煤种变化对大型电站锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究_李敏杰.pdf

第1期煤种变化对大型电站锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究李敏杰，武浩然，陈衡，刘文毅（华北电力大学，北京102206）摘要：以国内典型660 MW超超临界四角切圆锅炉为研究对象，利用Fluent软件对锅炉内燃烧情况进行模拟计算，着重研究了不同煤种下锅炉内的燃烧特性，对不同煤种的锅炉内燃烧的速度场、温度场与CO含量和O2含量的分布进行研究。结果表明：在不同煤种进行燃烧时，炉内速度场基本相似，烟气的流动特性变化较小，锅炉内均有良好的切圆燃烧情况。锅炉内整体的温度水平沿炉膛高度方向呈先升后降的对称分布规律。煤粉燃烧时，锅炉内中心处的CO含量增加比较明显，CO含量沿炉膛方向先上升后下降，其中挥发分较高的煤种CO含量要比挥发分低的煤种低，而锅炉内O2含量的分布情况与CO含量分布呈相反趋势。关键词：煤种变化；电站锅炉；燃烧特性；数值模拟中图分类号：TK224.1+1文献标识码：B文章编号：2096-7691（2023）01-040-05基金项目：国家自然科学基金（52106008）作者简介：李敏杰（1999），男，硕士，现就读于华北电力大学。Tel：18519620731，E-mail：引用格式：李敏杰，武浩然，陈衡，等.煤种变化对大型电站锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究 J.能源科技，2023，21（1）：40-44，70.0引言随着我国火力发电技术不断增强，中国火电装机容量逐年攀升，发电量也在增加，对煤的需求量也在上升，如此巨大的需求量，单一的煤种选择不能满足我国发电用煤的需要，不同的煤种之间存在着较大的差异，即使同属于一种煤，随着产区、矿点、开采年份以及开采深度的变化，煤在工业分析、元素分析以及低位发热量上依旧存在着诸多差异。为改善和优化电站锅炉的燃烧特性，众多研究机构与学者对燃煤电站锅炉安全及经济性进行研究分析。改善和优化电站锅炉燃烧特性的技术措施有很多，如改变过量空气系数和燃尽风率1-2、改变燃烧器及其投运方式3、空气分级4、变煤种燃烧和混煤燃烧技术5-12、建立燃烧预测模型和数值模拟计算等13-15。针对目前国内电厂锅炉的现状，采用了基于参数调节的试验、燃烧原理模型、燃烧装置的设计与改造、燃烧技术的优化等技术。然而，各种燃烧优化技术都存在优劣，因此，必须根据实际情况采用适当的燃烧优化技术，使其达到最优燃烧控制16。电站中的煤粉锅炉均是根据单一的煤种进行结构设计、工业制造，但在电站的日常生产中，无法保证锅炉燃烧的煤粉燃料与设计煤种保持一致，因此，电站锅炉与燃烧所用的煤粉燃料之间存在一定的适应性，煤粉燃料与锅炉的契合程度决定了锅炉燃烧的整体情况。煤种的变化，不但会对煤的灰处理、烟气排放、除尘器效率、换热器损坏、运行维护、锅炉安全、送煤、磨煤、处理、运输等产生影响，还会影响锅炉的燃烧经济性17-19。此外，由于电厂所选择的煤种、煤质、锅炉本体及其她附属设施的设计与制作也存在一定的差别，这就导致了煤的性质也会影响到电厂的基础设施建设。煤质的改变对电厂运行以及经济效益的研究越来越多。韩宏才等分析了煤质变化对600 MW超临界锅炉运行安全性与经济性的影响5-6；沈文生等研究了煤质与电站锅炉的相关性及其对电厂运行的影响7；刘京燕等根据混煤煤质及其燃烧特性进行了电站锅炉燃烧特性的研究9。上述研究和分析大多是理论分析和方法研究。我国在建模方面也有相关研究，王焱利用数值模拟计算的方法研究了煤质特性对对冲火焰锅炉炉内燃烧影响10；陈琪华探讨了煤种变化第21卷 第1期Vol.21No.12023年2月Feb.2023第1期对W型火焰锅炉燃烧特性的影响11；安恩科等进行了对电站锅炉燃烧特性的数值模拟15。本文以国内典型660 MW四角切圆锅炉为研究对象，以Fluent软件为平台，基于不同的煤种，对锅炉内的流动、传热和燃烧过程进行模拟计算，得到锅炉内燃烧的速度场、温度场与CO含量和O2含量的分布，开展煤种变化时对锅炉燃烧特性影响研究。1研究对象研究模拟的锅炉是上海锅炉厂有限公司生产制造的国内典型660 MW超超临界火电机组，工程设计煤种为晋北煤，校核煤种为神府东胜煤。锅炉燃烧系统按中速磨冷一次风直吹式制粉系统设计。32 只直流式燃烧器分8 层布置于炉膛下部四角，B、C磨煤机对应2 层燃烧器，其余磨煤机对应一层燃烧器，煤粉和空气从四角送入，二者混合均匀后，呈切圆方式燃烧，燃烧器摆角如图1所示，单角燃烧器布置方式如图2所示。炉膛断面和高度为（宽深高）17 710 mm17 710 mm91 200 mm，如图3 所示。2 号4 号3 号1 号4725偏转SAPA直吹SA图1燃烧器摆角UAGP3UAGP2UAGP1BAGP3BAGP2BAGP1C2C0C1BCB2B0B1ABAAIAAFIIFF1EFE2EFIDED2DCD图2单角燃烧器布置方式受热面主燃区冷灰斗SOFA出口YZX图3锅炉结构2网格划分燃煤电站锅炉结构布置复杂，直接进行数值模拟的难度大，同时数值模拟的效果也未必更好。因此，需要保证锅炉数值模拟的准确性，同时在一定程度上简化锅炉模型。由于本文重点研究的是煤种变化对燃煤电站锅炉燃烧特性的影响，重点关注的是锅炉炉膛内的燃烧情况，需要对锅炉炉膛进行网格划分，所以可以省略炉膛上部的屏式过热器区域，最终对研究对象进行相应的简化。将锅炉炉膛由下到上划分为3 个区域，分别为冷灰斗区域、主燃烧器区域、炉膛燃尽风上部的燃尽区域。利用Gambit软件对计算区域进行建模和网格划分。对于3 个区域需要进行不同的网格划分，由于炉膛的主燃烧器区域燃烧和传热变化剧烈，各种流场随着位置和时间变化较大，因此重点研究的是炉膛的主燃烧器区域，对该区域的网格划分需要细微，相比较之下，冷灰斗区域和炉膛燃尽风上部的燃尽区域的网格划分相对稀疏。整个炉膛的网格数目为128 万，如图4所示。X/mX/mY/mZ/m806040201510502005101520（a）中心截面网格（b）主燃区水平网格图4模拟对象与网格结构3数学模型煤粉在锅炉炉膛内燃烧的过程比较复杂，对模拟过程的建模也比较困难，这是由于燃料燃烧过程中涉及到三维、多组分、多相的流动。热量方面包括导热、对流换热、辐射换热。气相湍流流动计算采用可实现的k-双方程湍流流动模型，气相燃烧采用非预混模型，挥发分燃烧采用混合分数概率密度模型，挥发分析出采用双竞争反应模型20，颗粒运动采用随机颗粒轨道模型21，焦炭燃烧采用扩散动力控制反应速率模型，燃烧过程中的辐射换热采用P-1辐射换热模型22。3.1k-双方程湍流流动模型炉膛燃烧时，其内部气体比较紊乱且气体的分子黏性小，故假设流动为完全湍流，分子黏性的影响可以忽略，此时气相湍流流动模型采用标准k-模型：李敏杰等：煤种变化对大型电站锅炉燃烧特性影响的数值模拟研究41第1期()t+()uixi=x+x+S（1）=+t（2）式中：为扩散系数；S为源项；取k和，分别表示湍流动能方程和耗散率方程。3.2挥发分析出模型煤粉颗粒中挥发分的析出以双竞争反应模型应用最广，即煤的热解可分为两个平行的一阶不可逆的化学反应：（原煤）（1-Y1）（焦煤）+Y1（挥发分）（原煤）（1-Y2）（焦煤）+Y2（挥发分）挥发分生成速率：dYvdt=dYv1+dYv2dt=k1Y1+k2Y2（3）式中：Yv为挥发分在原煤中所占的质量分数，k为反应速率常数，采用Arrhenius式计算。3.3颗粒运动模型锅炉内煤粉颗粒的运动可视为无规则运动，可以采用随机轨道模型：dupdt=FD()u-up+gx()p-p+Fx（4）式中：右边第一项表示牵引力，第三项表示颗粒所受其他力的合力。3.4P-1辐射换热模型炉膛受热面及火焰面均按灰体来处理，可采用更为简单的P-1模型：qr=-13()a+s-CsG（5）式中：G为入射辐射，C为线性各相异性相位函数系数，s为散射系数，a为吸收系数。4计算结果与分析选取晋北煤、义马烟煤、徐州烟煤进行数值模拟计算，煤种特性参数见表1。通过对3种不同煤种在满负荷工况下的燃烧过程进行数值模拟，得到了炉内速度场、温度场、CO含量分布、氧量分布，分析锅炉燃烧状况及其影响因素。表1煤种特性参数碳氢氧Car/%Har/%Oar/%57.093.668.8849.63.211.6634.16.7名称成分晋北煤义马烟煤徐州烟煤氮硫水分灰分挥发分低位发热量Nar/%Sar/%Mar/%Aar/%Vdaf/%Qar,net/（kJkg-1）1.220.621414.537.5721 8800.71.31716.64119 6901.51.21013.53724 720名称成分晋北煤义马烟煤徐州烟煤4.1炉内温度场图5是各煤种在锅炉中心纵截面y=8.855 m处温度场。由图5可以看出，煤种的变化对炉内温度场的形状影响不大，不同的是锅炉火焰中心高度和温度水平略有变化。（a）晋北煤（b）义马烟煤（c）徐州烟煤contour-2Static Temperature2 042.201 872.881 703.531 534.241 364.921 195.591 026.27856.95687.63518.31348.98图5锅炉中心截面温度场各煤种燃烧的锅炉温度水平与煤的种类关系较为密切，如图6所示。锅炉冷灰斗区域温度较低，在冷灰斗上方的燃烧器区域，由于空气和煤粉进入炉膛，煤粉在高温烟气中着火燃烧，产生了大量的热量，使炉膛温度急剧增加；在煤粉刚开始燃烧时，沿炉膛高度方向，煤粉喷出，炉膛温度也随之升高，当Z=21 m时，由于初始进风温度较低，炉膛温度降低；当Z=25 m时，一次风将煤粉带入炉膛，二次风辅助燃烧，煤粉持续燃烧，炉膛温度水平逐渐升高。煤粉燃烧逐渐进入主燃区，该区域没有风量补给，原本供给的空气量不足以支撑区域内煤粉的充分反应，炉膛温度水平开始降低，这时燃烧反应进程到了燃尽区，该区域有燃尽风喷出，氧气量得到补充，之前未完全燃烧的煤粉在该区域继续反应，直到燃尽，此后无新的煤粉加入，由于煤粉再燃作用所带来的温度升高的程度要小于炉膛水冷壁和二次风对烟气的冷却效果，炉膛温度水平的降低幅度较大，炉膛温度水平沿高度方向持续下降，在经过燃尽区后，由于没有二次风的冷却作用，炉膛烟气温度降低的幅度变慢，在屏式过热器和炉膛水冷壁的冷却作用下，炉膛温度水平持续降低。续表42第1期晋北煤徐州烟煤义马烟煤2 0001 8001 6001 4001 2001 000温度/K炉膛高度/m020406080100图6沿炉膛高度的水平截面烟气平均温度分布通过比较可以看出，由于义马烟煤挥发分的含量高于设计煤种和徐州烟煤挥发分的含量，所以在单位时间内进入炉膛热量相同的条件下，燃烧义马烟煤时的炉内整体温度水平要比燃烧晋北煤和徐州烟煤时炉膛整体的温度水平高。4.2炉内速度场由图7各煤种炉膛中心纵截面区域速度分布可以看出，3 种煤炉膛中心速度分布规律非常相似，但是炉膛中心的气流高速区面积有所不同。燃烧义马烟煤时，给煤量和挥发分均高于晋北煤和义马烟煤的给煤量和挥发分，一方面由于义马烟煤的挥发分含量较高，火焰传播速度较快，另一方面义马烟煤的给煤量较大，在相同时间内煤粉在炉膛内的周转速度较快，使得燃烧义马烟煤时炉膛中心的气流高速区面积比晋北煤和徐州烟煤大。（a）晋北煤（b）义马烟煤（c）徐州烟煤contour-2Velocity Magnitude58.0752.2646.4640.6534.8429.0317.4211.615.810.00m/s图7各煤种炉膛中心纵截面区域速度分布4.3炉内CO含量分布图8是炉膛中心纵截面区域CO含量分布，图9是沿炉膛高度方向的水平截面烟气的CO体积分数分布。由图8、图9可知，在炉膛内除燃烧器区域有少量的CO，其余区域没有CO，这是燃烧器区域氧耗量大于氧补量造成的。图9中可以看到不完全燃烧产物CO的浓度是沿着炉膛高度方向先升高后降低。燃烧煤粉时，燃烧器区域出现了较高浓度的CO，在燃烧器（C2）Z=30 m处CO浓度达到最大值；随着高度的增加，在二次风喷口处，O2得到补充，CO与过量的O2发生反应，CO浓度下降；在Z=40 m处有燃尽