王為術(shù)， 黃志豪， 房 凡， 廖義涵

(1．華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，鄭州 450045； 2．西安熱工研究院有限公司，西安 710054)

高堿煤在全國(guó)儲(chǔ)量巨大，燃燒活性好，具有強(qiáng)沾污和強(qiáng)結(jié)渣特性，旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐是為解決純?nèi)夹陆邏A煤發(fā)電而研發(fā)的新型高效高堿煤燃燒設(shè)備。旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐兼?zhèn)湫L(fēng)爐和液態(tài)排渣鍋爐的特征，燃燒效率高，捕渣率高，可以全燒高堿煤發(fā)電，實(shí)現(xiàn)高堿煤的清潔高效利用。高堿煤賦存的堿(堿土)金屬嚴(yán)重影響爐內(nèi)燃燒[1-3]，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)高堿煤燃料特性開(kāi)展了很多研究。Song等[4]和Yang等[5]采用化學(xué)萃取對(duì)比研究了3種典型準(zhǔn)東煤在氣化過(guò)程中堿金屬的賦存形態(tài)和轉(zhuǎn)化行為，得到了粉煤灰的物理性質(zhì)。江鋒浩等[6]分析了高堿煤中堿金屬的賦存形態(tài)和結(jié)渣機(jī)理，同時(shí)結(jié)合高堿煤燃料特性，提出高堿煤結(jié)渣防治技術(shù)。對(duì)于鍋爐的燃燒調(diào)整與優(yōu)化，通常采用理論建模、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)、相似性物模試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。丘加友[7]采用冷模試驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)臥式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)氣流流動(dòng)特性進(jìn)行研究，優(yōu)化了旋風(fēng)燃燒器的設(shè)計(jì)及運(yùn)行參數(shù)。萬(wàn)中平等[8]對(duì)300 MW四角切圓鍋爐進(jìn)行了改進(jìn)，解決了鍋爐高溫腐蝕嚴(yán)重、NOx排放高的問(wèn)題。Al-abbas等[9-10]針對(duì)550 MW切向燃燒鍋爐，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件數(shù)值研究了不同氧氣濃度工況下?tīng)t內(nèi)褐煤燃燒情況，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證了CFD方法的可靠性，優(yōu)化了運(yùn)行參數(shù)，改善了空氣動(dòng)力場(chǎng)，提高了焦炭燃盡率。徐健健[11]和薄煜[12]分別對(duì)液態(tài)排渣臥式旋風(fēng)爐和水煤漿旋風(fēng)爐內(nèi)燃燒情況進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。李代力等[13]數(shù)值研究了不同配風(fēng)方案下液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)燃燒情況和NOx排放情況，驗(yàn)證了trap方式對(duì)爐內(nèi)近壁燃燒區(qū)運(yùn)動(dòng)顆粒的捕捉效果。Kuang等[14]研究了600 MW深度空氣分級(jí)燃燒鍋爐燃燒低揮發(fā)分煤種時(shí)的燃燒和NOx排放特性。

筆者針對(duì)純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐，基于CFD軟件數(shù)值研究了不同一次風(fēng)葉片傾角對(duì)其燃燒及NOx排放特性的影響，以期全燒高堿煤發(fā)電，為旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐的優(yōu)化運(yùn)行及設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 研究對(duì)象及計(jì)算方法

1.1 研究對(duì)象

以新型純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐為研究對(duì)象，該鍋爐是由液態(tài)排渣鍋爐改造而成的旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐，原鍋爐為德國(guó)BABCOCK公司生產(chǎn)的超高壓、雙U型、液態(tài)排渣、帶飛灰復(fù)燃裝置的塔式直流爐。為適應(yīng)純?nèi)几邏A煤，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)液態(tài)排渣鍋爐進(jìn)行改造，拆除原鍋爐上布置的16只雙調(diào)風(fēng)低NOx旋流燃燒器，并安裝16只高堿煤旋風(fēng)燃燒器及配套點(diǎn)火油槍系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，旋風(fēng)燃燒器安裝位置和葉片旋流方向均不變；增加高堿煤旋風(fēng)燃燒器支吊鋼架和彈簧支吊等支吊系統(tǒng)。旋風(fēng)燃燒器采用絕熱式，以減少對(duì)熔渣室吸熱及爐膛出口煙溫的影響。鍋爐燃料為新疆準(zhǔn)東高堿煤，煤質(zhì)特性見(jiàn)表1。旋風(fēng)燃燒器詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 煤粉燃料特性

表2 旋風(fēng)燃燒器參數(shù)

1.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

為減少網(wǎng)格數(shù)量，縮短計(jì)算時(shí)間，根據(jù)液態(tài)排渣鍋爐的結(jié)構(gòu)特性，選取其對(duì)稱部分作為最終的計(jì)算單元，按實(shí)際尺寸1∶1建模得到的純?nèi)几邏A煤旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐幾何模型如圖1(a)所示。建立的模型中爐膛寬度是原鍋爐的一半，為4 196 mm，爐膛深12 480 mm，燃盡室寬度為4 910 mm。圖1(b)為旋風(fēng)燃燒器區(qū)域俯視圖，圖中數(shù)字為燃燒器標(biāo)號(hào)，相鄰燃燒器的旋流方向均相反，這種布置方式可以增強(qiáng)煤粉與煤粉、煤粉與煙氣的混合程度，強(qiáng)化燃燒和換熱，提高鍋爐效率。

(a) 旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐幾何模型

為方便網(wǎng)格劃分，將整個(gè)計(jì)算域劃分為旋風(fēng)燃燒器區(qū)域、燃盡室區(qū)域、熔渣室、噴氨區(qū)域及豎直煙道區(qū)域。旋風(fēng)燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、湍流強(qiáng)度高，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格來(lái)適應(yīng)其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程；對(duì)于燃盡室區(qū)域和噴氨區(qū)域，考慮到與其他各區(qū)域之間的耦合作用，采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格劃分，以減小計(jì)算誤差；熔渣室形狀較規(guī)則，可采用非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格；豎直煙道形狀規(guī)則，采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格，其計(jì)算精度高，同時(shí)可以大幅減少網(wǎng)格數(shù)目。生成的網(wǎng)格模型見(jiàn)圖2。

圖2 旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算方法及模型選擇

數(shù)值模擬采用三維模型穩(wěn)態(tài)計(jì)算，旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)燃料燃燒劇烈，包含氣體流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)以及煤粉顆粒的高速旋轉(zhuǎn)和燃燒過(guò)程，其三維湍流流動(dòng)是高度復(fù)雜并伴有強(qiáng)旋流的過(guò)程。對(duì)于此種湍流流動(dòng)，使用RNGk-ε模型進(jìn)行求解。爐內(nèi)燃燒過(guò)程涉及氣體的流動(dòng)和煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)，是典型的氣固兩相流動(dòng)，采用歐拉-拉格朗日方法進(jìn)行模擬。揮發(fā)分熱解采用兩步競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型，氣相湍流燃燒采用非預(yù)混燃燒模型，焦炭燃燒采用動(dòng)力學(xué)/擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型。由于產(chǎn)生的熱量多、爐內(nèi)溫度高，煤粉在爐內(nèi)的燃燒過(guò)程主要以輻射傳熱的方式將熱量傳遞給水冷壁等其他受熱面，采用P-1輻射模型計(jì)算輻射傳熱過(guò)程。煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx主要分為熱力型、快速型和燃料型，由于煤粉顆粒燃燒生成的快速型NOx所占比例很少，這里僅考慮燃料型NOx及熱力型NOx[15-16]。

一次風(fēng)葉片傾角是旋風(fēng)燃燒器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要參數(shù)，其大小會(huì)直接影響煤粉顆粒在爐內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡和停留時(shí)間，進(jìn)而影響旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒及NOx排放特性，因此研究不同一次風(fēng)葉片傾角下?tīng)t內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、組分場(chǎng)和NOx濃度場(chǎng)至關(guān)重要。對(duì)4種一次風(fēng)葉片傾角下?tīng)t內(nèi)燃燒特性進(jìn)行數(shù)值研究，具體邊界條件見(jiàn)表3。

表3 模擬工況匯總

定義鍋爐熔渣室最低點(diǎn)的坐標(biāo)為z=0 m，旋風(fēng)燃燒器區(qū)域(z=-19.16～<-12.16 m)、燃盡室區(qū)域(z=-12.16～<-4.4 m)以及熔渣室右側(cè)區(qū)域(z=-4.4～<0 m)位于z軸負(fù)方向，熔渣室左側(cè)區(qū)域(z=0～<6 m)、噴氨區(qū)域(z=6～<16 m)及豎直煙道區(qū)域(z=16～57 m)位于z軸正方向。

2 結(jié)果與分析

2.1 氣流速度分布

圖3給出了不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)氣流速度分布。由圖3可知，不同工況下?tīng)t內(nèi)氣流速度變化趨勢(shì)相同，由于一次風(fēng)和二次風(fēng)均從旋風(fēng)燃燒器進(jìn)入，在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域氣流速度逐漸升高，隨后煙氣進(jìn)入燃盡室，氣流速度急劇下降到26 m/s左右，在燃盡室出口氣流速度下降到15 m/s左右。在熔渣室，由于其橫截面積減小導(dǎo)致該區(qū)域的氣流速度略有升高，最后煙氣流經(jīng)鍋爐豎直煙道，氣流速度緩慢下降直至趨于穩(wěn)定。從圖3還可以看出，一次風(fēng)葉片傾角對(duì)爐膛氣流速度的影響不大，其分布基本相同，對(duì)旋風(fēng)燃燒器區(qū)域的氣流速度分布略有影響，一次風(fēng)葉片傾角越大，一次風(fēng)入口速度越高，但是在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域，一次風(fēng)葉片傾角為40°工況下的氣流速度反而比一次風(fēng)葉片傾角為35°工況小，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)葉片傾角過(guò)大將會(huì)直接影響一次風(fēng)入口向下的軸向速度，當(dāng)煙氣流經(jīng)燃盡室時(shí)，氣流充分發(fā)展，此時(shí)4種工況下氣流速度基本一致，說(shuō)明一次風(fēng)葉片傾角僅對(duì)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的氣流有影響，對(duì)鍋爐主體的氣流速度分布并無(wú)太大影響。

圖3 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较蛩俣确植?/p>

2.2 溫度分布

圖4給出了不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐爐膛截面氣流平均溫度分布。由圖4可知，不同工況下?tīng)t內(nèi)平均溫度變化趨勢(shì)相同，均為先升高再降低最后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，爐內(nèi)平均溫度最高的區(qū)域在燃盡室區(qū)域，其次是在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域。一次風(fēng)葉片傾角越大，爐膛截面氣流平均溫度越高，4種工況下?tīng)t膛最高平均溫度為2 083 K，這是由于增大一次風(fēng)葉片傾角延長(zhǎng)了煤粉顆粒在旋風(fēng)燃燒器以及爐內(nèi)的停留時(shí)間，使煤粉燃燒更充分，釋放出更多的熱量。由圖4還可知，在旋風(fēng)燃燒器區(qū)域，一次風(fēng)葉片傾角為40°工況下的平均溫度比一次風(fēng)葉片傾角為35°工況低，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)葉片傾角過(guò)大導(dǎo)致煤粉在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，煤粉不完全燃燒比例增加，一次風(fēng)葉片傾角為40°工況下煤粉燃燒釋放的熱量較低；隨后煙氣進(jìn)入燃盡室，未燃盡的焦炭繼續(xù)燃燒燃盡，釋放熱量，該區(qū)域的平均溫度比一次風(fēng)葉片傾角為35°工況高。爐膛出口煙溫隨一次風(fēng)葉片傾角的增大而上升，一次風(fēng)葉片傾角從25°增大到40°時(shí)，爐膛出口煙溫升高114 K。

圖4 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较蚱骄鶞囟确植?/p>

2.3 組分分布

圖5～圖7分別為不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)O2、CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。

圖5 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较騉2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖6 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较駽O質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Distribution of CO concentration along the direction of flue gas flow under different conditions

圖7 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较駽O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Distribution of CO2 concentration along the direction of flue gas flow under different conditions

由圖5～圖7可知，不同工況下液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布特性一致，沿?zé)煔饬鞒谭较颍琌2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直降低，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低、再升高最后趨于穩(wěn)定，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后趨于穩(wěn)定。在燃燒初期，煤粉充足，煤粉燃燒消耗O2，生成CO2和CO，因此CO2和CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇上升，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速降低；在旋風(fēng)燃燒器中下部區(qū)域(z=-16～-13 m)，由于O2充足，該區(qū)域一小部分CO被氧化，導(dǎo)致CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)略有下降，相應(yīng)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)略升高；在旋風(fēng)燃燒器出口位置(z=-12.16 m)，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇下降的原因是煙氣的通流面積變大。在燃盡室區(qū)域，錯(cuò)列逆向的旋風(fēng)燃燒器布置方式使煙氣在該區(qū)域充分混合，煙氣攜帶的未燃盡顆粒繼續(xù)燃燒，生成CO和CO2，因此該區(qū)域的CO和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)均升高；當(dāng)煙氣流過(guò)熔渣室轉(zhuǎn)向進(jìn)入豎直煙道時(shí)，爐內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)均保持穩(wěn)定。由圖5～圖7還可知，一次風(fēng)葉片傾角越大，爐內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，z=0 m以后O2基本無(wú)剩余。因?yàn)橐淮物L(fēng)葉片傾角越大，煤粉顆粒在爐內(nèi)停留時(shí)間越長(zhǎng)，過(guò)大的一次風(fēng)葉片傾角會(huì)導(dǎo)致煤粉不完全燃燒量增加，生成的CO增加；一次風(fēng)葉片傾角從25°增大到40°時(shí)，爐膛出口CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升約44%。

2.4 NOx質(zhì)量濃度分布

圖8給出了不同工況下旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐爐內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布。由圖8可知，不同工況下?tīng)t內(nèi)NOx質(zhì)量濃度變化趨勢(shì)基本相同，在燃燒初期，O2充足，煤粉中的揮發(fā)分受熱分解，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)燃料型NOx和熱力型NOx大量生成，在旋風(fēng)燃燒器出口NOx質(zhì)量濃度達(dá)到峰值，煙氣進(jìn)入燃盡室，流通截面積增大，因此在燃盡室上部區(qū)域NOx質(zhì)量濃度下降；在燃盡室下部區(qū)域至熔渣室區(qū)域，煙氣中未燃燒完的焦炭繼續(xù)燃燒至燃盡，該區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸上升(見(jiàn)圖6)，部分NOx被還原生成N2，NOx質(zhì)量濃度逐漸下降；隨后煙氣流出熔渣室并繼續(xù)向上流動(dòng)，NOx質(zhì)量濃度基本保持不變。由圖8還可知，一次風(fēng)葉片傾角越大，爐內(nèi)主燃燒區(qū)NOx質(zhì)量濃度越高，當(dāng)一次風(fēng)葉片傾角從25°增大至40°時(shí)，主燃燒區(qū)NOx最高質(zhì)量濃度升高約1 022.91 mg/m3，這是因?yàn)橐淮物L(fēng)葉片傾角越大，氣流旋度越強(qiáng)，煤粉顆粒在爐內(nèi)尤其是在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間越長(zhǎng)，由煤粉受熱分解出的含N原子的中間產(chǎn)物越多，這部分中間產(chǎn)物與OH、O2反應(yīng)生成的NO也就越多，導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)整體NOx質(zhì)量濃度較高。當(dāng)一次風(fēng)葉片傾角為30°時(shí)，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度最低，且一次風(fēng)葉片傾角每增大或減小5°，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度會(huì)升高約110 mg/m3。

圖8 不同工況下沿?zé)煔饬鞒谭较騈Ox質(zhì)量濃度分布Fig.8 Distribution of NOx concentration along the direction of flue gas flow under different conditions

3 結(jié) 論

(1) 一次風(fēng)葉片傾角影響旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐燃燒特性，優(yōu)化一次風(fēng)葉片傾角可以改善爐內(nèi)流場(chǎng)分布，提高高堿煤燃燒效率，顯著降低NOx排放。

(2) 不同工況下?tīng)t內(nèi)溫度分布特性一致，沿?zé)煔饬鞒谭较虺尸F(xiàn)先升高再降低最后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)。沿?zé)煔饬鞒谭较驙t內(nèi)各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布具有規(guī)律性，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直降低，CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后降低、再升高最后趨于穩(wěn)定，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)先升高后趨于穩(wěn)定。

(3) 隨著一次風(fēng)葉片傾角的減小，爐膛出口煙溫降低，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度先降低后升高。綜合考慮各種因素，最佳的一次風(fēng)葉片傾角為30°。