配風(fēng)方式對某電廠鍋爐燃燒及結(jié)渣特性的影響

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(1.廣州市能源檢測研究院 廣東 廣州 510170；2.廣東省機(jī)電設(shè)備招標(biāo)中心，廣東 廣州 510030)

配風(fēng)方式對某電廠鍋爐燃燒及結(jié)渣特性的影響

謝方靜1,陳麗霞2

(1.廣州市能源檢測研究院 廣東 廣州 510170；2.廣東省機(jī)電設(shè)備招標(biāo)中心，廣東 廣州 510030)

為了節(jié)約燃煤成本，國內(nèi)部分電廠開始采用較廉價(jià)煤種作為燃料，燃料的改變勢必影響到鍋爐換熱效果，降低鍋爐熱效率，而通過調(diào)整燃燒方式可以降低這種不利的影響，本文通過數(shù)值模擬的方法分析了不同配風(fēng)方式時(shí)爐膛內(nèi)的燃燒和結(jié)渣特性的影響，綜合考慮燃盡率、飛灰含碳量、含氧量、速度分布以及爐膛出口煙氣溫度等因素，對于某電廠鍋爐的配風(fēng)方式建議選用寶塔配風(fēng)。

數(shù)值模擬；配風(fēng)方式；結(jié)渣特性；煙氣溫度；氧含量

0 引言

考慮到燃煤經(jīng)濟(jì)性等因素，國內(nèi)某些電廠近年來開始采用廉價(jià)煤種作為燃料，廉價(jià)煤種煤質(zhì)特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離設(shè)計(jì)煤種，容易造成爐膛內(nèi)結(jié)渣，水冷壁及過熱器底部被大面積渣塊覆蓋，嚴(yán)重影響鍋爐換熱效果，鍋爐熱效率降低。針對這一問題，眾多國內(nèi)學(xué)者展開研究，楊忠燦等[1-5]在燃燒調(diào)整試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，分析了燃煤特性和運(yùn)行參數(shù)的變化對鍋爐結(jié)渣的影響，初步提出了防止結(jié)渣的改進(jìn)方案；周勇等[6-9]采用數(shù)值模擬方法來研究旋流燃燒器出口區(qū)域水冷壁面結(jié)渣過程及各次風(fēng)配風(fēng),旋流和煤種特性對結(jié)渣過程的影響規(guī)律；鄒顯宏等[10-11]通過配風(fēng)試驗(yàn)，研究了某電廠300 MW機(jī)組鍋爐結(jié)渣與配風(fēng)的關(guān)系。結(jié)合以往學(xué)者的研究，本文以某電廠300 MW鍋爐為例，揭示了不同配風(fēng)方式下爐內(nèi)溫度場、組分場以及爐膛出口煙溫等的變化規(guī)律，研究了不同配風(fēng)方式下爐內(nèi)結(jié)渣特性。

1 模擬對象

某電站鍋爐為亞臨界、一次中間再熱，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，鍋爐本體結(jié)構(gòu)如圖1所示。鍋爐原設(shè)計(jì)是采用同心三切圓燃燒方式，其特點(diǎn)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(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ1 000 mm小切圓，二次風(fēng)及上端部風(fēng)室射流形成一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ7 600 mm大切圓。燃盡風(fēng)室射流形成一個(gè)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的Φ5 000 mm中反切切圓，由于受燃燒器實(shí)際安裝的影響使得反切動(dòng)量不夠，該電廠對2#機(jī)組的上端部風(fēng)室進(jìn)行了改造，形成15°順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的直徑3 500 mm假想反切切圓。

圖1 鍋爐爐膛結(jié)構(gòu)尺寸圖

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

鍋爐爐內(nèi)的氣體流動(dòng)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(jìn)行描述。對于工業(yè)運(yùn)用比較成熟的湍流可采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε湍流模型、修正的k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型，在此選用RNGk-ε湍流模型。氣體流動(dòng)模型包括三維的連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及k和ε的兩個(gè)輸運(yùn)方程，可統(tǒng)一表達(dá)為以下形式[12]

(1)

式中Φ代表所有的氣相變量，如速度的三個(gè)分量u,v,w、壓力p、湍流動(dòng)能k及其耗散率ε、混合分?jǐn)?shù)f、f1、f2及其脈動(dòng)均方值g、g1、g2和比焓h等。氣體的源項(xiàng)或匯項(xiàng)為SΦ，而SpΦ是由固體顆粒引起的源項(xiàng)。

顆粒運(yùn)動(dòng)的計(jì)算運(yùn)用拉格朗日方法，已知?dú)怏w的流場，就可以按時(shí)間積分求出各個(gè)顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。顆粒的瞬態(tài)運(yùn)動(dòng)方程如下[13]

(2)

模擬中采用雙平行反應(yīng)模型來模擬煤的熱解過程。該模型認(rèn)為煤的熱解為一對平行的一階不可逆的化學(xué)反應(yīng)[13]

(3a)

(3b)

式中反應(yīng)速率常數(shù)k1和k2由Arrhenius公式給定

(4a)

(4b)

因此，這一模型包含有6個(gè)經(jīng)驗(yàn)常數(shù)Y1、Y2、E1、E2、A1和A2。

輻射傳熱使用Lockwood和Shah等提出的離散傳播法(Discrete Transfer Method)計(jì)算輻射傳熱。其主要思想是考慮邊界網(wǎng)格面為輻射的吸收源和發(fā)射源，將邊界網(wǎng)格上向半球空間發(fā)射的輻射能離散成有限條能束，這些能束穿過內(nèi)部網(wǎng)格被介質(zhì)吸收和散射后，到達(dá)另外的邊界面，在各邊界網(wǎng)格面上進(jìn)行的輻射能達(dá)到平衡。考慮網(wǎng)格內(nèi)介質(zhì)的溫度T和氣體對輻射能束的吸收、發(fā)射以及顆粒對輻射能束的吸收、發(fā)射和各向同性散射時(shí)，輻射能束通過一個(gè)網(wǎng)格時(shí)的強(qiáng)度變化為[12-13]

(5)

式中Ka——?dú)怏w的吸收系數(shù);

Kp——顆粒的吸收系數(shù);

Ks——顆粒的散射系數(shù)，式中最后一項(xiàng)代表從其它方向散射入方向的能束對輻射強(qiáng)度的貢獻(xiàn)。

3 模擬試驗(yàn)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(cuò)網(wǎng)格，并在燃燒器和屏區(qū)邊界附近進(jìn)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 模擬工況及條件

選用100%負(fù)荷，六臺磨煤機(jī)全開的情況下，進(jìn)行配風(fēng)方式優(yōu)化的研究。試驗(yàn)?zāi)M的三種配風(fēng)配煤方式為均勻配風(fēng)、寶塔配風(fēng)和雙曲配風(fēng)，燃燒器中入爐煤量和入爐風(fēng)量信息以及配風(fēng)的分配情況見表1。不同配風(fēng)方式下的噴口二次風(fēng)風(fēng)門開度情況如表2所示。

表1 100%負(fù)荷下入爐煤量和入爐風(fēng)量

表2 均勻配風(fēng)、寶塔配風(fēng)和雙曲配風(fēng)方式下的風(fēng)門開度列表

3.3 模擬試驗(yàn)結(jié)果及分析

(1)爐膛出口信息

通過模擬試驗(yàn)，得到了均勻配風(fēng)、寶塔配風(fēng)、雙曲配風(fēng)三種不同配風(fēng)方式下的飛灰含碳量、燃盡率、出口煙溫等結(jié)果，具體情況對比表如表3所示。

表3 不同配風(fēng)方式下模擬試驗(yàn)結(jié)果對照表

從表中可以看出采用寶塔配風(fēng)和雙曲配風(fēng)方式與均勻配風(fēng)相比，飛灰含碳量降低，燃盡率提高，尤其是寶塔配風(fēng)方式，飛灰含碳量比均勻配風(fēng)下的燃盡率降低了0.1%。從爐膛出口煙氣溫度看，雙曲配風(fēng)方式爐膛出口煙溫最高，寶塔配風(fēng)次之，均勻配風(fēng)出口煙溫最低。

(2)溫度場

圖5是不同配風(fēng)方式下的爐膛中心截面煙氣溫度分布。寶塔配風(fēng)時(shí)，爐膛高溫區(qū)大，分布比較均勻，有利于增強(qiáng)鍋爐穩(wěn)燃和燃盡性能；均勻配風(fēng)時(shí)，爐膛高溫區(qū)面積減小，溫度分布不均勻性增大；雙曲配風(fēng)時(shí)，爐膛最高溫度明顯降低。不同配風(fēng)方式下，向下延伸的高溫火炬區(qū)域大小不同，主要是因?yàn)椴煌滹L(fēng)時(shí)二次風(fēng)對煤粉顆粒的托舉作用大小不一樣。

圖6所示為三種配風(fēng)方式下爐膛中心溫度分布，各種配風(fēng)方式下，在燃燒器及其上部區(qū)域形成了高溫區(qū)，最高溫度高達(dá)1 700℃，也即火焰中心位置，位于燃燒器上部。在爐膛燃燒器及以上部區(qū)域形成了1 500℃以上的高溫區(qū)域，有利于強(qiáng)化煤粉氣流的著火、穩(wěn)燃和燃盡，此處爐膛壁面溫度高，有些區(qū)域甚至超過燃燒煤種的軟化溫度，是爐膛內(nèi)產(chǎn)生結(jié)渣的主要區(qū)域，因此，組織好此區(qū)域的流場和燃燒是防止鍋爐結(jié)渣的有效途徑。通過三種不同配風(fēng)方式下爐膛中心溫度分布比較發(fā)現(xiàn)，在鍋爐同一高度上，寶塔配風(fēng)和均勻配風(fēng)爐膛中心溫度均高于雙曲配風(fēng)。

圖6 三種配風(fēng)方式下爐膛中心溫度分布

圖5 三種配風(fēng)方式下爐膛中心溫度場(溫度單位：K)

圖7 三種配風(fēng)方式下爐膛中心氧濃度分布

(3)氧量場

圖7是不同配風(fēng)方式下的爐膛中心的氧濃度分布。由圖可見，在燃燒器區(qū)域，因鄰角射流火焰的沖刷而存在還原性區(qū)域，而該區(qū)域的煙氣溫度水平亦很高，兼有顆粒沖刷，因而是潛在的結(jié)渣區(qū)域。在燃燒器區(qū)域上方，因有漏風(fēng)存在，實(shí)際運(yùn)行時(shí)的氧濃度應(yīng)高于預(yù)測值，且煙氣溫度較低，因此結(jié)渣的可能性較上述區(qū)域低。

寶塔配風(fēng)方式下爐膛前后墻附近氧濃度較高，燃燒器及以下區(qū)域基本呈現(xiàn)氧化性區(qū)域，不容易結(jié)渣；雙曲配風(fēng)方式下，爐膛前后墻附近氧濃度偏低，基本呈現(xiàn)還原性區(qū)域，容易產(chǎn)生結(jié)渣；均勻配風(fēng)方式下結(jié)渣特性則處于中間。圖8為不同配風(fēng)方式下爐膛中心含氧量沿高度方向的分布。對于均勻配風(fēng)和雙曲配風(fēng)，寶塔配風(fēng)爐膛中心含氧量較低，其他兩種配風(fēng)方式含氧量較高。

圖8 三種配風(fēng)方式下爐膛中心含氧量分布

4 結(jié)論

數(shù)值模擬結(jié)果表明，不同配風(fēng)方式下，爐膛內(nèi)燃燒及結(jié)渣特性不盡相同：

(1)采用寶塔配風(fēng)和雙曲配風(fēng)方式與均勻配風(fēng)相比，飛灰含碳量降低，燃盡率提高；

(2)從爐膛出口煙氣溫度看，雙曲配風(fēng)方式爐膛出口煙溫最高，寶塔配風(fēng)次之，均勻配風(fēng)出口煙溫最低；

(3)在爐膛同一高度上，寶塔配風(fēng)和均勻配風(fēng)爐膛中心溫度均高于雙曲配風(fēng)，其中，寶塔配風(fēng)爐膛中心含氧量最低。

綜合考慮不同配風(fēng)方式對爐膛內(nèi)的燃燒特性和結(jié)渣特性的影響，對于該鍋爐的配風(fēng)方式建議選用寶塔配風(fēng)。

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TheImpactonCombustionandSlaggingwithDifferentAirDistributionMethods

XIE Fang-jing1,CHEN Li-xia2

(1.Guangzhou Institute of Energy Testing, Guangzhou 510170, China;2.Guangdong Machinery and Electric Equipment Tendering Center,Guangzhou 510030,China)

Cheap coal is adopted in some power plants for reducing the cost of fire coal. It is bound to affect heat transfer characteristic and reduce heat efficiency of boiler because of fuel changes. It is viable to reduce the adverse influence by adjusting combustion modes. This paper analyses combustion and slagging characteristic by means of numerical simulation on different air distribution methods. Considering the factors as below, burn-off rate, dust carbon content, oxygen content, velocity distribution and flue-gas temperature,and the pagoda air distribution method is proposed to use for the power plant boiler.

numerical simulation;air distribution methods;slagging characteristic;flue-gas temperature;oxygen content

2012-12-25修訂稿日期2013-05-20

謝方靜(1983-),男,碩士研究生,從事能源平衡測試、能源審計(jì)類節(jié)能服務(wù)工作

TK227.1

A

1002-6339 (2014) 04-0368-05