陳 濤，于 潔，王 凱，趙 封，丘紀(jì)華，孫路石

衛(wèi)燃帶和燃盡風(fēng)布置對W型煤粉鍋爐燃燒影響模擬研究

陳 濤1，于 潔1，王 凱1，趙 封2，丘紀(jì)華1，孫路石1

（1.華中科技大學(xué)煤燃燒國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2.武漢華喻燃能工程技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430074）

對某臺300 MW機(jī)組福斯特惠勒W型鍋爐改燒煙煤進(jìn)行技術(shù)改造。首先將目前的衛(wèi)燃帶面積550 m2分別調(diào)整為450、350、300 m2，模擬發(fā)現(xiàn)衛(wèi)燃帶面積的減少有助于降低飛灰含碳量，出口NOx質(zhì)量濃度則分別為571、567、563、583 mg/m3，說明其對于NOx排放影響有限；在爐膛上部3 m處引入二次總風(fēng)量20%的燃盡風(fēng)，能夠?qū)Ox質(zhì)量濃度由581 mg/m3降低至423 mg/m3；燃盡風(fēng)下傾角度從0°變?yōu)?5°時(shí)，飛灰含碳量先從2.71%降至2.02%，最后上升至2.17%，3種下傾角度下NOx排放量分別為423、435、424 mg/m3，最佳燃盡風(fēng)下傾角度為25°。

W火焰鍋爐；燃盡風(fēng)角度；衛(wèi)燃帶面積；空氣分級改造；飛灰含碳量；數(shù)值模擬

隨著人們對空氣質(zhì)量的逐步重視，國家對電廠污染物的排放也提出更多的限制。在由國家發(fā)展改革委員會、環(huán)境保護(hù)部和國家能源局聯(lián)合出臺的《煤電節(jié)能減排升級與改造計(jì)劃（2014—2020年）》中提出，煙塵、SO2和NO放質(zhì)量濃度不得超過10、35、50 mg/m3。而適用于低揮發(fā)分煤種燃燒的W型鍋爐的結(jié)構(gòu)特殊，在實(shí)際運(yùn)行中，NO排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，難以滿足即將實(shí)施的超低排放要求，如果不進(jìn)行相應(yīng)的改造，電廠就會面臨巨大的環(huán)保成本。

目前學(xué)術(shù)及工業(yè)界均對于W型鍋爐的低氮燃燒改造進(jìn)行了大量研究。劉光奎等[1-3]對于福斯特惠勒W型鍋爐（FW）的OFA風(fēng)率、入射角度都有詳細(xì)的研究。高正陽等[4]研究了鍋爐結(jié)構(gòu)對于火焰的影響，認(rèn)為折焰角以及水平煙道會使得火焰中心偏向前墻。馬侖等[5]通過數(shù)值模擬研究F層二次風(fēng)對鍋爐燃燒的影響，得出最佳F層二次風(fēng)角度在20°到30°之間。魏小林等[6]調(diào)整風(fēng)量配比來研究如何在W型爐內(nèi)形成良好流場。方慶艷等[7]研究了SOFA風(fēng)率和位置對燃燒的影響，通過大量的模擬案例得出最佳風(fēng)率為20%，最佳位置為拱上2 m處。王科[8]、邱開紅[9]等分別研究了SOFA以及拱上二次風(fēng)參數(shù)對NO生成的影響。李爭起等[10]提出針對W型鍋爐的高效低氮燃燒技術(shù)，包含有濃淡分離、燃盡風(fēng)等，并在實(shí)際運(yùn)行中取得良好效果。況敏[11]則研究了多次引射分級燃燒技術(shù)在W型火焰鍋爐的影響。

有研究指出鍋爐燃用煤種的變化對于鍋爐燃燒具有極大的影響，更換后的煤種與設(shè)計(jì)煤種屬性差距過大，會出現(xiàn)降低燃燒系統(tǒng)運(yùn)行效能，影響燃燒穩(wěn)定等問題[12]。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于地理環(huán)境、煤種價(jià)格變化等各種原因，需要進(jìn)行煤種的更換。但目前對于W型鍋爐煤種的更換改造，主要考慮減少衛(wèi)燃帶面積，改進(jìn)燃燒器等方法[13]，而對于衛(wèi)燃帶布置缺少針對性[14-16]，鍋爐仍然存在許多燃燒不穩(wěn)定等問題。

本文所研究的W型鍋爐原本設(shè)計(jì)煤種為低揮發(fā)分的煤種，為了減少NO的排放，需要將無煙煤更換為煙煤，并進(jìn)行相應(yīng)的改造，避免壁面溫度過高等問題。利用Fluent軟件，對不同衛(wèi)燃帶面積和不同燃盡風(fēng)下傾角度對鍋爐燃燒的影響進(jìn)行模擬，為電廠實(shí)際改造提供依據(jù)。

1 模擬對象

本文模擬對象為一臺300 MW、亞臨界壓力、一次中間再熱、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、自然循環(huán)、W型煤粉鍋爐。該鍋爐采用雙拱型、單爐膛，雙旋風(fēng)分離式煤粉濃縮型燃燒器布置于下爐膛的前、后拱上。尾部為雙煙道結(jié)構(gòu)，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱蒸汽溫度。煤粉通過48個(gè)一次風(fēng)噴口和48個(gè)乏氣噴口送入爐內(nèi)燃燒。二次風(fēng)經(jīng)鍋爐兩側(cè)風(fēng)道送入前后墻大風(fēng)箱，從拱上和拱下的風(fēng)口進(jìn)入爐膛。每個(gè)燃燒器作為一個(gè)單元，每個(gè)單元布置6個(gè)二次風(fēng)道及擋板，其中A、B、C擋板控制拱上部分，分別對應(yīng)乏氣噴口周界風(fēng)、一次風(fēng)噴口周界風(fēng)和油槍風(fēng)，D、E、F擋板控制拱下部分，分級將二次風(fēng)送入爐內(nèi)，控制風(fēng)粉混合燃燒過程。燃燒器布置如圖1所示。在水冷壁上及爐拱附近敷設(shè)有衛(wèi)燃帶，側(cè)墻衛(wèi)燃帶布置如圖2所示。其余衛(wèi)燃帶則布置在前后墻，具體如圖3所示。本文所采用的計(jì)算煤種為神府煙煤，煤質(zhì)分析見表1。

圖1 燃燒器布置

圖2 鍋爐側(cè)墻衛(wèi)燃帶分塊布置示意

圖3 前后墻衛(wèi)燃帶布置示意

表1 煤質(zhì)分析

Tab.1 The coal quality analysis result

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

2.1 數(shù)學(xué)模型

本文模擬計(jì)算采用CFD軟件為ANSYS18.0。由于鍋爐內(nèi)部存在繞流，湍流模型選擇的是可實(shí)現(xiàn)-雙方程湍流模型。煤粉的燃燒包括揮發(fā)分的析出、揮發(fā)分的燃燒和焦炭的燃燒過程，分別采用雙步競爭速率模型、PDF燃燒模型和動力/擴(kuò)散反應(yīng)速率模型模擬；輻射模型選用了精度較高，又不會帶來較多計(jì)算量的DO模型；通過離散項(xiàng)來描述煤粉顆粒的軌跡；NO計(jì)算采用后處理方式模擬，僅考慮熱力型和燃料型NO[17]，不考慮占比較少的快速型NO。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將下爐膛按噴口位置進(jìn)行分割，并采用Interface處理特定位置的網(wǎng)格來保證整體網(wǎng)格質(zhì)量[8]，對于爐膛內(nèi)部燃燒器區(qū)域進(jìn)行局部加密，具體網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

最終網(wǎng)格質(zhì)量為0.65，其中網(wǎng)格質(zhì)量大于0.6的網(wǎng)格占比僅為0.05%，滿足燃燒模擬網(wǎng)格質(zhì)量要求。網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證比較了網(wǎng)格數(shù)量分別為210萬、300萬以及360萬的模擬數(shù)據(jù)，其中煙氣流場網(wǎng)格數(shù)從300萬變化到360萬時(shí)，基本沒有變化，所以最終確定網(wǎng)格數(shù)量為300萬。

3 模擬工況

由于煤種由無煙煤變化為煙煤，因而取消原有的乏氣噴口，并調(diào)整相應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)，具體運(yùn)行參數(shù)見表2。同時(shí)在不改變鍋爐兩側(cè)墻的衛(wèi)燃分塊布置的基礎(chǔ)上，逐步減少前后墻衛(wèi)燃帶的面積，從前后墻下部往上逐步減少。本文考慮衛(wèi)燃帶面積分別為550、450、350、300 m2共4種工況。

表2 煙煤工況運(yùn)行參數(shù)

Tab.2 The operating parameters when firing bituminous coal

此外，為了提高低氮效果，在拱上3 m處增設(shè)24組燃盡風(fēng)，每個(gè)燃盡風(fēng)噴口對應(yīng)一組燃燒器，同時(shí)關(guān)閉D層風(fēng)，減少E層風(fēng)量，燃盡風(fēng)風(fēng)率設(shè)為20%，具體設(shè)置見表3。燃盡風(fēng)下傾角度設(shè)置為0°、20°、25° 3種工況。

表3 改造工況運(yùn)行參數(shù)

Tab.3 The operating parameters under refrofitting condition

4 計(jì)算結(jié)果及分析

4.1 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值模型選取的合理性及數(shù)值計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對爐膛出口模擬結(jié)果和實(shí)際測量結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果見表4。由表4可以看出，模擬結(jié)果均略高于實(shí)際測量結(jié)果，但誤差在允許范圍內(nèi)，表明模型選擇是合理可信的。

表4 爐膛出口參數(shù)模擬值與實(shí)際值

Tab.4 The simulation values and actual values of parameters at the furnace outlet

原始工況溫度及組分等計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖5a)可以看出，冷灰斗壁面附近溫度過高，容易結(jié)焦結(jié)渣，在到達(dá)上爐膛后，溫度開始升高，表明了煤粉在此區(qū)域的劇烈燃燒過程；從圖5b)和圖5c)也可以證明這一點(diǎn)，煤粉在離開噴口后，沒有立即燃燒，此區(qū)域的O2體積分?jǐn)?shù)一直保持在極高的水平，CO體積分?jǐn)?shù)則偏低，直到進(jìn)入上爐膛，O2體積分?jǐn)?shù)才有所下降，CO體積分?jǐn)?shù)得到提升；從圖5d)可以看出，NO集中在煤粉著火區(qū)域，爐膛中心的NO遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他區(qū)域。

圖5 原始工況計(jì)算結(jié)果

4.2 衛(wèi)燃帶面積的影響

衛(wèi)燃帶面積調(diào)整后，溫度等特征參數(shù)隨衛(wèi)燃帶面積變化曲線如圖6所示。衛(wèi)燃帶面積變化時(shí)，出口NO質(zhì)量濃度、爐膛出口溫度及飛灰含碳量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表5。

從圖6a)可以看出：冷灰斗區(qū)域溫度偏高，煤粉在下爐膛區(qū)域沒有得到燃燒，最后在上爐膛區(qū)域燃燒；不同衛(wèi)燃帶面積的溫度變化曲線基本類似，僅影響爐膛內(nèi)部的換熱量，而最終的爐膛出口溫度并沒有顯著變化，基本處于重合狀態(tài)；衛(wèi)燃帶面積為550、450、350、300 m2的爐膛出口溫度分別為1 536、 1 526、1 517、1 515 K，衛(wèi)燃帶面積的減少對于爐膛出口溫度的影響有限。另外，圖6b)和圖6c)的CO和O2體積分?jǐn)?shù)變化類似，雖然在爐膛內(nèi)部有較大變化，但是最終的出口參數(shù)基本不變，可見衛(wèi)燃帶變化對于最終的參數(shù)沒有顯著影響。此外，圖6c)的NO質(zhì)量濃度變化曲線也表明了這一點(diǎn)，衛(wèi)燃帶面積為550、450、350、300 m2的NO質(zhì)量濃度分別為571、567、563、581 mg/m3，彼此之間差距不大，但是飛灰含碳量卻隨著衛(wèi)燃帶面積而減小降低，分別為3.04%，2.75%，2.56%和2.25%。這是因?yàn)樾l(wèi)燃帶減少的是爐膛下部的部分，這些區(qū)域的換熱量增加，就會導(dǎo)致更高位置區(qū)域的換熱量的減少，反而促進(jìn)了該區(qū)域煤粉的燃燒，因此飛灰含碳量有所減少。

表5 爐膛出口模擬數(shù)據(jù)

Tab.5 The simulation values of parameters at the furnace outlet

4.2 衛(wèi)燃帶面積的影響燃盡風(fēng)下傾角度的影響

為了研究燃盡風(fēng)下傾角度的影響，固定衛(wèi)燃帶面積為300 m2，改變?nèi)急M風(fēng)下傾角度。圖7為燃盡風(fēng)不同下傾角度各參數(shù)隨爐膛高度變化曲線。出口NO質(zhì)量濃度、爐膛出口溫度及飛灰含碳量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表6。

從圖7a)可以看出：在加入燃盡風(fēng)后，冷灰斗區(qū)域的溫度下降，可以減少結(jié)焦的風(fēng)險(xiǎn)；煤粉流動至下爐膛時(shí)燃燒強(qiáng)度加強(qiáng)，溫度逐步上升，在燃盡風(fēng)位置后溫度達(dá)到最高值，最終降至1 510 K左右；不同下傾角度的曲線變化類似，出口溫度基本重合，在下傾角度為0°、20°和25°時(shí)爐膛出口溫度分別為1 513、1 516、1 520 K。而從圖7b)和圖7c)可以看出：在燃盡風(fēng)位置O2體積分?jǐn)?shù)略微上升，CO體積分?jǐn)?shù)則急劇下降，表明在此區(qū)域由于O2的補(bǔ)充煤粉燃燒劇烈；CO體積分?jǐn)?shù)最大值為下爐膛出口，O2體積分?jǐn)?shù)最低值則在此區(qū)域，已經(jīng)達(dá)到了分級改造的效果。而圖7d)的NO質(zhì)量濃度分布則表明：分級改造后，NO集中在冷灰斗區(qū)域附近；燃盡風(fēng)下傾角度為20°時(shí)，NO質(zhì)量濃度最高，而下傾角度為0°和25°時(shí)數(shù)據(jù)基本重合，在這3種下傾角度下爐膛出口NO質(zhì)量濃度分別為423、435、424 mg/m3，而飛灰含碳量則是2.71%，2.02%以及2.17%。

增設(shè)燃盡風(fēng)可以有效降低NO排放，但是燃盡風(fēng)下傾角度的變化沒有進(jìn)一步降低NO排放的效果。綜合考慮飛灰含碳量以及溫度場等因素，下傾角度為25°時(shí)，飛灰含碳量只有2.17%，相比于下傾0°的2.71%有所下降，同時(shí)NO排放量基本相同。所以可以認(rèn)為下傾角度為25°時(shí)低氮改造效果最好。

表6 爐膛出口模擬數(shù)據(jù)

Tab.6 The simulation values of parameters at the furnace outlet

5 結(jié) 論

1）W型鍋爐的煤種由無煙煤更換為煙煤后，為了避免結(jié)渣等問題，需要對衛(wèi)燃帶的布置進(jìn)行改造。模擬結(jié)果表明，鍋爐衛(wèi)燃帶面積的減少，可以降低飛灰含碳量和爐膛出口煙溫，但單純地改變衛(wèi)燃帶面積對NO排放量影響不大。

2）增設(shè)燃盡風(fēng)后，能夠有效地降低W型鍋爐的NO排放，并且飛灰含碳量僅有小幅度上升，對爐膛出口溫度也沒有太大的影響。

3）不同下傾角度對最終工況的影響有限。燃盡風(fēng)下傾角度從0°變化到25°，飛灰含碳量先下降后上升，NO排放變化不明顯。綜合考慮飛灰含碳量以及溫度場等因素，認(rèn)為下傾角度為25°時(shí)低氮改造效果最好。

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Numerical study on influence of refractory belt and OFA distribution on combustion of W-shaped boiler

CHEN Tao1, YU Jie1, WANG Kai1, ZHAO Feng2, QIU Jihua1, SUN Lushi1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Huayu Combustion Engineering Corporation, Wuhan 430074, China)

Technical retrofit was conducted on a 300 MW Foster Wheeler down-fired boiler for burning bituminous coal. Firstly, the area of refractory belt was reduced from 550 m2 to 450, 350 and 300 m2. Then, numerical simulation was carried out and the result shows that the reduction of the area of the refractory zone helps to reduce the carbon content in fly ash, while it affects little on NOx emission mass concentration (the NOx mass concentration is 571, 567, 563 and 583 mg/m3, respectively) . Via introducing the over fire air (OFA) containing 20% total volume of secondary air at 3 m high from the furnace top, the NOx mass concentration decreased from 581 mg/m3 to 423 mg/m3. When the downdip angle of the OFA changed from 0° to 25°, the carbon content in fly ash decreased from 2.71% to 2.02% at first, and then increased to 2.17%. The NOx emission mass concentration at three downdip angles was 423, 435 and 424 mg/m3, respectively, indicating the best OFA downdip angle was 25°.

down-fired boiler, OFA angle, refractory belt area, air staging transformation, carbon content in fly ash, numerical simulation

National Key Research and Development Program (2018YFB0604202);

陳濤(1994)，男，博士研究生，主要研究方向?yàn)殄仩t燃燒模擬，taochen@hust.edu.cn。

TK229.6；TK224.1+1

A

10.19666/j.rlfd.201903069

陳濤, 于潔, 王凱, 等. 衛(wèi)燃帶和燃盡風(fēng)布置對W型煤粉鍋爐燃燒影響模擬研究[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(12): 75-81. CHEN Tao, YU Jie, WANG Kai, et al. Numerical study on influence of refractory belt and OFA distribution on combustion of W-shaped boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 75-81.

2019-03-06

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0604202)

于潔(1983)，男，博士，副教授，yujie@hust.edu.cn。

（責(zé)任編輯 馬昕紅）