火焰中心高度对W型火焰锅炉燃烧影响的数值模拟研究

对W型火焰锅炉燃烧影响的数值模拟研究

高正阳,崔伟春,杨毅栎,阎维平

华北电力大学能源与动力工程学院,河北保定󰀁071003

[摘󰀁󰀁󰀁要]󰀁火焰中心位置是影响W型锅炉燃烧的重要因素。利用数值模拟技术对某电厂300

MW机组W型火焰锅炉炉内燃烧进行了3个工况的计算。通过分析各个工况下炉内温度场、侧墙结渣原因、NOx排放量以及炉膛出口处飞灰含碳量得出,炉内火焰中心位置下移时,下炉膛内温度水平升高,侧墙附近和炉膛中部压差减小,NOx排放量明显降低,炉膛出口处飞灰含碳量基本上呈线性降低。

[关󰀁键󰀁词]󰀁300MW机组;W型火焰锅炉;NOx排放;火焰中心;燃烧特性;数值模拟[中图分类号]󰀁TK229

[文献标识码]󰀁A

[文章编号]󰀁1002-33(2009)11-0023-05[DOI编号]󰀁10.3969/j.issn.1002-33.2009.11.023

STUDYONNUMERICALSIMULATIONCONCERNINGINFLUENCEOF

FLAMECENTREHEIGHTUPONCOMBUSTIONIN

W-SHAPEDFLAMEBOILER

GAOZheng-yang,CUIWei-chun,YANGYi-li,YANWei-ping

CollegeofEnergyandPowerEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Baoding071001,HebeiProvince,PRC

Abstract:ThepositionofflamecentreisanimportantfactoraffectingthecombustioninW-shapedflameboilers.Byusingthenumericalsimulationtechnology,thecombustioninW-shapedflameboilerfora300MWunitinonepowerplanthasbeencalculatedunderthreeoperatingconditions.Througha󰀁nalysisofthetemperaturefieldinfurnace,thecausesresultinginslaggingonsidewalls,theconcentra󰀁tionofNOxemission,andtheunburnedcombustiblesinflyashatoutletofthefurnaceunderdifferentoperatingconditions,itisobtainedthatthetemperaturelevelinthelowerfurnaceriseswhentheflamecentreinthefurnacehasmoveddownwards,reducingthepressuredrfferencebetweennearbysidewallsandthecentralpartofthefurnace,decreasingsignificantlytheconcentrationofNOxemission,theunburnedcombustiblecontentinflyashatoutletofthefurnacebeingreducedbasicallyinlineari󰀁ty.

Keywords:300MWunit;W-shapedflameboiler;flamecentre;combustioncharacters;numericalsim󰀁ulation

E-mail:󰀁shanxiweichuno@163.com

󰀁23

󰀁󰀁W火焰锅炉是我国燃用低挥发分煤的主要锅炉,但目前国内运行的一些W火焰锅炉普遍存在燃烧效率差,NOx排放量高,结渣严重等问题[1]。

火焰中心高度是影响W火焰锅炉运行的关键因素。火焰中心偏高,将导致煤粉颗粒在炉膛内停留时间不足,飞灰含碳量增加,炉膛出口烟气温度升高,高温过热器及再热器超温可能性增大;火焰中心偏低,使煤粉着火距离增加,对着火稳定性产生一定影响,且火焰冲刷冷灰斗可能导致冷灰斗区域结焦。此外,火焰中心对NOx的排放也有显著的影响,因此研究W火焰锅炉火焰中心高度对锅炉运行的影响规律具有重要意义。

本文针对某电厂300MW机组W型火焰锅炉,利

用CFX󰀁TASCFLOW软件对该锅炉炉内燃烧过程进行了计算,在验证了模型正确性的基础上,提出通过提高一次风速来降低火焰中心高度的3个工况,并对各工况下炉内燃烧的流场、温度场、飞灰含碳量和NOx排放量进行了比较,研究火焰中心高度对W型火焰锅炉燃烧特性的影响规律[2,3]。

1󰀁研究对象及其计算模型

本文的研究对象为某300MW机组的亚临界、中间一次再热、W火焰、固态排渣、自然循环锅炉,配A、B、C、D共4台磨煤机,在炉膛拱部共有24只双旋风筒式燃烧器。锅炉燃用煤质分析见表1。

表1󰀁燃用煤质分析

Car/%63.06

Har//%2.2

Oar/%2.57

Nar/%0.97

Sar/%1.61

Aar/%23.86

Mar/%5.73

Vdaf/%9.42

Qar/kJ󰀂kg-1

23750

󰀁󰀁二次风分6股从不同位置送入炉膛,A、B二次风从拱部与一次风粉流同向送入炉膛;D、E、F二次风从前后墙不同高度送入炉膛;C二次风用于油供风。燃烧器布置如图1所示。锅炉正常运行时,C挡板全关。

传热采用Diffusion模型,收敛标准为残差小于10-4。

图2󰀁计算区域网格生成

共进行了3个工况的数值模拟,工况1为实际运行工况,燃煤量为123t/h,总风量为297.5kg/s,一次

图1󰀁燃烧器示意

风率为16.12%,主一次风风速为18.5m/s,入口处一次风温为373K,二次风温为618K。工况2中一次风速为24.7m/s,工况3中一次风速为27.8m/s,3个工况一次风量相同。采用锅炉运行实际风量进行计算。

采用CFX-TASCFLOW平台进行模拟计算,计算区域为从冷灰斗至炉膛出口。采用结构化网格,使用ICEM软件划分,生成万个网格(图2)。数值模拟采用三维稳态计算,对湍流气象流动采用标准k-󰀁双方程模型,在近壁面处采用log-law壁面函数法处理。挥发分的燃烧反应采用多步涡团耗散模型,焦炭燃烧采用动力扩散模型。颗粒项采用拉格朗日颗粒轨道模型,颗粒直径分布遵循RosinRammler分布,辐射

󰀁24

2󰀁数值模拟结果分析

使用抽气热电偶对4个不同位置处炉内烟温进行了测量。实测烟温与相应位置计算温度对比见表2。

经过对比,4个测点处计算值与测量值相对误差绝对值均小于10%,这表明计算模型比较准确。

表2󰀁计算结果与运行结果比较

项目测点

1234实测温度/ 1420128014501090计算温度/ 155613841387

1042

相对误差/%

9.58

8.12

-4.34-4.40

图3所示为工况1中距离右侧墙11.88m截面处图4󰀁炉膛中心截面温度沿炉高分布曲线

温度场分布。由图3可见,实际运行中炉膛中高温区焰中心高度分别为13.16、12.20、11.22m,即从工况比较偏上,上炉膛基本全部是高温区,而下炉膛内火焰充满程度则并不理想,这表明从一次风口喷入的煤粉1到工况3的火焰中心逐渐降低。火焰中心高度降低时,煤粉颗粒在下炉膛内停留时间会增加,煤粉燃烧充颗粒在下炉膛内的行程和停留时间偏短,在下炉膛着分,下炉膛内温度水平升高。比较工况1和工况3,当火后,燃烧主要在上炉膛进行。煤粉颗粒在上下炉膛炉内火焰中心高度降低1.94m时,火焰中心温度升高总的停留时间偏短,将导致煤粉颗粒在未燃尽前即飞出炉膛,从而使整个炉膛水冷壁吸热下降,过热器内的 。

锅炉在炉高10~14m侧墙处有严重的结渣现象。蒸汽吸热降低,炉膛出口飞灰含碳量增加。因此,对工高温区及煤焦颗粒的存在是结渣发生的必要条件。

况2、工况3,从燃烧角度考虑,应该使火焰下移,提高图5所示为各工况下右侧墙处的温度情况。在工煤粉颗粒在炉膛内的停留时间,降低飞灰含碳量。

况1中,高温区域主要出现在炉膛高度大约为12~16m处;工况2和工况3中高温区域主要出现在9~14m范围内,相对工况1,高温区域明显下移,与图4中温度变化相符。

图3󰀁工况1温度场

图4为不同计算工况下沿炉膛深度方向中心截面平均烟气温度沿炉高分布曲线。从图4可以看出,沿炉膛深度方向中心截面烟气温度随高度的增加呈先上图5󰀁各工况右侧墙处温度

升后下降的变化趋势,烟气温度在某一高度上达到最大。本文定义该曲线上最高温度对应的炉膛高度为火图6为在炉高12m处从右侧墙到炉膛中部的压焰中心高度。

力变化趋势,定义右侧墙为炉宽方向起点,炉膛中部为由于工况1到工况3的一次风速逐渐增大,一次炉宽12m处。由图6可见,从右侧墙到炉膛中部,各

风粉在炉内的穿透力增强,下冲程度增大,导致火焰中工况下压力都呈增长趋势,说明越靠近右侧墙,压力越心下移。由计算结果可知,工况1、工况2、工况3的火

低。因为沿着炉膛宽度方向在侧墙附近没有一、二次

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风送入,这导致侧墙附近压力偏低,从靠近侧墙的一、二次风口送入的风在进入炉膛后必然向侧墙流动,带动煤粉运动到侧墙附近燃烧(图7)。此外,3种工况下侧墙附近高温区域温度均在1900K以上,所以很容易引起结焦。

图8󰀁火焰中心高度对NOx排放的影响

NOx的生成量(图9)。另一方面是因为火焰中心高度降低时,炉内CO浓度增大,使得CO本身对NOx的还原增强,而且会进一步催化煤焦中C与NOx的反应,

图6󰀁压力沿炉宽方向变化曲线

将NOx还原为N2(图10)。

图9󰀁炉内氧浓度随炉高变化曲线

图7󰀁靠近右侧墙处煤粉颗粒轨迹

由于工况2和工况3火焰中心较低,下炉膛内温度水平较工况1高,所以压力也较高。从右侧墙到炉膛中部的压力增长趋势看,工况1变化幅度较大,工况2和工况3变化较平缓。可见,火焰中心高度降低时,因为侧墙附近和炉膛中部的流场压差减少,煤粉颗粒向侧墙的运动减弱。

图8为炉膛出口处NOx排放随火焰中心高度变化的趋势。由图8可见,NOx排放量随火焰中心高度的降低而明显减少。在火焰中心高度降低了1.94m的情况下,NOx排放量降低了16.6%。

由图4可知,当火焰中心降低时由于炉内温度升高,热力型NOx生成量可能会增大。但由图8可见NOx最终排放量随火焰中心高度的降低而减少。这一方面是因为当火焰中心高度降低时,煤粉颗粒在炉内停留时间增加,燃烧充分,消耗氧量增多,使得炉内O2浓度有所降低,从而在很大程度上减少了燃料型

󰀁26

图10󰀁炉内CO浓度随炉高变化曲线

煤粉在炉内的燃烧分为挥发分的燃烧和焦炭的燃烧,着火过程主要取决于煤中可燃基挥发分的大小,而燃尽过程主要取决于焦炭的燃烧速度。根据实际经验,一般着火时间长的燃料,所需的燃尽时间也相应较长。W火焰锅炉燃用的无烟煤挥发分较低,活化能大,反应能力低,着火温度最高,需要减少周围散热,维持高温状态,才能稳定着火,所以在燃烧过程中存在着火难和燃尽难的问题。当煤粉燃烧不完全时,飞灰中会有未燃烧和未燃尽的碳存在。对于燃烧无烟煤的W火焰锅炉,飞灰含碳量高是其运行中主要的问题之一,飞灰含碳量高会引起不完全燃烧热损失增大,严重

影响锅炉的热经济性。炉膛温度和燃料在炉内的停留置,部分煤粉颗粒会运动至侧墙燃烧,导致侧墙温度时间是影响飞灰含碳量的主要因素。

高,易结渣。

图11所示为炉膛出口处飞灰含碳量随火焰中心(2)火焰中心高度降低时,煤粉颗粒在下炉膛内停高度变化的变化曲线。由图1可见,随着火焰中心高留时间增加,燃烧充分,下炉膛温度水平升高,飞灰含度的降低,炉膛出口处飞灰含碳量基本上呈线性下降。碳量降低。火焰中心高度由13.16m降低到11.22m火焰中心高度由13.16m降低到11.22m时,飞灰含时,飞灰含碳量由10%降低到8.3%。

碳量由10%降至8.3%。这是因为火焰中心下移后,(3)火焰中心高度降低时,炉内氧浓度降低,CO煤粉颗粒在下炉膛内停留的时间增加。通过粒子轨迹浓度增大,对NO的减排效果明显。在火焰中心高度图得出,工况1中煤粉颗粒在炉内的停留时间为2.5降低1.94m的情况下,NOx排放量降低了16.6%。

s,工况3中煤粉颗粒在炉内的停留时间为3.75s;另一方面,火焰中心下移导致下炉膛内燃烧充分,温度水[参󰀁考󰀁文󰀁献]

平升高,使得煤粉颗粒燃尽率增大。

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(上接第14页)

分布偏低,因此即使长期在这种工况下运行,主蒸汽管表2󰀁P92钢主蒸汽管道安全性评估寿命预测综合分析结果

道也有很长的寿命。由此可见,应该用全作用载荷谱方案分析条件组合预测寿命/万h

寿命安全系数/St

来分析、评估高温高压部件的实际寿命。

1薄壁+常规50.01.662薄壁+下边界17.70.593厚壁+常规85.02.803󰀁结󰀁语

4

厚壁+下边界

32.4

1.08

在华能玉环电厂一期1号、2号机组构建了CMLMS,系统投入使用以来运行稳定可靠,为超超临界机组高由表2可以看出,对偏于安全的!薄壁-下边界持温高压部件实时在线监测提供了诸多衡量运行品质、久强度∀条件组合(方案2)的分析结果表明这种薄壁优化运行和反映设备运行安全性的指标,为金属监督、管寿命安全系数和预测寿命均较低。结合安全时间考寿命管理、运行优化和检修支持提供了有效信息。利虑,这种薄壁主蒸汽管道约有12万h的寿命。用该系统获得的全作用载荷谱,对P92钢主蒸汽管道管道寿命与全作用载荷谱分布特点密切相关。作的运行安全性和寿命进行了分析,为薄壁主蒸汽管道为对照,2号机组同一时段的全作用载荷谱见图6。的寿命管理和安全运行提供了依据。

虽然同样是P92!薄壁管∀,但由于此段时间温度、压力

󰀁27