì)單組噴口(含乏氣噴口和環(huán)形二次風(fēng)噴口)的外流場(chǎng)進(jìn)行建模分析，不考慮爐膛形狀、煙氣回流以及其他配風(fēng)的影響。模型計(jì)算域如圖4所示。計(jì)算域形狀為長(zhǎng)圓柱體，寬度為1.2 m(Z軸，沿爐膛長(zhǎng)度方向)，長(zhǎng)度為3.2 m(X軸，沿爐膛寬度方向)，為避免壓力出口條件對(duì)噴口外區(qū)域流場(chǎng)的影響，計(jì)算域高度為11 m(Y軸，爐膛高度方向)。

圖4 燃燒器外流場(chǎng)計(jì)算域示意圖

計(jì)算網(wǎng)格劃分為結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格，對(duì)靠近主、乏氣噴口的區(qū)域局部加密。壁面及各噴口的形狀考慮了爐拱的實(shí)際角度。分別對(duì)原燃燒器及旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，將主噴口與乏氣噴口的結(jié)果作為輸入條件，考察燃燒器外流場(chǎng)的分布。

對(duì)原燃燒器噴口外流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果顯示，主噴口和乏氣噴口受到環(huán)形二次風(fēng)的射流影響，速度逐漸增大，在發(fā)展到一定程度后再衰減。主噴口、乏氣噴口及其相應(yīng)的環(huán)形二次風(fēng)的兩股射流相對(duì)獨(dú)立。圖5為Z=0截面上的軸向速度分布。在距主噴口5.5 m處，兩股射流已基本融合。

圖5 原燃燒器外Z=0平面軸向速度

旋風(fēng)微油煤粉燃燒器做主燃燒器的噴口外流場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于主噴口和乏氣噴口出口速度分布，起主要作用的同樣為環(huán)形二次風(fēng)的射流。在二次風(fēng)出口處，氣流速度較高，進(jìn)入計(jì)算域一定深度后發(fā)生衰減。圖6為旋風(fēng)微油煤粉燃燒器Z=0截面上的軸向速度分布，與原燃燒器流場(chǎng)近似。

圖6 旋風(fēng)微油煤粉燃燒器Z=0截面軸向速度分布

3.4 燃燒器外流場(chǎng)分析

圖7為原燃燒器和微油煤粉燃燒器外流場(chǎng)不同高度截面上Z=0中心線的軸向速度分布。盡管乏氣比例有所差異，乏氣噴口外的速度場(chǎng)基本保持一致。這是由于環(huán)形二次風(fēng)的動(dòng)量較大，是影響流場(chǎng)的主要因素。同樣，主噴口外的流場(chǎng)也主要受環(huán)形二次風(fēng)的影響。在噴口2.5 m外，軸向速度分布幾乎一致。

在主噴口附近，原燃燒器軸向速度呈V型分布，即主噴口中間速度高外圍速度低，而旋風(fēng)微油煤粉燃燒器呈A型分布，與之相反。這種差異在主噴口外2 m內(nèi)都有所體現(xiàn)。從圖7中可以明顯看出燃燒器主噴口外1.5 m的范圍內(nèi)，旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的速度更低，表明煤粉在此區(qū)間的停留時(shí)間較長(zhǎng)。

由于環(huán)形二次風(fēng)的風(fēng)速遠(yuǎn)高于一次風(fēng)，因此噴口外中心線的速度先是在環(huán)形二次風(fēng)的帶動(dòng)下逐漸升高，在二者風(fēng)速達(dá)到一致后，隨著射流的衰減逐漸減小。因此可以認(rèn)為中心線上風(fēng)速出現(xiàn)下降時(shí)環(huán)二次風(fēng)與一次風(fēng)完成混合。

圖7 距燃燒器噴口不同高度截面上Z=0中心線軸向速度

從圖8可以看出混合距離的具體變化。在距原燃燒器主噴口0.5 m處軸向速度達(dá)到最大，這是由一次風(fēng)本身在消旋葉片的影響下產(chǎn)生的變化，而在距主噴口1.5 m處，環(huán)形二次風(fēng)與一次風(fēng)即完成混合。在旋風(fēng)微油煤粉燃燒結(jié)構(gòu)中，該距離推遲到距噴口2.5 m外。在環(huán)形二次風(fēng)保證噴口整體下沖動(dòng)量不受影響的情況下，局部較低的速度有利于延長(zhǎng)煤粉的停留時(shí)間，和環(huán)形二次風(fēng)混合時(shí)間延遲有助于減小煤粉著火所需的著火熱，從而更易于著火和燃燒。

圖8 主噴口外Z=0中心線上軸向速度

圖9為原燃燒器與微油煤粉燃燒器主噴口外中心線上的切向速度。旋風(fēng)微油煤粉燃燒器采用固定式的消旋葉片能夠在燃燒器外中心線上大幅消除旋流。隨著下沖深度的增加，在環(huán)形二次風(fēng)射流的作用下，兩種燃燒器的旋流均逐漸被消除。

圖9 主噴口外Z=0中心線切向速度

4 旋風(fēng)微油煤粉燃燒器的應(yīng)用情況

四川華電珙縣電廠2×600 MW新建機(jī)組的鍋爐采用東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的配600 MW機(jī)組的超臨界W型火焰燃燒、垂直管圈水冷壁變壓直流鍋爐。單爐膛露天島式布置，燃用無(wú)煙煤。鍋爐配備6臺(tái)雙進(jìn)雙出鋼球磨煤機(jī)并采用了動(dòng)態(tài)分離器，每臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)4只燃燒器，總共24只煤粉燃燒器。為減少機(jī)組在基建調(diào)試期間油耗，將其中B、E兩臺(tái)磨煤機(jī)對(duì)應(yīng)的煤粉燃燒器改為旋風(fēng)微油煤粉燃燒器，在機(jī)組調(diào)試期間節(jié)油效果顯著，節(jié)油率達(dá)到36%。

1號(hào)爐在通過(guò)168 h試運(yùn)行后進(jìn)行了燃燒優(yōu)化，鍋爐運(yùn)行情況良好。占燃燒器總數(shù)量三分之一的旋風(fēng)微油煤粉燃燒器作為正常燃燒器使用時(shí)與原雙旋風(fēng)煤粉燃燒器性能基本一致。根據(jù)燃燒優(yōu)化其中的24個(gè)試驗(yàn)工況的統(tǒng)計(jì)，平均排煙溫度與設(shè)計(jì)值相當(dāng);飛灰可燃物含量在2.5% ～5.0%之間;鍋爐效率能達(dá)到設(shè)計(jì)保證值;NOx排放量小于700 mg/Nm3，明顯低于國(guó)內(nèi)已投運(yùn)的同類型鍋爐排放量［4］。

5 結(jié)論

介紹了一種新型旋風(fēng)微油煤粉燃燒器，可有效降低W型火焰鍋爐的點(diǎn)火啟動(dòng)與低負(fù)荷穩(wěn)燃油耗。

1)通過(guò)燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)的計(jì)算分析得知，旋風(fēng)微油煤粉燃燒器與原雙旋風(fēng)燃燒器相比，消旋效果更為顯著，乏氣比例相差不大，阻力略有增加;

2)燃燒器的噴口外流場(chǎng)主要受到環(huán)形二次風(fēng)的控制，對(duì)主噴口的流場(chǎng)變化不敏感;

3)旋風(fēng)微油煤粉燃燒器與原燃燒器在噴口處的速度略有不同，更有利于延長(zhǎng)煤粉的停留時(shí)間，有利于著火。

4)旋風(fēng)微油煤粉燃燒器在華電珙縣電廠2×600 MW超臨界機(jī)組W爐上得到應(yīng)用，作為節(jié)油點(diǎn)火燃燒器使用時(shí)節(jié)油效果顯著，作為正常燃燒器使用時(shí)性能與原雙旋風(fēng)煤粉燃燒器一致。

［1］黃志強(qiáng)，王軍.雙旋風(fēng)筒煤粉濃縮型燃燒器特性試驗(yàn)研究［J］.廣東電力，2004，17(3):47-49.

［2］王海剛，劉石.不同湍流模型在旋風(fēng)分離器三維數(shù)值模擬中的應(yīng)用和比較［J］.熱能動(dòng)力工程，2003，18(4):337-342.

［3］張杰，李爭(zhēng)起，靖劍平，等.W型火焰爐旋風(fēng)分離器分離特性的實(shí)驗(yàn)研究［J］.熱能動(dòng)力工程，2007，22(1):65-68.

［4］柳宏剛，白少林.現(xiàn)役各類W火焰鍋爐NOx排放對(duì)比分析研究［J］.熱力發(fā)電，2007，36(3):1-4，9.