配風(fēng)對(duì)四角切圓鍋爐碳排放特性的影響

范寶田， 嚴(yán)禎榮， 王 莉， 王為國(guó)， 倪玲英

(1.上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，上海 201620；2.中國(guó)特種設(shè)備安全與節(jié)能促進(jìn)會(huì)，北京 100029；3.上海鍋爐廠有限公司，上海 200245)

煤粉鍋爐的碳排放特性與煤粉燃燒組織好壞密切相關(guān)。四角切圓燃燒方式具有燃燒充分[1-7]、爐膛內(nèi)熱負(fù)荷均勻和煤種適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是我國(guó)目前燃煤鍋爐最普遍的燃燒形式。許多學(xué)者對(duì)四角切圓鍋爐燃燒特性進(jìn)行了深入研究[8-11]，但通過(guò)運(yùn)行方式來(lái)降低其碳排放的研究還較少。由于四角切圓鍋爐的燃燒機(jī)理較為復(fù)雜且鍋爐尺寸較大，直接對(duì)其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究較為困難，同時(shí)浪費(fèi)大量的人力和資源。目前，大型電站鍋爐普遍采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)驗(yàn)的研究技術(shù)[12]。

劉基昌等[13]通過(guò)調(diào)節(jié)分離燃盡風(fēng)(SOFA)的左、右側(cè)風(fēng)速來(lái)降低煙溫偏差，左、右側(cè)的風(fēng)速比為1.30時(shí)，其煙溫偏差最??；杜智華等[14]對(duì)700 MW四角切圓鍋爐的高溫腐蝕進(jìn)行了研究，結(jié)果表明增加2層貼壁風(fēng)能明顯降低煙溫，降低CO、H2S的體積分?jǐn)?shù)，可以有效防治水冷壁的高溫腐蝕；付忠廣等[15]研究了分離燃盡風(fēng)噴射角度對(duì)爐膛出口溫度及速度偏差的影響，結(jié)果表明噴射角度的影響不大，當(dāng)噴射角度為15°時(shí)，出口溫度分布最均勻。高建強(qiáng)等[16-17]采用試驗(yàn)方法研究了與煤粉燃燒密切相關(guān)的CO和CO2排放規(guī)律。

綜上所述，多數(shù)研究只是針對(duì)單個(gè)風(fēng)門和風(fēng)速等因素對(duì)四角切圓鍋爐燃燒特性的影響，忽略了各個(gè)風(fēng)門之間的相互作用。筆者以此為出發(fā)點(diǎn)，利用Fluent軟件，采用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)(PDF)的方法對(duì)某330 MW四角切圓鍋爐爐內(nèi)的溫度及碳排放特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同配風(fēng)方式對(duì)四角切圓鍋爐燃燒碳排放特性的影響，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)燃燒實(shí)驗(yàn)，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，為鍋爐運(yùn)行的低碳排放提供技術(shù)支撐。

1 鍋爐概況

所研究的某330 MW四角切圓鍋爐為亞臨界一次中間再熱控制循環(huán)汽包爐，為單爐膛、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架、全懸吊結(jié)構(gòu)、π型布置，采用不帶再循環(huán)泵的大氣擴(kuò)容式自動(dòng)系統(tǒng)。鍋爐島為露天布置，采用中間儲(chǔ)倉(cāng)式熱風(fēng)送粉的制粉系統(tǒng)，配4臺(tái)滾筒式球磨機(jī)；采用四角切圓燃燒方式和擺動(dòng)式煤粉噴嘴，假想的切圓直徑為1 260 mm，鍋爐的寬度和深度均為12 800 mm，高度為55 250 mm。圖1為爐膛截面和燃燒器噴口的布置圖，其中OFA為燃盡風(fēng)。

圖1 爐膛截面和燃燒器噴口圖

2 物理模型和網(wǎng)格劃分

爐膛網(wǎng)格劃分使用結(jié)構(gòu)化、高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，從爐膛底部到頂部共分成冷灰斗區(qū)域、燃燒器下部區(qū)域、燃燒器區(qū)域、燃燒器上部區(qū)域和水平煙道區(qū)域5個(gè)區(qū)域。燃燒器區(qū)域的噴口較多，網(wǎng)格劃分較密，燃燒器上部和下部區(qū)域的網(wǎng)格逐漸稀疏，為了減少偽擴(kuò)散的影響，在燃燒器噴口區(qū)域采用pave的方法，使得噴口煤粉的射流方向與網(wǎng)格方向保持一致。偽擴(kuò)散系數(shù)Γf表達(dá)式為：

(1)

式中：ρ為流體密度；Δx、Δy為網(wǎng)格的尺寸；U為氣體絕對(duì)速度；θ為射流方向與網(wǎng)格線的夾角。

對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，分別選取計(jì)算網(wǎng)格數(shù)115萬(wàn)、248萬(wàn)和260萬(wàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。發(fā)現(xiàn)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為248萬(wàn)和260萬(wàn)時(shí)精度無(wú)明顯變化，兼顧計(jì)算時(shí)間，選取網(wǎng)格數(shù)為248萬(wàn)。圖2為3D鍋爐爐膛和燃燒器區(qū)域網(wǎng)格劃分情況。

圖2 3D鍋爐爐膛和燃燒器區(qū)域網(wǎng)格劃分

表1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)結(jié)果

3 數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法

3.1 數(shù)學(xué)模型

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型模擬氣相湍流流動(dòng)。采用混合分?jǐn)?shù)PDF的方法模擬氣相的湍流燃燒，此方法能避免求解能量輸運(yùn)方程和組分方程，節(jié)約計(jì)算時(shí)間。采用P1輻射模型計(jì)算輻射傳熱，采用隨機(jī)軌道模型模擬煤粉顆粒流動(dòng)，采用雙平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型模擬煤的熱解，采用動(dòng)力/擴(kuò)散模型模擬焦炭的燃燒。具體的模擬方法參考文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]。

標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程是基于湍動(dòng)能和擴(kuò)散率的半經(jīng)驗(yàn)公式，其方程為：

Gk+Gb-ρε-Ym+Sk

(2)

(3)

式中:k為湍動(dòng)能；ε為擴(kuò)散率；t為時(shí)間；ui為流體速度；μ為流體的動(dòng)力黏度；μt為湍流黏度；Gk為層流速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為浮力引起的湍流動(dòng)能；Ym為可壓縮湍流中脈動(dòng)擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε、C3ε為常量；σk、σε為k方程和ε方程的湍流Prandtl數(shù)；Sk、Sε為用戶自定義數(shù)據(jù)；下標(biāo)i、j分別表示三維坐標(biāo)的分量。

對(duì)非預(yù)混燃燒模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，即建立流體的瞬時(shí)熱化學(xué)狀態(tài)與一個(gè)守恒標(biāo)量(混合分?jǐn)?shù)f)的關(guān)系式：

(4)

式中：wi為元素i的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)；下標(biāo)OX為氧化劑，fuel為燃料。

采用Simple方法求解離散方程組的壓力和速度耦合，動(dòng)量方程、能量方程、k方程和ε方程采用二階迎風(fēng)格式離散，利用低松弛因子和線性迭代方法求解方程，計(jì)算的收斂標(biāo)準(zhǔn)為能量和輻射的殘差小于10-6，其他計(jì)算方程殘差小于10-3。

3.2 煤的參數(shù)

燃用煤種的元素分析和和工業(yè)分析見(jiàn)表2，煤粉的最小粒徑取10 μm，最大粒徑取250 μm，平均粒徑取56 μm，并服從Rosin-Rammler公式。

表2 煤的元素分析和工業(yè)分析

3.3 計(jì)算工況

一、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)設(shè)置為速度入口，根據(jù)鍋爐實(shí)際運(yùn)行參數(shù)調(diào)節(jié)速度和溫度；出口為壓力出口，出口壓力為-20 Pa；爐膛壁面設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)壁面方程，采用無(wú)滑移的邊界條件，并給定壁面溫度和輻射率。研究的重點(diǎn)是通過(guò)調(diào)整一、二、三次風(fēng)的風(fēng)速，分析配風(fēng)對(duì)燃燒碳排放特性的影響，參考鍋爐實(shí)際運(yùn)行情況，設(shè)計(jì)了過(guò)量空氣系數(shù)α分別取1.03，1.20和 1.39 3種模擬工況。工況1和工況2為鍋爐額定運(yùn)行時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)控制范圍內(nèi)的工況，工況3為鍋爐在低負(fù)荷下運(yùn)行的工況，此時(shí)過(guò)量空氣系數(shù)較高。具體工況條件見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算條件

4 計(jì)算結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果的對(duì)比

為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在過(guò)量空氣系數(shù)α=1.03條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)燃燒實(shí)驗(yàn)測(cè)量。通過(guò)抽氣式熱電偶測(cè)量距離前墻水冷壁1.0 m、距離右墻2.0 m，沿爐膛高度方向的溫度分布。模擬的最高溫度為1 761 K，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的最高溫度大約在1 760～1 780 K；模擬的最低溫度為1 539 K，實(shí)驗(yàn)測(cè)量的最低溫度大約在1 530～1 540 K。通過(guò)Rosemount NGA 2000-MLT5煙氣分析儀測(cè)量爐膛出口煙氣中O2和CO2含量，模擬的爐膛出口數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。從表4可以看出，爐膛出口煙氣溫度模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為8.1%，爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為8.7%，爐膛出口CO2體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差為0.5%，證明本文數(shù)值模擬方法是可靠的。

表4 模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4.2 溫度場(chǎng)分析

圖3和圖4為3種工況下溫度的模擬結(jié)果，從圖3和圖4可以看出，隨著風(fēng)速的增加，燃燒器區(qū)域的溫度在逐漸升高，但燃燒器上部及水平煙道區(qū)域和出口處溫度在逐漸降低。這可能是因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)增加，燃燒器區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)增加，燃盡區(qū)過(guò)量空氣系數(shù)降低，使得大部分煤粉在燃燒器區(qū)域中燃燒。燃燒器上部及其水平煙道區(qū)域溫度降低原因可能是，隨著過(guò)量空氣系數(shù)的增加，燃燒器和燃燒器上部區(qū)域過(guò)量空氣系數(shù)降低和煤粉量減少，但煤粉量的減少速率遠(yuǎn)大于過(guò)量空氣系數(shù)的減小速率，只有少部分的煤在燃燒器上部區(qū)域燃燒，導(dǎo)致此區(qū)域溫度降低。因此，過(guò)量空氣系數(shù)增加會(huì)降低煙氣溫度。

(a)工況1

圖4 不同工況下沿爐膛高度方向的溫度分布曲線

4.3 CO2體積分?jǐn)?shù)分析

圖5為3種工況下CO2體積分?jǐn)?shù)分布情況。由圖5可知，在燃燒器區(qū)域隨著風(fēng)速的增加，CO2體積分?jǐn)?shù)逐漸增加，過(guò)量空氣系數(shù)增加，使得燃燒器區(qū)域燃燒更充分，溫度更高，但這將導(dǎo)致CO2等污染氣體增加。在燃燒器上部區(qū)域3種工況下的CO2排放量并不是呈線性關(guān)系的，而是風(fēng)速最大的工況3排放量最低，風(fēng)速適中的工況2的排放量反而最高。這可能是因?yàn)檫^(guò)量空氣系數(shù)的增加導(dǎo)致CO2排放量減少。3種工況下爐膛出口CO2體積分?jǐn)?shù)平均值分別為20.41%、22.00%和20.20%，即當(dāng)α=1.39時(shí)CO2排放量最低,說(shuō)明適當(dāng)增加風(fēng)速可以降低CO2排放量。

圖5 不同工況下沿爐膛高度方向的CO2體積分?jǐn)?shù)分布

4.4 CO體積分?jǐn)?shù)分析

圖6為3種工況下CO體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度方向的分布。由圖6可知，隨著風(fēng)速的增加，CO體積分?jǐn)?shù)在逐漸減小。工況1～工況3下爐膛出口的CO體積分?jǐn)?shù)分別為2.72%、0.39%、0.004 4%，其中工況1的CO體積分?jǐn)?shù)最大，這可能是由于風(fēng)速越小，過(guò)量空氣系數(shù)越低，造成燃燒不充分，生成了大量的CO。工況2和工況3的CO體積分?jǐn)?shù)相對(duì)于工況1都有所下降，這是因?yàn)轱L(fēng)速增加，過(guò)量空氣系數(shù)增加，使得燃燒更加充分，減少了CO的生成，說(shuō)明適當(dāng)增加風(fēng)速可以降低CO排放量。此外，在爐膛高度15～20 m時(shí)，3種工況下的CO體積分?jǐn)?shù)都迅速增加，對(duì)應(yīng)爐膛高度的溫度值也是最高的，燃燒較為劇烈，因此可認(rèn)為燃燒越劇烈，生成的CO越多。

圖6 不同工況下沿爐膛高度方向的CO體積分?jǐn)?shù)分布

4.5 O2體積分?jǐn)?shù)分析

圖7為3種工況下O2體積分?jǐn)?shù)沿爐膛高度方向的分布。從圖7可以看出，3種工況下O2體積分?jǐn)?shù)在爐膛高度25 m之前變化基本相同，25 m之后有了較大的差異。工況1～工況3下爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)的平均值分別為0.021%、0.208%和2.192%，工況3的爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)最大，這是因?yàn)榇藭r(shí)風(fēng)速最大，過(guò)量空氣系數(shù)最高，使得煤粉充分燃燒，排放的O2最多，對(duì)比圖5中工況3時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)最小，說(shuō)明O2體積分?jǐn)?shù)大的地方CO2排放量低。工況1和工況2的爐膛出口O2體積分?jǐn)?shù)差異較小，可認(rèn)為基本相同。

圖7 不同工況下沿爐膛高度方向的O2體積分?jǐn)?shù)分布

5 結(jié) 論

(1)模擬得到爐膛出口煙氣溫度為1 152 ℃，O2體積分?jǐn)?shù)為0.021%，CO2體積分?jǐn)?shù)為20.41%，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了本文數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性。

(2)隨著風(fēng)速的增加，過(guò)量空氣系數(shù)增加，燃燒器上部區(qū)域的溫度降低。因此，過(guò)量空氣系數(shù)不能調(diào)得太大，否則會(huì)降低爐膛溫度，浪費(fèi)燃料。

(3)在工況1下，過(guò)量空氣系數(shù)最低，燃燒不充分，導(dǎo)致生成了大量的CO和CO2，O2含量最少。與工況2相比，工況3下O2體積分?jǐn)?shù)增加，爐膛出口CO2體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)明顯減小，表明適當(dāng)增加風(fēng)速是降低四角切圓鍋爐燃燒碳排放量的有效技術(shù)措施。