組合式貼壁風(fēng)對(duì)660 MW鍋爐燃燒過程的影響

姚 露 陳天杰 劉建民 黃啟龍 陳國(guó)慶 金保昇 張 勇

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院, 南京 210033)

組合式貼壁風(fēng)對(duì)660 MW鍋爐燃燒過程的影響

姚 露1陳天杰1劉建民2黃啟龍2陳國(guó)慶2金保昇1張 勇1

(1東南大學(xué)能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測(cè)控教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210096)(2國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院, 南京 210033)

為防止電廠660 MW對(duì)沖燃燒鍋爐出現(xiàn)水冷壁高溫腐蝕現(xiàn)象,提出了鍋爐前后墻和側(cè)墻同時(shí)布置貼壁風(fēng)的新型組合式方案.采用數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)鍋爐在原始工況和貼壁風(fēng)工況下的爐內(nèi)燃燒、傳熱及流動(dòng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,重點(diǎn)考察了貼壁風(fēng)對(duì)爐內(nèi)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)及煙氣組分濃度場(chǎng)的影響.結(jié)果表明:模擬預(yù)測(cè)的強(qiáng)還原性區(qū)域與鍋爐實(shí)際發(fā)生高溫腐蝕區(qū)域相吻合;組合式貼壁風(fēng)提高了側(cè)墻的O2覆蓋率,增加了覆蓋區(qū)域的含氧量,而CO明顯降低;貼壁風(fēng)加入前后爐內(nèi)燃燒溫度和各組分濃度變化不大,對(duì)爐內(nèi)燃燒幾乎沒有影響;從燃盡風(fēng)引出的組合式貼壁風(fēng)削弱了空氣分級(jí)低氮燃燒作用,NOx排放略有增加.

高溫腐蝕;旋流燃燒;貼壁風(fēng);數(shù)值模擬

我國(guó)大型鍋爐爐內(nèi)水冷壁發(fā)生高溫腐蝕是一個(gè)普遍現(xiàn)象[1-3].采用旋流燃燒方式的鍋爐因其旋流燃燒器出口處煤粉易偏向兩側(cè)墻,導(dǎo)致爐內(nèi)或局部燃燒區(qū)形成還原性氣氛和腐蝕性氣體,從而發(fā)生水冷壁的高溫腐蝕[4-7].為改善水冷壁高溫腐蝕,研究者提出了一些防止高溫腐蝕的方法,其中,合理引入少量貼壁風(fēng)來減少水冷壁近壁處的還原性氣氛是一種行之有效的解決方法[5-9].貼壁風(fēng)是從燃燒風(fēng)中引出一小股風(fēng),在水冷壁附近形成一層氣膜,一方面阻擋煤粉氣流直接沖刷水冷壁,另一方面補(bǔ)充近壁處的含氧量,稀釋并反應(yīng)掉部分還原性氣氛,可以從根本上防止高溫腐蝕的發(fā)生[1,5,8].

目前已有研究者對(duì)前后墻或側(cè)墻布置貼壁風(fēng)進(jìn)行了研究.發(fā)現(xiàn)采用前后墻或側(cè)墻布置貼壁風(fēng)的方法在防治高溫腐蝕的同時(shí)也會(huì)對(duì)爐內(nèi)燃燒過程產(chǎn)生不同的影響[5-7].同時(shí),研究者們還發(fā)現(xiàn)墻上布置貼壁風(fēng)對(duì)四角切圓鍋爐爐內(nèi)燃燒過程影響不大[8-9].然而旋流燃燒鍋爐因其爐內(nèi)流場(chǎng)和燃燒特性比四角切圓鍋爐更為復(fù)雜,貼壁風(fēng)對(duì)其燃燒機(jī)理的影響與四角切圓鍋爐不同,目前尚未有研究者對(duì)組合式貼壁風(fēng)對(duì)爐內(nèi)燃燒過程的影響進(jìn)行研究.

本文針對(duì)實(shí)際運(yùn)行鍋爐的高溫腐蝕現(xiàn)象,在總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出了前后墻開孔和側(cè)墻開槽同時(shí)布置貼壁風(fēng)的組合式方法,并采用數(shù)值計(jì)算方法研究了原始工況和貼壁風(fēng)工況下爐內(nèi)的燃燒、流動(dòng)以及污染物排放特性.

1 模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

本文數(shù)學(xué)模型采用了歐拉-拉格朗日法，其中，氣相采用歐拉法，因前后墻對(duì)沖鍋爐中氣體旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象明顯，為充分考慮旋轉(zhuǎn)氣流的湍流運(yùn)動(dòng)，選用Realizablek-ε雙方程模型[10-11]來描述氣相運(yùn)動(dòng).固相則采用拉格朗日法，選用離散相模型[12-13]來描述煤粉顆粒在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)過程.

1.2 物理模型

鍋爐為660 MW墻式對(duì)沖燃燒鍋爐,前后墻共布置36只旋流燃燒器,其中后墻第3層燃燒器處于備用狀態(tài),屏式受熱面均勻布置在鍋爐頂部,鍋爐的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2 模擬方法及模擬參數(shù)

2.1 網(wǎng)格劃分

建立鍋爐爐膛的全尺寸物理模型，采用分區(qū)域畫網(wǎng)格的方法，以減少偽擴(kuò)散.其中，燃燒器區(qū)域以cooper法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，余下區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；爐膛上部區(qū)域以map法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；對(duì)屏式受熱區(qū)，先簡(jiǎn)化過熱屏，然后以submap法劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；折焰角和冷灰斗區(qū)域劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.網(wǎng)格劃分后，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行獨(dú)立性分析，最終爐膛網(wǎng)格總數(shù)約為4.0×106.

2.2 初始條件及邊界條件

鍋爐采用的煤含硫量較高,其煤質(zhì)分析見表1.文獻(xiàn)[1,3]表明,煤含硫量越多則爐內(nèi)越易發(fā)生水冷壁的高溫腐蝕.煤粉細(xì)度為R90,顆粒粒徑分布符合Rosin-Rammer分布,其最大、最小和平均直徑分別為200,10和51.5 μm.

表1 煤質(zhì)分析 %

本文將鍋爐運(yùn)行BMCR工況視為原始工況,該工況下各入口的速度、溫度以及煤粉顆粒的流量、溫度依據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)給定,其中水冷壁為恒溫壁面.在結(jié)合該鍋爐實(shí)際運(yùn)行和現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上,對(duì)鍋爐進(jìn)行了組合式貼壁風(fēng)研究:即在前后墻和左右側(cè)墻上同時(shí)布置貼壁風(fēng)噴口.前后墻布置3層圓形噴口,噴口速度為38 m/s,而左右側(cè)墻布置槽型噴口,噴口速度為3.5 m/s.貼壁風(fēng)從燃盡風(fēng)中引出,總貼壁風(fēng)量為總風(fēng)量的4.35%(小于5%),不影響鍋爐正常燃燒[5-8],并將該工況視為貼壁風(fēng)工況.

本文以速度入口和壓力出口為邊界條件,采用三維穩(wěn)態(tài)進(jìn)行計(jì)算,以概率密度模型模擬氣相燃燒,以雙步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉揮發(fā)分的析出,以動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型模擬焦炭的燃燒.使用以熱流法為基礎(chǔ)的P1輻射模型來計(jì)算輻射換熱量,采用近壁面函數(shù)法、有限元差分離散方程和simple算法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解,在預(yù)測(cè)NOx生成時(shí)采用后處理計(jì)算的方法[11-15].

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 模型的驗(yàn)證

本文以實(shí)際運(yùn)行鍋爐為研究對(duì)象,數(shù)值模擬了原始工況和貼壁風(fēng)工況的燃燒流動(dòng)過程,并將模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.模擬的數(shù)據(jù)顯示爐膛出口溫度為1 085 ℃,氧含量(摩爾分?jǐn)?shù))為2.55%,這與實(shí)際測(cè)量爐膛出口的溫度(1 044 ℃)和含氧量(3%)誤差在10%以內(nèi),由此可知,采用該模型來研究鍋爐爐內(nèi)燃燒流動(dòng)過程是可行的.

3.2 原始工況燃燒過程

圖2為爐內(nèi)燃燒器區(qū)域不同橫截面CO和O2的濃度分布,其中A-A,B-B,C-C分別為3層燃燒器中心橫截面,D-D為燃盡風(fēng)中心橫截面.從圖2(a)可以看出,燃燒器各截面O2含量很少,燃盡風(fēng)截面O2則相對(duì)較高.這是由于燃燒風(fēng)大量參與煤粉燃燒而被消耗掉,而占總風(fēng)量20%的燃盡風(fēng)僅需為含量相對(duì)較少的可燃物供氧就可以繼續(xù)燃燒.燃燒器層在側(cè)墻中心附近氧含量很低,O2濃度小于2%,而缺氧環(huán)境極易形成還原性氣氛[1,3],這也為高溫腐蝕創(chuàng)造了條件.文獻(xiàn)[16]表明,高溫腐蝕主要發(fā)生在水冷壁的側(cè)墻中部區(qū)域,側(cè)墻的還原性氣氛也間接反映出該現(xiàn)象.

(a) 各橫截面O2摩爾分?jǐn)?shù)分布

(b) 各橫截面CO摩爾分?jǐn)?shù)分布

從圖2(b)可以發(fā)現(xiàn),燃燒器各截面射流下游回流區(qū)內(nèi)CO濃度最高,可達(dá)28.4%,各截面爐膛中心區(qū)域CO濃度相對(duì)較低，A-A,B-B,C-C截面?zhèn)葔^(qū)域CO濃度大都高于4.3%,而D-D截面?zhèn)葔^(qū)域CO濃度則相對(duì)較低,小于2.8%.近壁還原性氣氛主要存在于燃燒器區(qū)域這一現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果一致.文獻(xiàn)[17]指出,當(dāng)壁面溫度超過限值后,水冷壁易老化,其抗腐蝕能力下降,且還原性氣氛CO濃度越高,腐蝕越嚴(yán)重.而燃燒器側(cè)墻近壁區(qū)域溫度普遍較高,達(dá)到了1 200 K,最高甚至達(dá)到了1 400 K.同時(shí),該區(qū)域的CO濃度大于3%,屬于強(qiáng)還原性氣氛,可以預(yù)測(cè)該區(qū)域水冷壁腐蝕情況嚴(yán)重,這與鍋爐現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果吻合,也進(jìn)一步證實(shí)了本文模擬的準(zhǔn)確性.

3.3 貼壁風(fēng)對(duì)高溫腐蝕的影響

現(xiàn)有研究中,實(shí)際運(yùn)行鍋爐高溫腐蝕檢測(cè)常采用O2和CO含量作為監(jiān)測(cè)的氣氛參數(shù)[5,8],這是因?yàn)楣r變化時(shí)近壁處O2含量變化范圍僅為0～3%,而CO對(duì)工況反應(yīng)較靈敏,能在0～25%之間變化.此外,在氧濃度較低的情況下,CO和H2S之間存在直接關(guān)系,CO含量可以直接反映煙氣中還原性氣氛的強(qiáng)弱,而爐內(nèi)或局部燃燒區(qū)域存在還原性氣氛是水冷壁發(fā)生高溫腐蝕的重要原因[1,3].

圖3為不同工況下E-E截面l1,l2,l3線上O2和CO的濃度分布,其中,E-E為燃燒區(qū)距側(cè)墻0.01 m處截面,l1,l2,l3則分別為E-E截面上各層燃燒器之間以及第3層燃燒器與燃盡風(fēng)之間的中心線.

從圖3(a)可以看出,原始工況燃燒器區(qū)域O2含量皆小于1%,近前墻l3線上O2含量有一定富余,這與后墻第3層燃燒器處于備用有關(guān).但該區(qū)域CO含量較高,且沿爐膛深度方向基本對(duì)稱,燃燒器射流下游不遠(yuǎn)處就形成大量CO,而中心處相對(duì)較低.這是因?yàn)槿紵鞒隹诓贿h(yuǎn)處為富燃料區(qū),焦炭與氧氣反應(yīng)以生成CO為主,同時(shí)部分生成的CO2被多余焦炭還原,再次形成CO,兩者疊加CO含量最高能接近8%.同時(shí)可以看出,原始工況側(cè)墻中心區(qū)域O2含量較高,CO含量卻很低.這與燃盡風(fēng)進(jìn)入爐膛后的摻混合反應(yīng)有關(guān),新鮮空氣的注入增加了該區(qū)域的含氧量,促使少量可燃物繼續(xù)燃燒,尤其是已生成的CO.由圖3(b)可以發(fā)現(xiàn),前后墻和側(cè)墻同時(shí)布置貼壁風(fēng)后,側(cè)墻近壁面還原性氣氛得到極大改善,截面上O2含量增加,而CO含量降低,大部分區(qū)域都小于3%.這是由于組合式貼壁風(fēng)進(jìn)入爐膛后,一方面提供近壁面富燃料區(qū)燃燒所需O2,減少了CO的生成,另一方面摻混稀釋了近壁面還原性氣氛,同時(shí)也在側(cè)墻近壁面形成了一層氣膜,有效隔絕了部分高溫?zé)煔?

(a) 原始工況O2濃度分布

(b) 原始工況CO濃度分布

(c) 貼壁風(fēng)工況O2濃度分布

(d) 貼壁風(fēng)工況CO濃度分布

已有研究表明[5-8],若能將水冷壁近壁氣氛中O2含量控制高于2%,則基本不會(huì)發(fā)生高溫腐蝕.對(duì)比圖3(b)和(c)可知,加入組合式貼風(fēng)后,大部分區(qū)域O2含量達(dá)到了4%以上,而相應(yīng)CO含量不超過3%,屬于弱還原性氣氛,則可以認(rèn)為該區(qū)域不容易發(fā)生高溫腐蝕.

3.4 貼壁風(fēng)對(duì)燃燒的影響

圖4為沿爐膛高度方向不同橫截面上煙氣的平均溫度分布.從圖中可以發(fā)現(xiàn),原始工況和貼壁風(fēng)工況的燃燒放熱規(guī)律基本一致,即煙氣溫度先隨爐膛高度的增加而增加,在燃燒器上部區(qū)域達(dá)到最高值,然后,隨爐膛高度的增加而降低.但是,在y1,y2,y3,y4處溫度升高的幅度有所回落,且y5處出現(xiàn)了溫度驟降的現(xiàn)象.這是因?yàn)樵趛1,y2,y3,y4,y5處新鮮風(fēng)進(jìn)入爐膛,這些風(fēng)一方面提供大量氧促進(jìn)煤粉進(jìn)一步燃燒放熱,另一方面與爐內(nèi)高溫?zé)煔鈸交焓箿囟然芈?由于y1,y2,y3,y4處摻混作用小于燃燒放熱作用,所以溫度變化幅度不大,但y5處占總風(fēng)量20%的燃盡風(fēng)進(jìn)入了爐膛,補(bǔ)充燃燒放熱小于溫升顯熱,所以溫度下降.由圖4可知,貼壁風(fēng)對(duì)爐內(nèi)整體的燃燒放熱過程幾乎沒有影響.

圖4 不同工況下沿爐膛高度方向截面平均溫度分布

不同工況下沿爐膛高度方向爐內(nèi)各物質(zhì)組分截面平均濃度分布如圖5所示.從圖中不難發(fā)現(xiàn),不同工況爐內(nèi)O2含量皆處于1%～4%之間,但貼壁風(fēng)工況燃燒器區(qū)域O2含量較原始工況有所增加,然而燃盡風(fēng)高度上部區(qū)域卻略有降低,但爐膛出口處相差不大;CO主要分布在燃燒器區(qū)域,各截面CO含量均大于4%,是高溫腐蝕易發(fā)生區(qū)域,也是貼壁風(fēng)應(yīng)布置區(qū)域. 對(duì)比不同工況CO分布可知,布置組合式貼壁風(fēng)后燃燒器區(qū)域CO含量降低較多,最大降幅達(dá)到了23%.進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),CO2分布規(guī)律和O2相反,這是因?yàn)楦逤O2區(qū)燃燒反應(yīng)充分,大量O2被消耗,相應(yīng)O2濃度就低.不同工況燃燒器區(qū)域CO2含量穩(wěn)定在12%～13%,爐膛出口處CO2含量皆約為15.5%.本文原始工況下物質(zhì)組分分布特點(diǎn)與Li等[14]研究結(jié)果相符.

(a) O2

(b) CO

(c) CO2

結(jié)合圖4和圖5可知,原始工況和貼壁風(fēng)工況下爐內(nèi)溫度變化范圍不大;且燃燒反應(yīng)后各物質(zhì)組分分布規(guī)律基本一致,爐膛出口O2,CO,CO2含量相差不大,所以組合式貼壁風(fēng)對(duì)該鍋爐爐內(nèi)燃燒過程幾乎沒有影響.

3.5 貼壁風(fēng)對(duì)污染物排放的影響

圖6為不同工況下爐內(nèi)NOx的濃度分布.從圖6(a)可以看出,貼壁風(fēng)工況下的NO整體生成量略大于原始工況,燃燒器上部區(qū)域NO濃度明顯高于原始工況.

圖6(b)為沿爐膛高度方向6%O2濃度下截面平均NOx濃度分布.由圖可知,不同工況下NOx分布規(guī)律基本一致,燃燒器層之間NOx濃度較高.該規(guī)律與文獻(xiàn)[14]一致.這是因?yàn)樵搮^(qū)域O2濃度較高,CO濃度相對(duì)較低,而熱力型NOx和燃料型NOx皆隨氧濃度的增加而增加,同時(shí)該區(qū)域生成的NOx也能大量存在而不被CO還原.進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在y3和y5之間貼壁風(fēng)工況下的NOx下降速率明顯小于原始工況.這可以解釋為布置于燃燒器區(qū)域的貼壁風(fēng)增加了富燃料區(qū)含氧量,煤粉顆粒得以充分燃燒,使得燃燒器上部區(qū)域未燃盡碳含量大大減少,生成的NOx被還原量也相應(yīng)減少.

(a) 爐內(nèi)NO整體分布

(b) 沿爐膛高度截面平均NOx濃度分布

從圖6還可以發(fā)現(xiàn),貼壁風(fēng)工況下NOx排放濃度較原始工況略有增加,這是由于貼壁風(fēng)增加了富燃料區(qū)的氧濃度,熱力型NOx和燃料型NOx皆隨氧濃度的增加而增加[9].同時(shí)該區(qū)域煤粉顆粒燃燒更為充分,燃燒放出更多熱量,使得溫度有所增加,而溫度大于1 300 ℃[6]區(qū)域,熱力型NOx將迅速增加.這些導(dǎo)致NOx最大生成量從原始工況446 mg/m3變?yōu)橘N壁風(fēng)工況的471 mg/m3.此外,富燃料區(qū)上部的還原性氣氛降低,已生成的NOx被還原量也相應(yīng)減少.所以爐膛出口處整體NOx排放略有增加.

以上規(guī)律與李敏等[6]、許華波[9]的研究結(jié)果不同,這是因?yàn)槲墨I(xiàn)[6，9]中采用的貼壁風(fēng)都是從燃燒風(fēng)中引出的,如此布置方式使空氣分級(jí),類似于目前電廠廣泛采用的空氣分級(jí)低氮燃燒方法,因此能夠起到部分減少NOx生成的作用.而本文研究的鍋爐本身就采用了空氣分級(jí)低氮燃燒方法,從燃盡風(fēng)中引出貼壁風(fēng)補(bǔ)充到燃燒器區(qū)域,這在一定程度上削弱了原有空氣分級(jí)燃燒降低NOx的效果.雖然NOx排放有所增加,但增加量很少,僅為15 mg/m3,在可以接受的范圍內(nèi),如西安熱工研究院有限公司[3]采用的貼壁風(fēng)技術(shù)在實(shí)際檢測(cè)中也發(fā)現(xiàn)NOx排放有所增加.

4 結(jié)論

1) 原始工況下各燃燒器標(biāo)高側(cè)墻區(qū)域溫度普遍偏高,屬于強(qiáng)還原性氣氛,該燃燒器區(qū)域極易形成高溫腐蝕,這與鍋爐實(shí)際運(yùn)行監(jiān)測(cè)結(jié)果相符.

2) 組合式貼壁風(fēng)方案能有效提高近壁區(qū)域的氧化性氣氛,O2含量大大增加,改善近壁面還原性氣氛,CO含量明顯降低.組合式貼壁風(fēng)方案是解決水冷壁側(cè)墻高溫腐蝕的可行措施.

3) 布置低風(fēng)率的組合式貼壁風(fēng)后,爐內(nèi)燃燒溫度整體變化不大,燃燒反應(yīng)后各物質(zhì)組分濃度也相差不大,幾乎不受貼壁風(fēng)的影響.

4) 從燃盡風(fēng)引出的貼壁風(fēng),在減緩高溫腐蝕的同時(shí)也削弱了空氣分級(jí)降低NOx的效果,使得氮氧化物排放略有增加,這與文獻(xiàn)[6，9]中從燃燒風(fēng)引出貼壁風(fēng)的結(jié)果不同.

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Influence of closing-to-wall air on combustion process in 660 MW opposed firing boiler

Yao Lu1Chen Tianjie1Liu Jianmin2Huang Qilong2Chen Guoqing2Jin Baosheng1Zhang Yong1

(1Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Guodian Science and Technology Research Institute, Nanjing 210033, China)

To avoid the high temperature corrosion in a 660 MW opposed firing boiler, a new method is developed, in which closing-to-wall air is set on both front and rear walls and side walls. Numerical simulation was carried out on furnace combustion, heat transfer and flow process for both original and closing-to-wall air conditions, mainly focused on influence of closing-to-wall air on distributions of velocity, temperature and components concentrations. The results show that strong reducing atmosphere region is consistent with the actual high temperature corrosion region in boiler. The coverage scale of O2on the side walls is increased by the closing-to-wall air, where the O2concentration is also increased. However, the CO concentration is significantly decreased. The closing-to-wall air has no effect on combustion as the temperature and components concentration are seldom changed before and after adding it. As the closing-to-wall air is introduced from over-fired-air, the air staging de-NOxcombustion function is weakened, and then the NOxemission is slightly increased.

high temperature corrosion;opposed firing;closing-to-wall air;numerical simulation

2014-09-22. 作者簡(jiǎn)介: 姚露(1991—)，女，碩士生；金保昇(聯(lián)系人)，男，教授，博士生導(dǎo)師，bsjin@seu.edu.cn.

姚露,陳天杰,劉建民,等.組合式貼壁風(fēng)對(duì)660 MW鍋爐燃燒過程的影響[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2015,45(1):85-90.

10.3969/j.issn.1001-0505.2015.01.016

TK224

A

1001-0505(2015)01-0085-06