600 MW四角切圆燃烧锅炉富氧燃烧的数值模拟

彭龙飞，赵星海，辛国华

(1.东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012;2.吉林工业职业技术学院，吉林 吉林 132013)

电站锅炉中，煤在燃烧过程中产生大量的污染物NOX、SO2、CO2以及粉尘等，造成严重的环境污染。CO2作为温室气体的主要成分，对生态环境有着恶劣的影响[1]。为了有效的控制电站锅炉中CO2的排放，提出了一种新型节能环保燃烧技术——富氧燃烧技术，它是将O2与循环烟气混合代替空气作为介质参与燃烧，使烟气中CO2浓度升高至90%以上，从而可以有效、经济地从电站锅炉的烟气中捕集CO2，并且采用这种燃烧方式还能减少SO2和NOX的排放，实现燃煤污染物的综合脱除[2]。本文以某电厂600 MW四角切圆燃烧锅炉为研究对象，运用FLUENT计算流体动力学软件为基础，选取了合适的数学物理模型和几何结构模型，对不同工况下煤粉锅炉炉内的流动、传热与燃烧过程进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场和气相组分浓度场分布。

1 研究对象

某电厂600 MW机组锅炉HG-2008/18.2-HM3型为哈尔滨锅炉厂引进CE技术生产的亚临界、一次中间再热、控制循环、固态排渣汽包炉。采用四角切圆燃烧方式，双切圆均为逆时针方向旋转，如图1所示。每个角燃烧器分为上下两组，底层一次风距炉底16 846 mm，如图2所示。

图1 燃烧器切圆示意图(单位:mm)

图2 燃烧器喷口布置图(单位:mm)

每角燃烧器分为上下两组，底层一次风距炉底16 846 mm。锅炉设计为平衡通风，单炉膛倒U型布置。整个锅炉高81 m，炉膛截面尺寸为20 052 mm×20 193 mm，设计煤种为褐煤，煤粉分析如表1所示，煤的收到基低位发热量为13.207 MJ/kg。锅炉最大连续出力(BMCR)和额定出力分别为2 008 t/h和1 815 t/h。锅炉为单炉膛、四角布置摆动燃烧器，并配有8台MPS-255中速磨煤机，每台磨煤机供给同层4只燃烧器燃烧。燃烧器喷口布置如图2所示。

表1 煤质分析

2 建立模型

2．1 网格划分

本文按照该电厂锅炉实际尺寸在Gambit中建立模型，从冷灰斗到炉膛出口区域作为计算区域，对壁面采用无厚度的固定壁面并进行简化。在四角切向燃烧锅炉的炉内流动计算中，炉膛的4个角上燃烧器的风口速度方向与直角坐标的网格边界的夹角约为45°，容易产生伪扩散，从而影响计算的准确性。对燃烧器区域横截面采用Paving方法进行非结构四边形网格生成，以减少伪扩散的影响。考虑到燃烧器区域的流动、传热、传质和化学反应比较剧烈，对燃烧器区域进行了网格加密，以提高计算的精度。燃烧器区域某截面上的网格及整体炉膛网格如图3所示[3]。

图3 网格结构

计算中的基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程和状态方程。煤粉在炉膛内的燃烧是一个很复杂的物理、化学过程，它包括挥发分的释放、焦碳的燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，涉及到多相流动、传热传质和燃烧等多个学科[4]。本文中气相湍流采用可实现的 k-ε模型，气固两相采用随机轨道模型(stochastic tracking model)，辐射换热采用P-1辐射模型(P-1 radiation model)，挥发分的热解采用双竞争反应热解模型(the two competing rates model)，挥发分燃烧采用混合分数PDF(mixture-fraction/PDF)，焦炭燃烧采用动力-扩散模型[5]。采用有限差分法来离散微分方程，对控制方程的求解采用SIMPLEC算法，在直角坐标系下的非均匀交错网格系统中求解。对于近壁面区域采用壁面函数法[6-7]。

2．2 边界条件的设定

对于空气气氛工况下的炉内煤粉燃烧，以实际锅炉运行数据进行计算;应用富氧气氛工况下的炉内煤粉燃烧，改变其二次风量，使其氧煤比与空气气氛下相同，其它参数保持不变。二次风量的送入以炉膛折焰角处CO质量浓度不超过0.002和O2质量浓度不超过0.005为依据，以保证与空气气氛下折焰角处的CO和O2质量浓度一致。煤质分析如表1所示。计算选择5个工况，详细设定如表2所示。

表2 边界条件的设定

3 计算结果及分析

3．1 炉膛温度分布和热负荷分布

图3为工况1空气气氛下炉膛中心纵截面温度场分布图。由图3可知，炉膛冷灰斗区域温度最低，随着炉膛高度的增加，炉内温度逐渐升高。炉内高温区主要集中在燃烧器区域，煤粉气流在炉膛中央形成旋转的漩涡，炉膛内气流螺旋上升。计算得到的空气气氛下炉内最高温度为1 902.50 K，出口烟气质量流量为734.23 kg/s，实际运行锅炉约为747.33 kg/s，这些数据与实际运行锅炉参数相吻合，验证了计算模型选择的合理性。图4为工况1空气气氛下炉膛的壁面热负荷情况，炉膛内的传热绝大部分为辐射换热，炉膛底部与顶部以及烟道处的热负荷较低，燃烧器区域的热负荷较高，这主要是由于燃烧器区域烟气温度水平较高，对靠近它的水冷壁有较强的辐射，而炉膛底部与顶部及烟道附近的换热面附近气体温度较低，而且距离气体高温区较远，所受辐射较低。壁面热负荷最大值出现在燃烧器区域附近壁面上，沿炉膛向上、向下逐渐降低，体现了热负荷的不均匀性，同时热负荷最大的区域出现在换热墙的中心位置，这与炉膛内的气体动力场有关，可能会引起此处水冷壁结渣。

图3 炉膛中心截面温度分布

图4 炉膛壁面热负荷分布

3．2 富氧气氛下炉内温度场和壁面热负荷的分布特征

富氧气氛下工况2—工况5炉膛中心纵截面温度分布与热负荷分布如图5所示。工况2中O2/CO2体积比为21/79，其送入炉膛的氧气量以及生成的烟气量与工况1相同。工况2中炉膛温度大大降低，火焰中心和高温区域明显减少，燃烧呈现不稳定状态。这主要原因是由于CO2具有较大的比热，使炉膛内烟气的蓄热增加，导致总体温度水平下降。随着富氧气氛下氧气浓度的升高，炉膛内整体温度水平呈上升趋势，其在氧气体积浓度约为29%时炉内最高温度与空气气氛下接近。随着氧气浓度的升高，火焰中心逐渐下移，燃烧器上层高温火焰贴近炉膛壁面，容易造成水冷壁结渣;炉内CO2及总烟气量逐渐减少，炉内烟气的蓄热量随之减少，炉内总体温度水平提高。

图5 富氧气氛下工况2—工况5炉膛中心截面温度分布与热负荷分布

图6、图7和图8分别为炉膛横截面CO2、CO和O2浓度沿炉膛高度的变化规律。由图可知:各个工况下高温燃烧器区域所对应的CO浓度较高，而CO2、O2浓度却相对下降。这是因为在燃烧器区域温度较高，煤粉发生剧烈的燃烧反应，需要大量的氧气参与燃烧反应，从而造成燃烧器区域氧气量降低。氧气量不足导致煤粉不能完全燃烧而生成较多CO，CO在随着烟气上升的过程中逐渐发生氧化反应。随着炉膛高度的增加，O2和CO浓度不断降低，CO2浓度不断提高，在炉膛出口处CO达到完全燃烧。在O2/CO2气氛下，炉膛出口烟气中CO2的浓度均可达到90%左右。

图6 炉膛横截面平均CO2浓度沿炉膛高度变化

4 结论

1)富氧气氛O2/CO2=21/79的工况下，炉内温度较空气气氛下降200K左右，煤粉着火推迟，火焰中心上移，燃烧不稳定，换热能力变差。

2)O2/CO2气氛下，随着氧气浓度的提高，煤粉的燃烧得到强化，炉内温度升高，炉内高温区变大，火焰中心逐渐下移，对煤粉的着火和燃烧有利。

3)炉内的烟气辐射与烟气成分和气象温度有很大关系，富氧气氛下炉膛出口烟气中CO2气体浓度达到90%左右，使得烟气的密度增大，比热容增高，炉内三原子气体CO2的增加和炉膛温度的升高导致辐射能力的加强。

4)O2/CO2气氛下，CO2及水蒸气的浓度较之空气气氛下增加很多，在相同的氧煤比下，随着氧气浓度的提高，烟气量逐渐下降，从而增加了烟气的密度和热容，锅炉内的对流换热段的换热效率将会增加。

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