基于燃盡風優化的旋流鍋爐燃燒模擬研究

尚福棟，馬素霞，馬紅和，李建榮

(1.太原理工大學 電氣與動力工程學院，太原 030024；2.國電電力大同發電有限公司，山西 大同 037043)

煤粉在爐內的燃燒包括揮發分析出、燃燒、傳熱傳質等過程[1]，各個過程涉及復雜的化學反應。影響爐內燃燒的因素也有很多，包括煤粉細度、煤質、過量空氣系數等；在各種因素的共同作用下，爐內燃燒更加地復雜。隨著計算機技術的發展，結合現場試驗研究，數值模擬方法成為爐內燃燒優化的重要手段，已經廣泛用于電站鍋爐的研究[2-5]中，包括燃油、生物質鍋爐[6-8]等。在實際運行中，當負荷變化時，首先調節的是爐內各風量分配。爐內配風方式的不同，影響著機組運行的經濟以及安全性，因此，對于爐內配風的研究十分必要。當前，前后墻對沖燃燒鍋爐中大多布置單層燃盡風。本文研究對象有兩層燃盡風，在變工況調節時，具有更大的靈活性。目前對于雙層燃盡風的模擬研究較少。因此本文基于燃燒調整試驗，數值模擬分析燃盡風率不同以及上、下層燃盡風比例不同時，對于爐內煤粉燃燒以及NOx生成的影響，希望給實際運行提供合理參考。

1 數值建模

1.1 研究對象

該鍋爐為亞臨界參數、自然循環、前后墻對沖燃燒方式、一次中間再熱的Π型汽包爐。采用6臺中速輥式磨煤機。爐膛簡圖如圖1所示，爐寬20.7 m、深16.744 m、高61.2 m，冷灰斗傾斜角度為55°.共30只旋流燃燒器，分三層布置在鍋爐前后墻，每層各有5只，相鄰燃燒器間距3.68 m，層間距3.8 m.

前墻為C，D，E層，后墻為A，B，F層。經過改造后，燃燒器上部布置兩層燃盡風，分別距最上層燃燒器3.8 m，7.5 m.

圖1 鍋爐簡圖Fig.1 Schematic diagram of the boiler furnace

該機組采用分磨混煤的配煤方式。配煤方案為：高熱值低硫煤送至A，C，F燃燒器，低熱值高硫煤送至B，D燃燒器，低熱值低硫煤送到E燃燒器。煤質分析見表1.各燃燒器的燃用煤質不同，采用特定的煤質輸入方法是本數值模擬研究的特點之一。

表1 煤質分析Table 1 Quality analysis of the burning coal

1.2 幾何建模及網格劃分

利用前處理軟件Gambit，根據鍋爐實際高、寬、深尺寸，對鍋爐建立三維幾何模型，并對燃燒器各結構進行合理簡化。在建立模型時，屏式過熱器以及高溫過熱器忽略其厚度，對于燃燒器以及燃盡風燃燒器，將其各環形通道畫出。

將整體幾何模型分成四大區域：冷灰斗區、主燃區、燃盡區、爐膛上部受熱面所在區域。在對各燃燒器劃分時，采取分塊思想，將燃燒器入口附近分成若干不同的較規則立方體，各部均采用六面體網格cooper劃分。對各噴口附近區域以及近壁面進行加密處理，在遠離壁面劃分網格應采取按比例過渡，防止相鄰網格尺寸差距過大。在各噴口附近劃分網格時，使網格走向與噴口角度相一致，以減少偽擴散[9]的影響。綜合考慮計算量及計算精度，最終整個模型網格數為200萬左右。鍋爐幾何模型及網格劃分如圖2所示。

圖2 鍋爐幾何模型及網格劃分Fig.2 Geometric model of the furnace and mesh generation

1.3 數值計算方法

1.3.1 燃燒過程計算模型

本計算采用ANSYS15.0軟件，選用Realizablek-ε湍流模型[10]。爐內輻射換熱為P1模型，揮發分采用單步析出模型，氣相燃燒采用組分輸運模型，焦炭燃燒采用動力-擴散模型。煤粉粒徑服從Rosin-Rammler分布，離散相采用拉格朗日方法和隨機軌道模型來模擬顆粒流動。采用SIMPLE算法實現壓力與速度的耦合[11]。

1.3.2 NOx生成模型

NOx生成僅考慮熱力型和燃料型。熱力型NOx主要來自于空氣中N2的氧化，其生成原理可采用擴展的Zeldovich連鎖反應機制[12]描述。燃料型NOx是由燃料中的氮在燃燒過程中氧化生成，燃料型NOx采用De Soete模型[13]描述。

1.4 邊界條件設置

1.4.1 入口邊界條件

將中心風、一次風設為速度進口，內、外二次風及燃盡風設為質量進口。其中，中心風、一次風無旋流，設置垂直邊界進入(Normal to Boundary).針對二次風的旋流，采用在局部柱坐標系(Local Cylindrical)設置不同的軸向、切向分量，來實現旋流強度的不同。連續相設為不可壓縮理想氣體，一次風溫設為353 K，二次風溫設為603 K.

1.4.2 離散相入口設置

煤粉顆粒以離散相的形式噴入爐膛內，在各燃燒器一次風進口處設置injection，共30個。顆粒類型選擇combusting，按照Surface類型噴入爐膛，即煤粉顆粒分成多股煤粉流從某一入口面噴入。本文追蹤顆粒數為14 400個。在模擬計算后，可根據顆粒報告分析煤粉的燃燒狀況。

1.4.3 出口邊界條件

因爐膛出口位于折焰角回流區，對計算結果誤差影響較大，因此將出口水平延伸5.3 m，并設其為壓力出口。對于煤粉顆粒處理，出口截面設置為escape，即顆粒到達出口界面后，終止顆粒跟蹤。

1.4.4 壁面邊界條件

本文固體壁面采用無速度滑移和無質量滲透條

件，即假定相對于固體壁面的氣流切向分速和法向分速為零。對于煤粉顆粒處理，壁面設置為reflect，即顆粒到達壁面會被反彈。將周圍水冷壁以及屏式過熱器設為定壁溫邊界條件。

1.5 模擬工況

本文主要研究燃盡風風率及上下兩層燃盡風比例對爐內燃燒的影響。在600 MW負荷下，各工況設置見表2.

表2 各工況參數Table 2 Various operation parameters

2 計算結果及討論

2.1 模型驗證

本文基于試驗結果對模型進行驗證。在550 MW試驗工況下，在各燃燒器一次風管取樣口取煤粉，分析煤粉細度；在省煤器出口、空預器入口，按等截面多點網格法布置煙氣多點取樣，利用Testo 350M-I型煙氣分析儀測量煙氣成分；在0 m爐渣出口采集大渣樣，并利用安裝在空氣預熱器出口水平煙道上的飛灰取樣器采集灰樣；實測爐膛出口煙溫和鍋爐排煙溫度。

圖3為550 MW運行工況的數值模擬結果，主要有燃燒器中心截面的速度場、溫度場、O2體積分數和NOx質量分數的分布。

圖3 中心截面上的模擬云圖Fig.3 Simulation contour of central cross-section

由圖3(a)可知，速度場分布顯示燃燒器噴口附近形成內、外回流區，高速的燃盡風能夠到達爐膛中心，對上升煙氣有下壓作用。由圖3(b)的溫度場顯示在爐膛中心形成高溫區(約1 940 K)，燃盡風能夠使未燃碳繼續燃燒，爐膛上部也存在高溫區，之后因為傳熱，煙溫迅速下降。圖3(c)的O2分布顯示，主燃區呈欠氧區，燃盡風區域為富氧區。圖3(d)NOx質量分數分布顯示，在主燃區生成大量NOx，由于還原性氣氛增強，NOx濃度會有所下降；在燃盡風區域，NOx濃度又有明顯升高。

通過與實際測量數據對比，爐膛出口煙溫、爐膛出口含氧量、NOx排放質量濃度的相對誤差分別為2.94%，6.57%，5.51%，因此，數值模擬結果具有一定可靠性。

2.2 燃盡風率對燃燒的影響

2.2.1 沿爐膛高度分布的參數

在燃燒過程中，重點關注爐內溫度分布以及氧濃度分布。圖4、圖5分別為3種工況(case1，case3，case5)下，爐內煙氣溫度與氧濃度隨爐膛高度的變化。由圖4可以看出，主燃區溫度較高，在燃盡風噴入后，溫度下降；隨后由于未燃碳的燃燒，在燃盡風區，溫度會形成高溫區。燃盡風率越大，主燃區的溫度越低，這是因為隨著燃盡風率的增大，燃燒區欠氧環境加劇，煤粉顆粒不能充分燃燒，同時內、外二次風量減少導致內外回流區減小，也不利于燃燒。

圖4 水平截面平均溫度隨爐膛高度的變化Fig.4 Distribution of average flue gas temperature along furnace height

圖5 O2體積分數隨爐膛高度的變化Fig.5 Distribution of O2 concentration along furnace height

圖5顯示，主燃區沿高度方向，O2體積分數在總體上保持下降的趨勢；這是因為煤粉燃燒消耗大量O2，燃盡風補入以后，氧體積分數急劇增加，隨后由于煤粉顆粒在燃盡區的燃盡，會逐漸降低。當燃盡風率升高時，主燃區的氧體積分數會有所下降，而在燃盡風區域，氧含量較高。

2.2.2 爐膛出口參數

圖6為不同燃盡風率下，出口煙氣NOx排放量與顆粒燃盡率，其中NOx換算到6%氧量下濃度。

圖6 不同燃盡風率下的爐膛出口參數Fig.6 Furnace outlet parameters at various ratios of the upper OFA to the lower

當燃盡風率由20%增加到25%時，煤粉燃盡率降低了1.24%；當燃盡風率由25%增加至30%時，煤粉燃盡率降低1.66%.燃盡風率越大，主燃區的欠氧程度越大，未燃碳越多。但其對NOx的降低是有利的：當燃盡風率從20%增加至30%時，NOx濃度降低71 mg/m3，且當燃盡風率大于25%時，NOx濃度降幅較少。

2.3 上、下層燃盡風比例對燃燒的影響

2.3.1 沿爐膛高度分布的參數

圖7、圖8分別給出了不同上、下燃盡風比例下，爐膛的溫度分布與O2體積分數分布。

圖7 水平截面平均溫度隨爐膛高度的變化Fig.7 Distribution of average flue gas temperature along furnace height

圖8 O2體積分數隨爐膛高度的變化Fig.8 Distribution of O2 concentration along furnace height

由圖7可知，上下燃盡風比例的變化對主燃區溫度場的影響不大，主要區別在于燃盡區。當上、下燃盡風比例為1∶1(case6)時，燃盡區的溫度最高；上、下燃盡風比例為3∶1(case8)時，燃盡區的溫度最低。因為case6中，雖然燃盡風混入時間與case8一致，但接近主燃區的燃盡風量大，使未燃碳可以盡早獲得氧氣而燃燒。

圖8顯示，主燃區的O2分布差異很小。在26 m處附近，第一層燃盡風的噴入使得O2體積分數有了明顯差異。case6下層燃盡風量大，O2體積分數比其余工況高，隨后由于燃燒又呈下降趨勢。在30 m處由于上層燃盡風的噴入，使得O2體積分數再一次升高。case8的下層燃盡風量小，不利于對煤粉顆粒的及時燃燒，因此O2體積分數比其余高。

2.3.2 爐膛出口參數

圖9為不同上、下層燃盡風比例下，出口煙氣NOx排放濃度與煤粉燃盡率。根據圖9可知，接近主燃區的下層燃盡風量的減少，不利于顆粒在燃盡區的燃燒。同時，會造成空氣分級作用加強，抑制NOx生成。上下燃盡風比例由1∶1增加到3∶1時，NOx質量濃度降低36 mg/m3，燃盡率降低了1.12%.

圖9 不同上、下層燃盡風比例下的爐膛出口參數Fig.9 Furnace outlet parameters at various ratios of the upper OFA to the lower

3 結論

1) 布置兩層燃盡風，對于調節爐內燃燒空氣分級作用有更大的靈活性，不僅可以調節燃盡風率大小，同時可以針對燃盡風進行二次分配。

2) 在“分磨摻燒”鍋爐中，配風方式對燃燒特性影響較大。隨著燃盡風率的增加，主燃區欠氧加劇，煤粉顆粒不完全燃燒增加，燃盡率降低。同時，燃盡風率的增加使得空氣分級作用增加，抑制NOx的生成。在燃盡風率20%～25%變化范圍內，可保證較高煤粉燃盡率的同時，比較高效地減少NOx生成量。

3) 上、下層燃盡風比例變化時，主燃區的溫度場和各氣體組分場變化不大。隨著上、下層燃盡風比例增大，下層燃盡風量減少，補燃推遲，不利于未燃碳在燃盡區內的燃盡。同時，下層燃盡風量減少，使還原區增大，促進NOx的還原。當該比例在3∶2左右時，綜合效率最高。