T型煤粉锅炉富氧燃烧的数值模拟

田 娇， 王 勇， 乔晓磊， 蔡新春， 金 燕

（1.太原理工大学 电气与动力工程学院，太原030024；2.天津大唐国际盘山发电有限责任公司，天津301907；3.山西省电力科学研究院，太原030001）

电站锅炉的富氧燃烧技术是一种新型节能环保技术.富氧燃烧技术分为2种形式：一种是空气分离／烟气再循环技术，又称 O2／CO2燃烧技术［1］；另一种是提高空气中氧气体积分数的技术，即将体积分数大于21%的氧气送入炉膛.与传统燃烧相比，煤粉锅炉采用富氧燃烧技术后，煤粉燃烧特性和炉内烟气辐射特性会发生很大的变化［2－3］.笔者以某电厂一台额定蒸发量为670t／h的T型煤粉锅炉为研究对象，利用数值模拟研究一次风含氧体积分数发生变化时炉内温度的变化特性，从而为煤粉锅炉富氧燃烧的可靠运行提供理论依据.

1 模拟对象

以某电厂670t／h旋流对冲燃烧锅炉为研究对象，该锅炉为单汽包、自然循环、双炉膛、固体排渣燃煤锅炉，额定功率为215MW.采用钢球磨煤机中间储仓式热风送粉系统，燃用煤质特性见表1，校核煤种的低位发热量为20.51MJ／kg.

该锅炉受热面呈T型布置，沿炉膛高度方向，布置在中间的光管水冷壁将炉膛分为前、后2个炉膛.两侧墙上、下两层对称布置16只旋流煤粉燃烧器，每侧墙8只，每层各4只.图1为燃烧器结构简图.一次风通过蜗壳式旋流器后进入内壁装有多头螺旋均流条的直管段进行整流，二次风则通过轴向叶片产生旋流后送入炉膛.在二次风上方对称布置8个三次风喷口，每侧墙各4个（见图2）.

表1 煤质分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal

图1 燃烧器结构简图Fig.1 Structural diagram of the burner

图2 燃烧器喷口布置示意图Fig.2 Arrangement of burner nozzles

2 数学模型与计算方法

2.1 计算区域及网格划分

该锅炉被双面光管水冷壁分成2个对称炉膛，为了节约计算资源和缩短计算时间，以单个炉膛作为计算对象.利用Fluent前处理软件Gambit对整个计算区域进行建模和网格划分，划分的网格如图3所示.为了保证燃烧模拟结果的精确性，对流场变化较剧烈的燃烧器区域进行网格局部加密，该区域采用混合体网格，其他区域采用结构化六面体网格，整个计算区域的网格总数约为4.14×105个.

图3 单个炉膛计算区域的网格Fig.3 Grid division of single furnace calculation domain

2.2 数学模型

采用Fluent软件进行三维稳态模拟计算，炉膛根据实物尺寸进行建模.气相湍流输送采用Realizablek－ε模型；挥发分燃烧采用以CO作为中间组分的两步反应，反应速率采用受混合限制的EBU（Eddy Break Up）模型［4］；焦炭燃烧采用动力－扩散模型（Kinetics／Diffusion－Limited）；辐射换热采用P－1模型；煤粉颗粒追踪采用离散随机轨道模型.湍流时均方程采用Simple算法进行求解，压力离散方程采用可防止伪扩散的Presto格式，其他离散方程均采用二阶迎风格式.

2.3 边界条件

在210MW负荷下，以空气作为助燃气体时锅炉总给煤量为23.21kg／s，炉膛负压为－50Pa，当采用单套制粉系统运行时，一次风的风速为23.1 m／s，一次风温度为241℃，二次风风速为23.4 m／s，二次风温度为369℃，三次风风速为36.0 m／s，三次风温度为90℃，三次风携带了总煤粉量10%的煤粉.总氧量化学当量比保持1.25不变.在模拟工况中保证一次风总含氧量不变，浓缩一次风使一次风含氧体积分数（φ（O2））大于21%，二次风和三次风参数不变，模拟计算的工况见表2.

表2 富氧燃烧模拟工况Tab.2 Simulated condition of oxygen－enriched combustion

3 模拟结果及分析

定义x、y、z分别为炉膛深度、高度和宽度，y＝13.6m和y＝18.1m分别为第一层和第二层燃烧器中心所在水平截面，y＝20.8m为三次风喷口中心所在的水平截面，y＝33.85m为计算出口截面.

3.1 燃烧器水平截面温度场和速度场

图4和图5分别为下层燃烧器中心所在水平截面（y＝13.6m）的温度场和速度场.由图4可知，随着φ（O2）的增大，下层燃烧器出口附近高温区范围变大，且该区域温度的升高较明显.当助燃气体为空气时，喷嘴出口附近高温区的最高温度为1 892K.当φ（O2）增大至33%时，喷嘴出口附近高温区的最高温度达到2 198K，这是因为在一次风总含氧物质的量不变的条件下，一次风风速随φ（O2）的增大而减小，煤粉质量浓度也随之升高，煤粉离开喷嘴不远便开始着火.当φ（O2）由21%增大为33%时，在一次风与二次风交界处，局部高温区域较明显，且截面中心区域温度升高，截面平均温度由1 490K升高为1 569K.由图5可知，喷嘴出口附近的回流区变大，回流中心速度增大，回流区卷吸烟气量增加，提高了煤粉着火的稳燃性；当φ（O2）＝21%时，燃烧器对冲射流作用力较对称；当φ（O2）＝33%时，截面速度场出现了明显的不对称性，在二次风外回流区卷吸不均的作用下，高温烟气冲向两侧壁面，使得壁面出现局部高温.

图6和图7分别为上层燃烧器中心所在水平截面（y＝18.1m）的温度场和速度场.由图6可知，φ（O2）发生变化时，上层燃烧器出口温度场的变化趋势与图4相同.随着φ（O2）的增大，上层燃烧器出口的火焰变长，火焰温度明显升高.当φ（O2）由21%增大为33%时，喷嘴出口回流中心最高温度由1 892K升高为2 300K，截面中心温度升高且高温范围变宽.φ（O2）增大可使炉膛中心温度升高，在一次风和二次风交界处，局部高温区范围扩大.由图7可知，随着φ（O2）的增大，外回流区变得明显，喷嘴出口卷吸烟气量增加，上层火焰受三次风压火作用更加显著，这是由于一次风风量减小较多，烟气量减少，烟气速度随之减小，当烟气遇到高速的三次风时，受到的相对反作用力增强.

图4 y＝13.6m截面的温度场Fig.4 Temperature field on section y＝13.6m

图5 y＝13.6m截面的速度场Fig.5 Velocity field on section y＝13.6m

图6 y＝18.1m截面的温度场Fig.6 Temperature field on section y＝18.1m

图7 y＝18.1m截面的速度场Fig.7 Velocity field on section y＝18.1m

3.2 沿炉膛高度方向的温度场和各组分物质的量浓度

图8给出了沿炉膛高度方向各截面平均温度的变化.由图8可知，随着φ（O2）的增大，燃烧器区域温度变化剧烈，温度升高幅度较大，这是由于携带煤粉的一次风速度决定了煤粉在炉膛中的停留时间，一次风速度减小有利于增加煤粉在燃烧器区域的停留时间，并且燃烧器区域较高的温度有利于煤粉的燃烧.从三次风喷口到炉膛出口的温度场随φ（O2）的变化不大，因此φ（O2）变化对三次风喷口以上水冷壁换热的影响较小.

图9给出了炉膛出口截面平均温度随φ（O2）的变化.由图9可以看出，随着φ（O2）的增大，炉膛出口截面平均温度呈先升高后降低的变化规律.当φ（O2）由21%增大至31%时，炉膛出口截面平均温度升高了13K；与φ（O2）＝21%时相比，当φ（O2）继续增大至33%时，炉膛出口截面平均温度升高了8 K，烟气体积流量减小了22.1m3／s；当φ（O2）由31%增大为33%时，炉膛出口截面的平均温度呈下降趋势，这对计算出口截面之后受热面的换热是不利的.

图8 沿炉膛高度各截面平均温度的变化Fig.8 Mean temperature curves along furnace height

由图9还可以看出，增大φ（O2）可以提高炉膛整体温度水平.虽然φ（O2）由21%增大至33%时有利于水冷壁的换热，但当φ（O2）大于29%时，一次风速度已经小于16.7m／s.一次风速度过小对煤粉的输送很不利，易造成一次风风管堵塞.因此，采用变一次风风量的富氧燃烧方式受风速限制较大.变一次风风量富氧燃烧方式的φ（O2）最佳范围为27%～29%.

图9 炉膛出口截面平均温度随一次风含氧体积分数的变化Fig.9 Change of mean outlet temperature with the oxygen volume fraction in primary air

图10～图12给出了沿炉膛高度方向各截面平均O2、CO和CO2物质的量浓度的变化.与图8对比分析可以看出，CO物质的量浓度的2个峰值均出现在2个温度的峰值处，相应的O2与CO2物质的量浓度均较低.O2与CO2物质的量浓度峰值的位置恰好在第一层和第二层燃烧器中心所在水平截面上.由图9可知，φ（O2）最小的位置出现在燃烧器区域，随着φ（O2）的增大，耗氧物质的量增大，说明φ（O2）越大，煤粉燃烧得越剧烈，耗氧物质的量也随之增大.燃烧器区域O2和CO物质的量浓度均低于普通空气助燃条件下，当φ（O2）为21%～27%时，O2、CO和CO2物质的量浓度变化较大；当φ（O2）大于29%时，O2和CO物质的量浓度变化不明显.燃烧器区域CO物质的量浓度随φ（O2）的增大而减小，说明随着φ（O2）的增大，煤粉燃烧速度加快，燃烧更充分.

图10 沿炉膛高度方向各截面平均O2物质的量浓度的变化Fig.10 Mean O2concentration curves along furnace height

图11 沿炉膛高度方向各截面平均CO物质的量浓度的变化Fig.11 Mean CO concentration curves along furnace height

图12 沿炉膛高度方向各截面平均CO2物质的量浓度的变化Fig.12 Mean CO2concentration curves along furnace height

沿炉膛高度方向，三次风的补入带来了充足的O2，CO与O2充分接触并被氧化为CO2.另外，由于三次风中携带了10%的煤粉，煤粉与CO2反应生成了CO，所以在三次风喷口上方不远高度处，CO物质的量浓度会暂时性升高，对应的温度也呈升高趋势，CO2物质的量浓度继续降低.沿炉膛高度方向，CO逐渐被氧化为CO2，因此CO2物质的量浓度继续升高，O2和CO物质的量浓度相应降低，煤粉在到达炉膛出口之前已完全燃烧.

4 结 论

（1）随着φ（O2）的增大，燃烧器出口火焰变长，火焰温度明显升高，煤粉燃烧速度加快且燃烧更充分.在一次风与二次风交界处出现了局部高温区，并随着φ（O2）的增大而逐渐变大.

（2）当φ（O2）由21%增大至33%时，炉膛平均温度由1 413.2K升高为1 447.1K；当φ（O2）增大至27%时，炉膛平均温度变化较明显，炉膛平均温度升高为1 435.6K；当φ（O2）大于29%时，炉膛平均温度变化不明显.

（3）当φ（O2）大于29%时，一次风速度减小较快，运行时易造成煤粉堵塞，变一次风风量富氧燃烧方式的φ（O2）最佳范围为27%～29%.

［1］ 毛玉如，方梦祥，王勤辉，等.O2／CO2气氛下循环流化床煤燃烧污染物排放的试验研究［J］.动力工程，2004，24（3）：411－415.MAO Yuru，FANG Mengxiang，WANG Qinhui，etal.Experimental research on pollutant emission of coal combustion in a circulating fluidized bed test－facility under O2／CO2atmosphere［J］.Journal of Power Engineering，2004，24（3）：411－415.

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［3］ 王春波，邢晓娜，陆泓羽.600MW微富氧燃烧煤粉锅炉优化设计［J］.动力工程学报，2011，31（12）：904－909.WANG Chunbo，XING Xiaona，LU Hongyu.Design optimization of a 600MW air enrichment pulverized coal－fired boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2011，31（12）：904－909.

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