W火焰锅炉低NOx燃烧新系统C风风率优化数值模拟研究

周安鹂 缪伦奇

(1、汕尾职业技术学院,广东 汕尾516600 2、广东红海湾发电有限公司,广东 汕尾516600)

W火焰锅炉因其特别适用于燃烧如无烟煤、贫煤等挥发分含量少、活性差的煤而在近年来快速发展起来。目前W火焰锅炉主要有:FW（Foster Wheeler）型、B&W（Babcock&Wilcox）型、MBEL（Mitsui Babcock Energy Limited）型，Stein型这四种类型[1]，本文所研究的是一台FW型W火焰锅炉。虽然W火焰锅炉具有下炉膛温度水平高、煤粉颗粒路径长、停留时间长等优势，但在实际运行中还是存在一些如NOx排放量较高的问题。根据中国环境保护部发布的最新的《火电厂大气污染物排放标准》对燃煤机组NOx的排放标准，要求在脱销之后W火焰锅炉的NOx排放要低于200mg/m3[2]。因此，在飞灰含碳量没有显著增加的情况下，对W火焰锅炉进行一些减少或控制NOx排放的措施是十分必要的。

本文的研究内容就是基于这样一种对飞灰含碳量没有显著影响但可以降低近50%的NOx排放量的低NOx燃烧新系统进行的，对该系统C层二次风（文中简称C风）的风率进行了优化研究，以期对实际运行过程提供参考。

1 锅炉概况

本文研究对象为一台采用了低NOx燃烧新系统的600MW FW型W火焰锅炉。W火焰锅炉被炉拱分成了上炉膛和下炉膛两部分，炉拱上对称布置有双旋风燃烧器。图1为该低NOx燃烧新系统示意图，这种新系统主要具有以下特征[3]：（1）将淡煤粉一次风喷嘴位置从拱上移动到拱下，并且将72组喷嘴合并为36组；（2）A层二次风由原始的环形喷口变为圆形喷口喷入炉膛；（3）原始的D、E层二次风合并，通过环形喷口喷入炉内，同时冷却乏气风喷嘴；（4）原始的F1、F2层二次风合并为F层二次风；（5）部分二次风（约占总风率的20%）用来作为分离燃尽风（SOFA风），并将SOFA风布置在上炉膛位置。该锅炉高50.150 m，上炉膛宽9.906 m，深34.480 m；下炉膛宽16.062 m，深34.480 m。研究中燃用的煤种信息见表1。

图1 低NOx燃烧新系统

表1 燃用煤种工业分析和元素分析

2 数学模型与计算条件

利用计算流体力学（CFD）软件Fluent 6.3.26 对该低NOx燃烧新系统锅炉炉内湍流流动、煤粉颗粒运动、湍流燃烧、辐射传热以及NOx生成等过程进行数值模拟。计算中所采用的模型如下[4-6]：采用可实现k-ε湍流模型对湍流流动进行计算；对气相湍流燃烧则采用混合分数/PDF模型；采用随机轨道模型对煤粉颗粒运动进行模拟；采用双方程竞争模型对煤的热解过程进行模拟；焦炭燃烧过程则采用动力/扩散控制反应速率模型进行模拟；辐射传热计算采用P1模型。热力型NO采用扩展的Zeldovich机理进行计算；燃料型NO采用De Soete模型模拟。

对该锅炉进行建模后进行分区域、结构化的网格划分，如图2所示。为了减少计算误差，对主燃烧区的网格进行了细化，并使燃烧器出口区域的网格方向与炉内气流流动方向一致。对该模型划分了2.80 ×106、3.26 ×106、3.82 ×106及4.27 ×106这4个不同数量的网格体系，通过网格独立性测试后采用了由3.82 ×106个网格组成的网格模型进行模拟研究。研究中以3%的C层二次风风率为梯度设置工况，其工况设置如表2所示。

图2 锅炉模型及网格划分

表2 工况设置

3 计算结果及分析

3.1 不同C风风率下炉内流动、燃烧及NO排放特性

图3为炉膛宽度中心截面上的速度场分布，可以看到：在不同的C风风率下，炉内气流在下冲一段距离后均转而上行，在主燃烧区形成两个回流区，气流流动呈明显的“W”形，说明所建立的模型可以正确反映出该FW型W火焰锅炉炉内的空气动力特性。但随着C风风率的减小，拱上气流下冲深度逐渐减小，回流区有所上移，这可能是因为随着C风风量的减小，C风对煤粉气流的引射作用减弱造成的。

图3 速度场

图4为炉膛宽度中心截面上的温度场分布，可以看到在炉膛中心截面上炉内温度分布基本对称，各不同工况下炉内最高温度在1900K左右。但随着C风风率的减小，高温区域的面积逐渐减小，炉内温度水平降低，主燃烧区略有下移，火焰充满度降低。这是因为随着C风风率的减小，拱上气流下冲深度减小，炉拱回流区减小，部分煤粉停留时间变短，从而使得燃尽率降低，释放的热量减少。

图4 温度场

图5为炉膛宽度中心截面上的氧量分布，可以看到：随着C风风率的减小，下炉膛主燃烧区的氧含量逐渐降低，上炉膛氧含量升高，靠近冷灰斗区域的氧含量略有增加。这是因为随着C风风量的减少，对煤粉气流的托举作用减弱，导致少量煤粉落入下炉膛燃烧，炉渣也会相应有所增加。

图5 氧量分布

图6为NO含量沿炉膛高度的变化曲线。可以看到，随着C风风率的减小，NO含量逐渐降低。这是因为随着C风风率的减小，主燃烧区的氧含量降低，还原性气氛增强，因而对NOx还原作用增加；同时，随着C风风率的减小使得空气分级程度增加，燃烧剧烈程度减弱，炉内温度水平降低，有利于热力型NOx的降低。

图6 NO含量沿炉膛高度的变化曲线

3.2 不同C风风率下炉膛出口燃尽特性

图7为不同C风风率下燃尽率的变化曲线。从图中可以看到，随着C风风率的减小燃尽率不断降低。这是因为随着C风风率的减小，炉内回流区减小，拱上气流下冲深度减小，部分煤粉停留时间变短，而煤粉的着火距离变长，从而使得燃尽率降低。另一方面由于C风风率的减小，使得空气分级程度增加，因而燃尽率降低。

图7 燃尽率随C风风率的变化曲线

4 结论

本文利用数值模拟的方法，研究了某低NOx燃烧新系统W火焰锅炉的C风风率对燃烧特性及NO排放特性的影响。得到的主要结论有：

4.1 随着C风风率的减小，对煤粉气流的托举作用减弱，拱上气流下冲深度减小，炉内燃烧剧烈程度减弱使得温度水平降低。

4.2 随着C风风率的减小，空气分级程度增加，主燃烧区的氧含量降低，还原性气氛增强；且炉内温度水平降低，均有利于降低NO排放量。

4.3 C风风率对煤粉燃尽率有较大的影响；随着C风风率的降低，炉内回流区减小，部分煤粉停留时间变短，而煤粉的着火距离变长，使得煤粉燃尽率不断降低。