配风方式对某电厂锅炉燃烧及结渣特性的影响

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(1.广州市能源检测研究院 广东 广州 510170；2.广东省机电设备招标中心，广东 广州 510030)

配风方式对某电厂锅炉燃烧及结渣特性的影响

谢方静1,陈丽霞2

(1.广州市能源检测研究院 广东 广州 510170；2.广东省机电设备招标中心，广东 广州 510030)

为了节约燃煤成本，国内部分电厂开始采用较廉价煤种作为燃料，燃料的改变势必影响到锅炉换热效果，降低锅炉热效率，而通过调整燃烧方式可以降低这种不利的影响，本文通过数值模拟的方法分析了不同配风方式时炉膛内的燃烧和结渣特性的影响，综合考虑燃尽率、飞灰含碳量、含氧量、速度分布以及炉膛出口烟气温度等因素，对于某电厂锅炉的配风方式建议选用宝塔配风。

数值模拟；配风方式；结渣特性；烟气温度；氧含量

0 引言

考虑到燃煤经济性等因素，国内某些电厂近年来开始采用廉价煤种作为燃料，廉价煤种煤质特性远远偏离设计煤种，容易造成炉膛内结渣，水冷壁及过热器底部被大面积渣块覆盖，严重影响锅炉换热效果，锅炉热效率降低。针对这一问题，众多国内学者展开研究，杨忠灿等[1-5]在燃烧调整试验的基础上，分析了燃煤特性和运行参数的变化对锅炉结渣的影响，初步提出了防止结渣的改进方案；周勇等[6-9]采用数值模拟方法来研究旋流燃烧器出口区域水冷壁面结渣过程及各次风配风,旋流和煤种特性对结渣过程的影响规律；邹显宏等[10-11]通过配风试验，研究了某电厂300 MW机组锅炉结渣与配风的关系。结合以往学者的研究，本文以某电厂300 MW锅炉为例，揭示了不同配风方式下炉内温度场、组分场以及炉膛出口烟温等的变化规律，研究了不同配风方式下炉内结渣特性。

1 模拟对象

某电站锅炉为亚临界、一次中间再热，锅炉燃烧器呈四角布置，每角所布置的燃烧器包括6层煤粉燃烧器，锅炉本体结构如图1所示。锅炉原设计是采用同心三切圆燃烧方式，其特点是一次风、油风室二次风及下端部二次风射流形成一个逆时针旋转的Φ1 000 mm小切圆，二次风及上端部风室射流形成一个逆时针旋转的Φ7 600 mm大切圆。燃尽风室射流形成一个顺时针旋转的Φ5 000 mm中反切切圆，由于受燃烧器实际安装的影响使得反切动量不够，该电厂对2#机组的上端部风室进行了改造，形成15°顺时针旋转的直径3 500 mm假想反切切圆。

图1 锅炉炉膛结构尺寸图

2 数学模型及计算方法

锅炉炉内的气体流动为三维湍流反应流，其平均流可视为稳态流，因此，可用通常的守恒方程进行描述。对于工业运用比较成熟的湍流可采用标准的k-ε湍流模型、修正的k-ε湍流模型和RNGk-ε湍流模型，在此选用RNGk-ε湍流模型。气体流动模型包括三维的连续性方程、动量方程及k和ε的两个输运方程，可统一表达为以下形式[12]

(1)

式中Φ代表所有的气相变量，如速度的三个分量u,v,w、压力p、湍流动能k及其耗散率ε、混合分数f、f1、f2及其脉动均方值g、g1、g2和比焓h等。气体的源项或汇项为SΦ，而SpΦ是由固体颗粒引起的源项。

颗粒运动的计算运用拉格朗日方法，已知气体的流场，就可以按时间积分求出各个颗粒的运动轨迹。颗粒的瞬态运动方程如下[13]

(2)

模拟中采用双平行反应模型来模拟煤的热解过程。该模型认为煤的热解为一对平行的一阶不可逆的化学反应[13]

(3a)

(3b)

式中反应速率常数k1和k2由Arrhenius公式给定

(4a)

(4b)

因此，这一模型包含有6个经验常数Y1、Y2、E1、E2、A1和A2。

辐射传热使用Lockwood和Shah等提出的离散传播法(Discrete Transfer Method)计算辐射传热。其主要思想是考虑边界网格面为辐射的吸收源和发射源，将边界网格上向半球空间发射的辐射能离散成有限条能束，这些能束穿过内部网格被介质吸收和散射后，到达另外的边界面，在各边界网格面上进行的辐射能达到平衡。考虑网格内介质的温度T和气体对辐射能束的吸收、发射以及颗粒对辐射能束的吸收、发射和各向同性散射时，辐射能束通过一个网格时的强度变化为[12-13]

(5)

式中Ka——气体的吸收系数;

Kp——颗粒的吸收系数;

Ks——颗粒的散射系数，式中最后一项代表从其它方向散射入方向的能束对辐射强度的贡献。

3 模拟试验研究

3.1 网格处理

模拟过程中流体网格采用73×68×135(X×Y×Z)的正交非均匀交错网格，并在燃烧器和屏区边界附近进行局部网格加密，辐射网格采用30×58×51(X×Y×Z)，其中沿燃烧器喷口截面、炉膛宽度和深度方向网格划分如图2、图3和图4所示。

图2 燃烧器喷口截面网格划分

图3 炉膛宽度截面网格划分

图4 炉膛深度截面网格划分

3.2 模拟工况及条件

选用100%负荷，六台磨煤机全开的情况下，进行配风方式优化的研究。试验模拟的三种配风配煤方式为均匀配风、宝塔配风和双曲配风，燃烧器中入炉煤量和入炉风量信息以及配风的分配情况见表1。不同配风方式下的喷口二次风风门开度情况如表2所示。

表1 100%负荷下入炉煤量和入炉风量

表2 均匀配风、宝塔配风和双曲配风方式下的风门开度列表

3.3 模拟试验结果及分析

(1)炉膛出口信息

通过模拟试验，得到了均匀配风、宝塔配风、双曲配风三种不同配风方式下的飞灰含碳量、燃尽率、出口烟温等结果，具体情况对比表如表3所示。

表3 不同配风方式下模拟试验结果对照表

从表中可以看出采用宝塔配风和双曲配风方式与均匀配风相比，飞灰含碳量降低，燃尽率提高，尤其是宝塔配风方式，飞灰含碳量比均匀配风下的燃尽率降低了0.1%。从炉膛出口烟气温度看，双曲配风方式炉膛出口烟温最高，宝塔配风次之，均匀配风出口烟温最低。

(2)温度场

图5是不同配风方式下的炉膛中心截面烟气温度分布。宝塔配风时，炉膛高温区大，分布比较均匀，有利于增强锅炉稳燃和燃尽性能；均匀配风时，炉膛高温区面积减小，温度分布不均匀性增大；双曲配风时，炉膛最高温度明显降低。不同配风方式下，向下延伸的高温火炬区域大小不同，主要是因为不同配风时二次风对煤粉颗粒的托举作用大小不一样。

图6所示为三种配风方式下炉膛中心温度分布，各种配风方式下，在燃烧器及其上部区域形成了高温区，最高温度高达1 700℃，也即火焰中心位置，位于燃烧器上部。在炉膛燃烧器及以上部区域形成了1 500℃以上的高温区域，有利于强化煤粉气流的着火、稳燃和燃尽，此处炉膛壁面温度高，有些区域甚至超过燃烧煤种的软化温度，是炉膛内产生结渣的主要区域，因此，组织好此区域的流场和燃烧是防止锅炉结渣的有效途径。通过三种不同配风方式下炉膛中心温度分布比较发现，在锅炉同一高度上，宝塔配风和均匀配风炉膛中心温度均高于双曲配风。

图6 三种配风方式下炉膛中心温度分布

图5 三种配风方式下炉膛中心温度场(温度单位：K)

图7 三种配风方式下炉膛中心氧浓度分布

(3)氧量场

图7是不同配风方式下的炉膛中心的氧浓度分布。由图可见，在燃烧器区域，因邻角射流火焰的冲刷而存在还原性区域，而该区域的烟气温度水平亦很高，兼有颗粒冲刷，因而是潜在的结渣区域。在燃烧器区域上方，因有漏风存在，实际运行时的氧浓度应高于预测值，且烟气温度较低，因此结渣的可能性较上述区域低。

宝塔配风方式下炉膛前后墙附近氧浓度较高，燃烧器及以下区域基本呈现氧化性区域，不容易结渣；双曲配风方式下，炉膛前后墙附近氧浓度偏低，基本呈现还原性区域，容易产生结渣；均匀配风方式下结渣特性则处于中间。图8为不同配风方式下炉膛中心含氧量沿高度方向的分布。对于均匀配风和双曲配风，宝塔配风炉膛中心含氧量较低，其他两种配风方式含氧量较高。

图8 三种配风方式下炉膛中心含氧量分布

4 结论

数值模拟结果表明，不同配风方式下，炉膛内燃烧及结渣特性不尽相同：

(1)采用宝塔配风和双曲配风方式与均匀配风相比，飞灰含碳量降低，燃尽率提高；

(2)从炉膛出口烟气温度看，双曲配风方式炉膛出口烟温最高，宝塔配风次之，均匀配风出口烟温最低；

(3)在炉膛同一高度上，宝塔配风和均匀配风炉膛中心温度均高于双曲配风，其中，宝塔配风炉膛中心含氧量最低。

综合考虑不同配风方式对炉膛内的燃烧特性和结渣特性的影响，对于该锅炉的配风方式建议选用宝塔配风。

[1] 杨忠灿，文军，郭利宝，等.燃烧调整对锅炉结渣影响的分析[J].浙江电力，2005(2): 34-37.

[2] 张翼，吴少华，谢建文，等.燃用神华煤600 MW锅炉燃烧优化实验研究[J].节能技术，2007,25(5): 416-419.

[3] 李自怡.火电厂目标成本管理研究[J].电网与清洁能源，2014,30(1):64-67.

[4] 王义芳，王建志，杨立发.变工况对补燃燃烧影响的三维数值模拟[J].节能技术，2008,26(4):316-320.

[5] 张树臣.2×1 000 MW机组现代化电厂建设技术创新和整体优化设计[J].电网与清洁能源，2013,29(12):88-92.

[6] 周勇.锅炉结渣过程数值模拟研究和燃烧优化设计[D].北京:清华大学，2005.

[7] 张善军，穆林，尹洪超，等.锅炉结渣过程研究与结渣数值模拟[J].节能技术，2010,28(3):263-267.

[8] 刘玉文，徐连飞，张喜文，等.炉膛中间截面边界条件对双切圆锅炉空气动力场计算的影响[J].节能技术，2010,28(5):427-431.

[9] 郭仁宁，杨柳，王建.气固两相流在可调煤粉燃烧器中流动的数值模拟[J].节能技术，2008,26(5):408-410.

[10] 邹显宏，陆春义，陈光元，等.燃烧配风对锅炉炉膛结渣及NOX排放质量浓度的影响[J].发电设备，2012(4):256-259.

[11] 程佳彬，李威，陆慧林.35 t/h燃气锅炉炉内空气动力场的研究[J].节能技术，2005,23(4):315-316.

[12] 李永华，陈鸿伟，刘吉臻，等.800 MW锅炉混煤燃烧数值模拟[J].中国电机工程学报,2002(6):101-104.

[13] 方庆艳，黄来，姚斌，等.采用双混合分数/PDF方法模拟混煤在四角切圆锅炉内的燃烧[J].动力工程，2006(2):185-190.

TheImpactonCombustionandSlaggingwithDifferentAirDistributionMethods

XIE Fang-jing1,CHEN Li-xia2

(1.Guangzhou Institute of Energy Testing, Guangzhou 510170, China;2.Guangdong Machinery and Electric Equipment Tendering Center,Guangzhou 510030,China)

Cheap coal is adopted in some power plants for reducing the cost of fire coal. It is bound to affect heat transfer characteristic and reduce heat efficiency of boiler because of fuel changes. It is viable to reduce the adverse influence by adjusting combustion modes. This paper analyses combustion and slagging characteristic by means of numerical simulation on different air distribution methods. Considering the factors as below, burn-off rate, dust carbon content, oxygen content, velocity distribution and flue-gas temperature,and the pagoda air distribution method is proposed to use for the power plant boiler.

numerical simulation;air distribution methods;slagging characteristic;flue-gas temperature;oxygen content

2012-12-25修订稿日期2013-05-20

谢方静(1983-),男,硕士研究生,从事能源平衡测试、能源审计类节能服务工作

TK227.1

A

1002-6339 (2014) 04-0368-05