1、第 卷总第 期 年 月第 期 节 能 技 术 .超低负荷电站锅炉燃烧特性 模拟胡 耘吴晓岚陈智超(.清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室(国家能源集团科学技术研究院有限公司)江苏 南京.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院黑龙江 哈尔滨)摘 要:为了研究超低负荷下电站锅炉不同燃烧器布置方式对炉内煤粉燃烧等特性的影响采用 方法对一台 前后墙对冲电站锅炉进行了数值模拟研究 结果表明超低负荷下与投运 层燃烧器相比投运 层燃烧器的炉内温度分布更均匀火焰充满度更好燃烧更加稳定炉内气氛还原性更强 将燃烧器布置于下层 排放量减少燃尽率提升炉膛出口烟温降低综合考虑炉内温度、气氛分布和炉膛尾部参数在 超低负荷
2、下投运 层燃烧器并布置于下层为最佳工况关键词:超低负荷电站锅炉燃烧燃烧器布置数值模拟中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.(.).):.:收稿日期 修订稿日期 基金项目:煤粉炉全过程污染物高效治理协同降碳技术与示范()清洁高效燃煤发电与污染控制国家重点实验室开放课题()作者简介:胡耘()女博士高级工程师主要从事电力环保等方面的研究 引言 年我国明确提出了 年实现“碳中和”、年实现“碳达峰”的重大战略目标 近些年来我国可再生能源发电装机总量在不断增加截至 年 月底我国发电装机容量约.亿 其中可再生能源发电装机量为.亿 在 年上半年的时间内可再生能源发电装机量增加 万 占全国新增发电装机量的
3、 由于风电和太阳能发电具有间歇性、波动性、随机性等特点可再生能源发电的大规模并网消纳难以实现因此我国多次发生了“弃风弃光”的现象这不仅引起了能源的浪费还造成了经济的损失在这样的背景下火电机组良好的调峰性能使其成为了电网灵活调峰的基础调节能源在电网调峰中扮演着重要角色 目前受电网负荷峰谷差较大的影响燃煤机组出力降低甚至超出基本的调峰范围(深度调峰)已成常态 机组最低负荷运行的条件之一是锅炉侧在低负荷下的稳燃 陈智超等 对中心给粉旋流煤粉燃烧器进行了研究并已在多台电站锅炉上应用 本文将利用数值模拟的方法以一台采用中心给粉旋流煤粉燃烧器的 电站锅炉为研究对象研究超低负荷下不同的燃烧器布置方式对于炉内
4、燃烧等特性的影响本文的研究结果可以对深度调峰时超低负荷下该类型锅炉燃烧特性提供理论参考 研究对象本文的研究对象为某电厂一台 锅炉由北京 公司生产锅炉型号为 /.燃烧方式为前后墙旋流对冲燃烧 共 只燃烧器分三层布置在锅炉的前后墙锅炉机组采用的原型燃烧器是 型燃烧器属于美国巴威公司双调风燃烧器系列 后经过改造将锅炉燃烧器改进为中心给粉旋流煤粉燃烧器中心给粉旋流煤粉燃烧器结构简图如图 所示 并在上层燃烧器上方布置两层燃尽风装置两层燃尽风(只)于前后墙交错布置图 中心给粉旋流煤粉燃烧器结构简图锅炉结构及燃烧器、燃尽风布置如图 所示该锅炉配有 台 型磨煤机每台磨带一层 只燃烧器、磨煤机带前墙下、中、上三
5、层燃烧器、带后墙下、中、上三层燃烧器图 锅炉几何结构及燃烧器、燃尽风布置示意图 模型介绍.数学模型锅炉内的煤粉燃烧是一个复杂的过程涉及到湍流流动、燃烧、辐射换热和污染物生成等多个物理化学变化过程 本文选择的计算模型如下:()气相湍流模型湍流是一种复杂的不规则流动对于常规的数值模拟计算主要的湍流计算模型是 湍流模型其中 湍流模型能够预测中等强度的旋流适用于圆形射流问题本文选用 湍流模型模拟气相的湍流流动()辐射换热模型煤粉锅炉中的辐射传热量占炉膛传热量 以上因此辐射换热在燃烧数值模拟传热计算中被着重考虑而对流换热可以忽略不计 模型考虑气体与颗粒之间的辐射换热耗费计算资源少本文选取 辐射模型模拟炉
6、膛内的辐射换热()颗粒运动模型跟踪随机轨道()模型利用离散的随机跟踪法模拟瞬态湍流速度脉动对粒子轨迹的影响充分考虑了影响离散相脉动的各种物理因素和离散相湍流脉动对离散相的影响本文选取随机轨道模型模拟煤粉颗粒在炉膛内的运动()挥发分热解模型和焦炭燃烧模型本文采用由两个平行的一阶反应共同控制两个方程分别在高温和低温条件下主要控制的双步竞争速率()反应模型模拟煤粉颗粒挥发分热解采用动力扩散控制(/)反应速率模型模拟焦炭燃烧 ()气相化学反应模型用非预混/概率密度函数(/)模型模拟挥发分气相燃烧概率密度函数模型基于统计描述将流场的速度、温度和组分浓度等作为随机变量研究其在相空间上概率密度函数的传递行为
7、常用于煤粉燃烧数值模拟计算中()污染物 生成模型氮氧化物可以分为热力型、燃料型 和快速型 其中快速型 主要存在于烃类燃料燃烧过程本文不考虑快速型 的生成对于热力型 选用 模型燃料型 采用 模型.计算条件根据炉膛的实际尺寸将全炉膛作为计算域建立计算模型网格采用结构化网格为了节约计算资源、提高计算效率对全炉膛进行分区域网格划分结构化网格对于计算机生成网格计算量小并且能较好地控制网格质量同时保证边界层网格计算更容易达到收敛 将燃烧器区域网格加密以准确模拟该区域的流动、燃烧反应特性 经过网格无关性验证最终选取网格数量为 网格划分结果如图 所示 数值模拟燃用煤种为烟煤煤粉颗粒直径按照 方法分布最小粒径为
8、.最大粒径为.平均粒径为.均匀性系数 .煤质工业分析和元素分析见表 图 燃烧器及炉膛网格划分结果表 工业分析及元素分析工业分析/元素分析/.在负荷为 的情况下对投运 层燃烧器布置于前墙下、中和上层以及投运 层燃烧器布置于前后墙下、中和上层共计 个工况进行计算分别对应模拟工况 考虑未投运的燃烧器通入冷却风每层燃烧器冷却风量为投运层二次风量的 燃尽风率 具体的模拟工况见表 表 数值模拟工况安排投运燃烧器层数/层计算燃料消耗量/一次风量/一次风温/二次风量/二次风温/.计算结果与讨论.数学模型验证为了验证上述数学模型选取的正确性采用相同的数学模型对.中试热态试验台进行数值模拟将数值模拟的结果与本课题
9、组前期工作中的实验数据进行对比 将数值模拟得到的/.处的参数与实验结果相对比对比结果见表 这表明本文选用的数学模型在一定程度上能够预测炉内真实的燃烧、传热以及 排放等特性表 模拟与实验结果对比项目/.处 浓度/误差/.处 浓度/误差/.处 浓度/误差/.处温度/误差/模拟值.实验值.计算结果如图 所示为实验数据提取位置示意图计算云图的提取截面为 提取线为 面为平行于对应炉膛中心对称面且经过燃烧器中心的炉膛纵截面 对应于炉膛中心线位置图 实验数据提取位置示意图.炉膛温度分布特性研究图 和图 为燃烧器六种不同布置方式的情况下沿炉膛高度方向截面平均温度分布图和炉膛 截面上的温度分布云图 在投运 层燃
10、烧器(工况 )和 层燃烧器(工况 )的情况下沿炉膛高度方向上的平均温度总体变化趋势相似 随着炉膛高度的增加炉内截面平均温度迅速升高炉内温度依次在投运层燃烧器中心高度以上出现峰值工况 的截面平均最高温度约为 而工况 的截面平均最高温度约为 煤粉通过燃烧器进入炉膛内在燃烧器中心高度附件进行燃烧放热 而经过投运燃烧器区域后炉膛水冷壁吸收大量热并且温度较低的燃尽风和漏风空气进入炉膛导致温度迅速下降 随着高度增加未燃尽的碳在燃尽风的补充下继续燃烧温度又有很小幅度的上升而后水冷壁继续吸收大量热量导致温度逐渐降低 投运 层燃烧器时煤粉颗粒通过两层对冲的旋流燃烧器进入炉膛在炉膛内分布更为均匀且与空气混合更加充
11、分所能达到的温度峰值更高如图 相同燃烧器投运数量下炉膛内高温区域形状相似在上升气流的作用下高温区域均向炉膛上方延伸投运 层燃烧器高温区域面积逐渐减小形状逐渐不规则炉内温度分布不均匀燃烧不稳定容易造成烟温和烟速偏差严重时造成尾部高温受热面超温爆管 投运 层燃烧器的情况下炉内温度分布较为均匀其中布置于下层(工况)的情况下火焰充满度更好.炉内气体分布特性研究为了综合研究炉内 生成和分布特性分别研究了炉内、浓度分布和沿炉膛高度方向截面平均 浓度分布图 和图 为 种燃烧器布置方式下炉膛中心面上 和 浓度分布云图 由图可知在 种工况下 均产生于燃烧器出口处区域投运 层燃烧器的工况下煤粉与空气混合状况不良炉
12、膛内流场组织燃烧的能力不足导致炉内煤粉燃烧位置较为发散炉内 高浓度区域面积更大且有偏向于水冷壁的趋势这对于水冷壁高温腐蚀有着不利影响 投运 层燃烧器的情况下煤粉燃烧初期能够更好地与 发生反应生成 的量相对较少且较为集中于炉膛中心位置图 沿炉膛高度截面上平均温度分布图 炉膛截面(面)温度分布云图图 炉膛截面(面)浓度分布云图图 炉膛截面(面)浓度分布云图 图 和图 为六种燃烧器布置方式下沿炉膛高度方向截面平均 浓度分布和炉膛中心面上 浓度分布云图在各个工况下沿炉膛高度的截面上 浓度水平介于 之间 煤粉通过燃烧器进入炉膛后挥发分析出释放出 和、焦炭中的 以及空气中的 与 发生反应生成 又可以与、和
13、焦炭反应而被还原 在主燃区附近投运 层燃烧器的工况下 浓度水平更低经计算投运 层燃烧器和 层燃烧器的情况下主燃区的过量空气系数分别为.和.经过燃烧反应前者主燃区的气氛还原性要强于后者 因此在主燃区附近投运 层燃烧器的情况下 浓度水平()低于投运 层燃烧器的情况()随着炉膛高度增加燃尽风补充至炉膛未燃尽的焦炭会继续燃烧生成焦炭 导致 浓度小幅上升而后小幅下降保持到炉膛尾部图 沿炉膛高度截面上平均 浓度分布图 炉膛截面(面)浓度分布云图 由图 可知投运 层燃烧器的方式下整体 浓度工况 高于工况 工况 高于工况 而投运 层燃烧器的方式下整体 浓度工况 高于工况 工况 高于工况 这是因为燃烧器投运位置
14、靠近下方时火焰中心位置靠下且未投运的燃烧器存在漏风一定程度上加强了煤粉空气分级燃烧 生成量也会相应降低 而通过比较工况 和工况、工况 和工况、工况 和工况 可以看到相同燃烧器投运高度不同燃烧器层数其 生成特性也存在差异 投运 层燃烧器的情况下炉膛整体 浓度相对于投运 层较低 结合图 和图 可以看到前者炉内低氧气浓度、高 浓度区域面积更大属于还原性气氛能够抑制 生成、易于 的还原.炉膛出口参数图 为六种燃烧器布置方式下炉膛出口位置、浓度 由图可知工况 炉膛出口 浓度为.、.、.、.、.和.浓度变化不大 分 别 为.、.、.、.、.和.浓 度 分 别 为.、.、.、.、.和.可以看到炉膛出口 浓度
15、基本不变 排放无明显规律 在超低负荷下燃烧器布置方式对 排放有一定影响 停运上层燃烧器投运下层燃烧器炉膛火焰中心降低空气分级效果更加明显 燃烧区域到出口处的距离变长更多的 被还原 排放浓度减少图 为六种燃烧器布置方式下炉膛出口烟温 由图可知工况 炉膛出口烟温分别为.、.、.、.、.和.可以看到燃烧器投运位置越靠上炉膛出口处的烟气温度越高 其原因是煤粉进入炉膛发生燃烧的位置更高燃烧中心位置也更高燃烧高温区域到尾部距离更近图 炉膛出口气体浓度图 炉膛出口烟温图 为六种燃烧器布置方式下炉膛出口处测得的飞灰含碳量 由图可知工况 炉膛出口处飞灰含碳量分别为.、.、.、.、.和.通过比较可以发现投运 层燃
16、烧器的情况下炉膛出口处飞灰含碳量明显低于投运 层燃烧器的情况说明 超低负荷下从燃料燃尽的角度相比投运 层燃烧器效果要好于投运 层燃烧器 这是因为在前者的情况下炉内煤粉与空气混合更加充分燃烧燃尽效果也相应更加良好 投运 层燃烧器的情况下燃烧器投运的位置对出口飞灰含碳量的影响不大而在投运 层燃烧器时投运下层燃烧器能明显减小炉膛出口飞灰含碳量这是因为在这样的布置方式下煤粉从下层燃烧器进入炉膛在炉膛内的停留时间更长有助于煤粉燃尽 结论本文通过数值模拟的方法以一台应用中心给粉旋流煤粉燃烧器的 对冲电站锅炉为研究对象在超低负荷不同燃烧器布置方式的情况下研图 炉膛出口飞灰含碳量究其炉内温度、和 浓度分布以及炉膛出口烟温、出口处、浓度、出口处飞灰含碳量等特性 结果表明:()投运 层燃烧器截面平均最高温度约为 投运 层燃烧器截面平均最高温度约为 投运 层燃烧器的情况下炉内温度分布较为均匀火焰充满度更好()在主燃区附近投运 层燃烧器的情况下 浓度水平低于投运 层燃烧器的情况但在炉膛尾部前者 浓度介于 之间后者介于 之间()在投运燃烧器层数一定时布置于下层有助于减少 的排放 燃烧器布置位置越靠上炉膛出口处的
