660MW 旋流對沖燃煤鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬及結(jié)渣分析

鄧念念，周 臻，肖 祥，黃歆雅

（長沙理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，長沙410004）

近幾年，不同類型鍋爐的燃燒技術(shù)都得到了顯著提高，而旋流對沖燃煤鍋爐則是其中的一個典型代表，并被國內(nèi)多家電廠開始選用.隨著技術(shù)的不斷完善，旋流對沖燃煤鍋爐將會得到進(jìn)一步推廣［1］，但是在實際運行中仍然存在諸多問題［2］，如燃燒器冷卻風(fēng)的控制、火焰貼墻、結(jié)渣和高溫腐蝕［3］等問題.隨著計算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)已經(jīng)成為研究爐內(nèi)燃燒過程的一種常用手段，它可以清楚地反映負(fù)荷和煤質(zhì)變化對整個爐內(nèi)燃燒過程的影響［4-7］，并且具有很高的準(zhǔn)確性.

1 模擬對象

所模擬的對象為湖南某電廠的一臺660 MW旋流對沖燃煤鍋爐，采用一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、全懸吊結(jié)構(gòu).在鍋爐爐膛的前后墻上布置燃燒器，并采用對沖燃燒和旋流式燃燒相結(jié)合的燃燒系統(tǒng).圖1為燃燒器與磨煤機(jī)之間的匹配示意圖，其中字母A、B、C、D、E 和F 代表磨煤機(jī)，1、2、3和4代表對應(yīng)于磨煤機(jī)四周的燃燒器.

圖1 燃燒器與磨煤機(jī)之間的匹配示意圖Fig.1 Matching diagram of burner with mill

2 計算網(wǎng)格及數(shù)學(xué)模型

采用Fluent前處理軟件Gambit對鍋爐爐膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中模擬比例為1∶1［8］.由于實際鍋爐本體較大，劃分網(wǎng)格比較麻煩，考慮到該爐型結(jié)構(gòu)左右對稱，因此取爐膛的一半進(jìn)行網(wǎng)格劃分［9］.最終劃分的網(wǎng)格（見圖2）總數(shù)為42萬.

爐內(nèi)煤粉燃燒過程的模擬采用RNGk-ε模型、非預(yù)混燃燒模型和簡化PDF模型，爐內(nèi)輻射換熱計算采用P-1輻射模型，焦炭顆粒的表面燃燒反應(yīng)采用動力／擴(kuò)散模型等.

圖2 爐膛網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Grid division of the furnace

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 不同負(fù)荷下爐內(nèi)溫度場分布及結(jié)渣分析

圖3 給出了不同負(fù)荷下爐內(nèi)距右墻x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布.由圖3可以看出，爐內(nèi)溫度場大致呈對稱分布，且溫度分布合理.其中從鍋爐下部的冷灰斗到第3層燃燒器附近，溫度隨著爐膛高度的升高先逐漸升高后逐漸降低.由圖3還可以看出，隨著鍋爐負(fù)荷的降低，整個爐膛的溫度也隨之下降.

圖3 不同負(fù)荷下x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the section x＝7 880.8mm at different loads

圖4給出了不同負(fù)荷下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度（TD）和軟化溫度（TS）的比較.圖5給出了不同負(fù)荷下不同爐膛高度截面的平均溫度.由圖4和圖5可以看出，在100%負(fù)荷下，爐膛左右墻13～33 m 高度截面的壁面溫度高于煤灰變形溫度，由此得知該區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)渣情況，在該區(qū)域的19～24 m高度截面，爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度，因此該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加，出現(xiàn)結(jié)渣的概率最大.另外根據(jù)沿著爐膛高度方向的觀察，爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度，所以該區(qū)域一般不會出現(xiàn)結(jié)渣情況.同理，在75%負(fù)荷下最易出現(xiàn)結(jié)渣的區(qū)域為21～23m 高度截面；在50%負(fù)荷下爐內(nèi)出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象的可能性較低.綜上所述可知，爐膛的整體溫度隨著鍋爐負(fù)荷的降低而降低，爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之減小.

圖4 不同負(fù)荷下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.4 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation／softening temperature at different loads

圖5 不同負(fù)荷下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.5 Average temperature in sections at different furnace heights and different loads

3.2 不同煤粉細(xì)度下爐內(nèi)溫度場分布及結(jié)渣分析

圖6給出了煤粉細(xì)度（D）分別為16μm 和10 μm 時爐內(nèi)x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布.圖7給出了不同煤粉細(xì)度下不同爐膛高度截面的平均溫度.將圖6和圖7與圖3和圖4對比，可以看出其相同之處是爐內(nèi)的溫度分布比較均勻且溫度場大致呈對稱分布，不同之處是圖6和圖7中爐膛整體溫度略有提高.由圖6和圖7還可以看出，當(dāng)煤粉細(xì)度為10μm 時，爐膛上部的溫度比煤粉細(xì)度為16μm 時有所升高，且燃燒區(qū)變長，這是因為煤粉細(xì)度減小，在相同的體積內(nèi)會有更多的煤粉顆粒與氧氣接觸，使得煤粉著火加快并充分燃燒，提高了鍋爐燃燒效率，爐內(nèi)平均溫度升高，所以爐膛整體溫度會隨著煤粉細(xì)度的減小而升高.

圖6 不同煤粉細(xì)度下x＝7 880.8mm 截面處的溫度分布Fig.6 Temperature distribution in the section x＝7 880.8mm for different particle size of pulverized coal

圖8給出了不同煤粉細(xì)度下爐內(nèi)壁面溫度的分布與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較.由圖8可以看出，當(dāng)燃燒煤粉細(xì)度為10μm 的設(shè)計煤種時，左右墻15～35m高度截面的壁面實際溫度高于煤灰變形溫度，由此得知該區(qū)域易出現(xiàn)結(jié)渣情況，再結(jié)合中間氣流沖刷側(cè)墻的速度場分析，可知該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加，在該區(qū)域的23～28m高度截面，爐膛壁面的實際溫度高于煤灰軟化溫度，因此該區(qū)域結(jié)渣的可能性增加.另外根據(jù)沿著爐膛高度方向的觀察，爐膛前后墻壁面的實際溫度均低于煤灰變形溫度，所以該區(qū)域一般不易結(jié)渣.綜上所述可知，爐膛的整體溫度隨著煤粉細(xì)度的減小而升高，爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積則隨之增大.

圖7 不同煤粉細(xì)度下不同爐膛高度截面的平均溫度Fig.7 Average temperatue in sections at different furnace heights for different particle size of pulverized coal

圖8 不同煤粉細(xì)度下爐內(nèi)壁面溫度與煤灰變形溫度和軟化溫度的比較Fig.8 Comparison between inner wall temperature and coal ash deformation／softening temperature for different particle size of pulverized coal

在整個爐膛上部，特別是在燃盡區(qū)，由于大部分氧氣被消耗，該區(qū)域具有還原性氣氛，煤灰的變形溫度和軟化溫度均有所降低，但是由圖8可知，該區(qū)域壁面的實際溫度較低，所以結(jié)渣的可能性很小.

3.3 模擬結(jié)果與實測結(jié)果的對比分析

為了更好地檢驗?zāi)M的準(zhǔn)確性，選取爐內(nèi)10個具有代表性的測點，然后利用電廠的檢測軟件讀取溫度，并與數(shù)值模擬計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見表1.

表1 爐內(nèi)溫度計算值與實測值的比較Tab.1 Comparison of in-furnace temperture between calculated results and actual measurements

在整個數(shù)值模擬過程中，由于模型某些條件（如邊界溫度等）與鍋爐實際運行工況有所差別，因此不可避免地會出現(xiàn)一定誤差.由表1可知，數(shù)值模擬計算結(jié)果非常接近實測值，兩者的相對誤差控制在允許誤差5%以內(nèi)，所以能夠應(yīng)用于實際工程中.

4 結(jié) 論

（1）該660MW 旋流對沖燃煤鍋爐的爐膛溫度總體上分布比較合理且呈對稱分布，在第3層燃燒器附近區(qū)域出現(xiàn)最高溫度點，之后爐膛溫度隨高度的升高而逐漸降低.其中側(cè)墻溫度高于前后墻溫度，為最容易出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域，符合實際運行工況.

（2）爐膛的整體溫度隨著鍋爐負(fù)荷的降低而降低，爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之減小.爐膛的整體溫度隨著煤粉細(xì)度的減小而升高，爐內(nèi)可能出現(xiàn)結(jié)渣情況的區(qū)域面積隨之增大.

［1］熊蔚立，黃偉，彭敏.超臨界鍋爐技術(shù)特點及發(fā)展方向［J］.湖南電力，2008，28（4）：58-62.

XIONG Weili，HUANG Wei，PENG Min.Technology characteristics and development direction of su-percritical boiler［J］.Hunan Electric Power，2008，28（4）：58-62.

［2］王麗英.大型鍋爐墻置對沖燃燒技術(shù)［J］.華東電力，2002，30（9）：33-35.

WANG Liying.Wall-mouted opposite tangential firing technology for large boiler［J］.East China Electric Power，2002，30（9）：33-35.

［3］張基標(biāo).超超臨界對沖燃燒鍋爐高溫腐蝕研究［J］.浙江電力，2011，30（4）：4-6.

ZHANG Jibiao.Research on high-temperature corrosion of ultra-supercritical opposed firing boiler［J］.Zhejiang Electric Power，2011，30（4）：4-6.

［4］劉泰生，周武，葉恩清.燃盡風(fēng)對爐內(nèi)流動和燃燒過程影響的數(shù)值模擬［J］.動力工程，2006，26（1）：116-120.

LIU Taisheng，ZHOU Wu，YE Enqing.Numerical simulation of the effect of over-fired air on flow and combustion in furnaces［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（1）：116-120.

［5］李芳芹，魏敦崧，馬京程，等.燃煤鍋爐空氣分級燃燒降低NO 排放的數(shù)值模擬［J］.燃料化學(xué)學(xué)報，2004，32（5）：537-541.

LI Fangqin，WEI Dunsong，MA Jingcheng，etal.Numerical simulation of low-NOxemission in a coalfired boiler utility boiler with staged-air combustion［J］.Journal of Fuel Chemistry and Technology，2004，32（5）：537-541.

［6］周武，莊正寧，劉泰生，等.切向燃燒鍋爐爐膛結(jié)渣問題的研究［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2005，25（4）：131-135.

ZHOU Wu，ZHUANG Zhengning，LIU Taisheng，et al.Study on slagging problem in the furnace of a tangential fired boiler［J］.Proceedings of the CSEE，2005，25（4）：131-135.

［7］李德波，宋景慧，徐齊勝，等.660 MW 超臨界旋流對沖燃煤鍋爐NOx分布數(shù)值模擬［J］.動力工程學(xué)報，2013，33（12）：913-919.

LI Debo，SONG Jinghui，XU Qisheng，etal.Numerical simulation on NOxdistribution in a 660 MW ultra supercritical opposed firing boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2013，33（12）：913-919.

［8］王蕾.600 MW 對沖燃煤鍋爐降低NOx排放的數(shù)值模擬［D］.北京：北京交通大學(xué)，2008.

［9］錢力庚.330 MW 電站對沖鍋爐爐內(nèi)過程數(shù)值模擬和實驗研究及四角鍋爐變負(fù)荷研究及爐內(nèi)過程通用程序的設(shè)計與研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2000.