巴威W火焰鍋爐的燃燒及污染物數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究

田德建1，2,何屏1,石踐2,羅小鵬2,董委1

(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院，云南昆明650093；

2.貴州省貴州電力試驗(yàn)研究院，貴州 貴陽 550002)

摘要：為了研究某電廠一臺巴威公司300 MW的W火焰鍋爐在不同內(nèi)二次風(fēng)比例下，鍋爐熱效率變化規(guī)律及污染物排放的變化規(guī)律。借助數(shù)值模擬軟件Fluent,通過改變內(nèi)二次風(fēng)比例，得到在不同內(nèi)二次風(fēng)比例下爐內(nèi)溫度場，速度場，污染物濃度場。通過溫度場分析得出改變內(nèi)二次風(fēng)比例后，煤粉顆粒停留時間增加，鍋爐燃燒得到改善，溫度場也可以反映出火焰中心在下爐膛上部，通過速度場可以看出減小內(nèi)二次風(fēng)比例時，煤粉下沖行程變短，通過分析污染物濃度場，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)二次風(fēng)比例減小后，污染物總排放增加。并通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比，證明模擬結(jié)果是具有工程應(yīng)用價值的，為電廠運(yùn)行提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：W火焰鍋爐;數(shù)值模擬;工程應(yīng)用;溫度場;速度場

中圖分類號：TK229.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-6339 (2015) 05-0392-06

Abstract：To study the law of boiler efficiency and pollutants emission for a B&W W-flame boiler , Numerical simulation of combustion and SOx,NO emission in different inner secondary air ratios of a Beijing B&W W-flame boiler was carried out using the software of fluent.Changing inner secondary air ratio,the temperature,velocityfield,SOx，NO concentration distributions over the primary air burner cross section along the furnace height are shown.the results show that residence time for pulverized coal particle has increased obviously,which reduces the flame depth in the down furnace while pollutants increase greatly. Comparing the data from operation with the result from simulation under the same parameters,the result of numerical simulation is worth for engineering applications,giving some suggestions to power station.

收稿日期2014-10-09修訂稿日期2015-05-06

作者簡介：田德建(1983~)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閃火焰鍋爐的燃燒數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究。

Numerical Simulation of Combustion and SOx,NO Emission of a 300 MW W-fired Boiler of Beijing B&W Company and Experimental Study

TIAN De-jian1,2,HE Ping1,SHI Jian2,LUO Xiao-peng2,DONG Wei1

(1.Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of Science and Technology,

Kunming 650093,China;2.Guizhou Electric Power Testing&Research,Guiyang 550002,China)

Key words：numerical simulation;W-flame;engineering applications;temperature field;velocity field

中國電力的70%左右是由火電站提供的，大多數(shù)電站使用W火焰鍋爐。中國科學(xué)院工程熱物理研究所的郭建民[1]等對一臺300 MW的北京巴威公司生產(chǎn)的旋流對沖鍋爐在不同工況下進(jìn)行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與鍋爐熱態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比，兩者吻合情況較好。結(jié)果表明：在燃燒器出口形成了高溫區(qū)，使得煤粉著火及時，燃燒器區(qū)域維持較高溫度。浙江大學(xué)的吳猛等[2]對一臺北京巴威公司生產(chǎn)的330 MW對沖燃燒鍋爐的燃燒和污染物排放進(jìn)行了數(shù)值模擬，分別在額定負(fù)荷，55%額定負(fù)荷工況下得到流場，溫度場，煤粉顆粒場和NOx場，模擬結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)吻合較好。貴州電力試驗(yàn)研究院的候玉波[3]對一臺北京巴威公司300 MW的鍋爐進(jìn)行了爐內(nèi)燃燒數(shù)值模擬研究，得到了爐內(nèi)較為理想的燃燒工況，通過研究得到了一些有參考價值的數(shù)據(jù)。減少污染物排放和節(jié)能技術(shù)成為電廠急需的技術(shù)。加拿大能源資源部的H.Gao,A.J.Majeski,A.Runstedtler[15]三人用CFD商業(yè)平臺CFX—TASCflow軟件生成的CFD數(shù)據(jù)，CFD模型解出了時均守恒方程，以為氣體和煤顆粒進(jìn)行鍋爐運(yùn)行預(yù)測，并成功對一臺200 MW的電廠在運(yùn)四角切圓鍋爐進(jìn)行了數(shù)值模擬分析；分析表明：不到50%的燃燒器產(chǎn)生了80%的CIA，70%的CIA由兩種最大的顆粒產(chǎn)生。最重要的發(fā)現(xiàn)是：煤顆粒中的氧含量對于煤的燃燒完全起關(guān)鍵作用。并成功用于電廠鍋爐的燃燒調(diào)整。針對北京巴威公司的W火焰鍋爐的燃燒及污染物排放還沒有進(jìn)行過研究。本文針對貴州某電廠一臺由北京巴威公司制造的300 MW W火焰鍋爐進(jìn)行數(shù)值模擬，在不同內(nèi)二次風(fēng)比例條件下，研究鍋爐熱效率和污染物排放濃度，并結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明減少內(nèi)二次風(fēng)比例可有效提高鍋爐熱效率，但污染物排放也增加。

1鍋爐概況

北京巴威公司引進(jìn)美國B&W公司技術(shù)制造生產(chǎn)的B&W-1025/17.4-M型亞臨界壓力中間一次再熱自然循環(huán)汽包爐。鍋爐為“π”型布置，固態(tài)連續(xù)排渣，全鋼構(gòu)架全懸吊結(jié)構(gòu)，平衡通風(fēng)，露天戴帽布置。尾部設(shè)置分煙道，采用煙氣擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫(再熱器入口設(shè)事故噴水減溫裝置)，過熱蒸汽溫度采用兩級噴水減溫調(diào)節(jié)。鍋爐采用“W”火焰燃燒方式，并配備16只B&W專門用于燃用低揮發(fā)份燃料的濃縮型EI-XCL低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器。一次風(fēng)煤粉氣流在經(jīng)過濃縮型EI-XCL燃燒器彎頭前，先通過一段偏心異徑管加速，大多數(shù)煤粉由于離心力作用沿彎頭外側(cè)內(nèi)壁流動，在氣流進(jìn)入一次風(fēng)濃縮裝置之后，使50%一次風(fēng)和10%～15%煤粉分離出來，經(jīng)過乏氣管垂直向下引到乏氣噴口直接噴入爐膛燃燒。燃燒器配有雙層強(qiáng)化著火的軸向調(diào)風(fēng)機(jī)構(gòu)，從風(fēng)箱來的二次風(fēng)分兩股分別進(jìn)入內(nèi)層和外層調(diào)風(fēng)器，內(nèi)層二次風(fēng)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)氣流可以卷吸高溫?zé)煔庖济悍?，外層二次風(fēng)用來補(bǔ)充煤粉進(jìn)一步燃燒所需的空氣。內(nèi)、外二次風(fēng)設(shè)有手動軸向可調(diào)動葉，用以改變內(nèi)、外二次風(fēng)的旋流強(qiáng)度。內(nèi)、外二次風(fēng)的分配比例則通過手動調(diào)節(jié)調(diào)風(fēng)盤進(jìn)行。正常運(yùn)行時，只需調(diào)整調(diào)風(fēng)套筒的開度改變進(jìn)入燃燒器的二次總風(fēng)量即可。此外每個燃燒器下部有4個Φ259×5分級風(fēng)管從風(fēng)箱底部以45°傾角引入爐膛，用于托粉、補(bǔ)風(fēng)及改變“W”火焰的行程。

圖1　爐膛結(jié)構(gòu)簡圖鍋爐三維建模立體圖 (取爐膛深度方向?yàn)閤方向)

2數(shù)值模擬計(jì)算模型

以全爐膛為幾何模型并按實(shí)際尺寸建立模型，用Fluent6.3軟件模擬計(jì)算。計(jì)算區(qū)域?yàn)閺睦浠叶分翣t膛出口。采用Gambit2.4建立模型并劃分網(wǎng)格，由于物理模型復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方式，為燃燒器區(qū)域，下爐膛燃燒區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)格加密，以六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格為主，共生成2 385 441個體網(wǎng)格。數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算，對氣相采用Realizable k-ε模型，煤粉顆粒的運(yùn)動軌跡采用隨機(jī)軌道模型計(jì)算，采用單一速率反應(yīng)模型模擬煤的熱解過程，采用動力、擴(kuò)散模型模擬焦炭的燃燒，氣相燃燒模型采用了混合分?jǐn)?shù)/PDF概率密度函數(shù)模型，輻射換熱模型采用P1輻射模型。對守恒方程采用一階迎風(fēng)離散格式，對壓力-速度耦合采用SIMPLEC算法。整個煤燃燒采用非預(yù)混燃燒模型，污染物模型采用后處理計(jì)算。收斂標(biāo)準(zhǔn)各余項(xiàng)小于10-3,其中污染物模型及能量和輻射方程余項(xiàng)小于10-6。計(jì)算用煤種的特性分析如表1。

表1煤質(zhì)特性

工業(yè)分析/[%]元素分析/[%]低位發(fā)熱量/kJ·kg-1VafMarAarCarHarOarNarSarQar,net7.998.024.6461.732.090.980.921.6422962

2.1　數(shù)學(xué)模型

由于本模型的內(nèi)外二次風(fēng)均有旋流強(qiáng)度，為了較為準(zhǔn)確模擬旋流對燃燒的真實(shí)影響，湍流模型采用了修正的Realizable k-ε模型，在該模型中輸運(yùn)方程為

式中Gk——由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生項(xiàng)；

Gb——由于浮力引起的湍動能k的產(chǎn)生項(xiàng)；

YM——可壓縮湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；

C1ε，C3ε——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)；

ε——耗散率;

Sk,Sε——用戶定義的源項(xiàng)。

3污染物

NOx的排放主要是NO,其次是NO2和N2O，其中NO是一種無色有毒氣體，占煤燃燒所產(chǎn)生NOx總量的90%—95%。NOx會導(dǎo)致光化學(xué)煙霧，酸雨和臭氧消耗。燃煤中的硫可分為有機(jī)硫、黃鐵礦兩大部分，此外還有少量硫酸鹽硫，如果環(huán)境中氧氣濃度較高，一般被氧化為SO2,生成少量的SO3。SO2和SO3是酸雨形成的主要原因。本文應(yīng)用非預(yù)混燃燒模型，對污染物排放進(jìn)行后處理，精確的污染排放預(yù)測是不可能的，能對污染物排放的變化趨勢進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。因?yàn)榭焖傩蚇O和再燃型NO的量很少，只考慮熱力型NO和燃料型NO的生成。

4模擬結(jié)果分析和現(xiàn)場試驗(yàn)對比

4.1　結(jié)果與分析

從溫度場 (見圖2)可以看出，明顯的形成了W形狀的流場，正確的表現(xiàn)了W火焰爐的空氣動力特性，在前后墻爐拱下方形成了明顯的回流區(qū)域，有利于高溫?zé)煔獾木植炕亓鳎瑢τ诿悍鄣闹鸷头€(wěn)燃有促進(jìn)作用；從溫度場可以看出，受流場的影響，火焰正確的形成了W火焰形狀，是受熱態(tài)空氣動力場的影響的結(jié)果。從截面的溫度場可以看出，內(nèi)二次風(fēng)比例的減少，使火焰中心下移，在下爐膛形成了1700~1800K的高溫區(qū)域，同時煤粉顆粒在爐內(nèi)平均停留時間也增加(表3)，煤粉燃盡率提高(表3)，鍋爐固體未完全燃燒熱損失減少。因此減小內(nèi)二次風(fēng)比例有利于鍋爐燃燒的穩(wěn)定和提高煤粉燃盡率。

圖2　y=5.14中心截面溫度場分布

表2不同內(nèi)二次風(fēng)比例數(shù)值模擬參數(shù)及結(jié)果(內(nèi)二次風(fēng)比例的改變以基準(zhǔn)工況為基準(zhǔn))

計(jì)算工況基準(zhǔn)工況工況2工況3工況4內(nèi)二次風(fēng)比例/[%]10050250負(fù)荷/MW300300300300給煤量/kg·s-134.1134.1134.1134.11一次風(fēng)風(fēng)速/m·s-121.1521.1521.1521.15乏氣風(fēng)風(fēng)速/m·s-122.522.522.522.5一次風(fēng)風(fēng)溫/K393393393393內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)速/m·s-120.710.355.420外二次風(fēng)風(fēng)速/m·s-138.851.1362.8669.62分級風(fēng)風(fēng)速/m·s-137.437.437.437.4二次風(fēng)風(fēng)溫/K618618618618過?？諝庀禂?shù)1.221.221.221.22內(nèi)二次風(fēng)葉片角度/°45454545外二次風(fēng)葉片角度/°60606060

表3數(shù)值模擬工況數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

計(jì)算工況基準(zhǔn)工況工況2工況3工況4內(nèi)二次風(fēng)比例/[%]10050250煤粉顆粒平均停留時間/s7.1267.4557.5137.721煤粉燃盡率/[%]98.8499.3899.7799.92

從NO的濃度場(見圖3、圖4)和溫度場分布分析，在下爐膛高溫區(qū)域及下爐膛氧氣濃度較高區(qū)域生成了大量NO，雖然濃度不高，因?yàn)橄聽t膛容積大，所以下爐膛生成了大量的NO，從喉口位置到折焰角之間為煤粉燃盡區(qū)域，由于有高溫?zé)煔夂蜌堄嘌鯕獾淖饔?，又生成了一部分NO。在數(shù)值模擬的計(jì)算域出口附近，由于爐膛本身的流場不均勻，而且因?yàn)槭苷垩娼堑挠绊?，氣流在折焰角后有回流現(xiàn)象，氣流在垂直方向濃度分布不均，使得出口NO濃度分布極為不均勻。從溫度場，SO2和SO3體積濃度分布分析，兩種污染物主要在高溫區(qū)域和氧氣濃度較高區(qū)域生成，與NO的生成不同，SO2主要在燃燒器出口區(qū)域生成，SO3在氧氣較高區(qū)域生成較多，SO2和SO3主要在下爐膛下部氧氣濃度高的區(qū)域生成，在折焰角之后，由于存在回流區(qū)域及爐膛出口殘余旋轉(zhuǎn)較大，同樣導(dǎo)致爐膛出口流場不均勻，爐膛出口SO2和SO3分布也極不均勻，水平方向和豎直方向存在較大濃度梯度。從表4和表5可以看出，內(nèi)二次風(fēng)比例的減小，污染物總排放逐漸增加。

圖3　NO濃度分布曲線

圖4　NO濃度場分布

圖5　SOx濃度場分布

圖6　SOx濃度場分布

表4不同工況污染物排放濃度對比

工況基準(zhǔn)工況內(nèi)二次風(fēng)比例為50%內(nèi)二次風(fēng)比例為25%內(nèi)二次風(fēng)比例為0%計(jì)算平均濃度/ppm(NO)519637531637計(jì)算平均濃度/ppm(SO2)93094010501065計(jì)算平均濃度/ppm(SO3)2.12.64.34.1

表5不同工況污染總排放對比

計(jì)算工況基準(zhǔn)工況內(nèi)二次風(fēng)比例為50%內(nèi)二次風(fēng)比例為25%內(nèi)二次風(fēng)比例為0%污染物總排放/mg·Nm-33362355137303914

4.2　現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析(見表6、表7)，內(nèi)二次風(fēng)比例的減小，飛灰含碳量減少，爐渣含碳量減少，鍋爐熱效率提高，從而說明鍋爐的燃燒情況得到顯著改善。這說明數(shù)值模擬的結(jié)果是合理的。從表7實(shí)測數(shù)據(jù)可以看出，內(nèi)二次風(fēng)比例的減小，NO的排放濃度增加，SO2的排放也增加。這和數(shù)值模擬的趨勢吻合，說明數(shù)值模擬的污染物排放能夠準(zhǔn)確預(yù)測排放趨勢。

表6

工況內(nèi)二次風(fēng)葉片角度/°外二次風(fēng)葉片角度/°調(diào)風(fēng)盤開度/mm收到基低位發(fā)熱量/kJ·kg-1干燥無灰基揮發(fā)分/[%]飛灰含碳量/[%]爐渣含碳量/[%]鍋爐熱效率/[%]工況140651502021011.99.589.0687.65工況240651801917012.57.248.7688.51工況340652002189013.825.956.3290.62

表7

工況(同表6的工況)工況1工況2工況3NO排放濃度/ppm640768968SO2排放濃度/ppm8729921125

5結(jié)論

通過數(shù)值模擬來研究W火焰鍋爐的燃燒，能夠得到滿足工程精度的預(yù)測。結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)證明了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，通過二者結(jié)合，本文得出如下結(jié)論：

(1)減小內(nèi)二次風(fēng)比例，有利于煤粉的穩(wěn)燃及燃盡。

(2)適當(dāng)?shù)臏p小內(nèi)二次風(fēng)比例有利于提高鍋爐的熱效率，同時火焰的下沖能力減弱。

(3)減小內(nèi)二次風(fēng)比例，飛灰含碳量從9.58%(工況1)降到5.95%(工況3)飛灰含碳量降低了37%，鍋爐熱效率從87.65%(工況1)提高到90.62%熱效率提高2.97%的同時，NO和SO2，SO3的排放也增加，NO排放增加328 ppm，SO2增加253 ppm。

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