基于CFD的320MW煤粉爐在不同負荷下燃盡風量與反切角度的優化

廣州珠江電力有限公司 關應元

低NOx燃燒技術可分類分為低NOx燃燒器、空氣分級和燃料分級。數值模擬已被證明是功能強大且具有成本效益的工程工具。眾多研究表明，利用計算流體動力學(CFD)能得到可靠的結果，能既避免昂貴的實驗、又準確分析鍋爐內部的流場，溫度和產物組分分布。改變燃盡風作為空氣分級的重要表現形式被許多學者廣泛研究。

Liu H 等[1]研究了燃盡風OFA 比例和風口位置對燃燒以及NOx產生的影響，得出燃燒器區域的溫度和飛灰中的碳含量隨OFA 比的增加而增加，而NOx排放隨OFA 比的增加而減少；Ma，L 等[2]研究了燃盡風SOFA 對于煤粉爐運行的影響，得出隨著SOFA 比例從15%增加到20%，NOx排放量大大減少，但粉煤灰中的碳含量略有增加。隨著從20%到30%的進一步增加NOx排放量略有降低，但粉煤灰中的碳含量卻大幅增加。Park HY 等通過改變燃盡風SOFA 反切角度減少了爐膛出口熱偏差；王秋紅等[3]通過研究不同燃盡風反切角度得出燃盡風反切對爐膛下部流場影響甚微，而對上部卻有較大影響。反切角度較小，對流場以及產物分布影響不大，但是反切角度偏大(20°)時爐內流場產生紊亂。

1 模擬對象、數值模型和計算方法

所研究的鍋爐是廣州市珠江電廠的一臺320MW HG1021/18.2-YM3型亞臨界自然循環四角切圓粉煤鍋爐。鍋爐整體結構示意如圖1(b)所示。煤粉燃燒方式為四角正向切圓燃燒，煤粉從四角按圖1(a)所示角度噴入爐內，在爐膛中心形成切圓。燃燒器噴口、風速/(m/s)、風率（%）分別為一次風25/34.5、二次風50/36.5、燃盡風50/29。燃燒所用煤為神府東勝煙煤，其工業分析（%）為水分11.69、灰分11、揮發27.74、固定碳52.57，元素分析(%)C81.62、H4.63、O11.91、N1.16、S0.67、Qnet (kJ/kg)26235.50。

文中設置了不同的負荷、燃盡風反切角以及燃盡風風率，具體的12個工況的負荷（%）、燃盡風比率（%）、燃盡風反切角度（°）分別為：100/29/0、8 5/2 9/0、7 5/2 9/0、6 0/2 9/0、5 0/2 9/0、100/24/0、100/19/0、100/34/0、100/29/0、100/29/5、100/29/10、100/29/15。文中的所有配風均采用均等配風，其中為了更明確地比較各種條件變化對于流場、溫度差、出口參數的影響，采取控制變量的方式進行模擬，因此取過量空氣系數均為1.25。

應用商業FLUENT 軟件進行數值模擬，總體網格數量在255萬。標準k-ε 雙方程湍流模型模擬煤粉爐內的氣相湍流流場；爐膛內的輻射傳熱計算采用P1模型；控制方程的求解采用Simple 算法；熱交換采用第二類邊界條件，即給定壁面溫度和發射率。NOx的生成機理較為復雜，本文采用對NOx的模擬用后處理方法。本文主要考慮熱力型NOx和燃料型NOx，而忽略占比較小的快速型NOx。熱力NOx的可根據廣義的Zeldovich 機理計算，燃料型NOx根據De Soete 機理分為揮發份NOx 和焦炭NOx兩部分。熱解中間產物為HCN，揮發份中N全部轉化為HCN，HCN 可被O2氧化成NO，也可被NO 還原為N2。焦炭中的N 的轉化系數取0.6。

2 計算結果和討論

2.1 數值模擬驗證

設計工況為本文的工況11，因此對此工況進行分析驗證。該工況下爐膛縱截面和爐膛AB 層風口截面溫度場分布如圖2(a)所示。由圖可知，高溫區主要處在燃燒器區段，中心高溫范達1800K～2000K，溫度大致呈對稱分布。一次風和煤粉劇烈混合燃燒，二次風的噴入又加劇了湍動，從而形成高溫旋流區。煙氣的流動、爐膛的散熱以及屏式過熱器的作用，鍋爐溫度隨高度逐漸降低。爐膛的切圓形成良好，溫度分布較為均勻，且沒有出現貼壁的現象。

燃燒器出口附近的速度矢量較大，帶動周圍的流動，且四角切圓的作用形成旋流，故中心區域的速度較小。二次風和燃盡風入射速度為50m/s，因此二次風和燃盡風截面形成四股高速射流，在上升氣流的帶動下形成切圓。一次風的入射速度僅為25m/s，不足以形成高速射流，但由于二次風和上升氣流的雙重作用，使得此處的切圓效果仍能保持。速度矢量圖表明爐膛中心是明顯的低速區。煤粉軌跡圖顯示煤粉從一次風口噴出后在爐內螺旋上升，部分煤粉擴散到冷灰斗區域，爐內風包粉強烈燃燒。由燃燒器溫度、速度矢量場分布可明顯得知切圓的模擬效果好，與實際相符。

其他出口參數的模擬值與實際電廠運行值對比如表1所示，模擬值與現場試驗值差距較小(＜10%)，因此該模擬模型能較好地模擬煤粉燃燒的流動和傳熱。

表1 模擬數據與現場試驗數據對比

2.2 不同工況下的溫度變化

五種不同負荷下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(a)所示。不同負荷下溫度隨著爐膛高度的分布趨勢大致相似，且隨著負荷的降低，由于給煤量和風量均減少爐內溫度整體顯著下降，過熱器出口溫度從1044K(滿負荷)下降至928K(50%)，與實際運行及一些相關的文獻結果相一致。

四種不同反切角度下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(b)所示。反切角度對于主燃區和燃盡區均有降低溫度的作用，這是由于燃盡風反切時影響了焦炭與空氣的混合，從而影響了焦炭的完全燃燒。對于爐膛下部的降溫作用小于爐膛上部的作用。當反切角度為0°、5°和10°時，溫度沿爐膛高度的變化趨勢一致，而當反切角度增加至15°，從主燃區到燃盡區有明顯的溫度下降。這表明燃盡風的反切角度過大可能破壞了原有的流場和溫度場。

五種不同燃盡風比例下截面平均溫度隨爐膛高度的變化如圖3(c)所示。增加燃盡風風率可顯著提升爐膛上部的煙氣溫度，從35m 到40m 可看到明顯的溫度上升區。這是因為增加燃盡風量，上部未完全燃燒的CO 以及煤粉重新被噴入的過量的空氣充分燃燒，使得溫度上升。這有利于提升過熱器換熱性能，提升主蒸汽和再熱蒸汽的溫度。對主燃區而言，增加燃盡風風率主燃區溫度升高，但從29%的燃盡風增加至39%燃盡風，溫度變化不明顯，這可能是因為燃盡風過大、主燃區過量空氣系數過小，燃燒不充分，溫度有降低的趨勢，然而燃盡風的減少導致低溫的一次風和二次風的減少，這會造成溫度的上升，二者作用相抵消，導致變化不明顯。

2.3 不同工況下的O2分布

五種不同負荷、四種不同反切角度、三種不同燃盡風比例下,截面平均氧氣體積分數隨爐膛高度的變化分別如圖4所示。由圖可知，不同條件下氧量隨著高度的變化情況基本一致?？諝庠谥魅紖^被噴入爐膛，氧氣量逐漸上升，隨著與煤粉的劇烈混合燃燒，氧氣逐漸被消耗從而降低。燃盡區由于大量燃盡風的噴入氧氣含量上升，而在主燃區未完全燃燒的碳以及CO 等被一次風完全燃燒，氧氣量再次下降。燃盡風角度反切。燃盡風比例增加后，主燃區缺氧程度加深，而燃盡區富氧程度加深。隨著燃盡風比例的增加，爐膛燃盡區及其上部氧量逐漸上升。而五種不同燃盡風比例下(19%、24%、29%、34%、39%)的煤粉燃盡率分別為99.23%、98.66%、97.72%、97.26%、96.68%，因此在該范圍內降低燃盡風的比例有利于促進煤粉的充分燃燒。

2.4 不同工況下的CO 分布

不同條件下CO 量隨著高度的變化有較大的波動。由于主燃區在缺氧的條件下進行燃燒，因此CO在主燃區大量生成，隨著燃盡風的補充CO 急劇下降并維持在較低的水平。燃盡風的改變對于CO 的分布有明顯的改變，燃盡風占比越大，一、二次風比例越小，則CO 在主燃區的濃度越大，而燃盡區后又下降至低水平。燃盡風反切角度越大，靠近燃盡風噴口的主燃區的CO 濃度越高，這是由于反切在一定程度上破壞了煤粉和空氣的充分混合，導致更多CO 產生，這也與氧氣濃度變化規律相符合。

2.5 出口參數

各工況下，爐膛出口參數如表2所示(其中NOx濃度按照6%氧濃度折算)。從表中看出，燃盡率隨著負荷的降低而降低，但降幅較小。過熱器出口煙溫隨著負荷的降有明顯的降低。NOx隨著負荷降低也降低，而出口O2的濃度有一定的上升。燃盡風的反切對于降低NOx有明顯的作用，反切15°時NOx從無反切的400mg/m3降低至256mg/m3。這是因為燃盡風反切降低了爐膛上部的溫度，導致熱力型NOx減少，同時爐膛由于燃燒不充分生成了較多的CO，對NOx的還原作用也促使NOx減少。然而15°的反切角由于一定程度上對速度場和溫度場有破壞，燃盡率降低至95.55%，出口的O2含量也增加至了4.37%。

表2 不同工況燃燒過程結果對比

對比滿負荷下改變燃盡風比例可看到，爐膛整體燃燒效果比較相似，O2出口濃度、過熱器出口溫度、煤粉燃盡率指標排放水平比較接近。但隨著燃盡風比例的增大出口NOx仍然呈現出降低的趨勢，這也是由于降低燃盡風后，主燃區形成了富燃料燃燒，大量CO 生成，對NOx進行還原。同時，燃盡風比例的增加促使燃盡率有輕微的降低。

綜上，珠江電廠一30MW 低氮燃燒四角切圓煤粉爐的燃燒進行數值模擬，模擬所得溫度場、速度場、出口參數均與實際運行吻合較好；增大燃盡風反切角度，主燃區溫度和產物分布變化不大，燃盡區溫度降低，過熱器出口煙溫下降，NOx排放減少，氧氣和CO 出口濃度增加，煤粉燃盡率減??；增大燃盡風風率，由于主燃區O2的減少、主燃區CO 增加，出口煤粉燃盡率輕微下降，NOx排放減少。