旋流对冲锅炉烟煤低氮燃烧特性数值模拟

王松浩

(大唐华东电力试验研究所， 合肥 230000)

煤在燃烧过程中排放的NOx对环境及人类自身的危害极其严重，且火力发电量每增加100亿kW·h，NOx的排放量将增加2.9～3.8万t[1]，因此GB 13223—2011 《火电厂大气污染物排放标准》规定了现有火电锅炉更加严格的排放浓度限值。笔者基于NOx的生成原理，采取空气分级燃烧技术用来降低NOx生成量[2]，以达到低氮燃烧，采用空气分级燃烧技术的主要目的是造成主燃区还原性气氛，同时降低主燃区的燃烧温度[3]。

1　计算模型

锅炉主要尺寸见表1，锅炉热力特性见表2，燃烧器布置见图1,旋流燃烧器示意图见图2,燃尽燃烧器见图3，烟煤的性质见表3。

表1　锅炉主要尺寸

表2　锅炉热力特性

表3　烟煤性质

图1燃烧器布置

图2　旋流燃烧器示意图

图3　燃尽燃烧器示意图

旋流燃烧器共8个，分2层布置；燃尽燃烧器共6个，单层布置于旋流燃烧器的上方。旋流燃烧器具有中心风、一次风、内二次风、外二次风。燃尽燃烧器有内二次风、外二次风。旋流燃烧器的中心风和一次风是直流风，内二次风和外二次风是旋流风；燃尽燃烧器的内二次风是直流风，外二次风是旋流风。

2　数值模拟

2.1 网格划分

(1) 用Proe画出炉膛物理模型的三维图，输出stp文件。

(2) 将stp文件导入到Ansys，对炉膛物理模型进行网格划分，见图4。网格采用结构网格划分，为四面体网格，网格总数为300多万个。

图4　炉膛网格

(3) 定义炉膛物理模型的边界条件，设定空气进入燃烧器采用velocity-inlet进口，煤粉颗粒进入燃烧器采用mass-flow-inlet进口，出口采用pressure-outlet进口，炉膛壁面采用wall类型。

(4) 输出msh文件，以便导入Fluent进行数值模拟计算。

2.2 数值模拟条件简化与设定

(1) 空气是连续性介质。由分子的运动论可知，气体分子的自由行程为10～11 mm,这个数值与锅炉的特征长度L相比，其比值为高阶量最小值，即1/L远小于1,故可认为炉膛内空气是连续介质。

(2) 炉膛内部流动属紊态流动。

(3) 炉膛内气体低速流动，可视为不可压缩流体且符合Bossinesq假设，忽略由流体黏性力做功所引起的耗散热。

(4) 对炉膛四周的假设。不考虑炉膛漏风的影响，认为炉内的气密性良好。

(5) 由于笔者研究炉内的燃烧特性，考虑到网格数量的庞大，为了简化网格数量，只取折焰角以下的部分进行研究。

2.3 边界条件设置

边界条件见表4。

表4　边界条件

3　模拟结果与分析

3.1 速度场

图5为炉内X=6.191 m面速度分布图。

由图5可知：由于煤粉燃烧，气流受热膨胀密度减小，到达炉膛中部后流向会发生改变，变成向炉膛上部运动。与炉膛壁面附近的流速相比，炉膛中部向上流动的气体流速明显较高，为13～14 m/s，边壁流速只有2.5～5 m/s。在炉膛下部有两个明显的涡流区域，炉膛下部温度较低，高温烟气向低温区域流动，之后遇到冷灰斗壁面、又受到旋流卷吸作用的影响而向上运动，形成涡流区域。

图6为炉内Y=0 m面速度分布图。

图6　Y=0 m速度分布图

由图6可知相邻燃烧器之间的旋流方向相反。这是为了更好地让气流混合起来，使炉膛温度分布均匀，防止出现局部高温，以防出现积灰与结渣等现象。

图7为炉内Z=11.12 m面速度分布图，图8为Z=17.21 m面速度分布图。

图7　Z=11.12 m速度分布图

图8　Z=17.21 m速度分布图

由图7可知：气流从旋流燃烧器喷出后，在对面旋流燃烧器气流的冲刷作用下，产生向侧墙流动的趋势，在碰到侧墙后，流向发生改变，在旋流的卷吸作用下向旋流燃烧器附近流动，从而形成涡流区域。由于旋流风切向速度较大，把旋流风内部和外部的区域分割开来，旋流风包裹着直流风前进，不像直流燃烧器直接冲刷水冷壁，减小冲刷速度，很好地保护了水冷壁。由于煤粉中挥发分的析出及焦炭的燃烧，燃烧器靠近炉膛中部处于高温区域，烟气会产生高温区向低温区运动的趋势；再加上旋流风的卷吸作用，在旋流风内部区域会形成两个明显的回流区域，回流区域的出现能更加充分地让煤粉与气流混合，防止燃烧器附近高温，烧毁燃烧器，同时能稳定煤粉的燃烧。

图8的运动规律与图7基本一致，只不过内二次风和外二次风流量均较小。

3.2 煤粉颗粒轨迹图

图9为炉内煤粉颗粒轨迹图。

图9　煤粉颗粒轨迹图

由图9可知：煤粉颗粒在一次风的带动下进入燃烧器，在燃烧器内部先与中心风混合，再分别和内二次风及外二次风混合。进入炉膛后经过燃烧，部分煤粉颗粒随着气流向炉膛出口处流动，另外一部分在炉膛下部涡流区域运动。这两部分煤粉颗粒在气流的作用下充满了整个炉膛，根据其运动轨迹可以知道，煤粉颗粒在炉膛内并不是直线运动，而是蜿蜒曲折的运动，这就延长了煤粉颗粒在炉膛内停留的时间，使煤粉颗粒在炉膛内得到充分燃烧，燃烧效率也得到提高。颜色不同显示了煤粉颗粒在炉膛内停留的时间也不同，前一种煤粉颗粒在炉膛停留时间较短，平均只需3～5 s就能到达折焰角附近，而后一种煤粉颗粒在炉膛停留时间较长，平均在15～19 s，因为这种煤粉颗粒处于涡流区域，在这个区域周而复始的运动，所以停留时间较长。

3.3 温度场

图10为炉内X=6.191 m面温度分布图。

图10　X=6.191 m温度分布图

由图10可知：温度场呈现的是“中间高、两头低”的状态，且呈对称分布，与炉膛实际燃烧工况相符旋流燃烧器所在区域炉膛温度较高，高温处位于底部第一层旋流燃烧器与燃尽燃烧器之间的区域，高温区域平均温度能达到1 900 K，最高处能达到2 000 K(此处位于第二层旋流燃烧器所在区域，这是因为未燃尽的煤粉在这片区域得到了燃烧，提高了此区域的温度)；冷灰斗区域温度较低，处于1 340～1 650 K，在折焰角附近(Z=33 m)最高温度已降到1 650 K左右，此平面平均温度约为1 488 K。这是由于煤粉颗粒几乎燃烧完全。在燃尽燃烧器所在的区域温度没有得到加强，这是因为燃尽燃烧器没有煤粉的加入，所以温度有下降的趋势。在X=6.191 m截面上，靠近旋流燃烧器附近的温度变化速率最大，造成这种现象的原因是旋流燃烧器内外二次风旋流包裹的回流区域不断卷吸炉膛中部的高温烟气至旋流燃烧器附近，使进入炉膛的煤粉在短时间内燃烧。

图11为炉内Z=11.12 m温度分布图。

图11　Z=11.12 m温度分布图

从图11可知：煤粉在进入炉膛之前，温度只有610 K左右，离开燃烧器进入炉膛温度便急剧升高到1 400 K(沿着Y轴方向)，这是因为煤粉中的挥发分开始析出燃烧，回流区域的高温烟气让煤粉在极短的时间内点燃，所以温度会达到这么高的水平；然后温度有所下降，下降到1 170 K左右，这是因为大量二次风的进入降低了烟气的温度；后来温度又开始回升，最高处能达到2 000 K，之后维持在1 900 K，这是因为煤粉颗粒中焦炭的燃烧才产生这么高的温度。

3.4 O2和CO2体积分数分布

图12、图13分别为炉内X=6.191 m面O2和CO2体积分数分布图。

图12　X=6.191 m O2体积分数分布图

图13　X=6.191 m CO2体积分数分布图

由图12、图13可知：O2和CO2体积分数分布几乎呈互补的关系。O2体积分数高处时CO2体积分数很低，而在CO2体积分数高处时O2体积分数很低。在燃烧器进入炉膛的瞬间，O2体积分数都是23%左右，CO2体积分数是0%。进入炉膛之后，O2与煤粉混合发生剧烈的燃烧生成CO2，O2体积分数急剧下降，而CO2体积分数却急剧升高。在旋流燃烧器旋流风包裹形成的回流区域内，O2体积分数低于1.16%，而CO2体积分数却从0%增加到23%，变化梯度非常大。这是由于在燃尽风占9%时，旋流风占得比例是91%，当过量空气系数是1.2时，下面两层送风的过量空气系数是1.092，煤粉颗粒在回流作用下充分燃烧，消耗大量O2形成大量CO2。因此O2体积分数整体上呈下降趋势，在折焰角附近(Z=33 m)，O2平均体积分数为3.58%；CO2体积分数整体上呈上升趋势，在折焰角附近(Z=33 m)，CO2平均体积分数为21.1%。

3.5 NO体积分数分布

图14为炉内X=6.19 m面NO体积分数分布图。

图14　X=6.19 m NO体积分数分布图

从图14可知：NO体积分数分布成对称分布，燃尽燃烧器所在区域NO体积分数最高。在进入炉膛之前几乎没有NO的产生，在进入炉膛后，由于煤粉的燃烧，发生化学反应生成NO，NO体积分数发生了很大的变化，从0%增加到0.06%，由于下面旋流燃烧器处于富氧燃烧区域，NO体积分数一直处于增长的趋势。

在旋流燃烧器下部及冷灰斗区域，NO体积分数维持在0.05%左右，在第二层旋流燃烧器上部区域NO体积分数维持在最高的水平，最高处能达到0.162%，有两方面的原因：一是这个区域煤粉颗粒含量比较高，燃烧释放出来的N比较多；另一方面这个区域温度最高，平均温度能达到1 900 K，热力型NO正是在区域内快速形成的。随着温度的降低及燃尽风的补入，NO体积分数才有所降低。

图15为炉内Z=33 mm面NO体积分数分布图。

图15　Z=33 m NO体积分数分布图

从图15可知：在Z=33 m截面，NO平均体积分数为0.060 34%。此截面的平均温度为1 488 K，折合为Z=33 m截面NO排放质量浓度为141.5 mg/m3。

4　结语

笔者以某396 MW旋流对冲煤粉锅炉为原型，建立了物理模型，应用Ansys软件对炉膛燃烧烟煤进行了数值模拟，通过数值模拟结果分析对比，得出以下结论：

(1) 炉膛下部有两个明显的涡流区域，旋流风内部区域会形成两个明显的回流区域。回流区域的出现能更加充分地让煤粉与气流混合，防止燃烧器附近高温，烧毁燃烧器，同时能稳定煤粉的燃烧。

(2) 温度场呈现“中间高、两头低”状态，且呈对称分布，与炉膛实际燃烧工况相符合。

(3) O2和CO2分布几乎呈“互补”的关系，O2体积分数高处CO2体积分数很低，而在CO2体积分数高处O2体积分数很低。O2体积分数整体上呈下降趋势，CO2体积分数整体上呈上升趋势。

参考文献：

[1] 中华人民共和国环境保护部. 2010年环境统计年报[EB/OL].(2012-01-18)[2012-09-12].http://www.zhb.gov.cn/gzfw_13107/hjtj/hjtjnb/201605/P020170821592888847295.pdf.

[2] 刘向军, 徐旭常. 采用不同网格比较伪扩散对四角切圆型炉膛流场计算的影响[J]. 燃烧科学与技术, 1997, 3(2): 113-119.

[3] 杨宏军, 朱礼想, 李胜利, 等. 火电厂降低NOx排放的技术研究[J]. 电力科技与环保, 2011, 27(6): 10-13.