W火焰鍋爐深度空氣分級(jí)燃燒條件下底層二次風(fēng)下傾角度對(duì)燃燒及NOx排放特性的影響

李德波，趙寧，馮永新，謝志文

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080)

中國(guó)火力發(fā)電燃用煤中低揮發(fā)分煤(主要為無(wú)煙煤和貧煤)占比40%以上[1-2]。低揮發(fā)分煤由于具有自身?yè)]發(fā)分含量低、反應(yīng)性差等特性，在實(shí)際燃燒中著火、穩(wěn)燃及燃盡相對(duì)困難[3]。W火焰鍋爐煤粉顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間長(zhǎng)，下?tīng)t膛燃燒溫度高，在燃用低揮發(fā)分煤種時(shí)，具有燃燒穩(wěn)定性好、低負(fù)荷穩(wěn)燃能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性及可用率高等優(yōu)勢(shì)，已成為我國(guó)燃用低揮發(fā)分煤種的主力爐型[4-7]；但在實(shí)際運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)，W火焰鍋爐也存在飛灰可燃物含量高、燃燒效率偏低、NOx排放量高等問(wèn)題[8-10]。不合理的配風(fēng)是造成飛灰含碳量高的重要因素，爐內(nèi)較高溫度是造成NOx高排放的重要因素。為解決NOx排放高的問(wèn)題，空氣分級(jí)燃燒技術(shù)已廣泛應(yīng)用于煤粉鍋爐中，并取得了良好的NOx減排效果[11-14]；但W火焰鍋爐的飛灰含碳量和NOx排放仍然有進(jìn)一步優(yōu)化改善的空間[15-18]。

對(duì)于FW型W火焰鍋爐而言，拱下底層二次風(fēng)占二次風(fēng)總風(fēng)量比例較大，原設(shè)計(jì)二次風(fēng)水平送入，容易隔斷一次煤粉的下沖，使得煤粉氣流行程不夠，下?tīng)t膛未得到充分利用，同時(shí)也不利于NOx減排。底層二次風(fēng)下傾一定角度送入爐膛，有利于推遲一、二次風(fēng)的混合，提高煤粉在下?tīng)t膛區(qū)域的停留時(shí)間，改善燃盡特性和下?tīng)t膛火焰充滿度[19-24]。在深度空氣分級(jí)燃燒條件下，有必要探究底層二次風(fēng)下傾角度對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒及NOx生成特性的影響?；诖?，本文對(duì)一臺(tái)600 MW的W火焰煤粉鍋爐在額定滿負(fù)荷工況下進(jìn)行不同底層二次風(fēng)下傾角度下?tīng)t內(nèi)流動(dòng)、燃燒、傳熱以及NOx排放特性的數(shù)值模擬研究，旨在為同類(lèi)爐型燃燒及排放特性優(yōu)化提供相關(guān)參考。

1 鍋爐本體情況

本文所研究的W火焰鍋爐為600 MW DG1932.7/25.4-Ⅱ8型超臨界燃煤鍋爐，鍋爐結(jié)構(gòu)及燃燒器布置如圖1所示，煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。鍋爐共配有6臺(tái)雙進(jìn)雙出磨煤機(jī)，每臺(tái)磨煤機(jī)帶4只雙旋風(fēng)煤粉燃燒器。24只煤粉燃燒器順列布置在下?tīng)t膛的前后墻爐拱上。雙旋風(fēng)煤粉濃縮型燃燒器是專用于燃燒低揮發(fā)分燃料的燃燒器，其設(shè)計(jì)的著眼點(diǎn)是采用旋風(fēng)筒進(jìn)行煤粉濃縮，并提供多種調(diào)節(jié)手段，以適應(yīng)無(wú)煙煤著火、穩(wěn)燃的要求。一次風(fēng)粉混合物經(jīng)煤粉管道輸送至燃燒器后，煤粉均分器將其等分成2股氣流分別切向送入相應(yīng)的2個(gè)旋風(fēng)筒，風(fēng)粉混合物在旋風(fēng)筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)；由于離心力的作用，大部分煤粉被分離到筒壁附近形成煤粉濃度較高的一次風(fēng)氣流，在旋風(fēng)筒中心部位形成一次風(fēng)含粉量極少的乏氣風(fēng)。為實(shí)現(xiàn)低NOx排放，鍋爐采用深度空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，前、后墻水冷壁上部布置有26個(gè)燃盡風(fēng)調(diào)風(fēng)器。

2 數(shù)學(xué)模型及網(wǎng)格

本文利用Fluent 16.0軟件對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒及NOx生成開(kāi)展數(shù)值模擬研究。煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，涉及到多相流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)和燃燒等多個(gè)方面。采用帶旋轉(zhuǎn)修正的Realizablek-ε模型模擬氣相湍流流動(dòng)；采用隨機(jī)顆粒軌道模型模擬煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；采用雙平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤粉顆粒揮發(fā)分的析出過(guò)程；采用組分輸運(yùn)模型模擬氣相湍流的燃燒；采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制燃燒模型模擬焦炭燃燒；采用P-1輻射模型模擬爐內(nèi)輻射換熱過(guò)程；采用Extended Zeldovich模型模擬熱力型NOx生成，燃料中揮發(fā)分氮均相反應(yīng)采用De Soete機(jī)理，而焦炭氮異相反應(yīng)則采用Smooth機(jī)理。各模型的具體描述見(jiàn)文獻(xiàn)[25]。

將燃燒器的具體結(jié)構(gòu)一起建模，以體現(xiàn)燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)的影響；模型包含大屏過(guò)熱器、后屏過(guò)熱器和高溫過(guò)熱器；將爐膛尾部煙道出口長(zhǎng)度增加，避免計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生回流，影響計(jì)算過(guò)程的收斂性；在燃燒器出口區(qū)域采用與流體流動(dòng)方向一致的網(wǎng)格，以減小計(jì)算偽擴(kuò)散產(chǎn)生的計(jì)算誤差；將燃燒器出口區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，以準(zhǔn)確模擬此區(qū)域物理量梯度變化大的特性。使用高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格，采用分區(qū)網(wǎng)格劃分方法，如圖2所示。在3種網(wǎng)格數(shù)量(84萬(wàn)、120萬(wàn)、180萬(wàn))下開(kāi)展無(wú)關(guān)性測(cè)試，120萬(wàn)和180萬(wàn)網(wǎng)格的模擬結(jié)果較為接近，最終采用120萬(wàn)網(wǎng)格。

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Coal quality analysis

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)及燃燒器布置Fig.1 Schematic diagram of boiler structure and burner layout

圖2 網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of mesh division

燃燒器入口邊界條件均設(shè)置為速度入口，具體見(jiàn)表2。過(guò)量空氣系數(shù)為1.18，一次風(fēng)煤粉量63.8 kg/s， 乏氣煤粉量11.26 kg/s。煤粉顆粒直徑按照Rosin-Rammler方法分布：一次風(fēng)煤粉最小粒徑5 μm，最大粒徑250 μm， 平均粒徑65 μm，分布指數(shù)1.20；乏氣風(fēng)煤粉最小粒徑5 μm，最大粒徑100 μm，平均粒徑54 μm，分布指數(shù)1.20。

出口采用壓力出口，設(shè)置為-60 Pa。壁面設(shè)置為無(wú)滑移的溫度邊界。水冷壁溫度為720 K，發(fā)射率為0.8；大屏過(guò)熱器壁面溫度為820 K，發(fā)射率為0.8；再熱器壁面溫度為790 K，發(fā)射率為0.8。

方程的求解采用逐線迭代法和低松弛因子，壓力與速度耦合采用SIMPLE算法，壓力項(xiàng)離散采用PRESTO格式，其他項(xiàng)離散采用一階迎風(fēng)格式。

表2 邊界條件設(shè)置Tab.2 Boundary condition settings

3 模擬結(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果合理性驗(yàn)證

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的合理性，底層二次風(fēng)水平送入爐內(nèi)時(shí)測(cè)量了爐膛出口相關(guān)參數(shù)，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表3。爐膛出口氧量、NOx質(zhì)量濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，氧量6%)以及飛灰含碳的模擬值與實(shí)測(cè)值符合性較好，這表明本文所提出的幾何模型、網(wǎng)格劃分和數(shù)學(xué)模型能夠合理地模擬爐膛內(nèi)的流動(dòng)、傳熱、燃燒及NOx生成過(guò)程，可用于研究深度空氣分級(jí)燃燒條件下W火焰鍋爐底層二次風(fēng)下傾對(duì)爐內(nèi)燃燒及NOx排放特性的影響。

表3 出口參數(shù)模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比Tab.3 Comparisons of simulated and measured results

3.2 底層二次風(fēng)不同下傾角度下?tīng)t內(nèi)流動(dòng)、燃燒及NOx生成特性

爐拱一次風(fēng)下沖深度對(duì)煤粉穩(wěn)定燃燒及燃盡特性影響顯著：一方面能增強(qiáng)一次風(fēng)的引射作用，促進(jìn)燃燒器出口處卷吸高溫?zé)煔?，提高煤粉著火穩(wěn)定性；另一方面可以使集中燃燒高溫區(qū)域下移，增加下?tīng)t膛區(qū)域火焰充滿度和煤粉顆粒在下?tīng)t膛的停留時(shí)間，提高燃盡率。改變下?tīng)t膛側(cè)墻二次風(fēng)對(duì)下沖一次風(fēng)氣流阻礙作用效果較為明顯，實(shí)際應(yīng)用中：一種方法是盡可能增加拱上風(fēng)的下沖動(dòng)量，增加下沖深度，降低火焰中心高度；另一種方法是下傾底層二次風(fēng)，減弱底層二次風(fēng)氣流對(duì)拱上氣流的阻礙和抬升作用，同時(shí)起到拱上氣流引流的作用。

圖3為底層二次風(fēng)不同下傾角度下?tīng)t內(nèi)流動(dòng)特性云圖，其中z為爐膛高度，x為爐膛寬度?？梢钥闯觯旱讓佣物L(fēng)水平送入爐內(nèi)阻礙了拱上氣流的下沖；底層二次風(fēng)下傾角度從水平0°增加到20°過(guò)程中，氣流下沖深度及底層二次風(fēng)下傾程度輕微增加；傾角增加到30°時(shí)，在拱上氣流下沖作用以及傾斜入射角度共同作用下，氣流下沖深度及底層二次風(fēng)下傾程度顯著增加；傾角增加到40°時(shí)，氣流下沖深度及底層二次風(fēng)傾斜程度增加不明顯。

圖4為煤粉顆粒軌跡示意圖，可以看出：底層二次風(fēng)下傾角度增加到30°，煤粉顆粒下沖深度明顯增加；傾角增加到40°，少部分煤粉顆粒下沖至冷灰斗。但如果傾角過(guò)大，一方面一次風(fēng)會(huì)直接沖擊冷灰斗，另一方面底層二次風(fēng)不能有效托住顆粒，部分煤粉沖擊冷灰斗，危害鍋爐的安全運(yùn)行。

圖4 底層二次風(fēng)不同下傾角度下的爐內(nèi)顆粒軌跡Fig.4 Particle trajectory in the furnace under different declined angles of the lowest secondary air

圖5為底層二次風(fēng)不同下傾角度下特征溫度線Line-z上的溫度分布，可以看出：隨著底層二次風(fēng)下傾角度的增加，爐拱區(qū)域溫度逐漸增加，這有利于爐拱區(qū)域煤粉預(yù)熱與著火；在爐拱與底層二次風(fēng)之間區(qū)域，與傾角0°～20°時(shí)溫度相比，傾角為30°和40°時(shí)的溫度水平明顯提高；在底層二次風(fēng)與冷灰斗區(qū)域，傾角為30°和40°時(shí)的溫度水平明顯高于0°～20°時(shí)。

圖5 特征溫度線Line-z上的溫度分布Fig.5 Temperature distributions along the Line-z

圖6為底層二次風(fēng)不同下傾角度下?tīng)t內(nèi)溫度分布。底層二次風(fēng)水平送入爐內(nèi)時(shí)，火焰燃燒相對(duì)集中，下沖深度短，下?tīng)t膛火焰充滿度較差；隨著底層二次風(fēng)下傾角度從水平0°增加到20°，下?tīng)t膛火焰下沖深度輕微增加；傾角增加到30°時(shí)，下?tīng)t膛火焰下沖深度和火焰充滿度均明顯增加；傾角增加到40°時(shí)，下?tīng)t膛火焰下沖深度和火焰充滿度都增加不明顯。從圖6(f)爐內(nèi)平均溫度沿爐膛高度分布可以看出：各工況下平均溫度沿爐膛高度分布趨勢(shì)基本一致；在爐膛冷灰斗區(qū)域隨著爐膛高度的增加平均溫度迅速升高，在主燃燒區(qū)域達(dá)到較高水平，在燃盡區(qū)由于不同階段風(fēng)的混入出現(xiàn)一些溫度波動(dòng)；在鍋爐喉口與燃盡風(fēng)之間存在一個(gè)較高溫度區(qū)域，這主要是由于煤粉在下?tīng)t膛貧氧環(huán)境下燃燒放熱延遲而造成的；在燃盡區(qū)，由于煙氣與水冷壁以及大屏過(guò)熱器的換熱，平均溫度隨著爐膛高度增加逐漸降低。不同底層二次風(fēng)下傾角度下，平均溫度存在一定差異：隨著傾角的增加，下?tīng)t膛平均溫度逐漸增加，上爐膛燃盡區(qū)平均溫度逐漸減小。這主要是由于火焰下沖深度增加，提高了煤粉顆粒在下?tīng)t膛區(qū)域的停留時(shí)間，強(qiáng)化了煤粉顆粒的燃燒與燃盡，而在燃盡區(qū)燃燒的可燃物減少。綜上，從溫度和速度分布來(lái)看，考慮到冷灰斗區(qū)的安全性，底層二次風(fēng)下傾角度為30°時(shí)較為合理，既能保證下?tīng)t膛火焰下沖深度和火焰充滿度，又能避免一次風(fēng)火焰直接沖擊冷灰斗。

圖7為底層二次風(fēng)不同下傾角度下?tīng)t內(nèi)氧量分布。底層二次風(fēng)水平送入爐內(nèi)時(shí)，燃燒相對(duì)集中，爐拱下方區(qū)域低氧量區(qū)域相對(duì)較小，同時(shí)由于火焰下沖深度較短，底層二次風(fēng)到冷灰斗區(qū)域氧量較高；隨著底層二次風(fēng)下傾角度增加到20°，由于火焰下沖深度輕微增加，爐拱下方區(qū)域低氧量區(qū)域輕微增大，底層二次風(fēng)到冷灰斗高氧區(qū)域輕微減??；傾角增加到30°時(shí)，爐拱下方區(qū)域低氧量區(qū)域明顯增加，底層二次風(fēng)到冷灰斗區(qū)域氧量維持在較低水平；傾角增加到40°時(shí)，爐拱下方區(qū)域低氧量區(qū)域以及底層二次風(fēng)到冷灰斗低氧區(qū)域變化不明顯。從圖7(f)爐內(nèi)平均氧量沿爐膛高度分布看出，隨著角度的增加，爐內(nèi)平均氧量逐減小；當(dāng)傾角增加到30°

圖6 底層二次風(fēng)不同下傾角度下的爐內(nèi)溫度分布Fig.6 Temperature distributions in the furnace under different declined angles of the lowest secondary air

圖7 底層二次風(fēng)不同下傾角度下的爐內(nèi)氧量分布Fig.7 Oxygen concentration distributions in the furnace under different declined angles of the lowest secondary air

時(shí)，下?tīng)t膛平均氧量顯著降低；進(jìn)一步增加到40°時(shí)，下?tīng)t膛平均氧量進(jìn)一步降低。

圖8為底層二次風(fēng)不同下傾角下?tīng)t內(nèi)NOx分布。在主燃燒區(qū)域，煤粉進(jìn)入爐膛后著火燃燒，煤中含氮有機(jī)物分解析出，其轉(zhuǎn)化過(guò)程大致分為揮發(fā)分析出階段和焦炭燃燒析出階段，因此燃料中氮生成NOx可分為揮發(fā)分均相生成階段和焦炭異相生成階段。揮發(fā)分析出過(guò)程中釋放的HCN和NH3與O2發(fā)生反應(yīng)生成NOx；在焦炭燃燒過(guò)程中焦炭中有機(jī)氮N被氧化生成NOx；同時(shí)，當(dāng)爐膛燃燒溫度足夠高時(shí)，空氣中的N2被氧化生成大量的NOx。底層二次風(fēng)水平送入爐內(nèi)時(shí)，由于煤粉高度集中燃燒，在燃燒器出口區(qū)域NOx形成較為集中且含量較高；隨著底層二次風(fēng)傾角的增加，火焰下沖深度增加，煤粉集中燃燒程度較低，燃燒器出口區(qū)域NOx形成逐漸減少。這主要是由于底層二次風(fēng)下傾角度增加，延遲了爐拱煤粉氣流與底層二次風(fēng)的混合，強(qiáng)化了下?tīng)t膛區(qū)域空氣分級(jí)程度，煤粉燃燒處于更強(qiáng)的還原性氣氛條件，已生成的NOx與HCN、NH3和煤焦等發(fā)生還原反應(yīng)。圖8(f)為平均NOx體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度方向分布?？梢钥闯觯汗吧隙物L(fēng)的送入降低了整個(gè)截面的平均NOx含量，因此雖然局部NOx含量較高但平均NOx體積分?jǐn)?shù)相對(duì)不高；隨著底層二次風(fēng)下傾角增大，下?tīng)t膛空氣分級(jí)程度增強(qiáng)，平均NOx體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

3.3 爐膛出口處相關(guān)參數(shù)

圖9給出了底層二次風(fēng)不同下傾角度下的爐膛出口參數(shù)。底層二次風(fēng)不同下傾角度下，出口CO體積分?jǐn)?shù)相對(duì)變化不大。隨著底層二次風(fēng)下傾角度從0°增加到20°，火焰下沖深度和煤粉顆粒在下?tīng)t膛停留時(shí)間有所增加，空氣分級(jí)程度增強(qiáng)，導(dǎo)致?tīng)t膛出口氧量、飛灰含碳量以及NOx質(zhì)量濃度(標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，氧量6%)逐漸降低；傾角增加到30°時(shí)，爐膛出口氧量、飛灰含碳量以及NOx質(zhì)量濃度顯著降低；傾角繼續(xù)增加到40°時(shí)，降低幅度有所減緩。綜合爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒特性，底層二次風(fēng)下傾角度為30°時(shí)較為合理，既能保證下?tīng)t膛火焰下沖深度和火焰充滿度，又能改善燃盡特性和NOx生成特性(爐膛出口飛灰含碳量降低了0.22%，NOx質(zhì)量濃度降低了50 mg/m3)。

圖9 底層二次風(fēng)不同下傾角度下的爐膛出口參數(shù)Fig.9 Parameters of the furnace outlet under different declined angles of the lowest secondary air

4 結(jié)論

本文以某FW型600 MW超臨界燃煤W火焰鍋爐為研究對(duì)象，在深度空氣分級(jí)燃燒條件下，對(duì)底層二次風(fēng)下傾角度對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒及NOx生成特性的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況吻合比較好。研究結(jié)果表明：底層二次風(fēng)水平送入爐內(nèi)時(shí)，阻礙了爐拱一次風(fēng)火焰下沖，下?tīng)t膛火焰充滿度較差，不利于煤粉燃盡及NOx減排。隨著底層二次風(fēng)下傾角度從0°增加到20°，火焰下沖深度、下?tīng)t膛火焰充滿度以及煤粉燃盡程度都有所增加，NOx生成量有所減少；傾角增加到30°時(shí)，火焰下沖深度、下?tīng)t膛火焰充滿度以及煤粉燃盡程度顯著增加，NOx生成量顯著減少；傾角繼續(xù)增加到40°，火焰下沖深度、下?tīng)t膛火焰充滿度、煤粉燃盡程度、NOx生成量變化不明顯。綜合爐內(nèi)流動(dòng)及燃燒特性，底層二次風(fēng)下傾角度為30°時(shí)較為合理，既能保證下?tīng)t膛火焰下沖深度和火焰充滿度，又能改善燃盡特性和NOx生成特性。