600 MW鍋爐小差異特性混煤燃燒數(shù)值模擬

程 凱， 陳鴻偉， 王朝陽， 朱 樓， 朱棟琦

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)決定了我國(guó)電力行業(yè)仍然以火力發(fā)電為主[1]。近年來，煤炭?jī)r(jià)格大幅度上漲導(dǎo)致發(fā)電成本進(jìn)一步增加，再加之煤炭市場(chǎng)的緊張，燃煤電站很難長(zhǎng)期獲得設(shè)計(jì)煤種，實(shí)際運(yùn)行過程中通常采用兩種或多種煤進(jìn)行摻燒[2]。在混燃過程中，組分煤之間存在復(fù)雜的耦合傳熱傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)的交互作用[3]?；烀号渲煤侠?，可以提高鍋爐效率和經(jīng)濟(jì)性。因此，如何經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定地?fù)綗哂惺种匾膽?yīng)用意義。

混燃摻燒方式主要分為爐前摻混與爐內(nèi)摻混兩種方式[4]。混煤的燃燒特性不能認(rèn)為是各單煤燃燒特性的線性加權(quán)，段學(xué)農(nóng)等[5]提出混煤的燃燒接近組成混煤?jiǎn)蚊褐幸字鸬拿海籆hi等[6,7]研究指出摻燒的兩種煤性能差異性越大，燃盡特性越差；朱光明[8]通過對(duì)煙煤和無煙煤的摻燒，發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)摻燒無煙煤，對(duì)混煤燃燼特性影響不大；文獻(xiàn)[9]利用沉降爐對(duì)高揮發(fā)分煙煤與貧煤進(jìn)行摻燒試驗(yàn)，結(jié)果表明，當(dāng)煙煤摻燒比例超過75%時(shí)，混煤燃燼特性明顯變差，出現(xiàn)“搶風(fēng)”現(xiàn)象。夏銘劭[10]提出灰色聚類判別法對(duì)混煤摻混方式進(jìn)行分級(jí)評(píng)判，并針對(duì)3種爐型的鍋爐進(jìn)行混煤不同摻混方式的對(duì)比試驗(yàn)，分析其經(jīng)濟(jì)性與燃燒穩(wěn)定性。上述研究對(duì)確定合理的混煤摻燒方式具有重要的指導(dǎo)意義。但這些研究大多針對(duì)中大差異特性混煤摻燒，而對(duì)小差異特性混煤的摻燒研究較少。本研究以某電廠600 MW鍋爐為研究對(duì)象，進(jìn)行小差異特性煤種摻燒的數(shù)值模擬，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 模擬對(duì)象介紹

模擬對(duì)象為某電廠600 MW亞臨界壓力中間一次再熱控制循環(huán)鍋爐，單爐膛Π型緊身封閉布置，四角切向燃燒，全鋼架懸吊結(jié)構(gòu)，固態(tài)排渣。爐膛截面寬度為19 558 mm×深16 940.5 mm。

鍋爐采用正壓直吹式制粉系統(tǒng)，配6臺(tái)ZGM113G型中速磨煤機(jī)，對(duì)應(yīng)布置6層煤粉燃燒器，鍋爐BMCR和ECR負(fù)荷時(shí)均采用“五運(yùn)一備”的運(yùn)行方式。配風(fēng)方式采用空氣分級(jí)燃燒配風(fēng)方式，主燃區(qū)一、二次風(fēng)相間布置，分離燃燼風(fēng)(SOFA)布置在主燃區(qū)上部，共7層。煤粉燃燒器采用垂直濃淡分離方式，噴嘴四周布置有周界風(fēng)。燃燒器采用四角布置，對(duì)沖同心正反切向燃燒，即一次風(fēng)煤粉氣流按對(duì)沖的燃燒器中心線進(jìn)入爐膛，被偏轉(zhuǎn)的二次風(fēng)裹在爐膛中央，形成富燃料區(qū)，四周水冷壁附近則形成富空氣區(qū)。分離燃燼風(fēng)噴嘴與主燃區(qū)噴嘴同軸布置，在爐內(nèi)形成φ125正反切圓。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

采用ANSYS 17.0對(duì)鍋爐燃燒以及NOx排放等進(jìn)行三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，計(jì)算區(qū)域?yàn)閺睦浠叶分梁笃脸隹?，如圖1所示。采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，在近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理[11]，輻射模型采用P-1模型，揮發(fā)分的析出和燃燒分別采用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型和非預(yù)混燃燒模型[12]，焦炭燃燒采用動(dòng)力/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型[13]，煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)采用DPM模型，并采用隨機(jī)軌道模型進(jìn)行對(duì)顆粒的跟蹤[14]?？紤]到煤粉燃燒產(chǎn)生的快速型NOx較小，所以本研究只考慮燃料型NOx和熱力型NOx[15]。邊界條件采用速度進(jìn)口，壓力出口(計(jì)示壓力-50 Pa)。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

運(yùn)用Gambit軟件生成網(wǎng)格，為了獲得高質(zhì)量六面體網(wǎng)格，采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格技術(shù)，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分為7個(gè)區(qū)域，分別為：冷灰斗區(qū)域、主燃區(qū)域、過渡區(qū)域、燃燼風(fēng)區(qū)域、折焰角區(qū)域、屏式過熱器區(qū)域和出口區(qū)域。在燃燒器區(qū)域采用Map/Submap方法生成結(jié)構(gòu)化的四邊形網(wǎng)格，采用Cooper方法沿爐膛高度六面體網(wǎng)格，爐膛橫截面網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 爐膛橫截面網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分不合理將導(dǎo)致流場(chǎng)模擬出現(xiàn)偽擴(kuò)散問題，偽擴(kuò)散系數(shù)定義如下：

(1)

由式(1)可以得知，當(dāng)θ為45°時(shí)，偽擴(kuò)散最強(qiáng)。因此，為減少偽擴(kuò)散，生成的網(wǎng)格線應(yīng)與一、二次風(fēng)噴口速度方向接近平行。在燃燒器區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理，提高計(jì)算精度。在網(wǎng)格數(shù)分別為70萬，120萬，190萬，212萬的劃分方式下進(jìn)行了網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，以沿爐膛高度方向溫度分布、出口氧量、NOx濃度等作為測(cè)試指標(biāo)。結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)達(dá)到190萬，已經(jīng)可以取得較為可信的計(jì)算結(jié)果，網(wǎng)格數(shù)量繼續(xù)增加，計(jì)算精度未見提高。因此，數(shù)值模擬最終選擇總網(wǎng)格數(shù)為190萬。

3 工況設(shè)置

本文分別對(duì)摻燒石炭煤混燒熱量比為0.2，0.4，0.6，0.8和1，設(shè)置5個(gè)工況，過量空氣系數(shù)為1.20，燃燼風(fēng)率為0.218。BMCR工況下，設(shè)計(jì)煤種的燃煤量為310 t/h，不同摻燒比例工況下燃煤量依次為307 t/h，304 t/h，303 t/h，301 t/h，299 t/h。設(shè)計(jì)煤種煤粉細(xì)度R90為15.51%，R200為1.17%；石炭煤煤粉細(xì)度R90為20.12%，R200為1.08%。

兩種煤種的煤質(zhì)特性參數(shù)及灰分特性參數(shù)分別如表1和表2所示。兩種煤的煤質(zhì)相近，軟化溫度較高，均屬于輕微結(jié)渣煤種，石炭煤揮發(fā)分含量較高，較容易著火。兩種煤摻混屬于小差異特性混煤。

表1 單煤煤質(zhì)參數(shù)

表2 單煤灰分特性

4 結(jié)果與討論

4.1 模擬結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到單燒設(shè)計(jì)煤種的模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比見表3。爐溫模擬結(jié)果比試驗(yàn)數(shù)據(jù)偏高，但各點(diǎn)溫度誤差不超過±8%，在允許范圍內(nèi)。飛灰含碳量(CIA)、爐膛出口含氧量以及爐膛出口NOx濃度均與實(shí)際值較接近。因此本研究采用的計(jì)算模型及參數(shù)所得結(jié)果是可信的。

表3 模擬數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

4.2 溫度場(chǎng)分析

取爐膛不同高度截面平均溫度如圖3所示，為方便顯示，本研究?jī)H顯示部分工況的煙氣溫度隨爐膛高度的分布趨勢(shì)。各工況溫度分布趨勢(shì)基本相同，主燃區(qū)溫度變化呈現(xiàn)鋸齒狀，這主要是由于一、二次風(fēng)相間布置造成的。由于采用空氣分級(jí)燃燒，主燃區(qū)過量空氣系數(shù)小于1，燃燒處于“欠氧”狀態(tài)，煤粉顆粒在主燃區(qū)燃燒不充分，大量未燃燼顆粒進(jìn)入燃燼風(fēng)區(qū)域，進(jìn)一步燃燒，因此燃燼風(fēng)區(qū)域截面煙氣平均溫度較高。隨摻燒比例的增加，爐膛主燃區(qū)煙氣溫度增加，經(jīng)過燃燼風(fēng)區(qū)域后，煙氣溫度稍有下降。這一現(xiàn)象主要由兩方面原因：一方面，石炭煤的熱值比設(shè)計(jì)煤種高，隨摻燒比例增加，煙氣溫度稍有增加；另一方面石炭煤的揮發(fā)分含量較高，著火性能較好，石炭煤預(yù)先著火，提高了煤粉氣流周圍的溫度，有利于設(shè)計(jì)煤種的著火和燃燼，從而提高了主燃區(qū)的溫度。

圖3 爐膛高度方向平均溫度

4.3 煙氣成分分析

圖4到圖6分別表示O2、CO、CO2沿爐膛高度方向的分布。僅對(duì)燃燼風(fēng)區(qū)域內(nèi)煙氣成分分布的情況可以看出，只燒設(shè)計(jì)煤種時(shí)，燃燼風(fēng)區(qū)域內(nèi)氧氣濃度變化率最大，CO濃度最高，同時(shí)CO2濃度最低；摻燒石炭煤的各工況，O2、CO、CO2濃度變化并不明顯。通過對(duì)比分析可以看出，單燒設(shè)計(jì)煤種的工況下，主燃區(qū)顆粒燃燼份額相對(duì)較少，更多的未燃燼顆粒在燃燼風(fēng)區(qū)域內(nèi)燃燒，提高了該區(qū)域內(nèi)的溫度。因此，相對(duì)于單燒設(shè)計(jì)煤種，摻燒石炭煤有利于提高主燃區(qū)內(nèi)的煤粉顆粒的燃燼份額。

圖4 爐膛高度方向O2平均濃度

圖5 爐膛高度方向CO平均濃度

圖6 爐膛高度方向CO2平均濃度

4.4 爐膛出口NOx分析

圖7表示不同摻燒比例下，爐膛出口NOx濃度值變化。隨摻燒比例增加，爐膛出口NOx濃度值總體呈下降趨勢(shì)。

圖7 爐膛出口NOx濃度與摻燒比例的關(guān)系

4.5 噴口顆粒燃燼率分析

利用Fluent軟件的后處理可以提取每個(gè)噴口的CIA數(shù)值，表4和表5分別為設(shè)計(jì)煤種和石炭煤各噴口的CIA匯總表。

從每層燃燒器的飛灰含碳量的結(jié)果中可以看出，A、B、C三層顆粒燃燼率相當(dāng)，D層和E層的顆粒燃燼率明顯低于下面的三層，特別是E層燃燒器飛灰含碳量達(dá)到8.06%，超過總體飛灰含碳量的50%；就濃側(cè)和淡側(cè)噴口分析，總體上濃側(cè)噴口的飛灰含碳量大于淡側(cè)噴口。

表4 設(shè)計(jì)煤種各噴口CIA匯總 %

表5 石炭煤各噴口CIA匯總 %

為方便分析，僅列舉E層噴口顆粒燃燒飛灰含碳量情況。圖8和圖9分別表示不同工況下E層濃側(cè)和淡側(cè)噴口飛灰含碳量變化曲線。

圖8 E層濃側(cè)噴口CIA與摻燒比例的關(guān)系

圖9 E層淡側(cè)噴口CIA與摻燒比例的關(guān)系

圖10為不同摻燒比例下，爐膛出口總的飛灰含碳量變化曲線。對(duì)比原始工況可以看出，摻燒易燃煤種，可以提高噴口的燃燼率，當(dāng)摻燒比例由0.2增加到0.6時(shí)，E層各噴口的飛灰含碳量均不斷下降，但摻燒比例達(dá)到0.8時(shí)，濃側(cè)和淡側(cè)噴口的飛灰含碳量稍有增加，這說明小差異特性的混煤在摻燒過程中同樣會(huì)出現(xiàn)“搶風(fēng)”的現(xiàn)象。

圖10 爐膛出口CIA與摻燒比例的關(guān)系

5 結(jié)論

(1)爐外摻燒燃燒特性存在差異的煤種時(shí)，易燃煤種在混燃中起到兩方面作用，一方面，易燃煤種較早著火，提高燃燒區(qū)域內(nèi)的局部溫度，從而可以促進(jìn)難燃煤種的著火；另一方面，易燃煤種預(yù)先燃燒消耗掉大量的氧氣，推遲難燃煤種的著火過程，降低混煤整體燃燼率。這兩方面作用使得實(shí)際摻燒過程中，出現(xiàn)摻燒過量易燃煤種導(dǎo)致造成“搶風(fēng)”現(xiàn)象。

(2)對(duì)于兩種小差異特性煤種摻燒，易燃煤種在混燃中起到的上述兩方面作用依然存在，但并不明顯。對(duì)于本研究而言，僅當(dāng)摻燒比例達(dá)到0.8時(shí)，飛灰含碳量稍有增加，總體上，煤粉顆粒的燃燼率隨摻燒比例的增加而增加。

(3)爐膛高度方向上各層燃燒器噴口的煤粉顆粒燃燼率分布并不均勻，來自最上層燃燒器噴口的煤粉顆粒燃燼率明顯低于下層，所以燃煤電站在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)該保證最上層燃燒器噴口周圍氧量的充足和均勻分布。

(4)小差異特性混煤摻燒，隨摻燒比例的增加，燃燒性能接近混煤中著火性能較好的煤種。