旋流對沖鍋爐煙煤低氮燃燒特性數(shù)值模擬

王松浩

(大唐華東電力試驗研究所， 合肥 230000)

煤在燃燒過程中排放的NOx對環(huán)境及人類自身的危害極其嚴重，且火力發(fā)電量每增加100億kW·h，NOx的排放量將增加2.9～3.8萬t[1]，因此GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》規(guī)定了現(xiàn)有火電鍋爐更加嚴格的排放濃度限值。筆者基于NOx的生成原理，采取空氣分級燃燒技術用來降低NOx生成量[2]，以達到低氮燃燒，采用空氣分級燃燒技術的主要目的是造成主燃區(qū)還原性氣氛，同時降低主燃區(qū)的燃燒溫度[3]。

1　計算模型

鍋爐主要尺寸見表1，鍋爐熱力特性見表2，燃燒器布置見圖1,旋流燃燒器示意圖見圖2,燃盡燃燒器見圖3，煙煤的性質見表3。

表1　鍋爐主要尺寸

表2　鍋爐熱力特性

表3　煙煤性質

圖1燃燒器布置

圖2　旋流燃燒器示意圖

圖3　燃盡燃燒器示意圖

旋流燃燒器共8個，分2層布置；燃盡燃燒器共6個，單層布置于旋流燃燒器的上方。旋流燃燒器具有中心風、一次風、內(nèi)二次風、外二次風。燃盡燃燒器有內(nèi)二次風、外二次風。旋流燃燒器的中心風和一次風是直流風，內(nèi)二次風和外二次風是旋流風；燃盡燃燒器的內(nèi)二次風是直流風，外二次風是旋流風。

2　數(shù)值模擬

2.1 網(wǎng)格劃分

(1) 用Proe畫出爐膛物理模型的三維圖，輸出stp文件。

(2) 將stp文件導入到Ansys，對爐膛物理模型進行網(wǎng)格劃分，見圖4。網(wǎng)格采用結構網(wǎng)格劃分，為四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)為300多萬個。

圖4　爐膛網(wǎng)格

(3) 定義爐膛物理模型的邊界條件，設定空氣進入燃燒器采用velocity-inlet進口，煤粉顆粒進入燃燒器采用mass-flow-inlet進口，出口采用pressure-outlet進口，爐膛壁面采用wall類型。

(4) 輸出msh文件，以便導入Fluent進行數(shù)值模擬計算。

2.2 數(shù)值模擬條件簡化與設定

(1) 空氣是連續(xù)性介質。由分子的運動論可知，氣體分子的自由行程為10～11 mm,這個數(shù)值與鍋爐的特征長度L相比，其比值為高階量最小值，即1/L遠小于1,故可認為爐膛內(nèi)空氣是連續(xù)介質。

(2) 爐膛內(nèi)部流動屬紊態(tài)流動。

(3) 爐膛內(nèi)氣體低速流動，可視為不可壓縮流體且符合Bossinesq假設，忽略由流體黏性力做功所引起的耗散熱。

(4) 對爐膛四周的假設。不考慮爐膛漏風的影響，認為爐內(nèi)的氣密性良好。

(5) 由于筆者研究爐內(nèi)的燃燒特性，考慮到網(wǎng)格數(shù)量的龐大，為了簡化網(wǎng)格數(shù)量，只取折焰角以下的部分進行研究。

2.3 邊界條件設置

邊界條件見表4。

表4　邊界條件

3　模擬結果與分析

3.1 速度場

圖5為爐內(nèi)X=6.191 m面速度分布圖。

由圖5可知：由于煤粉燃燒，氣流受熱膨脹密度減小，到達爐膛中部后流向會發(fā)生改變，變成向爐膛上部運動。與爐膛壁面附近的流速相比，爐膛中部向上流動的氣體流速明顯較高，為13～14 m/s，邊壁流速只有2.5～5 m/s。在爐膛下部有兩個明顯的渦流區(qū)域，爐膛下部溫度較低，高溫煙氣向低溫區(qū)域流動，之后遇到冷灰斗壁面、又受到旋流卷吸作用的影響而向上運動，形成渦流區(qū)域。

圖6為爐內(nèi)Y=0 m面速度分布圖。

圖6　Y=0 m速度分布圖

由圖6可知相鄰燃燒器之間的旋流方向相反。這是為了更好地讓氣流混合起來，使爐膛溫度分布均勻，防止出現(xiàn)局部高溫，以防出現(xiàn)積灰與結渣等現(xiàn)象。

圖7為爐內(nèi)Z=11.12 m面速度分布圖，圖8為Z=17.21 m面速度分布圖。

圖7　Z=11.12 m速度分布圖

圖8　Z=17.21 m速度分布圖

由圖7可知：氣流從旋流燃燒器噴出后，在對面旋流燃燒器氣流的沖刷作用下，產(chǎn)生向側墻流動的趨勢，在碰到側墻后，流向發(fā)生改變，在旋流的卷吸作用下向旋流燃燒器附近流動，從而形成渦流區(qū)域。由于旋流風切向速度較大，把旋流風內(nèi)部和外部的區(qū)域分割開來，旋流風包裹著直流風前進，不像直流燃燒器直接沖刷水冷壁，減小沖刷速度，很好地保護了水冷壁。由于煤粉中揮發(fā)分的析出及焦炭的燃燒，燃燒器靠近爐膛中部處于高溫區(qū)域，煙氣會產(chǎn)生高溫區(qū)向低溫區(qū)運動的趨勢；再加上旋流風的卷吸作用，在旋流風內(nèi)部區(qū)域會形成兩個明顯的回流區(qū)域，回流區(qū)域的出現(xiàn)能更加充分地讓煤粉與氣流混合，防止燃燒器附近高溫，燒毀燃燒器，同時能穩(wěn)定煤粉的燃燒。

圖8的運動規(guī)律與圖7基本一致，只不過內(nèi)二次風和外二次風流量均較小。

3.2 煤粉顆粒軌跡圖

圖9為爐內(nèi)煤粉顆粒軌跡圖。

圖9　煤粉顆粒軌跡圖

由圖9可知：煤粉顆粒在一次風的帶動下進入燃燒器，在燃燒器內(nèi)部先與中心風混合，再分別和內(nèi)二次風及外二次風混合。進入爐膛后經(jīng)過燃燒，部分煤粉顆粒隨著氣流向爐膛出口處流動，另外一部分在爐膛下部渦流區(qū)域運動。這兩部分煤粉顆粒在氣流的作用下充滿了整個爐膛，根據(jù)其運動軌跡可以知道，煤粉顆粒在爐膛內(nèi)并不是直線運動，而是蜿蜒曲折的運動，這就延長了煤粉顆粒在爐膛內(nèi)停留的時間，使煤粉顆粒在爐膛內(nèi)得到充分燃燒，燃燒效率也得到提高。顏色不同顯示了煤粉顆粒在爐膛內(nèi)停留的時間也不同，前一種煤粉顆粒在爐膛停留時間較短，平均只需3～5 s就能到達折焰角附近，而后一種煤粉顆粒在爐膛停留時間較長，平均在15～19 s，因為這種煤粉顆粒處于渦流區(qū)域，在這個區(qū)域周而復始的運動，所以停留時間較長。

3.3 溫度場

圖10為爐內(nèi)X=6.191 m面溫度分布圖。

圖10　X=6.191 m溫度分布圖

由圖10可知：溫度場呈現(xiàn)的是“中間高、兩頭低”的狀態(tài)，且呈對稱分布，與爐膛實際燃燒工況相符旋流燃燒器所在區(qū)域爐膛溫度較高，高溫處位于底部第一層旋流燃燒器與燃盡燃燒器之間的區(qū)域，高溫區(qū)域平均溫度能達到1 900 K，最高處能達到2 000 K(此處位于第二層旋流燃燒器所在區(qū)域，這是因為未燃盡的煤粉在這片區(qū)域得到了燃燒，提高了此區(qū)域的溫度)；冷灰斗區(qū)域溫度較低，處于1 340～1 650 K，在折焰角附近(Z=33 m)最高溫度已降到1 650 K左右，此平面平均溫度約為1 488 K。這是由于煤粉顆粒幾乎燃燒完全。在燃盡燃燒器所在的區(qū)域溫度沒有得到加強，這是因為燃盡燃燒器沒有煤粉的加入，所以溫度有下降的趨勢。在X=6.191 m截面上，靠近旋流燃燒器附近的溫度變化速率最大，造成這種現(xiàn)象的原因是旋流燃燒器內(nèi)外二次風旋流包裹的回流區(qū)域不斷卷吸爐膛中部的高溫煙氣至旋流燃燒器附近，使進入爐膛的煤粉在短時間內(nèi)燃燒。

圖11為爐內(nèi)Z=11.12 m溫度分布圖。

圖11　Z=11.12 m溫度分布圖

從圖11可知：煤粉在進入爐膛之前，溫度只有610 K左右，離開燃燒器進入爐膛溫度便急劇升高到1 400 K(沿著Y軸方向)，這是因為煤粉中的揮發(fā)分開始析出燃燒，回流區(qū)域的高溫煙氣讓煤粉在極短的時間內(nèi)點燃，所以溫度會達到這么高的水平；然后溫度有所下降，下降到1 170 K左右，這是因為大量二次風的進入降低了煙氣的溫度；后來溫度又開始回升，最高處能達到2 000 K，之后維持在1 900 K，這是因為煤粉顆粒中焦炭的燃燒才產(chǎn)生這么高的溫度。

3.4 O2和CO2體積分數(shù)分布

圖12、圖13分別為爐內(nèi)X=6.191 m面O2和CO2體積分數(shù)分布圖。

圖12　X=6.191 m O2體積分數(shù)分布圖

圖13　X=6.191 m CO2體積分數(shù)分布圖

由圖12、圖13可知：O2和CO2體積分數(shù)分布幾乎呈互補的關系。O2體積分數(shù)高處時CO2體積分數(shù)很低，而在CO2體積分數(shù)高處時O2體積分數(shù)很低。在燃燒器進入爐膛的瞬間，O2體積分數(shù)都是23%左右，CO2體積分數(shù)是0%。進入爐膛之后，O2與煤粉混合發(fā)生劇烈的燃燒生成CO2，O2體積分數(shù)急劇下降，而CO2體積分數(shù)卻急劇升高。在旋流燃燒器旋流風包裹形成的回流區(qū)域內(nèi)，O2體積分數(shù)低于1.16%，而CO2體積分數(shù)卻從0%增加到23%，變化梯度非常大。這是由于在燃盡風占9%時，旋流風占得比例是91%，當過量空氣系數(shù)是1.2時，下面兩層送風的過量空氣系數(shù)是1.092，煤粉顆粒在回流作用下充分燃燒，消耗大量O2形成大量CO2。因此O2體積分數(shù)整體上呈下降趨勢，在折焰角附近(Z=33 m)，O2平均體積分數(shù)為3.58%；CO2體積分數(shù)整體上呈上升趨勢，在折焰角附近(Z=33 m)，CO2平均體積分數(shù)為21.1%。

3.5 NO體積分數(shù)分布

圖14為爐內(nèi)X=6.19 m面NO體積分數(shù)分布圖。

圖14　X=6.19 m NO體積分數(shù)分布圖

從圖14可知：NO體積分數(shù)分布成對稱分布，燃盡燃燒器所在區(qū)域NO體積分數(shù)最高。在進入爐膛之前幾乎沒有NO的產(chǎn)生，在進入爐膛后，由于煤粉的燃燒，發(fā)生化學反應生成NO，NO體積分數(shù)發(fā)生了很大的變化，從0%增加到0.06%，由于下面旋流燃燒器處于富氧燃燒區(qū)域，NO體積分數(shù)一直處于增長的趨勢。

在旋流燃燒器下部及冷灰斗區(qū)域，NO體積分數(shù)維持在0.05%左右，在第二層旋流燃燒器上部區(qū)域NO體積分數(shù)維持在最高的水平，最高處能達到0.162%，有兩方面的原因：一是這個區(qū)域煤粉顆粒含量比較高，燃燒釋放出來的N比較多；另一方面這個區(qū)域溫度最高，平均溫度能達到1 900 K，熱力型NO正是在區(qū)域內(nèi)快速形成的。隨著溫度的降低及燃盡風的補入，NO體積分數(shù)才有所降低。

圖15為爐內(nèi)Z=33 mm面NO體積分數(shù)分布圖。

圖15　Z=33 m NO體積分數(shù)分布圖

從圖15可知：在Z=33 m截面，NO平均體積分數(shù)為0.060 34%。此截面的平均溫度為1 488 K，折合為Z=33 m截面NO排放質量濃度為141.5 mg/m3。

4　結語

筆者以某396 MW旋流對沖煤粉鍋爐為原型，建立了物理模型，應用Ansys軟件對爐膛燃燒煙煤進行了數(shù)值模擬，通過數(shù)值模擬結果分析對比，得出以下結論：

(1) 爐膛下部有兩個明顯的渦流區(qū)域，旋流風內(nèi)部區(qū)域會形成兩個明顯的回流區(qū)域?；亓鲄^(qū)域的出現(xiàn)能更加充分地讓煤粉與氣流混合，防止燃燒器附近高溫，燒毀燃燒器，同時能穩(wěn)定煤粉的燃燒。

(2) 溫度場呈現(xiàn)“中間高、兩頭低”狀態(tài)，且呈對稱分布，與爐膛實際燃燒工況相符合。

(3) O2和CO2分布幾乎呈“互補”的關系，O2體積分數(shù)高處CO2體積分數(shù)很低，而在CO2體積分數(shù)高處O2體積分數(shù)很低。O2體積分數(shù)整體上呈下降趨勢，CO2體積分數(shù)整體上呈上升趨勢。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部. 2010年環(huán)境統(tǒng)計年報[EB/OL].(2012-01-18)[2012-09-12].http://www.zhb.gov.cn/gzfw_13107/hjtj/hjtjnb/201605/P020170821592888847295.pdf.

[2] 劉向軍, 徐旭常. 采用不同網(wǎng)格比較偽擴散對四角切圓型爐膛流場計算的影響[J]. 燃燒科學與技術, 1997, 3(2): 113-119.

[3] 楊宏軍, 朱禮想, 李勝利, 等. 火電廠降低NOx排放的技術研究[J]. 電力科技與環(huán)保, 2011, 27(6): 10-13.