发布时间: 2021-08-25
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DOI: 10.3969/j.issn.2096-8299.2021.04.009
2021 | Volume 37 | Number 4

清洁安全发电

深度空气分级条件下配风方式对炉内燃烧特性影响的数值模拟研究

杜威¹, 丁红蕾^1,3, 潘卫国^1,3, 郭得通¹, 周柒¹, 郭士义^2,3, 丁承刚^2,3, 邓云天^2,3

1. 上海电力大学, 上海 200090;

2. 上海电气电站环保工程有限公司, 上海 201600;

3. 上海发电环保工程技术研究中心, 上海 201600

收稿日期: 2020-04-03

基金项目: 国家重点研发计划（2018YFB0604204，2016YFC0203704）

中图法分类号: TM621.2

文献标识码: A

文章编号: 2096-8299(2021)04-0361-06

摘要

借助数值模拟方法对四角切圆煤粉锅炉进行三维稳态数值模拟，观察其炉内燃烧过程，重点对比了在空气分级下不同配风方式对炉内空气流动和燃烧特性的影响。结果表明：底部配风量较多的正宝塔型、均等、缩腰型配风在炉膛底部形成较高切圆且温度较高，主燃区上部风量较小的正宝塔型和鼓腰型配风速度分布均匀，温度偏差较小，倒宝塔型和鼓腰型配风时出口NO_x较其他3种配风方式要小。

关键词

四角切圆锅炉; 配风方式; 空气分级; 燃烧; 数值模拟

Numerical Simulation of Air Distribution Influence on Combustion Characteristics in Furnace Under Deep Air Staging Condition

DU Wei¹, DING Honglei^1,3, PAN Weiguo^1,3, GUO Detong¹, ZHOU Qi¹, GUO Shiyi^2,3, DING Chengang^2,3, DENG Yuntian^2,3

1. Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;

2. Shanghai Electric Power Station Environmental Protection Engineering Co., Ltd., Shanghai 201600, China;

3. Shanghai Environmental Protection Engineering Technology Research Center, Shanghai 200090, China

Abstract

A three-dimensional steady-state numerical simulation of a four-cornered round pulverized coal boiler with a numerical simulation method was performed to observe the combustion process in the furnace.The effects of different secondary air distribution methods on air flow and combustion characteristics in the furnace under air classification were compared.The results show that: the positive pagoda with a large air volume distribution at the bottom, the equal and reduced waist air distribution form a higher tangent circle at the bottom of the furnace and the temperature is higher, and the positive pagoda with a smaller air volume at the upper part of the main combustion zone has a uniform air velocity distribution.The temperature deviation is small, and the NO_x at the outlet of the pagoda and drum waist is smaller than the other three.

Key words

tangential round boiler; air distribution; air staging; combustion; numerical simulation

我国是煤炭大国, 煤炭产量高, 但煤的成分复杂, 性质差异大, 容易导致锅炉结渣、飞灰含碳量较高等问题。目前我国电站大多采用四角切圆的燃烧方式, 其燃烧适应性好, 经济性好, 对烟煤、贫煤和褐煤都可高效燃用。煤粉在炉内的燃烧过程十分复杂, 炉膛结构和燃烧器的布置十分重要, 而炉内空气动力场对锅炉的燃烧特性起到关键作用。因此, 了解四角切圆锅炉炉内燃烧特性和污染物生成对锅炉的实际运行具有指导意义。

调整燃烧方式可以提高炉内燃烧效率, 并能有效控制NO_x的生成。大型电站锅炉通常采用空气分级的方式, 通过改变分离式燃尽风(又称SOFA风)与二次风的相对高度, 或者改变SOFA风风量、调整二次风与SOFA风的配比占量来选择最优工况^[1]。调节SOFA风水平竖直摆角或增加墙式燃烧器对炉内温度和NO_x的产生都有影响^[2-4]。在空气分级方式下对主燃区二次风配风方式进行调节, 可找出适合不同锅炉、不同煤粉的配风方式, 研究比较锅炉上部温度偏差、整体燃烧效率和出口NO_x^[5]对锅炉燃烧的稳定性、安全性和经济性具有重要的现实意义。

1 锅炉结构及其网格划分

1.1 锅炉结构

本文的模拟对象为某330 MW机组。该机组采取亚临界压力参数、自然循环汽包炉, 单炉膛、一次中间再热、燃烧器摆动调温、平衡通风、四角切圆燃烧、紧身封闭、固态排渣、全钢架悬吊结构, 锅炉的制粉系统采用冷一次风机、正压直吹式制粉系统。锅炉总体布置如图 1所示。

图 1 锅炉结构

图 1中, 炉膛宽14 022 mm, 深13 640 mm, 炉顶标高61 000 mm。一次风按空间浓淡组合布置, A层和B层为等离子燃烧器, 共有5层一次风和7层二次风交叉布置, 主燃烧器上部布置有1层紧凑燃尽风和4层高位燃尽风。

1.2 网格划分

网格质量的好坏影响数值解的精度。影响网格质量的因素有网格数和网格结构, 高质量的网格对实现流场解的质量起到关键作用。本文使用ICEM软件将锅炉模型全结构化网格, 网格质量全部在0.7以上, 以保证模拟的准确性。由于主燃区较其他区域物理量梯度大, 因此划分网格时对其进行了细化, 网格也更加密集, 对其进行O block处理, 同时充分考虑射流的真实形状, 为使伪扩散更小, 网格方向与来流方向一致^[6]。其他区域与主燃区采用interface连接, 网格分布较主燃区稀疏, 以避免计算量的增大。模型网格共计190万个, 如图 2所示。

图 2 炉膛网格划分及燃烧器水平截面网格

以均等配风为例, 对比了总网格数为400万个的模型, 与冷态气流模拟预报基本一致, 热态炉膛出口温度相差18 K, 可见模拟结果没有受到网格数量的影响。

2 模拟工况设置和边界条件

2.1 模拟工况设置

本文主要分析了在深度分级下配风方式对炉内燃烧特性的影响。在总供风和供煤量相同、一次风和SOFA风量不变的情况下, 改变各层二次风, 可以计算满负荷条件下5种配风方式(正宝塔型、倒宝塔型、均等型、缩腰型、鼓腰型)对炉内燃烧的影响。

煤质工业分析和配风参数设计如表 1和表 2所示。表 2中, CCOFA是指强耦合式燃尽风。

表 1 煤质工业分析

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C_ar	H_ar	O_ar	N_ar	S_t.ar	M_ar	A_ar	V_daf	Q_{net, ar}/(kJ·kg^-1)
%								Q_{net, ar}/(kJ·kg^-1)
53.68	3.30	8.10	0.52	1.86	28.3	12.74	34.39	19 440

表 2 配风参数设计单位: m/s

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配风方式	一次风速	二次风速							CCOFA风速	SOFA风速
配风方式	一次风速	aa	ab	bc	cd	de	ef	ff	CCOFA风速	SOFA风速
正宝塔型	30	68	64	60	56	52	48	44	40	54
倒宝塔型	30	40	44	48	52	56	60	64	68	54
均等型	30	54	54	54	54	54	54	54	54	54
缩腰型	30	60	56	52	48	48	52	56	60	54
鼓腰型	30	48	52	56	60	60	56	52	48	54

2.2 数学模型和边界条件

煤粉在炉膛内部燃烧的过程主要涉及煤粉和空气的两相流动、挥发分释放、煤焦燃烧、辐射换热及颗粒运动。

湍流模型选用标准k-ε模型, 选用非预混燃烧模型模拟燃烧过程, 采用混合分数-概率密度函数模型模拟空气和煤粉的混合燃烧。因为挥发分热解反应是均相反应, 焦炭的氧化是非均相反应, 所以两者分别采用单速率模型和动力扩散模型。辐射换热采用P1模型, 颗粒运动采用随机轨道模型^[7-9]。换热壁面为恒温、无渗透无滑移壁面, 入口边界类型有速度入口和质量流入口, 出口边界类型有压力出口和出口流。燃煤颗粒粒径的分布采用Rosin-Rammer分布^[10], 最小粒径、最大粒径和平均粒径分别为10 μm, 250 μm, 56 μm。NO_x采用后处理方式生成。由于快速型相对于热力型和燃料型而言所占比例很小, 所以主要考虑后两种类型, 采用70%的挥发分氮转化为HCN, 30%的挥发分氮转化为NH₃^[11]。

3 数值模拟结果与分析

3.1 各截面温度场

二次风给煤粉提供充足的氧气进行燃烧, 卷吸高温烟气使其螺旋上升形成燃烧所需的中心切圆, 起到混合空气和煤粉的作用。

评价四角切圆锅炉流场质量的关键因素是其切圆形状、气流充满程度和出口气流旋转程度, 所以合理的配风对空气分级后的锅炉燃烧十分必要。

图 3为5种配风方式下炉膛深度中心截面温度场。由图 3可以看出, 5种配风方式下温度场分布规律基本一致。由于煤粉受热燃烧, 高温区域集中在主燃区和燃尽区的中部, 煤粉由一次风携带进入炉膛燃烧, 二次风提供充足的氧量进行燃烧, 所以使温度进一步上升; 烟气中未燃烧完全的煤粉颗粒到达SOFA风区域, SOFA风补充了氧量使其燃烧完全, 温度有所回升; 炉膛出口和冷灰斗的温度逐渐降低, 煤粉流动方向伴随烟气卷吸向上, 火焰与水冷壁发生辐射和对流换热。

图 3 5种配风方式下炉膛深度方向中心截面温度分布

图 4为5种配风方式下沿炉膛高度平均温度曲线示意。由图 4可知: 均等配风时高温燃烧区一直延伸到折焰角以上, 使其炉膛上部温度水平较高, 炉膛出口温度偏高; 正宝塔型和缩腰型配风时底层二次风量较大, 刚性较强, 使煤粉燃烧更完全且对称性更好; 倒宝塔型和鼓腰型配风时下部风量较小, 煤粉燃烧不完全, 导致温度水平较低, 但在上部补充风量后, 氧气充分, 煤粉燃烧更完全, 使得平均温度水平有所提升。

图 4 5种配风方式下沿炉膛高度平均温度曲线比较

图 5为5种配风方式下底层二次风横截面的温度分布。由图 5可以看出: 高温区域在燃烧器一定距离内, 原因是挥发分挥发需要一定的时间; 温度由燃烧器向环形区域逐渐升高, 又由环形区域向炉膛中心逐渐下降, 因为从四角喷出的煤粉在相互作用下螺旋上升, 使炉膛中心形成低温负压区域; 下层风量较大的正宝塔型配风时火焰充满度高, 穿透性较强, 对称程度好, 温度水平最高, 其他几种配风方式都存在不同程度的火焰偏移。这说明在一、二次风充分混合的情况下, 煤粉燃烧较好, 而在燃烧区下部的良好燃烧, 又使火焰中心位置下降, 对煤粉燃烧有利。

图 5 底层二次风横截面温度分布

合适的炉内二次风配风方式, 对SOFA风反切圆消旋效果起到加强作用, 避免水平烟道烟气温度和流速出现偏差。图 6为5种配风方式下最上层SOFA风横截面温度分布。由图 6可知, 5种配风方式下切圆旋转方向均未发生变化, 上层风量较少的正宝塔型和鼓腰型配风中心切圆直径较小, 气流至炉膛出口处旋流强度降低, 残余旋转动量减小, 从而使速度分布较均匀, 温度偏差缩小^[5]。

图 6 最上层SOFA风横截面温度分布

3.2 NO_x浓度分布

图 7为5种配风方式下炉膛深度方向中心截面NO_x浓度分布示意。由图 7可以看出, 5种配风方式下炉内NO_x浓度分布规律基本相似。NO_x的形成和温度有很大关系, NO_x大量产生在主燃区高温区域, 沿炉膛方向向上逐渐减少。这是由于在温度高于1 600 K的情况下, 燃烧器区域会大量产生热力型氮, 且燃料在刚进入炉膛时挥发分中的氮会被O₂氧化, 生成HCN等中间产物, 再与O₂反应生成NO。在燃尽风区域, 炉内温度降低, 受再燃机理影响, NO_x进一步降低。

图 7 5种配风方式下炉膛深度方向中心截面NO_x浓度分布示意

图 8为5种配风方式下沿炉膛高度平均NO_x曲线示意。由图 8可以看出, 浓度区别主要在炉膛下部和燃烧器区域, 燃烧器下部风量小, 炉膛出口产生的NO_x也较少, 这是由于其下部氧气浓度低, 抑制了挥发分析出的NH₃和HCN氧化生成NO, 并形成还原性气氛破坏生成的NO_x, 同时较低的温度使热力型NO的生成减少, 所以倒宝塔型和鼓腰型的配风方式产生的NO_x较少。

图 8 5种配风方式下沿炉膛高度平均NO_x曲线比较

3.3 炉膛出口参数

通过模拟得出5种配风方式下炉膛出口参数如表 3所示。由表 3可知, 不同配风方式下, 煤粉挥发分都完全燃烧, 煤焦燃尽率都能保持在92%以上。其中, 以正宝塔型配风和鼓腰型配风燃尽率最好, 煤焦燃尽率在96%以上; 又因为其炉膛出口温度相对较低, 表明这两种配风方式的锅炉效率较其他3种方式要高。结合NO_x生成曲线还可以看出, 鼓腰型配风方式能够兼顾锅炉高效燃烧和低NO_x控制两方面。

表 3 5种工况下炉膛出口温度及燃尽率

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配风方式	炉膛出口温度/K	挥发分燃尽率/%	焦炭燃尽率/%
正宝塔型	1 252.182	100	96.23
倒宝塔型	1 337.438	100	92.67
均等型	1 360.212	100	95.47
缩腰型	1 293.446	100	94.88
鼓腰型	1 254.165	100	96.77

4 结论

(1) 5种配风方式下炉内温度趋势大致相同, 底部风量大的在炉膛底部形成切圆较好, 温度相对较高, 底部煤粉燃烧速率加快, 减少不完全燃烧带来的损失。

(2) 上层风量较少的正宝塔型和鼓腰型配风时炉膛出口温度相对较低, 中心切圆直径也较小, 速度分布较均匀, 温度偏差缩小。

(3) 5种配风方式下NO_x的生成规律一致, 都是在炉膛主燃区温度最高的地方产生最多, 底部风量较小的配风方式由于主燃区温度较低, 炉膛出口产生NO_x较少, 但燃尽率也相应下降。

(4) 对比5种配风方式下的炉膛出口参数, 结合NO_x的生成曲线, 得出鼓腰型配风是锅炉效率和NOx控制结合相对最优的配风方式。

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摘要

关键词

Abstract

Key words

1 锅炉结构及其网格划分

1.1 锅炉结构

1.2 网格划分

2 模拟工况设置和边界条件

2.1 模拟工况设置

2.2 数学模型和边界条件

3 数值模拟结果与分析

3.1 各截面温度场

3.2 NOx浓度分布

3.3 炉膛出口参数

4 结论

参考文献

3.2 NO_x浓度分布