深度空氣分級條件下配風(fēng)方式對爐內(nèi)燃燒特性影響的數(shù)值模擬研究

杜 威, 丁紅蕾,3, 潘衛(wèi)國,3, 郭得通, 周 柒,郭士義, 丁承剛, 鄧云天

(1.上海電力大學(xué), 上海 200090; 2.上海電氣電站環(huán)保工程有限公司, 上海 201600;3.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心, 上海 201600)

我國是煤炭大國,煤炭產(chǎn)量高,但煤的成分復(fù)雜,性質(zhì)差異大,容易導(dǎo)致鍋爐結(jié)渣、飛灰含碳量較高等問題。目前我國電站大多采用四角切圓的燃燒方式,其燃燒適應(yīng)性好,經(jīng)濟(jì)性好,對煙煤、貧煤和褐煤都可高效燃用。煤粉在爐內(nèi)的燃燒過程十分復(fù)雜,爐膛結(jié)構(gòu)和燃燒器的布置十分重要,而爐內(nèi)空氣動力場對鍋爐的燃燒特性起到關(guān)鍵作用。因此,了解四角切圓鍋爐爐內(nèi)燃燒特性和污染物生成對鍋爐的實際運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

調(diào)整燃燒方式可以提高爐內(nèi)燃燒效率,并能有效控制NOx的生成。大型電站鍋爐通常采用空氣分級的方式,通過改變分離式燃盡風(fēng)(又稱SOFA風(fēng))與二次風(fēng)的相對高度,或者改變SOFA風(fēng)風(fēng)量、調(diào)整二次風(fēng)與SOFA風(fēng)的配比占量來選擇最優(yōu)工況[1]。調(diào)節(jié)SOFA風(fēng)水平豎直擺角或增加墻式燃燒器對爐內(nèi)溫度和NOx的產(chǎn)生都有影響[2-4]。在空氣分級方式下對主燃區(qū)二次風(fēng)配風(fēng)方式進(jìn)行調(diào)節(jié),可找出適合不同鍋爐、不同煤粉的配風(fēng)方式,研究比較鍋爐上部溫度偏差、整體燃燒效率和出口NOx[5]對鍋爐燃燒的穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟(jì)性具有重要的現(xiàn)實意義。

1 鍋爐結(jié)構(gòu)及其網(wǎng)格劃分

1.1 鍋爐結(jié)構(gòu)

本文的模擬對象為某330 MW機(jī)組。該機(jī)組采取亞臨界壓力參數(shù)、自然循環(huán)汽包爐,單爐膛、一次中間再熱、燃燒器擺動調(diào)溫、平衡通風(fēng)、四角切圓燃燒、緊身封閉、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結(jié)構(gòu),鍋爐的制粉系統(tǒng)采用冷一次風(fēng)機(jī)、正壓直吹式制粉系統(tǒng)。鍋爐總體布置如圖1所示。

圖1中,爐膛寬14 022 mm,深13 640 mm,爐頂標(biāo)高61 000 mm。一次風(fēng)按空間濃淡組合布置,A層和B層為等離子燃燒器,共有5層一次風(fēng)和7層二次風(fēng)交叉布置,主燃燒器上部布置有1層緊湊燃盡風(fēng)和4層高位燃盡風(fēng)。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞影響數(shù)值解的精度。影響網(wǎng)格質(zhì)量的因素有網(wǎng)格數(shù)和網(wǎng)格結(jié)構(gòu),高質(zhì)量的網(wǎng)格對實現(xiàn)流場解的質(zhì)量起到關(guān)鍵作用。本文使用ICEM軟件將鍋爐模型全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,網(wǎng)格質(zhì)量全部在0.7以上,以保證模擬的準(zhǔn)確性。由于主燃區(qū)較其他區(qū)域物理量梯度大,因此劃分網(wǎng)格時對其進(jìn)行了細(xì)化,網(wǎng)格也更加密集,對其進(jìn)行O block 處理,同時充分考慮射流的真實形狀,為使偽擴(kuò)散更小,網(wǎng)格方向與來流方向一致[6]。其他區(qū)域與主燃區(qū)采用interface連接,網(wǎng)格分布較主燃區(qū)稀疏,以避免計算量的增大。模型網(wǎng)格共計190萬個,如圖2所示。

圖2 爐膛網(wǎng)格劃分及燃燒器水平截面網(wǎng)格

以均等配風(fēng)為例,對比了總網(wǎng)格數(shù)為400萬個的模型,與冷態(tài)氣流模擬預(yù)報基本一致,熱態(tài)爐膛出口溫度相差18 K,可見模擬結(jié)果沒有受到網(wǎng)格數(shù)量的影響。

2 模擬工況設(shè)置和邊界條件

2.1 模擬工況設(shè)置

本文主要分析了在深度分級下配風(fēng)方式對爐內(nèi)燃燒特性的影響。在總供風(fēng)和供煤量相同、一次風(fēng)和SOFA風(fēng)量不變的情況下,改變各層二次風(fēng),可以計算滿負(fù)荷條件下5種配風(fēng)方式(正寶塔型、倒寶塔型、均等型、縮腰型、鼓腰型)對爐內(nèi)燃燒的影響。

煤質(zhì)工業(yè)分析和配風(fēng)參數(shù)設(shè)計如表1和表2所示。表2中,CCOFA是指強(qiáng)耦合式燃盡風(fēng)。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析

表2 配風(fēng)參數(shù)設(shè)計 單位:m/s

2.2 數(shù)學(xué)模型和邊界條件

煤粉在爐膛內(nèi)部燃燒的過程主要涉及煤粉和空氣的兩相流動、揮發(fā)分釋放、煤焦燃燒、輻射換熱及顆粒運(yùn)動。

3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.1 各截面溫度場

二次風(fēng)給煤粉提供充足的氧氣進(jìn)行燃燒,卷吸高溫?zé)煔馐蛊渎菪仙纬扇紵璧闹行那袌A,起到混合空氣和煤粉的作用。

評價四角切圓鍋爐流場質(zhì)量的關(guān)鍵因素是其切圓形狀、氣流充滿程度和出口氣流旋轉(zhuǎn)程度,所以合理的配風(fēng)對空氣分級后的鍋爐燃燒十分必要。

圖3為5種配風(fēng)方式下爐膛深度中心截面溫度場。由圖3可以看出,5種配風(fēng)方式下溫度場分布規(guī)律基本一致。由于煤粉受熱燃燒,高溫區(qū)域集中在主燃區(qū)和燃盡區(qū)的中部,煤粉由一次風(fēng)攜帶進(jìn)入爐膛燃燒,二次風(fēng)提供充足的氧量進(jìn)行燃燒,所以使溫度進(jìn)一步上升;煙氣中未燃燒完全的煤粉顆粒到達(dá)SOFA風(fēng)區(qū)域,SOFA風(fēng)補(bǔ)充了氧量使其燃燒完全,溫度有所回升;爐膛出口和冷灰斗的溫度逐漸降低,煤粉流動方向伴隨煙氣卷吸向上,火焰與水冷壁發(fā)生輻射和對流換熱。

圖3 5種配風(fēng)方式下爐膛深度方向中心截面溫度分布

圖4為5種配風(fēng)方式下沿爐膛高度平均溫度曲線示意。由圖4可知:均等配風(fēng)時高溫燃燒區(qū)一直延伸到折焰角以上,使其爐膛上部溫度水平較高,爐膛出口溫度偏高;正寶塔型和縮腰型配風(fēng)時底層二次風(fēng)量較大,剛性較強(qiáng),使煤粉燃燒更完全且對稱性更好;倒寶塔型和鼓腰型配風(fēng)時下部風(fēng)量較小,煤粉燃燒不完全,導(dǎo)致溫度水平較低,但在上部補(bǔ)充風(fēng)量后,氧氣充分,煤粉燃燒更完全,使得平均溫度水平有所提升。

圖4 5種配風(fēng)方式下沿爐膛高度平均溫度曲線比較

圖5為5種配風(fēng)方式下底層二次風(fēng)橫截面的溫度分布。由圖5可以看出:高溫區(qū)域在燃燒器一定距離內(nèi),原因是揮發(fā)分揮發(fā)需要一定的時間;溫度由燃燒器向環(huán)形區(qū)域逐漸升高,又由環(huán)形區(qū)域向爐膛中心逐漸下降,因為從四角噴出的煤粉在相互作用下螺旋上升,使?fàn)t膛中心形成低溫負(fù)壓區(qū)域;下層風(fēng)量較大的正寶塔型配風(fēng)時火焰充滿度高,穿透性較強(qiáng),對稱程度好,溫度水平最高,其他幾種配風(fēng)方式都存在不同程度的火焰偏移。這說明在一、二次風(fēng)充分混合的情況下,煤粉燃燒較好,而在燃燒區(qū)下部的良好燃燒,又使火焰中心位置下降,對煤粉燃燒有利。

圖5 底層二次風(fēng)橫截面溫度分布

合適的爐內(nèi)二次風(fēng)配風(fēng)方式,對SOFA風(fēng)反切圓消旋效果起到加強(qiáng)作用,避免水平煙道煙氣溫度和流速出現(xiàn)偏差。圖6為5種配風(fēng)方式下最上層SOFA風(fēng)橫截面溫度分布。由圖6可知,5種配風(fēng)方式下切圓旋轉(zhuǎn)方向均未發(fā)生變化,上層風(fēng)量較少的正寶塔型和鼓腰型配風(fēng)中心切圓直徑較小,氣流至爐膛出口處旋流強(qiáng)度降低,殘余旋轉(zhuǎn)動量減小,從而使速度分布較均勻,溫度偏差縮小[5]。

圖6 最上層SOFA風(fēng)橫截面溫度分布

3.2 NOx濃度分布

圖7為5種配風(fēng)方式下爐膛深度方向中心截面NOx濃度分布示意。由圖7可以看出,5種配風(fēng)方式下爐內(nèi)NOx濃度分布規(guī)律基本相似。NOx的形成和溫度有很大關(guān)系,NOx大量產(chǎn)生在主燃區(qū)高溫區(qū)域,沿爐膛方向向上逐漸減少。這是由于在溫度高于1 600 K的情況下,燃燒器區(qū)域會大量產(chǎn)生熱力型氮,且燃料在剛進(jìn)入爐膛時揮發(fā)分中的氮會被O2氧化,生成HCN等中間產(chǎn)物,再與O2反應(yīng)生成NO。在燃盡風(fēng)區(qū)域,爐內(nèi)溫度降低,受再燃機(jī)理影響,NOx進(jìn)一步降低。

圖7 5種配風(fēng)方式下爐膛深度方向中心截面NOx濃度分布示意

圖8為5種配風(fēng)方式下沿爐膛高度平均NOx曲線示意。由圖8可以看出,濃度區(qū)別主要在爐膛下部和燃燒器區(qū)域,燃燒器下部風(fēng)量小,爐膛出口產(chǎn)生的NOx也較少,這是由于其下部氧氣濃度低,抑制了揮發(fā)分析出的NH3和HCN氧化生成NO,并形成還原性氣氛破壞生成的NOx,同時較低的溫度使熱力型NO的生成減少,所以倒寶塔型和鼓腰型的配風(fēng)方式產(chǎn)生的NOx較少。

圖8 5種配風(fēng)方式下沿爐膛高度平均NOx曲線比較

3.3 爐膛出口參數(shù)

通過模擬得出5種配風(fēng)方式下爐膛出口參數(shù)如表3所示。由表3可知,不同配風(fēng)方式下,煤粉揮發(fā)分都完全燃燒,煤焦燃盡率都能保持在92%以上。其中,以正寶塔型配風(fēng)和鼓腰型配風(fēng)燃盡率最好,煤焦燃盡率在96%以上;又因為其爐膛出口溫度相對較低,表明這兩種配風(fēng)方式的鍋爐效率較其他3種方式要高。結(jié)合NOx生成曲線還可以看出,鼓腰型配風(fēng)方式能夠兼顧鍋爐高效燃燒和低NOx控制兩方面。

表3 5種工況下爐膛出口溫度及燃盡率

4 結(jié) 論

(1) 5種配風(fēng)方式下爐內(nèi)溫度趨勢大致相同,底部風(fēng)量大的在爐膛底部形成切圓較好,溫度相對較高,底部煤粉燃燒速率加快,減少不完全燃燒帶來的損失。

(2) 上層風(fēng)量較少的正寶塔型和鼓腰型配風(fēng)時爐膛出口溫度相對較低,中心切圓直徑也較小,速度分布較均勻,溫度偏差縮小。

(3) 5種配風(fēng)方式下NOx的生成規(guī)律一致,都是在爐膛主燃區(qū)溫度最高的地方產(chǎn)生最多,底部風(fēng)量較小的配風(fēng)方式由于主燃區(qū)溫度較低,爐膛出口產(chǎn)生NOx較少,但燃盡率也相應(yīng)下降。

(4) 對比5種配風(fēng)方式下的爐膛出口參數(shù),結(jié)合NOx的生成曲線,得出鼓腰型配風(fēng)是鍋爐效率和NOx控制結(jié)合相對最優(yōu)的配風(fēng)方式。