660 MW四角切圓鍋爐低氮改造后變磨煤機組合方式下燃燒特性數值模擬

李德波，　徐齊勝，　沈躍良，　劉亞明，　溫智勇

(廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510080)

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660 MW四角切圓鍋爐低氮改造后變磨煤機組合方式下燃燒特性數值模擬

李德波，徐齊勝，沈躍良，劉亞明，溫智勇

(廣東電網公司電力科學研究院，廣州 510080)

利用Ansys Fluent 14.0軟件對某電廠660 MW四角切圓鍋爐低氮改造后變磨煤機組合方式下的燃燒特性進行了數值模擬，研究了爐內的速度場、溫度場、組分場和污染物的分布，并將數值模擬結果與試驗測量值進行了比較.結果表明：增加分離燃盡風(SOFA)后的溫度分布較均勻，切圓形成較好，沒有出現火焰貼墻現象;在燃燒器區域，不同磨煤機組合方式下，溫度沿爐膛高度方向逐漸升高;在緊湊燃盡風(CCOFA)與SOFA噴嘴之間的區域，爐膛橫截面平均溫度沿爐膛高度方向先降低、再升高、最后降低；在SOFA噴嘴以上的區域，不同磨煤機組合方式下的爐膛橫截面平均溫度曲線基本重合，且沿爐膛高度方向逐漸降低；在CCOFA與SOFA噴嘴之間的區域，不同磨煤機組合方式下，NOx質量濃度沿爐膛高度方向逐漸降低，而在SOFA噴嘴以上的區域NOx質量濃度先升高后降低，但其變化幅度較緩慢；當磨煤機組合方式為ABCEF時，爐膛出口NOx平均質量濃度最高，為382.2 mg/m3；當磨煤機組合方式為ABCDE時，爐膛出口NOx平均質量濃度最低，為307.4 mg/m3.

四角切圓鍋爐； 低氮改造； 燃燒特性； NOx； 數值模擬

隨著環境治理的形勢越來越嚴峻，我國對NOx的排放限制日益嚴格.目前，國內外電站鍋爐控制NOx的技術主要有2種[1-4]：一種是控制NOx的生成，主要是在燃燒過程中通過各種技術手段改變煤的燃燒條件，從而減少NOx的生成量，即各種低NOx技術；另一種是NOx生成后的轉化，主要是將已經生成的NOx通過技術手段從煙氣中脫除，如選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR).

李德波等[5-7]對某220 t/h四角切圓鍋爐再燃改造前后及不同風速下爐內的氣流場、溫度場和污染物排放特性進行了研究.結果表明：采用大渦數值模擬方法(LES)的計算結果與現場試驗結果吻合較好，再燃改造后爐膛溫度分布更加均勻，再燃噴口附近形成了還原性氣氛，降低了NOx濃度.

某電廠由于NOx排放質量濃度高[8-12]，采用增加分離燃盡風(SOFA)來降低NOx質量濃度.筆者利用Ansys Fluent 14.0軟件對該電廠低氮改造后變磨煤機組合方式下的燃燒特性進行了數值模擬，并將數值模擬結果與試驗測量值進行對比驗證來保證數值模擬的有效性，研究了爐內速度場、溫度場、組分場和污染物的分布，為該電廠低氮改造后的效果評價以及現場運行過程中變磨煤機組合方式提供了重要的參考依據.

1　鍋爐設備情況

所研究的鍋爐為660 MW亞臨界壓力、一次再熱、單汽包、控制循環四角噴燃雙切圓燃煤鍋爐.鍋爐高56.995 m，寬16.44 m，深19.558 m,爐膛橫截面為長方形.燃燒制粉系統為中速磨直吹式，采用直流式寬調節比擺動式燃燒器，燃燒器分6層，每一同層燃燒的4個一次風(即煤粉氣流)噴嘴與同一臺磨煤機連接.6臺磨煤機各自構成基本獨立的6個制粉子系統，5臺投運已能滿足鍋爐最大連續蒸發量(BMCR)的需要.4組燃燒器分別布置在爐膛下部4個切角處，形成典型的切圓燃燒方式，燃燒器總高度為11.266 m，燃燒器軸線與爐膛前、后墻夾角分別為43°和35°.每組燃燒器在高度方向上最上方布置2個燃盡風噴嘴、6個一次風噴嘴(A、B、C、D、E和F)和7個供給燃料燃燒所需空氣的二次風噴嘴(AA、AB、BC、CD、DE、EF和FF)，一、二次風噴嘴呈均等配風方式間隔布置.

在模擬中，最上層磨煤機停運.改造后4對SOFA以水平對沖方式安裝，進一步降低了鍋爐NOx排放量.改造后由于總風量沒有變化，且二次風中一部分風量分配到SOFA中，使得二次風噴嘴改造后的噴口面積變小，但除了最上層CCOFA的噴嘴高度有所變化，其余一、二次風噴嘴高度均沒有改變.改造后SOFA開度為100%情況下，SOFA與CCOFA占總二次風的質量分數為37.2%，僅SOFA就占26.8%，與改造前的20.4%(只有CCOFA)相比有了很大提升.SOFA改造示意圖見圖2.

(a) 鍋爐本體

(b) 燃燒器橫截面

2　低氮改造數值模擬

2.1數學模型及數值模擬工況

計算中采用標準k-ε湍流模型模擬氣相湍流，采用混合分數/概率密度函數(PDF)模型模擬組分運輸和燃燒，采用單PDF模型模擬純煤燃燒，采用顆粒隨機軌道模型模擬煤粉顆粒的運動，采用雙方程平行競爭反應模型模擬煤的熱解，采用動力/擴散控制反應速率模型模擬焦炭的燃燒，輻射傳熱計算采用P1法，離散方法均采用一階迎風格式.中心風和一、二次風均采用質量入口邊界條件，入口處其質量流量和風溫根據設計參數而定.對燃盡風和周界風進行適當簡化，根據其實際尺寸建立入口模型，燃盡風和周界風也采用質量流量入口邊界條件，其質量流量根據設計參數及變工況條件計算得到.出口邊界條件采用壓力出口，壓力設置為-80 Pa；爐膛壁面采用標準壁面方程，無滑移邊界條件，熱交換采用第二類邊界條件，即溫度邊界條件，給定壁面溫度為690 K、壁面輻射率為0.8.

圖2　SOFA改造示意圖

先通過冷態計算獲得一定收斂程度的流場，然后再進行熱態計算，直至收斂.離散方程組的壓力和速度耦合采用Simple算法求解，求解方程采用逐線迭代法和低松馳因子，NO和HCN的計算殘差小于10-8，其他各項計算殘差小于10-6.NOx的生成采用后處理方法，主要考慮了燃料型NOx和熱力型NOx的生成[7,13-16].燃料型NOx的計算中認為煤粉顆粒中的氮均勻分布于揮發分和焦炭中，即揮發分中氮質量分數為50%，焦炭中氮質量分數為50%.在燃料型NOx產生過程中，中間含氮成分考慮了HCN和NH3，在湍流對NOx生成的影響中考慮了溫度和組分的影響，煤粉比表面積ABET的影響因素較多，如煤種和燃燒條件等.數值模擬中ABET的取值為Ansys Fluent 14.0軟件默認值，即ABET=25 000 m2/kg.

表1　煤粉顆粒質量分數與直徑的關系

表2　煤質分析

數值模擬共有6個工況：磨煤機組合方式分別為ABCDF、ABCEF、ABDEF、ACDEF、BCDEF和ABCDE.

2.2網格劃分及無關性檢驗

根據模型的結構特點，采用單獨劃分網格的方法將爐膛劃分為4個區域：冷灰斗區域、燃燒器區域、燃燒器上方區域和屏式過熱器區域.在劃分過程中，模型均采用結構化網格，對燃燒器區域的網格進行適當加密，為了提高計算精度，燃燒器出口與爐膛的連接面設置為interface，以防止2個面的網格質量和網格形狀差異較大而引起誤差.燃燒器噴嘴布置和網格劃分見圖3.

為了驗證網格精度是否滿足計算要求，采用3種不同數量網格，計算同樣的工況，進行網格無關性檢驗，結果見表3.由表3可以看出，162萬網格(本文網格)與200萬網格(精度較高) 的結果非常接近，爐膛出口煙氣溫度相差1.7 K；而162萬網格與120萬網格的結果相比，爐膛出口煙氣溫度相差24.6 K，因此采用120萬網格計算得到的結果精度較差，根據網格無關性檢驗結果，采用162萬網格可以滿足計算精度要求.

(a)爐膛結構(b)燃燒器噴嘴布置(c)燃燒器橫截面網格劃分

圖3爐膛結構、噴嘴布置與網格劃分

Fig.3Grid generation of boiler and combustor, and the nozzle arrangement

表3　網格無關性檢驗結果

3　數值模擬結果與分析

3.1數值模擬結果與試驗測量值的對比

為了驗證數值模擬結果的準確性，采用紅外溫度測量方法得到了實際滿負荷運行時爐膛出口煙氣溫度和NOx質量濃度(換算到6%O2體積分數、標準狀態下).在爐膛出口NOx質量濃度測量中，首先進行SCR脫硝系統入口NOx質量濃度網格法測量，然后采集該系統入口NOx質量濃度在線儀器測量值.NOx質量濃度網格法測量儀器為德國進口的MRU煙氣分析儀,O2體積分數采用順磁式氧量分析儀進行測量,測量結果折算到標準狀態、6%O2體積分數下.由于SCR脫硝系統已經安裝了NOx取樣測孔，因此直接用軟管連接到MRU煙氣分析儀上進行NOx質量濃度和O2體積分數的測量.

SCR脫硝系統每個反應器入口都安裝了1個NOx質量濃度測點，采集滿負荷(660 MW)下該系統A、B反應器入口NOx質量濃度在線測量值并進行平均，得到爐膛出口NOx平均質量濃度.根據脫硝性能試驗發現，A、B反應器入口NOx質量濃度分布非常均勻，對在線儀器測量值與現場脫硝性能試驗測量值進行了對比，發現兩者偏差在10 mg/m3以內，通過在線儀器測量值對現場試驗測量值進行修正，得到爐膛出口NOx質量濃度.考慮到爐膛出口NOx質量濃度分布不均勻，現場試驗測量很難得到爐膛出口NOx質量濃度分布，因此通過反應器入口NOx質量濃度測量值與數值模擬結果的對比來驗證數值模擬結果的準確性也有一定局限性.在數值模擬結果中，通過對爐膛出口NOx質量濃度進行質量加權平均，得到爐膛出口NOx平均質量濃度，筆者認為這種處理方法充分考慮了截面分布不均勻效果，得到了一個統計上的NOx平均質量濃度.

表4給出了數值模擬結果與試驗測量值的對比.由表4可知，兩者的爐膛出口煙氣溫度誤差為9.7%，爐膛出口NOx平均質量濃度誤差為1.7%,說明數值模擬結果較為準確.

表4數值模擬結果與試驗測量值的對比

Tab.4Comparisons between simulation results and experimental data

名稱爐膛出口煙氣溫度/℃爐膛出口NOx平均質量濃度/(mg·m-3)試驗測量值1135298數值模擬結果1025303

3.2溫度場分布

圖4和圖5給出了數值模擬得到的磨煤機組合方式ABCDF和ABCEF下最下層二次風和最下層一次風的溫度場.由圖4和圖5可以看出，磨煤機組合方式ABCDF和ABCEF下最下層二次風和最下層一次風的溫度切圓形成比較好，沒有出現火焰貼墻現象，水冷壁面溫度較低，避免了水冷壁附近發生結焦.

(a) ABCDF

(b) ABCEF

圖4　最下層二次風的溫度場

圖6給出了爐膛中心截面的溫度分布.由圖6可以看出，燃燒器區域的溫度較高，最高溫度可達到2 000 K，沿著煙氣流動方向，溫度逐漸降低.數值模擬中考慮了屏式過熱器對煙氣溫度的影響，煙氣經過屏式過熱器區域時，溫度降低幅度較大.

(a) ABCDF

(b) ABCEF

圖5　最下層一次風的溫度場

(a)ABCDF

(b)ABCEF

圖6　爐膛中心截面的溫度分布

Fig.6Temperature distribution on central cross section of furnace

圖7給出了爐膛橫截面平均溫度沿高度方向的分布，其中橫截面平均溫度通過橫截面上溫度質量加權平均得到.在燃燒器區域、不同磨煤機組合方式下，整體上看橫截面平均溫度沿高度方向逐漸升高，說明在燃燒器區域由于燃燒放熱，煙氣溫度沿著高度方向逐漸升高.在CCOFA和SOFA噴嘴之間的區域，橫截面平均溫度沿高度方向呈現先降低、再升高、最后降低的趨勢.不同磨煤機組合方式下，在SOFA噴嘴以上區域的橫截面平均溫度曲線基本重合，且沿高度方向逐漸降低.當磨煤機組合方式為ABCDE、ABCDF、ABCEF、ABDEF、ACDEF和BCDEF時，爐內最高溫度分別為1 707.1 K、1 709.5 K、1 767.4 K、1 741.0 K、1 717.3 K和1 716.9 K.當磨煤機組合方式為ABCEF時，爐內最高溫度出現在第4層一次風噴嘴位置.當磨煤機組合方式為ABCDE時，爐內最高溫度出現在第7層二次風噴嘴位置.

圖8給出了不同磨煤機組合方式下爐膛出口煙氣溫度的分布，其中爐膛出口煙氣溫度通過橫截面上溫度質量加權平均得到.當磨煤機組合方式為ABCDE、ABCDF、ABCEF、ABDEF、ACDEF和BCDEF時，爐膛出口煙氣溫度分別為1 552.8 K、1 535.2 K、1 558.7 K、1 569.1 K、1 579.2 K和1 544.3 K.當磨煤機組合方式為ACDEF和ABCDF時，爐膛出口煙氣溫度分別達到最高值和最低值,這說明在現場運行中盡量投運上層磨煤機，爐膛出口煙氣溫度會升高.

圖7　爐膛橫截面平均溫度沿高度方向的分布

Fig.7Average temperature distribution on the cross section along furnace height

圖8　不同磨煤機組合方式下爐膛出口煙氣溫度的分布

Fig.8Distribution of outlet flue gas temperature under different combinations of coal mill

3.3速度場分布

圖9和圖10分別為數值模擬得到的磨煤機組合方式ABCDF和ABCEF下最下層二次風和最下層一次風的速度場.由圖9可以看出，二次風速度切圓形成較好，沒有出現速度沖墻現象.由圖10可以看出，一次風速度切圓形成較好，也沒有出現速度沖墻現象.

(a) ABCDF

(b) ABCEF

圖9　最下層二次風的速度場

(a) ABCDF

(b) ABCEF

圖10　最下層一次風的速度場

3.4組分場分布

圖11為O2體積分數沿爐膛高度方向的分布，其中O2體積分數通過截面上O2體積分數質量加權平均得到.由圖11可知，在CCOFA和SOFA噴嘴之間的區域，整體上不同磨煤機組合方式下O2體積分數沿爐膛高度方向逐漸升高.在SOFA噴嘴以上的區域，O2體積分數沿爐膛高度方向逐漸降低.這是由于在SOFA噴嘴以上的區域，未燃盡的焦炭繼續燃燒消耗大量的O2，從而導致O2體積分數沿爐膛高度方向逐漸降低.

圖11　O2體積分數沿爐膛高度方向的分布

圖12為CO體積分數沿爐膛高度方向的分布，其中CO體積分數通過截面上CO體積分數質量加權平均得到.由圖12可知，在CCOFA和SOFA噴嘴之間的區域以及SOFA噴嘴以上的區域，不同磨煤機組合方式下CO體積分數沿爐膛高度方向逐漸降低.這說明在CCOFA噴嘴以上的區域，由于O2的及時補充，未充分燃燒的CO逐漸燃燒，CO體積分數逐漸降低.

3.5污染物分布

圖13為NOx質量濃度沿爐膛高度方向的分布.由圖13可知，在CCOFA和SOFA噴嘴之間的區域，整體上不同磨煤機組合方式下NOx質量濃度沿爐膛高度方向逐漸降低.在SOFA噴嘴以上的區域，NOx質量濃度沿爐膛高度方向呈現先升高后降低的趨勢，但其變化幅度較緩慢.

圖12　CO體積分數沿爐膛高度方向的分布

圖13　NOx質量濃度沿爐膛高度方向的分布

圖14給出了數值模擬得到的不同磨煤機組合方式下爐膛出口NOx平均質量濃度.由圖14可以看出，當磨煤機組合方式為ABCDE、ABCDF、ABCEF、ABDEF、ACDEF和BCDEF時，爐膛出口NOx平均質量濃度分別為307.4 mg/m3、352.0 mg/m3、382.2 mg/m3、315.8 mg/m3、329.0 mg/m3和330.5 mg/m3.當磨煤機組合方式為ABCEF和ABCDE時，爐膛出口NOx平均質量濃度分別達到最高值和最低值.

圖14　不同磨煤機組合方式下爐膛出口NOx平均質量濃度

Fig.14Average concentration distribution of NOxat furnace outlet under different combinations of coal mill

4　結　論

(1) 數值模擬得到的爐膛出口煙氣溫度與試驗測量值的誤差為9.7%，爐膛出口NOx平均質量濃度誤差為1.7%，數值模擬結果較為準確.

(2) 采用低氮改造增加SOFA后的溫度分布較均勻，切圓形成較好，沒有出現火焰貼墻現象.當磨煤機組合方式為ABCDF和ABCEF時，一、二次風速度切圓形成較好，沒有出現速度沖墻現象.

(3) 在燃燒器區域，整體上不同磨煤機組合方式下的爐膛橫截面平均溫度沿爐膛高度方向逐漸升高.在CCOFA和SOFA噴嘴之間的區域，爐膛橫截面平均溫度沿爐膛高度方向呈現先降低、再升高、最后降低的趨勢；在SOFA噴嘴以上的區域，不同磨煤機組合方式下爐膛橫截面平均溫度曲線基本重合，且沿爐膛高度方向逐漸降低.

(4) 當磨煤機組合方式為ACDEF和ABCDF時，爐膛出口煙氣溫度分別達到最高值1 579.2 K和最低值1 535.2 K，這說明在現場運行中，盡量投運上層磨煤機，爐膛出口煙氣溫度會升高.

(5) 當磨煤機組合方式為ABCEF和ABCDE時，爐膛出口NOx平均質量濃度分別達到最高值382.2 mg/m3和最低值307.4 mg/m3.

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Numerical Simulation on Combustion Characteristics of a 660 MW Tangentially-fired Boiler After Low-NOxRetrofit Under Different Coal Mill Combinations

LIDebo,XUQisheng,SHENYueliang,LIUYaming,WENZhiyong

(Electric Power Research Institute, Guangdong Power Grid Corporation, Guangzhou 510080, China)

Numerical simulations were conducted to combustion characteristics of a 660 MW tangentially-fired boiler after low-NOxretrofit under different coal mill combinations using Ansys Fluent 14.0 software, so as to study the in-furnace velocity field, temperature field, species field and pollutants emission, and to compare the simulation results with experimental data. Results show that uniform temperature distribution can be obtained in the furnace after the addition of SOFA air, without flame adhering to the wall; in the combustion zone, the temperature rises gradually along the height of boiler furnace under different coal mill combinations; in the area between CCOFA and SOFA nozzles, the temperature drops first, then rises, and finally reduces again; in the area above SOFA nozzles, the average temperature profile in furnace cross section is basically the same under different coal mill combinations, which reduces along with the furnace height; in the area between CCOFA and SOFA nozzles, the NOxconcentration reduces along the furnace height under different coal mill combinations, whereas in the area above SOFA nozzles, the NOxconcentration rises first and drops later on, but the variation is relatively moderate; maximum NOxconcentration occurs in the ABCEF mode of coal mill combination at furnace outlet, which is 382.2 mg/m3, while minimum NOxconcentration occurs in the ABCDE mode of coal mill combination at furnace outlet, which is 307.4 mg/m3.

tangentially-fired boiler; low-NOxretrofit; combustion characteristic; NOx; numerical simulation

A學科分類號：470.30

2014-02-25

2014-05-26

中國南方電網重點科研資助項目(K-GD2013-055)

李德波(1984-)，男，土家族，湖北宜昌人，高級工程師，博士，主要從事煤粉燃燒污染物控制、煤粉燃燒高級數值模擬、大規模并行計算方法和程序開發等方面的研究.電話(Tel.)：020-85124768；E-mail：ldbyx@126.com.

1674-7607(2015)02-0089-07

TK229.6