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行业知识

不同摆角下四墙切圆生物质燃烧机的数值模拟

不同摆角下四墙切圆生物质燃烧机的数值模拟

搞要:四角切圆然烧方式在电厂中的应用很广泛,但是这种燃烧方式也有其自身的缺点:如生物质燃烧机区域温度水平低,着火条件差,炉膛出口残余旋转大,水平烟道温度分布不均匀,容易产生热偏


差和水冷壁的爆管等。因此近几年来四墙切圆燃烧方式具有很好的工程应用前景。以某电厂600 MW超超临界四墙切圆直流摆动式生物质燃烧机为工程原型建立模型,通过FLUENT数值计算软件,来用数值


模拟的方法研究直流摆动式生物质燃烧机在上下不同摆角下的燃烧特性与流动特性,根据数值模拟的结果分析其燃烧特性和流动特性,确定了四墙切圆燃烧方式的合理工况,为四墙切圆燃烧锅炉的运行


提供了参考。

0  引言

    四墙切圆燃烧方式是指将生物质燃烧机喷口布置在炉膛四墙的中心位置,即壁面热负荷最高的区域。在众多对煤粉炉内流动与燃烧的实验以及数值模拟研究中[1-7],四墙切圆燃烧方式因其能够充分


利用切圆燃烧方式中的风粉气流混合强烈,各射流之间相互协作,燃尽率高的特点,也能够使生物质燃烧机区域的壁面热负荷趋于一致,从而有效地避免四角切圆燃烧的火焰偏斜,防止结渣、高温腐蚀


以及爆管[8-18]等问题,受到越来越广泛的关注。

1  某电厂600 MW超超临界锅妒四墙切圆燃烧系统

1.1  四墙切圆燃烧方式的特点

    1)将整个炉膛作为一个大生物质燃烧机组织燃烧,因此对每只生物质燃烧机的控制要求不严格;

    2)炉内气流旋转强烈,风粉气流混合性好,有利于煤粉的燃尽;

    3)生物质燃烧机能够按层切换,从而使炉膛各水平截面的热负荷分布一致;

    4)对煤种的适应性强,比较容易适应煤种的变化;

    5)火焰充满度比较好,温度分配均匀,火焰稳定。

1.2  四墙切圆燃烧系统简介

    本工程生物质燃烧机采用墙式切圆燃烧大风箱结构,全摆动生物质燃烧机。共设6层浓淡一次风口,3层油风室,10层辅助风室,1层燃尽风室;整个生物质燃烧机与水冷壁固定连接,并随水冷壁一起


向下膨胀。燃烧器共24组,布置于四面墙上,形成一个大切圆,在主燃生物质燃烧机的上方为火上风(over fire air,OFA)18    中  国  电机工程学报    第31卷喷嘴,在距上层煤粉喷嘴上方约5.0 m


处有4层附加燃尽风(additional air,A-A)喷嘴,角式布置,此-A燃尽风与OFA风一起构成三菱先进燃烧技术(mitsubishi advanced combustion technology, MACT)低NO。燃烧系统。

    主生物质燃烧机的布置见图1,A-A风生物质燃烧机的布置见图2。

图1  主生物质燃烧机布置

    图2 A-A风生物质燃烧机布置

    Fig.2  Arrangement of the A-A burners

1.3  四墙切圆燃烧系统模型结构尺寸

    本文建立的四墙燃烧系统模型是以某电厂600 MW超超临界燃煤锅炉为工程原型,其建立模型的具体数据见表1。在模拟计算的时候,沿炉膛高度从下往上将整个炉膛分为6部分:冷灰斗区,下炉膛区


,主生物质燃烧机区,上炉膛区,A-A风区和折焰角区。四墙切圆燃烧系统模型共划分约52万个网格,采用六面体网格,满足了独立性要求。

1.4生物质燃烧机区域网格划分

    茌本文的数值模拟中,将主生物质燃烧机与其他区域分开的目的是为了在生成网格的过程中使主燃烧器区的网格为六面体结构网格。因为生物质燃烧机喷口入口边界条件定义为速度入口,气流垂直


进入炉膛,主生物质燃烧机区域的网格方向与流动方向成一条直线,这样可以有效地减小伪扩散,且在主生物质燃烧机区域,六面体网格划分比较密,使计算结果更精确。主燃烧器区域的网格划分见图3


,主生物质燃烧机喷口截面的网格划分见图4。

1.5本文所采用的数学模型

    煤粉燃烧过程是一个包含很多物理和化学现象的过程,不仅涉及到煤粉颗粒和燃料气体的两相流动,而且对炉内的燃烧过程也有很大的影响。为了正确预测燃烧过程,必须采用合理的数学模型才能


达到模拟的效果。

    通过各数学模型的比较,结合本文模拟对象的特点,选用以下模型进行数值模拟:

    1)气相湍流输运采用Realizable模型;

    2)煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型;

    3)气相湍流燃烧采用混合分数一概率密度函数模型;

    4)挥发分的释放采用双步竞相反应速率模型;

    5)焦炭昀燃烧采用动力学/扩散控制反应速率模型;

    6)辐射传热采用P-l辐射模型;

    7) NO。生成采用污染物排放模型。

2模拟结果及分析

2.1  初始条件及煤质分析

    1)本文的模拟工况为设计工况100%负荷工况,在本文的数值模拟中,其生物质燃烧机喷口边界条件定义为速度入口,方向为垂直喷口截面。在进行数值模拟计算时,其生物质燃烧机喷口初始条件的


具体参数

    2)本工程中燃用的煤种为铁法次烟煤。其煤质数据分析见表3。

2.2模拟结果

2.2.1模拟工况

    直流摆动式生物质燃烧机的各喷口一般可以同步上,下摆动20~300,用来改变火焰中心位置的高度,调节再热蒸汽湿度,控制炉膛出口烟温,避免炉内受热面的超温或者结渣。在本文的数值模拟中


,本文以50为单位,共模拟了7个工况,即00,50,100,150,200,250和300 7个工况。

2.2.2  流动特性分析

    炉内的气流混合状态[19-20]是决定煤粉锅炉燃烧优劣的一个重要的因素,对于四墙切圆燃烧锅炉,炉内燃烧比较显著的一个特征就是切圆的流动特性与燃烧特性。比较理想的炉内气流流动状况是在


炉膛中心形成不偏斜不贴墙的旋转火焰,而且火焰的充满度好,热负荷在壁面处的分布也比较均匀。切圆直径的大小会影响到气流的贴墙,结渣情况、高温腐蚀以及燃烧的稳定性等:较大的切圆直径会


使邻角气流火焰的高温烟气更容易到达下游的射流根部,煤粉气流更容易着火,而且炉内的气流旋转强烈,气流的扰动比较大,后期燃烧阶段煤粉的燃尽性更好;但是切圆直径过大,也会使燃烧火焰更


容易贴墙,引起水冷壁的结渣,而且高温火焰在到达炉膛出口处还会存在较大的残余旋转,引起较大的热偏差,导致过热器结渣或者超温。而实际的实验和运行证实,切向燃烧炉膛中的实际切圆直径要


大于假象切圆直径。因此,燃烧状态下切圆直径是燃烧流动特性的一个重要特征。

    图5是7种摆动角度下中间浓~次风喷口的横截面流场,其中,a表示生物质燃烧机的出口气流以垂直于生物质燃烧机出口截面的直线为法线向上摆动的角度,即日越大,表明炉膛内的燃烧中心越靠上


    图中横截面流场的颜色与左边的速度范围是相互对应的,速度单位为m/s;流场中箭头的长短表示对应范围内速度的大小,即颜色相同条件下,头越长表示速度越大。

    由上面7个流场图可以看出,炉内气流是一个强烈旋转的气流,进口气流很快与炉膛内的气流相混合,在炉膛的中心形成了比较完整的速度切圆,在炉膛中心存在一个明显的低速区,速度在切圆上达


到最大值。尤其是00角度下的流场,切圆完整,气流的流动性好,而且切圆位于炉膛的正中心,切圆直径合适比较大,充满度好,同时可以看到在炉膛的4个角上形成了回流区,这样就不存在死角,

气流的刚性比较好,速度衰减很慢,在切圆上的速度接近一致,同时也可以看到在贴近4个壁面处,速度梯度很大,有可能会造成轻微的气流刷墙现象。虽然其他6种角度下,切圆也比较明显,流动性不


错,但是从气流的旋转强度,气流刚性,切圆直径大小以及切圆组织状态上分析,最佳的流动状态就是00角度下的状态。从7种角度下的流场可以看出,随着摆动角度a的增大,切圆直径逐渐减小,在逅


壁面处速度梯度逐渐减小;而且随着摆动角度a的增大,切圆的组织状态逐渐变差,切圆逐渐变得不明显,尤其是在后3种摆动角度下,速度切圆逐渐消失,而且炉膛中心的气流几乎无旋转,而且气流的


刚性也逐渐变差。因此,当四墙切圆燃煤锅炉在100%负荷下,气流垂直生物质燃烧机截面进入炉膛,即a= 00时,速度切圆组织状态良最好,切圆直径大小最合适,流动性也最好。

2.2.3燃烧特性分析

    通过上述分析得知,风粉气流垂直进入炉膛是最佳的组织方式,故在下面的燃烧特性分析中,本文只给出了00角度下的中心纵截面的温度场,通过中心纵截面的温度场来重点分析四墙切圆燃烧系统


的燃烧特性,如图6所示。

    温度场中的曲线为等温线,数值表示温度的大小,单位是K。

    由00角度下的中心纵截面温度场可以得出温度场的分布趋势:沿着炉膛高度的方向,温度的分布由低到高,再由高到低,在炉膛冷灰斗区域温度最低;在炉膛的主生物质燃烧机区域温度达到最高值


,随着OFA风的喷入,温度开始下降,并且在OFA风横截面区域,形成了中间温度高,两侧温度低的趋势,这是因为喷入的OFA风温度降低,使得烟气的温度降低,但同时OFA风的喷入使得烟气中未燃烧的


焦炭和剩余挥发分迅速燃烧,放出大量热量;出了折焰角区域后,温度逐渐降低,并在炉膛出口处温度达到合适的水平;主生物质燃烧机的中心区域存在一个等温区域,而且在等温区火焰充满度好,不


存在局部高温区;同时可以看到在炉膛主生物质燃烧炉的中心区域火焰的形状饱满,充满度较好,温度在1400K以上的温度区域占到了整个炉膛高度3/5,说明火焰在炉内的高温区停留时间足够长,煤粉


能够充分燃烧。向横截面平均温庋值的对比。在本文中所建立模型的高度是50.35m,以m为单位,共截取了51个面的平均温度。

    由图中可以看出,7种角度下截面平均温度的分布趋势大体是一致的:沿着炉膛高度的方向,温度越来越高,在主生物质燃烧炉区,温度达到最大,之后温度又逐渐降低。在主生物质燃烧炉区(17~


33 m)温度分布呈现先降低后升高的分布。这是因为二次风的喷入吸收热量,使得煤粉气流的温度降低,但是煤粉中的挥发分析出,剧烈燃烧放出大量的热量,温度又开始上升,因此在主生物质燃烧炉区


域,温度随着一二次风的交替喷入而交替降低和升高。在OFA风区域,燃尽风的喷入吸收了烟气的一部分热量,导致烟气温度降低,但是烟气中未燃烧的焦炭在充足氧气环境里,开始剧烈燃烧,放出热量


,因此温度在略微降低之后又立即回升。在燃尽区域(38~50.35 m),温度在7种角度下均有了小幅度的下降。

    图8列出了炉膛出口截面的平均温度值。从图中可以看出,7种摆动角度下的炉膛出口截面的平均温度相差可达到70K,50角度下的温度为1333 K,而300角度下的温度为1402K。造成温差比较大的原因


是因为随着摆动角度的增加,燃烧中心逐渐上移,炉膛出口的温度也随之增加。从图中也可以得出这样的舰律,除了00角度外,其他6种角度下,随着摆动角度的逐渐增加,炉膛出口截面上的平均温度也


是逐渐增加的。

2.2.4  热烟气特性分析

2.2.4.1  氧气浓度特性分析

    从炉膛出口处的氧气浓度大小可以判断炉内的燃烧状况,图9列出了7种摆动角度下的炉膛出口截面上的平均氧气浓度。

    本文的过量空气系数为1.15,根据完全燃烧方程式可知炉膛出口处的过量空气系数和氧量是一一对应的,从图中可以看出,随着摆动角度的增加,炉膛出口截面上的氧气浓度先增加后减小,而且从

图中7种摆动角度下,炉膛出口处的过量空气系数均小于本文给定工况下的过量空气系数,说明摆动角度会造成炉膛内的缺氧状态,有可能会造成炉内燃烧不完全,增大不完全燃烧热损失,应该相对地大


给风量。

2.2.4.2  NO。浓度特性分析

    众所周知,NO。对人类的健康以及其生存的生态环境有着重大的危害。大多数国家和地区都制定了比较严格的限制NO。排放的标准,中国也于1996年开始实施电站锅炉NO。排放浓度不大于的450 


mg/m3排放指标规定。随着环境的日益恶化,控制NO。的排放量势在必行。

    在煤粉锅炉燃烧过程中快速型NO。的生成量很小,可忽略不计,故只考虑热力型NO。和燃料型NO。。热力型的NO。生成速度与温度呈指数关系,随着温度的升高而迅速升高,采用扩展的Zeldovich机


制,由以下3个反应描述:

    N+O+NO+N    (1)

    N+O+NO+O    (2)

    N+OH+NO+H    (3)

    而燃料型NO的生成则主要与氧气的浓度有关。在煤粉炉中,燃料型NO,可占总的NO。生成量的75%~95%,在温度较低,燃料含氮量高,燃料中氮键又比氮分子键能低的情况下,燃料型NO。就非常显


著。其燃料型反应机制为:

    1)挥发分中的氮转化成HCN;

    2) HCN氧化成NO;

    3)焦炭中的氮转化成NO。

    在用FLUENT进行数值模拟时,NO。的模拟采用后处理程序计算,即在整个炉膛流动、传热和燃烧过程,计算出收敛结果后再进行计算,因此NO。生成过程的模拟对于气相物质的混合特性、热力学特


性以及混合物的质量分布影响不大。

    通过上述NO机制的描述可以看出,除了NO组分,FLUENT还解决了HCN和NH3组分的输运方程:

    以图中可以看出,8种角度下的NO。生成量分布趋势大致相同,在冷灰斗区域,NO。基本是在8×10-5左右,随着下二次风的喷入,煤粉中的N与氧气发生反应,生成了燃料型NO。,而煤粉燃烧放出大


量的热量,温度升高,空气中的N2发生氧化反应生成热力型NO。,在温度和氧气浓度的共同作用下,NO。的分布如图10所示。因为采用的是MACT分级燃烧技术,所以在主生物质燃烧炉区域,形成了还原


性气氛,NO。的生成量很小,在燃尽区以后就基本上维持不变。从7种角度下的NO。浓度分布中可以看出,在炉膛出口NO。的浓度含量有了较大的差别。最小的浓度为1.72×10-4,最大的为4.77×10-4。

    图11列出了7种摆动角度下炉膛出口截面上的NO。平均浓度含量。NO组分输运方程为

    从图中可以看出,在炉膛出口截面上,NO。的生成量和角度之间存在一定的规律:即摆动角度越大,NO。的生成量也越大。而且7种摆动角度下,NO。的生成量均不高,符合煤粉的洁净燃烧,有利于


环保。

3结论

    本文主要模拟了四墙切圆生物质燃烧炉在不同的摆动角度下的温度场和流场,并结合炉膛出口处的氧气量分析了炉内的燃烧状况以及根据NO。的生成量分析了四墙切圆燃烧系统的NO。排放特性。

    1)7种摆动角度下,四墙切圆燃烧系统的流场有较大差别,根据模拟结果可以得出:在100%负荷下,风粉气流在00摆动角度下(即风粉气流垂直进入炉膛1所得到的速度切圆很完整,速度大小和直径


大小均合适,是最合适的组织方式。

    2)7种摆动角度下,四墙切圆燃烧系统的温度水平相差不多,趋势也大致相同,在炉膛出口截面上平均温度均在1300K以上,温度水平适中,可以防止水冷壁的结渣以及过热器超温现象,其中,风粉


气流在00角度下所得到的炉膛出口温度为1376K,温度水平合适。

    3)7种摆动角度下,四墙切圆燃烧系统NO。的生成量大致相同,在炉膛出口截面上NO。的生成量有了较大的差距,00角度下的生成量晟小,并且随着摆动角度的增加,NO。的生成量也逐渐增加,所以


00角度下可以有效地降低NO。的排放量,达到环保的要求。


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点击次数:  更新时间:2017-03-06 20:37:29  【打印此页】  【关闭