李芳芹, 沈海燕, 王冠軍, 官貞珍, 程智海, 任建興

(上海電力大學 能源與機械工程學院, 上海 200090)

高堿煤是指含有較高堿金屬含量的煤種。國內(nèi)高堿煤主要產(chǎn)自新疆的準東地區(qū)。準東煤礦區(qū)存量大,在開采成本上有著天然的優(yōu)勢,對于燃煤鍋爐具有一定的利用價值[1-2]。但高堿煤也具有灰熔點不高、發(fā)熱量低和堿金屬含量較高等特點,燃燒特性和沾污結(jié)渣特性都與常用動力煤不同[3]。目前新疆準東地區(qū)在役的電站鍋爐設(shè)計煤種并非準東煤等高堿煤,對于高堿煤的利用方式主要還是摻燒低堿煤或高發(fā)熱量煤[4-5]。部分國內(nèi)燃煤電廠對燃用準東煤進行了摻燒試驗,容量主要集中在200～350 MW機組,且一般摻燒比例不超過50%[6-11]。對于600 MW及以上的超臨界、超超臨界機組試驗較少,多為關(guān)鍵參數(shù)選定和系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化[12-14]。本文以某1 000 MW超臨界四角切圓塔式電站鍋爐為研究對象,采用數(shù)值模擬的方法研究鍋爐燃用高堿煤對爐內(nèi)燃燒特性和結(jié)渣特性的影響。

1 研究對象概況

模擬對象為1 000 MW超超臨界塔式爐。鍋爐結(jié)構(gòu)、爐膛橫截面和燃燒器布置如圖1所示。

圖1 鍋爐結(jié)構(gòu)、爐膛橫截面和燃燒器布置示意

爐膛寬度和深度均為21.48 m,爐頂管中心標高為119.3 m。采用單爐膛塔式布置,中速磨煤機一次風正壓直吹式制粉系統(tǒng),四角切圓燃燒方式,擺動式燃燒器。鍋爐配置6臺石磨(中速磨煤機),其中5臺運行,1臺備用。煤粉燃燒方式采用同軸燃燒系統(tǒng),爐膛中心形成順時針切圓,偏置二次風包圍在外側(cè)形成大切圓。鍋爐共設(shè)有3組6層燃燒器,滿負荷運行時開上5層燃燒器,每層燃燒器有2個一次風噴嘴、1個油槍風噴嘴、1個端部二次風噴嘴、1個組合噴嘴,其中偏置二次風和直吹二次風各占約一半面積。在上層燃燒器頂部布置有2層緊湊燃盡風和6層分離燃盡風。一次風風率16.6%,風溫348 K,風速27.3 m/s;二次風風率80.1%,風溫607 K,風速60.3 m/s。鍋爐燃用神府東勝煤,煤質(zhì)特性如表1所示。

表1 設(shè)計煤種煤質(zhì)特性

2 數(shù)學模型與計算方法

2.1 建模與網(wǎng)格劃分

將從冷灰斗到爐膛頂部的區(qū)域作為計算區(qū)域,進行建模和網(wǎng)格劃分。由于燃燒器區(qū)域的燃燒程度比較劇烈,因此需要進行相對細致的網(wǎng)格劃分和加密[15-16]。在實際網(wǎng)格劃分過程中,將燃燒器區(qū)域的橫截面分為8個部分,采用Map方式生成面網(wǎng)格,高度方向采用Cooper方式生成體網(wǎng)格。由于其他區(qū)域不是重點研究的內(nèi)容,因此采用間隔稍大的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。最終生成的計算區(qū)域網(wǎng)格如圖2所示,計算區(qū)域所有網(wǎng)格總數(shù)約為170萬個。

圖2 鍋爐橫截面網(wǎng)格與總體網(wǎng)格劃分

2.2 計算模型選取

煤粉的燃燒過程包括輻射換熱、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒,同時爐內(nèi)又涉及復雜的氣相流動和湍流燃燒等過程。本文采用有限速率模型模擬氣相燃燒,采用Realizablek-ε雙方程模型模擬氣相的湍流流動,固體煤粉顆粒的求解采用隨機軌道模型,煤粉顆粒揮發(fā)分析出采用雙競爭反應模型,焦炭的燃燒采用動力/擴散模型,輻射傳熱采用P-1模型。

2.3 計算條件與計算方法

鍋爐配有6層燃燒器,5層投運,1層備用。初始工況滿負荷時的鍋爐給煤量為94.37 kg/s,一次風速和二次風速分別為27.3 m/s和60.3 m/s,一次風溫和二次風溫分別為348 K和607 K。采用均等配風,水冷壁壁面輻射率設(shè)置為0.7,冷灰斗的輻射率為0.92,過量空氣系數(shù)控制為1.2。煤粉平均粒徑遵循Rosin-rammer分布規(guī)律。擴散指數(shù)取n=2,最小粒徑為8 μm,最大粒徑為250 μm,平均粒徑為60 μm。

本文采用大南湖礦區(qū)準東煤作為典型高堿煤,將占總質(zhì)量不同比例的準東煤與神府東勝煤進行摻混,準東煤的煤質(zhì)特性如表2所示。

表2 準東煤煤質(zhì)特性

對于摻混得到的混煤,利用兩種煤的煤質(zhì)成分表可計算得到不同準東煤摻混比例下的混煤成分,以及燃燒所需的煤耗量和空氣量,如表3所示。

表3 不同摻混比例下的煤耗量和空氣量計算結(jié)果

關(guān)于結(jié)渣特性分析,本文根據(jù)煤灰成分擬合軟化溫度,并將擬合得到的軟化溫度作為燃燒數(shù)值模擬結(jié)果中混煤結(jié)焦傾向的評判指標。擬合方法采用SEGGIANI M等人[17]提出的公式進行計算,并通過CFD軟件帶有的Sample Trajectories功能可以獲得指定邊界上顆粒狀態(tài)的輸出文件,將大于煤灰軟化溫度并撞擊到壁面的顆粒視為結(jié)焦顆粒,以結(jié)焦顆粒質(zhì)量占總顆粒質(zhì)量的百分比作為判斷鍋爐水冷壁結(jié)焦程度的依據(jù)。目前該模型所得結(jié)果與實驗結(jié)果較為符合[18]。近似計算得出的軟化溫度折線相對于實測值誤差較小(均小于30 K),且變化趨勢與試驗性研究的結(jié)果和預期也較為相符[19-20]。

采用SIMPLE算法進行爐內(nèi)燃燒三維穩(wěn)態(tài)模擬,壓力方程采用PRESTO!格式以防止偽擴散,其他項離散格式均為二階迎風。選擇一次風和二次風噴口作為入口邊界,類型設(shè)為速度邊界條件,速度和溫度根據(jù)鍋爐實際運行給出的運行參數(shù)進行設(shè)置。出口邊界條件類型為一般出口類型,且選擇與水平煙道連接處作為出口邊界。壁面模擬方法采用標準壁面函數(shù)法,邊界條件為無滑移非滲透性固定壁面。熱力條件中壁面設(shè)置為定溫條件,用于模擬鍋爐墻壁與爐內(nèi)煙氣的換熱。

3 模擬結(jié)果驗證

初始工況滿負荷時,爐膛最上層一次風高度處橫截面的速度矢量圖如圖3所示。

圖3 鍋爐最上層一次風高度處橫截面的速度矢量圖

由圖3可以看出,切圓的對稱性和形態(tài)都較好,無明顯的偏斜和貼壁等現(xiàn)象。

圖4和圖5分別為爐膛中心縱截面和燃燒器區(qū)域各層一次風高度處橫截面的溫度分布圖。

圖4 鍋爐中心縱截面溫度分布

圖5 鍋爐各層一次風高度處橫截面溫度分布

由圖4和圖5可以看出,隨著爐膛高度的不斷升高,一次風中心橫截面的高溫區(qū)域也在不斷增大,對稱性較好,符合鍋爐燃燒的實際情況。由表3也可以看出,在摻混工況下,雖然煤耗量有一定程度的增加,但準東煤的理論空氣量較低,摻混準東煤后所需的實際空氣量相比初始工況的變化幅度很小,有利于在不同摻混工況下維持大體相近的速度場和切圓形態(tài)。

為進一步驗證模型的準確性,對鍋爐現(xiàn)場的熱態(tài)運行情況進行了測試,將模擬結(jié)果中的不同高度處橫截面中心溫度值與此處實測溫度值進行比較。試驗工況為正常滿負荷運行時的工況,與模擬計算時相同。實測數(shù)據(jù)的獲取方法是將鉑銠熱電偶裝入不銹鋼水套管內(nèi),經(jīng)過看火孔伸入爐膛中心處,測量該位置的溫度。選取爐膛內(nèi)的5個溫度測點,并與這些測點對應位置的模擬計算結(jié)果進行比照,結(jié)果如表4所示。由表4可以看出,計算結(jié)果與實測結(jié)果誤差較小,說明計算結(jié)果較為合理,反映了爐內(nèi)流動燃燒和傳熱特性。

表4 5個測點的溫度計算結(jié)果和實測結(jié)果比較

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 爐內(nèi)溫度場

控制總輸入熱值、過量空氣系數(shù)不變,在設(shè)計煤種中按0,20%,40%,60%,80%,100%的比例摻混準東煤的條件下,對這6種工況進行鍋爐燃燒熱態(tài)模擬。摻入的準東煤粒徑設(shè)為60 μm,與設(shè)計煤種相同。不同工況下,模擬得到的爐膛縱截面溫度分布如圖6所示。

由圖6可以看出,在不同的準東煤摻混比例下,鍋爐的高溫區(qū)形態(tài)基本相同。但隨著準東煤摻混比例的提高,鍋爐的整體溫度水平出現(xiàn)了一定程度的下降,且摻混比例越高,溫度水平的下降越明顯。在未摻混準東煤,即燃用神府東勝煤的工況下,爐膛范圍內(nèi)的溫度最高值約為1 930 K,而在燃用準東煤的工況下,最高溫度約為1 740 K,相差近200 K。因此,摻混準東煤對鍋爐燃燒的溫度水平會造成一定的負面影響。

圖6 不同準東煤摻混比例下的爐膛中心縱截面溫度分布

上述6種工況模擬得到的不同高度處的橫截面平均溫度折線圖如圖7所示。

圖7 不同準東煤摻混比例下沿爐膛高度方向的橫截面平均溫度分布

由圖7可以看出,隨著摻混比例的增加,爐內(nèi)溫度水平呈逐漸降低的趨勢。這一點也與鍋爐中心縱截面的溫度分布特征相似。結(jié)合鍋爐中心縱截面的溫度分布圖可以發(fā)現(xiàn),隨著摻混比例的增加,鍋爐的整體溫度水平都出現(xiàn)了下降,且摻混比例越高,下降幅度越明顯。由于總輸入熱值和過量空氣系數(shù)不變,即輸入條件未發(fā)生改變,因此可以認為摻混準東煤后,煤粉的熱值并未完全釋放,即煤粉的燃盡程度在不斷降低,不完全燃燒損失逐漸增加。當準東煤摻混比例較高時,較低的爐內(nèi)溫度水平已難以匹配鍋爐正常燃燒的條件。

4.2 結(jié)焦率

除了溫度水平之外,摻混高堿煤帶來的爐內(nèi)結(jié)焦結(jié)渣問題也不容忽視,而煤粉平均粒徑和摻混比例一樣,都與爐內(nèi)結(jié)焦結(jié)渣有著較強的關(guān)聯(lián)。將撞擊到壁面且溫度大于煤灰軟化溫度的顆粒視為結(jié)焦顆粒,用結(jié)焦顆粒的質(zhì)量除以總質(zhì)量,將得到的百分比作為最終的結(jié)焦率數(shù)值,用來判斷爐膛內(nèi)部的結(jié)焦程度。在不同的混煤煤粉平均粒徑和準東煤摻混比例下,將所有顆粒碰壁情況對應的溫度值進行平均計算,得到的煤粉顆粒平均碰壁溫度和總體結(jié)焦率如圖8所示。

圖8 不同煤粉粒徑和摻混比例下的顆粒平均碰壁溫度和總體結(jié)焦率

由圖8可以看出,6種模擬煤種所對應的結(jié)焦率變化曲線各不相同,但大致可分為以下3類:當準東煤摻混比例小于等于40%時,隨著煤粉平均粒徑的增大,結(jié)焦率出現(xiàn)先降低后升高的趨勢;當摻混比例高于40%時,結(jié)焦率總體上呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;而當摻混比例為100%即全燒準東煤時,結(jié)焦率總體較低。這是因為爐膛壁面溫度低于其軟化溫度,所以不易結(jié)焦。另外,全燒準東煤時,隨著煤粉平均粒徑的增大,結(jié)焦率也出現(xiàn)大幅降低。這是因為粒徑變大,著火點推遲,著火中心離壁面的距離加大,導致壁面溫度降低,不易結(jié)焦。

煤粉平均粒徑越大,在同一時刻的剩余未燃盡質(zhì)量也越大。增大的動量會相應提高煤粉顆粒撞擊壁面的概率和次數(shù),對應的運動軌跡也會更加傾向于撞擊壁面,間接提高了結(jié)焦率。同時,粒徑的增大會影響煤粉的燃燒完全程度,使燃盡率降低。這導致煤粉在撞擊壁面時的溫度也出現(xiàn)降低。因此,粒徑的增大又反而會間接降低結(jié)焦率的數(shù)值。

在不同工況下,上述兩方面影響并非同時使結(jié)焦率增大或減小,而是比重更大的一方占據(jù)主導。因此,在不同的摻混比例和粒徑組合下,結(jié)焦率數(shù)值表現(xiàn)出不同的變化趨勢:當準東煤摻混比例為0,20%,40%,且粒徑處于較小值(40～60 μm)時,由于粒徑的增大對溫度水平的影響強于對碰壁傾向的影響,表現(xiàn)為結(jié)焦率降低;粒徑處于較大值(60～100 μm)時,由于粒徑的增大對溫度水平的影響弱于對碰壁傾向的影響,表現(xiàn)為結(jié)焦率提高。在多數(shù)情況下,粒徑的增大對溫度水平的影響都強于對碰壁傾向的影響。當準東煤摻混比例為60%和80%時,隨著粒徑的增大,結(jié)焦率表現(xiàn)為逐漸降低,且摻混比例更高的工況結(jié)焦率降低的趨勢和幅度都更明顯。因此,粒徑的改變對結(jié)焦率造成的影響可以概括為對溫度水平的影響和對碰壁傾向的影響兩個方面,而這兩個方面的影響并不是同向的,對于爐內(nèi)結(jié)渣特性的影響是由這兩方面影響綜合決定的。尤其,當全燒準東煤且煤粉平均粒徑為100 μm時,計算發(fā)現(xiàn)結(jié)焦率為0.013 4%,已經(jīng)幾乎不存在結(jié)焦顆粒,也就是幾乎不存在爐內(nèi)結(jié)焦的問題,但這并不表示燃燒狀況更良好。觀察圖6和圖7可知,在全燒準東煤的情況下爐內(nèi)溫度水平相比初始工況大幅降低,已經(jīng)達不到正常燃燒狀況所具備的條件。結(jié)焦率數(shù)值低以致于煤粉顆粒碰壁時溫度基本都未超過軟化溫度,反而證明了爐內(nèi)溫度場相當惡劣。

5 結(jié) 論

本文以國內(nèi)典型1 000 MW超超臨界電站鍋爐為對象,保持鍋爐總輸入熱值和過量空氣系數(shù)不變,進行了摻燒髙堿煤對燃燒影響的數(shù)值模擬研究,結(jié)論如下。

(1)隨著高堿煤摻混比例的提高,爐內(nèi)溫度水平下降,當摻混比例較高時爐內(nèi)溫度水平的降低將導致燃料無法維持正常燃燒狀態(tài)。

(2)煤粉平均粒徑和摻混比例對爐內(nèi)結(jié)渣特性均有影響。不同摻混比例下粒徑改變后對于煤灰顆粒碰壁概率和爐內(nèi)溫度水平兩方面都有影響,最終影響其結(jié)焦率。