W型火焰鍋爐內無煙煤摻燒優化數值模擬

朱光明， 姚 斌， 段學農， 吳增金， 焦慶豐， 楊 奕， 陳一平

（1.湖南省電力公司科學研究院，長沙410007；2.華中科技大學 能源與動力工程學院，武昌430074；3.大唐耒陽發電廠，衡陽421800）

湖南省某電廠300MW機組W型火焰鍋爐于2004年投產，設計煤種為當地無煙煤.近幾年，由于煤炭市場持續緊張，電廠不能獲得足夠的設計煤種.為保證生產需要，電廠大量采購晉城無煙煤.由于晉城無煙煤與當地無煙煤均為典型無煙煤，電廠一直采用爐前摻燒方式，在摻燒晉城無煙煤的實際運行中，發現飛灰可燃物含量異常升高，鍋爐效率偏低.為探討不同無煙煤在不同摻燒方式下鍋爐的燃燒經濟性，利用雙混合分數理論（雙PDF）［1］進行了數值模擬.

1 設備概述

該電廠300MW鍋爐是北京巴布科克·威爾科克斯有限公司生產的B＆WB－1025／17.2－M 型亞臨界中間再熱自然循環汽包爐，平衡通風，露天布置.燃燒器布置在下爐膛前后拱上，采用正壓直吹式制粉系統、W型火焰燃燒方式，尾部為雙煙道結構，采用擋板調節再熱汽溫.每臺鍋爐共配有16個濃縮型EI－XCL低NOx雙調風旋流煤粉燃燒器和4套Metso minerals公司生產的14′－0″×18′－0″雙進雙出磨煤機，磨煤機設計出力為45.6t／h.設計煤種為當地無煙煤.

燃燒器在爐膛內的布置方式見圖1（其中A、B、C、D為磨煤機編號，1、2、3、4為各磨煤機分離器出口各粉管編號）：

圖1 燃燒器在爐膛內的布置方式Fig.1 Arrangement of burners in boiler furnace

設計燃料特性見表1.電廠當前實際燃用煤種中，當地白沙煤和山西晉城無煙煤數量較大，其主要煤質參數見表2.

為獲取兩種無煙煤的燃燒特性，在試驗室利用熱重分析方法獲得兩種無煙煤的熱重分析曲線［1－2］，見圖2和圖3.由圖2和圖3可知，晉城無煙煤的著火溫度比白沙煤的高，著火特性相對較差.

表1 設計燃料特性Tab.1 Property of designed fuel

表2 兩種無煙煤主要煤質參數Tab.2 Coal quality parameters of two kinds of anthracite

圖2 白沙煤的熱重分析曲線Fig.2 Thermogravimetric analysis graph of Baisha coal

2 雙混合分數模型

鍋爐燃用混煤時，混煤顆粒處于相同的空間，所處空間內的環境氣氛由混合煤種燃燒共同決定，因此混燒過程中存在強烈耦合.一方面不同煤種混合燃燒過程中，在相同的氣氛下，由于煤質特性的差異及著火溫度的不同，揮發分含量高、著火溫度較低的煤首先著火燃燒，釋放出的熱量一部分用于加熱自身煤粉顆粒，另一部分則直接（通過顆粒間的傳導和輻射）或間接（通過中間氣氛進行對流傳熱）加熱著火溫度較高的煤粉顆粒，使其著火燃燒；另一方面由于不同煤種混合燃燒過程中，不斷消耗氧氣同時生成氣體產物，從而改變周圍的燃燒環境，而氣體成分濃度的改變對煤種揮發分析出、燃燒和焦炭的燃盡又有直接影響，因此煤種混燒過程中，存在燃燒環境的耦合.

圖3 晉城無煙煤的熱重分析曲線Fig.3 Thermogravimetric analysis graph of Jincheng anthracite

本文計算選擇RNG k－ε雙方程模型作為湍流氣相流動模型；顆粒運動的計算選擇顆粒隨機軌道模型，運用拉格朗日方法，當已知氣體的流場時就可以按時間積分求出各個顆粒的運動軌跡；揮發分析出采用雙平行反應模型；爐內各點化學組分的反應過程及濃度分布采用雙混合分數（PDF）模型；揮發分燃燒采用擴散控制模型；焦炭燃燒采用動力－擴散控制燃燒模型；輻射傳熱模型采用DT法（Discrete Transfer Method）；采用正交的非均勻交錯網格；采用控制容積法對微分方程進行離散［3］.

3 W型火焰鍋爐無煙煤混煤摻燒數值模擬

3.1 網格劃分及模擬條件

3.1.1 網格劃分

計算網格劃分見圖4，采用較細密的網格（63×137×79），并對旋流燃燒器區域進行細化，以便準確地描述燃燒器區域的空氣動力學特性，其中x坐標為深度方向，y坐標為寬度方向，z坐標為高度方向.

圖4 計算網格Fig.4 The computing grid

根據殘差判斷收斂，以所有計算量（如u、v、w、k、ε等）的相對誤差都必須小于1.0×10－3作為收斂準則.

3.1.2 壁面邊界條件

爐膛水冷壁采用溫度壁面邊界條件，根據水冷壁內工質的溫度并考慮水冷壁的安全裕度設置溫度壁面邊界條件如下：冷灰斗出渣口設置為373K；燃燒器區域鋪設了衛燃帶，溫度設定為1 300K；根據水冷壁介質溫度，爐膛除燃燒器以外的其他壁面溫度取為980K；由于爐膛出口為煙氣出口，根據出口煙氣的大致溫度設定爐膛出口溫度為1 300K.

3.1.3 入口條件

選16只燃燒器全部投運的滿負荷狀態進行數值計算.燃燒器的噴口截面作為計算區域的入口邊界，入口邊界上氣相的速度、溫度以及煤粉顆粒流量、溫度和粒徑根據鍋爐的運行參數直接給定.表3給出了入爐風量條件.

表3 入爐風量條件Tab.3 Computing condition of inlet air volume

3.1.4 模擬工況

工況1：爐前摻燒；工況2：A、B磨煤機磨制晉城煤，C、D磨煤機磨制白沙煤；工況3：A、D磨煤機磨制晉城煤，B、C磨煤機磨制白沙煤；工況4：B、C磨煤機磨制晉城煤，A、D磨煤機磨制白沙煤.

3.2 數值模擬結果

圖5～圖9給出了對兩種無煙煤采用不同摻燒方式時爐膛內不同區域煙氣溫度場的數值模擬結果.從圖5～圖9可以看出，煤粉氣流自拱頂燃燒器出口進入爐膛后，斜向下俯沖一定程度便著火燃燒，各工況下爐內高溫區均在乏氣風和分級風之間高度，溫度在1 700～1 900K.爐前摻燒方式下，A1C2截面的爐膛溫度場對稱；分磨摻燒方式下，各燃燒器對應的燃燒軌跡形成各自的V字型，未能形成W型火焰.晉城煤對應燃燒器區域溫度較白沙煤對應燃燒器區域溫度低，說明晉城煤著火較慢.在兩側墻處，晉城煤燃燒器附近爐膛煙溫偏低，這對于控制結焦有較大好處.在中心區域，工況1、工況3和工況4的燃燒均勻性較好，說明B、C磨煤機磨制同樣煤種的工況對爐膛燃燒的均勻性有益.

圖5 爐膛縱剖面溫度場（右墻附近，A1C2燃燒器截面）Fig.5 Temperature field on the longitudinal section（A1C2section，near the right wall）

圖6 爐膛縱剖面溫度場（左墻附近，D4B3燃燒器截面）Fig.6 Temperature field on the longitudinal section（D4B3section，near the left wall）

圖7 爐膛左墻剖面溫度場Fig.7 Temperature field on the left wall section

圖8 爐膛右墻剖面溫度場Fig.8 Temperature field on the right wall section

圖9 爐膛中心縱剖面溫度場Fig.9 Temperature field on the longitudinal center section

圖10給出了2種不同無煙煤在不同摻燒方式下爐膛中心縱剖面處的煙氣氧體積分數分布場.由圖10可知，在爐前摻燒工況和B、C磨煤機磨制晉城煤的工況下，爐膛內氧體積分數分布場基本對稱，不存在局部缺氧或氧量過剩情況.在工況2和工況3下，爐內氧體積分數明顯存在偏斜.工況2對應A、B磨煤機磨制晉城煤的方式，此時后墻氧體積分數下降較快；工況3對應A、D磨煤機磨制晉城煤的方式，此時前墻氧體積分數下降較快，對后期燃盡不利.

圖11給出了2種不同無煙煤在不同摻燒方式下爐膛中心縱剖面處的煙氣速度分布場.從圖11可以看出，與爐膛溫度場和氧體積分數分布相對應，工況1和工況4下爐膛中心縱剖面速度分布基本對稱，說明在燃燒區域煙氣的流動沒有發生紊亂.工況2的煙氣速度場向后墻偏斜，工況3的煙氣速度場向前墻偏斜，速度場分布不均勻，造成兩股煤粉氣流燃燒相互影響，不利于沿燃燒鋒面氧量的有序補給，影響飛灰可燃物含量.

表4給出了不同摻燒方式下爐膛出口煙氣參數數值模擬計算結果的對比.從表4可以看出，分磨摻燒方式下煤粉燃盡率及爐膛出口煙氣溫度指標均較爐前摻燒方式下的好.不同分磨摻燒方式下，煤粉燃盡率及爐膛出口煙氣溫度也有較明顯的區別.B、C磨煤機單獨磨制晉城無煙煤的工況有利于控制燃盡率和爐膛出口煙氣溫度.

圖10 爐膛中心縱剖面氧體積分數分布Fig.10 Oxygen concentration distribution field on the longitudinal center section

圖11 爐膛中心縱剖面速度場Fig.11 Velocity field on the longitudinal center section

表4 爐膛出口煙氣參數比較Tab.4 Comparison of flue gas parameters at furnace outlet

4 結 論

（1）煤粉氣流自拱頂燃燒器出口進入爐膛后斜向下俯沖一定程度便著火燃燒，釋放出大量的熱量，在乏氣風和分級風之間的爐膛區域形成高溫區，溫度在1 700～1 900K，有利于煤粉的著火、穩燃和燃盡.溫度、氧體積分數和速度分布場在不同摻燒方式下有不同的形態.

（2）從爐膛縱剖面溫度場可以看出，當前后墻兩個燃燒器燃用相同煤種時，下爐膛形成了對稱的W形狀，當前后墻兩個燃燒器燃用不同煤種時，下爐膛形成了不對稱的W形狀，燃用晉城無煙煤燃燒器氣流下沖較深，著火距離較長.從爐膛左、右墻剖面溫度場可以看出，燃用晉城無煙煤燃燒器附近的左、右墻溫度較低.

（3）工況4下煤粉燃盡率最高，爐膛出口煙氣溫度最低；爐前摻燒的工況1下煤粉燃盡率最低，爐膛出口煙氣溫度最高；在晉城無煙煤和白沙煤摻燒時，分磨摻燒方式更有利于控制鍋爐燃燒效率.

［1］高正陽，方立軍，周健，等.混煤燃燒特性的熱重試驗研究［J］.動力工程，2002，22（3）：1764－1768.GAO Zhengyang，FANG Lijun，ZHOU Jian，et al.Research on the combustion performance of blended coal in thermal balance［J］.Journal of Power Engineering，2002，22（3）：1764－1768.

［2］方慶艷，黃來，姚斌，等.采用雙混合分數／PDF方法模擬混煤在四角切圓鍋爐內的燃燒［J］.動力工程，2006，26（2）：185－190.FANG Qingyan，HUANG Lai，YAO Bin，et al.Combustion process simulation with duo－mixture fraction／PDF approach of tangentially coal blend fired boilers［J］.Journal of Power Engineering，2006，26（2）：185－190.

［3］王國忠，吳生來.無煙煤與煙煤混燒特性試驗研究［J］.熱力發電，2009，38（3）：61－65.WANG Guozhong， WU Shenglai.Test study on mixedly buring characters of bituminous coal with anthracite coal［J］.Thermal Power Generation，2009，38（3）：61－65.