660MW四角切圓鍋爐混煤燃燒數值模擬分析

程智海 趙玉偉 時光輝 劉海龍

上海電力大學能源與機械工程學院

0 引言

我國經濟水平的不斷提高，各行業對電能的需求不斷擴大。近年來，風力發電、水力發電、光伏發電等多種新能源發電方式在不斷興起。但是，由于受到地理或自然條件的限制，有關技術尚未取得突破性的進展[1]，燃煤火力發電在發電形式中仍然處于重要地位。然而，大型火電機組對煤炭的巨大需求量與煤炭供應緊張的矛盾局面[2]使電廠難以長期使用單一煤種。為解決此問題，很多電廠通過對兩種或多種煤粉進行合理的配比分析，再將這幾種煤粉進行摻混燃燒。由此不僅緩解了單一煤種供應不足的局面，而且保證了鍋爐的安全運行和燃燒效率。

在混煤燃燒技術方面，許多學者進行了大量的實驗探索及模擬分析，通過熱重實驗分析混煤的摻混效果、揮發分變化、結渣情況等[3]。馬侖[4]對煙煤和貧煤的摻混做了實驗分析，結果表明，易燃煤種與難燃煤種摻混燃燒時，抑制作用和促進作用同時存在。促進作用表現在煙煤易燃燒，迅速提高燃燒溫度，有益于不易燃煤種的燃燒；抑制作用體現在易燃煤種優先燃燒的同時消耗大量的氧氣，使不易燃煤種氧氣量不足；徐遠綱等[5]對優質煤和劣質煤的摻混做了熱重分析。當劣質煤含量越來越大時，SOX，NOX等會提前析出。汪小華等[6]通過數值模擬的方法研究了混煤燃燒情況，發現如果兩種摻混煤種品質相差較小，在CFD中可以將其當作單一煤種進行處理。在實際操作中，由于鍋爐型號的不同，煤粉種類也參差不齊，為了保證混煤燃燒的穩定性及最大效率，需要進行針對性的研究。以某電廠660MW四角切圓鍋爐進行數值模擬分析，通過對比設計煤種與現有煤種A的幾種摻混狀態，分析了NOX，O2，CO2等的變化情況，為該電廠混煤燃燒比例的選擇提供了參考。

1 模擬對象介紹

本文選取了某電廠660MW超超臨界鍋爐作為模擬對象，該鍋爐采用π型的布置方式，燃燒方式采用四角切圓，排渣方式為固態排渣。配有6臺磨煤機，在正常運行狀態下，5臺工作，1臺作為備用。鍋爐高度、寬度、深度分別為70．151 m×19．23 m×20．336 m，共有6層燃燒器，每層分布1個一次風噴口及上下2個二次風噴口，在燃燒器上端還設有OFA風和SOFA風噴口，使煤粉充分接觸空氣燃燒，產生較少的氮氧化物。

2 網格劃分及模型選擇

本文使用CFD軟件對所選模型進行模擬分析，首先使用Gambit 6．3對660 MW超超臨界四角切圓燃燒的鍋爐進行網格劃分，為獲得質量較高的網格保證模擬結果的正確度，采用了分區域劃分網格的方法。鍋爐從上往下依次分為水平煙道區、頂部換熱器區、燃燒器上端區、燃燒器本體區、燃燒器下端區、灰斗區幾個部分。對燃燒器噴口進行了適當的分割處理，劃分成四邊形網格；對燃燒器本體區的上下截面劃分成四邊形網格，并對邊緣進行適當加密處理；建模網格總計約為150萬個，如圖1所示。

圖1 建模及網格劃分

使用Fluent14．5為燃燒過程選擇了合適的模型，湍流采用標準k-?模型，非預混燃燒模型作為氣相燃燒模型，由燃料發熱量、比熱容、燃料組分質量分數、氧化劑溫度等生成焓溫表，并對離散相、材料物性參數、燃燒顆粒參數、邊界條件等進行了設置。

3 工況設置

為了充分考慮設計煤種與現有煤種摻混的燃燒特性，共設置3個工況，分別為A、B、C。A為燃燒標準單一煤種（設計煤種），B為設計煤種與現有煤種按4:1比例摻混，C為設計煤種與現有煤種按3:2摻混，單質煤粉參數及工況設置如表1～表3所示。

3.1 O2濃度分析

圖2顯示了單獨燃燒設計煤種，設計煤種與現有煤種按4:1比例摻混燃燒，設計煤種與現有煤種按3:2比例摻混燃燒。即A、B、C三種工況下在爐膛高度方向上O2的濃度云圖。由圖2可見，在燃燒器中心高溫燃燒區，氧氣濃度較低，而溫度較低處氧氣濃度較高。其原因為在高溫區域由于煤粉的燃燒會釋放出大量的熱，而釋放熱量的同時又需要消耗氧氣，因此，在云圖上可見，高溫區氧量少；在低溫區由于煤粉放出的熱量較少，釋放這些熱量所需要的空氣量較少，所以低溫區O2濃度較高。在燃燒器上端出現兩個對稱的高O2濃度區域，主要是由于在此處為了使煤粉完全燃燒噴入了燃盡風。由A、B、C三個工況可見，這三種摻混狀態下O2濃度分布均比較合理。

3.2 NOX濃度分析

NOX的生成機理在工業上一般分為三種：熱力型NOX，快速型NOX和燃料型NOX。熱力型NOX主要是在較高的溫度及充足的氧氣情況下產生[7，8]。在溫度小于1 500℃的條件下，熱力型NOX的生成量很小，當溫度在1 500℃以上時，熱力型NOX將成倍增加。快速型NOX的生成主要是與碳氧化合物的濃度有關，如果在富氧狀態下，快速型NOX的生成量很少，但是如果氧氣量不足時，快速型NOX的生成將會增多[9]。燃料型NOX的產生取決于燃料本身含氮化合物和過量空氣系數，氮氧化物首先遇熱生成NH3和HCN，之后NH3和HCN與氧氣發生反應生成NOX。

表1 單質煤粉參數

表2 單質煤灰分特性

表3 模擬工況設置

A、B、C三種工況下爐膛高度方向上NOX的濃度分布云圖，如圖3所示。明顯可見NOX分布近似成對稱分布。在燃燒器中心區域，由于溫度較高，煤粉燃燒所需要的O2含量較多，熱力型NOX不易生成。當設計煤種與現有煤種按照4:1混合時，NOX量明顯增多；當設計煤種與現有煤種按照3:2比例混合時，與僅燃燒單一設計煤種相差不大，從NOX分布云圖可見，方案C比方案B更有優勢。

3.3 CO2分析

圖4分別顯示了在A、B、C三種配比方案下沿著爐膛高度方向CO2的分布情況。從圖4中可以看出，CO2基本呈現對稱分布。在距離一次風噴口較近的區域CO2的濃度相對較少，主因是煤粉剛從噴口噴出，未達到燃燒條件，以至大部分煤粉還未能開始燃燒，使CO2濃度較低；隨著煤粉在射流速度的影響下，從一次風噴口噴入的煤粉顆粒在爐膛中心開始劇烈燃燒，爐膛中心附近CO2含量升高。在壁面處，部分煤粉顆粒流動受阻，局部CO2變高，但由于煤粉主要在爐膛切圓四周劇烈燃燒，對整個鍋爐燃燒影響較小。

圖2 爐膛高度方向O2濃度分布

圖3 爐膛高度方向NOX濃度分布

圖4 爐膛高度方向CO2濃度分布

通過三種配比方案燃燒狀態可以看出，CO2在這三種狀態下基本都呈對稱分布。在方案A中，煤粉在爐膛中心大量燃燒，部分未完全燃盡煤粉隨著氣流上升，遇到OFA風及SOFA風的作用再次燃燒。通過對比方案B與方案C，粉煤在切圓附近開始劇烈燃燒，而隨著煤粉氣流的上升，CO2含量減少。相比而言，方案C與僅燃燒設計煤種的方案A最接近。

4 結論

對單一設計煤種和摻混煤種的燃燒進行了數值模擬分析結果表明，當設計煤種與現有煤種按照4:1的比例混合時，爐內生成的NOX量明顯增多；當設計煤種與現有煤種按照3:2比例混合時，與僅燃燒單一設計煤種相差不大。在燃燒器中心高溫燃燒區，氧氣濃度較低，而溫度較低的區域氧氣濃度較高，并在燃燒器上端出現兩個對稱的高O2濃度區域。CO2基本呈現對稱分布，在距離一次風噴口比較近的區域CO2的濃度相對較少；在壁面處，部分煤粉顆粒流動受阻，局部CO2變高。本文的研究可使此電廠混煤摻燒更具有針對性，對該電廠設計煤種與現有煤種摻混比例的選取提供一定的參考。