燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及排放特性的影响

《燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及排放特性的影响》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及排放特性的影响（8页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及排放特性的影响!1!任少辉;闫心永;崔一;陈宏涨兆超津跃峰潢海;谢波【摘要】对某300 MW电厂四角切圆锅炉在不同竖直摆角(0。、-5。、-10。)下炉内 流动、燃烧及排放特性展开了数值模拟研究.数值模拟的结果与现场试验吻合匕盛 好.实验结果表明:增加燃尽风下摆角度,可以在一定程度上使下炉膛产生的CO和未 燃尽煤粉颗粒提前与燃尽风接触并混合，延长了其反应时间，这使得CO浓度、飞灰 含碳量有所下降;但同时燃尽风下倾也减小了还原性气氛区域不利于NOx减排，导 致NOx有所增加.综合考虑燃烧经济性和脱硝成本，建议将燃尽风竖直摆角设置为- 5。能达到高效低NOx目的.

2、【期刊名称】湖北电力【年(卷)，期】2017(041)012【总页数】6页(P22-27)【关键词】四角切圆锅炉;燃尽风竖直摆角;燃烧排放特性【作者】任少辉;闫心永;崔一；陈宏;张兆超;李跃峰;黄海;谢波【作者单位】武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司，湖北武汉430074;武汉凯迪绿 色能源开发运营有限公司，湖北武汉430074;武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司, 湖北武汉430074;武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司，湖北武汉430074;武汉凯 迪绿色能源开发运营有限公司，湖北武汉430074;武汉凯迪绿色能源开发运营有限 公司，湖北武汉430074;武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司，湖北武

3、汉430074; 武汉凯迪绿色能源开发运营有限公司，湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TM621.2。引言目前，空气分级燃烧技术是一种较成熟且应用广泛的低氮燃烧技术，能够有效大幅 度降低NOx排放,同时能减少尾气脱硝成本1,2。采用空气分级燃烧技术时，下 炉膛主燃烧区域氧气浓度相对较低，会生成大量CO形成还原性气氛，有利于抑制 NOx形成;燃尽风从主燃烧区上部送入炉膛，与下炉膛产生的未燃尽的可燃物混 合，这促进了燃料的燃尽,提高了燃烧经济性。燃尽风作为空气分级燃烧技术中的 一个重要组成部分,其布置方式、风率大小以及入射角度等都会对燃烧效率、 NOx排放产生不可忽视的影响，同时也会

4、影响上炉膛区域温度分布和锅炉的安全 稳定运行。针对这些问题,国内许多学者展开了相关研究工仁孑L红兵等3人对 应用于一台四角切圆煤粉锅炉上的墙式燃尽风技术进行了研究，结果表明,通过合 理配风，锅炉CO和NOx等未燃尽可燃物体积分数均比常规角式燃尽风工况下低, 在降低NOx质量浓度的同时锅炉效率不变，井且在解决锅炉两侧汽温偏差方面具 有良好的效果。吕太等研究了燃尽风位置高度对NOx生成的影响，认为综合炉 内各参数变化的比较得出,燃料从主燃区至燃尽区的最佳运行时间约为0.66 s。 付忠广等5人在四角切圆煤粉锅炉上通过数值模拟研究了分离式燃尽风水平反切 角度对炉膛出口速度偏差和温度偏差的影响，表明燃

5、尽风反切对主燃区的燃烧影响 很小,但能有效改善烟温偏差。孙保民等6研究燃尽风率对锅炉燃烧及NOx排放 的影响，发现当燃尽风率在15% 20%范围内变化时，其负面影响相对较小，但在 较高燃尽风率下，其负面影响开始凸显。以上研究针对燃尽风布置方式、燃尽风风 率等开展了研究，为进一步研究燃尽风竖直摆角，因此，本文结合现场试验采用数值模拟方法探究了不同燃尽风竖直摆角对炉内流动、燃烧及NOx排放的影响。1锅炉简介模拟对象300 MW四角切圆锅炉为亚临界压力一次中间再热控制循环汽包炉,单 炉膛、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、n型布置，采用不带再循环 泵的大气扩容式启动系统。锅炉岛为露天布置,采用

6、滚筒式球磨机、中间储仓式热 风送粉的制粉系统,每台炉配4台球磨机，锅炉燃用煤相关煤质分析如表1所示, 锅炉结构建模和网格划分如图1所示。表 1 煤质分析 Tab.l Coal quality analysis 元素分析/%Car 52.26 Har 3.2 Oar3.4 Nar 0.98 Sar 1.65 工业分析7%Mar 8.50 Aar 30.01 Vdaf 21.52Onet,ar/(MJkg-l)20.41Fig.l Schematic diagram of boiler and grid division为了研究燃尽风竖直摆角对四角切圆锅炉燃烧及NOX排放特性的影响，文中设置 了燃

7、尽风竖直摆角分别为0、-5。和-10。的3组工况,其中负号表示竖直向下摆动, 0下运行工况为电厂实际运行工况，在本文中用于模拟验证。具体工况设置见表2。 表2工况参数Tab.2 Case and parameters工况一次风率/%周界风率/%冷却风 率/%燃尽风率/%辅助风率/%漏风风率/%竖直摆角/工况1 19.1 7.72 9 20 39.185 0 工况 2 19.1 7.72 9 20 39.18 5-5 工况 3 19.1 7.72 9 20 39.18 5-102数学模型、网格及计算方法锅炉炉膛内的煤粉燃烧过程主要包含：气固两相流的,煤粉颗粒的热解和燃烧,气 相反应物参与的均相燃

8、烧反应，辐射和对流传热过程,氮氧化物等生成和还原过程 等。在本文对该锅炉炉内燃烧的模拟计算中,在模拟气相湍流时采用标准的k-s湍流模 型；采用PDF模型来模拟气相燃烧过程；在模拟煤粉颗粒的运动时采用颗粒的随 机轨道模型；采用双方程平行竟争反应模型来模拟煤的热解；在模拟焦炭燃烧时采 用动力/扩散控制反应速率模型；用DO法模拟辐射传热计算;离散方法均设置成 一阶迎风格式。设定边界条件时,将一次风、二次风以及燃尽风的边界条件均设定 为速度入口,并根据锅炉的设计参数来决定其入口的流速和风温；出口处采用的是 压力出口的边界条件，根据实际电站锅炉在引风机作用下炉内呈现负压的特点，将 其压力参数设置为-50

9、 Pa ;将炉膛壁面设置成无滑移的边界条件，并采用标准的 壁面方程，壁面的热交换则采用第二类边界条件（温度边界条件）,通过给定壁面 的温度和辐射率来实现,设置壁面温度为690 K ,设置壁面辐射率为0.6 ,离散相 类型为reflect;其中冷灰斗底部壁面温度为473 K ,辐射率为1,离散相类型为 trap。更多模型及设置见参考文献7-9。3模拟结果分析与讨论3.1模拟结果验证实际运行中竖直摆角设置为0 ,因此为验证模拟结果的准确性，将竖直摆角为0 的模拟结果与锅炉实际运行时热态测量数据对匕匕验证。模拟与试验的炉膛出口温度、 出口 C。、NOx浓度以及飞灰含碳量对比如表3所示。可以看出，模拟

10、结果与试 验结果符合性较好,表明所建立的模型、网格以及数学模型能够合理地预测炉内流 动、燃烧及NOx排放特性。表3模拟结果与实际测量结果的对比Tab.3 Comparison of simulated and measured results 参数炉膛出口温/C出口 CO/ppm 出 口 NOx （ 6%O2 ）飞灰 含碳率/%实测值 1302 96 560 0.43 数值模拟值 1355 71.96 499.62 0.36 3.2变燃尽风竖直摆角对燃烧及NOx排放特性的影响图2给出了基本工况（竖直摆角为0。）下速度和温度分布，可以看出在该低氮燃烧方 式下，炉膛内流场和温度场切圆形成较好。煤粉

11、气流在一次风喷嘴不远处着火燃烧 并形成稳定火焰,无燃烧刷墙现象。主燃烧区燃烧剧烈，温度较高；随着燃尽风喷 入，温度在燃尽风区域有所降低，但随后由于未燃尽可燃物继续燃烧放热，在燃尽 区温度又有所升高。如图3所示为不同燃尽竖直摆角下纵截面速度分布对比，可 以看出当燃尽风下摆角度增大，燃尽风气流下冲越深,与主燃烧区域气流接触越提 前；下炉膛主燃区流场基本相似,说明燃尽风竖直摆角对下炉膛流动影响较小。图 2 基本工况下速度和温度分布 Fig.2 Velocity and temperature distributionof the based case图3不同燃尽竖直摆角下纵截面速度分布Fig.3 V

12、elocity under different overfired air vertical angles图4(a)给出了炉膛宽度中心截面的温度场分布。从图中可以看出，随着一次风燃 烧器喷口下摆角度增大，主燃烧器区域温度变化较小,但下炉膛主燃区上部与燃尽 风之间的高温区面积在逐渐缩小。通过炉膛内温度随炉膛高度的变化(图4(b)中情 况可以看出,燃尽风竖直摆角变化时，主燃区温度曲线变化不大。但对主燃区与燃 尽风区域而言(高度为25 m附近)，燃尽风竖直摆角越大,22-25 m区域温度越低, 同时低温峰值位置越靠下,这主要是燃尽风下倾后对该区域的冷却效应造成的。当 经过一段高度，由于摆角越大在下面

13、高度上补充的氧气越多,燃烧越剧烈,此时空 气的助燃作用开始比冷却作用强,所以摆角越大温度反而越高。最后经过一段高度 的燃烧，不同摆角对应的温度又变得基本相同。图4不同燃尽风竖直摆角下温度分布Fig.4 Temperature distribution under different over-fired air vertical angles图5为不同燃尽风竖直摆角下炉内氧量变化情况。从图5(a)中看出，不同燃尽风 竖直摆角下,炉内氧量的分别情况基本是相似的：在主燃烧区域，过量空气系数相 对较小，氧量保持较低的状态；在燃尽区，随着燃尽风喷入,燃尽区域氧量浓度较 高。随着燃尽风竖直摆角的增加,最

14、上层燃烧器与燃尽风之间低氧区域逐渐减小。 通过图5(b)曲线分析也发现，在主燃区，随着燃尽风下摆角度的增加，不同下摆 角度下的平均氧量相差不大。但在主燃区与燃尽风喷嘴之间区域，燃尽风下摆角度 越大，氧气浓度越低；在燃尽风上部区域，随着未燃尽成分继续燃烧消耗氧气，氧 量变化情况基本相同。图5不同燃尽风竖直摆角下02浓度分布Fig.5 O2distribution under differentover-fired air vertical angles图6给出了不同竖直摆角下CO浓度分布。可以看出，在不同燃尽风竖直下摆角 度下，炉内C。浓度的变化情况趋于一致。由于空气分级燃烧，在炉膛主燃区， C

15、。浓度保持在一个较高的范围，该区域呈还较强的原性气氛，这有利于抑制 NOx的生成。主燃区一、二次风的相间分布导致C。浓度出现波动。随着后面燃 尽风的送入，大量空气被送入炉膛，主燃区生成的CO开始燃烧，C。浓度持续下 降。对比不同燃尽风竖直摆角，可以看出炉膛内主燃烧器区域CO浓度变化相对较 小；但随着燃尽风下摆角度的增加，燃尽风提前与高温烟气接触，更多氧量提前补 充进来，更多的CO被燃烧消耗，使得高CO浓度区域面积有所减小,即还原性区 域减小。当高度继续上升后，CO浓度逐渐降低，最终不同摆角对应的CO浓度相 差很小，并保持较低一个相对较低值。图6不同燃尽风竖直摆角下C。浓度分布Fig.6 CO

16、distribution under different over-fired air vertical angles图7(a)给出了不同燃尽风竖直摆角下，炉膛宽度中心截面NOx浓度的分布云图。 从图中可以看出，主燃烧器区域,燃烧器喷口处的NOx浓度最大，因为喷口附近 燃烧剧烈、温度较高、氧含量相对较高,有利于NOx的还原反应比NOx的生成 反应要弱。随着高度的增加NOx浓度随之降低,这是因为较小的过量空气系数导 致燃烧不充分，延迟煤粉燃烧，产生了大量的C。，抑制了 NOx的生成。对比不 同工况下的曲线图7(b),随着燃尽风竖直摆角的提高，主燃烧区NOx浓度变化不 大，但在燃尽区产生的平均NO

17、x浓度在逐渐增加，说明增大燃尽风摆角向下摆角 增加不利于减少NOx的生成的。这主要是由于竖直摆角增大,主燃烧区最上层与 燃尽风之间还原性区域减小，还原下炉膛已生成的NOx的能力降低。图7不同燃尽风竖直摆角下NO浓度分布Fig.7 NO distribution under different over-fired air vertical angles图8是不同燃尽风竖直摆角下的炉膛出口处参数变化规律。从图中可以看出，随 看燃尽风竖直摆角增加，炉膛出口处的C。浓度和飞灰含碳量有所降低,而NOx 排放浓度在有所升高。特别地，随看燃尽风竖直摆角从0t曾加到-5。，CO浓度和 飞灰含碳量降低明显，而

18、NOx有所增。进一步增加燃尽风竖直摆角从-5。到-10。， C。浓度和飞灰含碳量降低幅度较小，而NOx有明显增大。因此，综合考虑燃烧 经济性和脱硝成本,建议将燃尽风竖直摆角设置为-5。图8不同风率下出口参数统计Fig.8 The results of the outlet4结语对某300 MW电厂四角切圆锅炉不同下摆角度(0、-5。、-10。)对燃烧及排放特性 展开了数值模拟研究。数值模拟的结果与现场实际情况吻合匕匕较好。实验结果表明: 增加燃尽风下摆角度，可以在一定程度上使下炉膛产生的CO和未燃尽煤粉颗粒提 前与燃尽风接触升混合，延长了其反应时间，这使得C。浓度、飞灰含碳量有所下 降；但同时

19、燃尽风下倾也减小了还原性气氛区域，不利于NOx减排,导致NOx 有所增加。综合考虑燃烧经济性和脱4肖成本，建议将燃尽风竖直摆角设置为-5。能 达到局效低NOx目的。参考文献(References )【相关文献】1陈伟霖燃气锅炉增容与低氮燃烧改造设计方案及其应用J.热力发电,2014,43(06):127-131.CHEN Weilin.Design scheme and engineering appli-cation of capacity upgrading and low NOxcombus-tion retrofitting forgasboilersJ.ThermalPowerGen

20、eration,2014,43(06):127-131.2 王雪彩，孙树翁,李明，等.600 MW墙式对冲锅炉低氮燃烧技术改造的数值模拟J.中国电机工程学 报,2015,35(07):1689-1696.WANG Xuecai.SUN ShuwengfLI Ming,et al.Numerical simulation on low NOxcombustion technological transformation of a 600 MW boiler with opposed wall swirling burnersJ.Proceedings of the CSEE,2015,35(07

21、):1689-1696.3 孔红兵,杨章宁，谢佳等.切圆煤粉锅炉墙式燃尽风技术的研究与应用J.动力工程学报,2017,37(12):950-955.KONG Hongbing,YANG Zhangning,XIE Jiaretal.Research and application of wall arrangement OFA technology in tangentially-fired boilersJ Journal Of Chinese Society Of Power Engineering/2017/37(12):950-955.4 付忠广，王瑞欣，石黎，等.300 MW机组四角

22、切圆锅炉SOFA反切消旋数值模拟几热力发电2017/46(03):51-58.FU ZhongguangzWANG Ruixin,SHI Li,et al.Influence of SOFA yaw angle on residual swirling of flue gas in a 300 MW tangentially fired pulverized-coal boilerJ.Thermal Power Generation,2017,46(03):5158.5 吕旭阳，张勇胜,李春曦，等.燃尽风率对锅炉燃烧特性影响的数值模拟J.热力发电,2015,44(05):108-112,124

23、.17 XuyangrZHANG YongshengfLI Chunxiret al.Ef-fect of over fire air rate on boiler combustion per-formance:a numerical simulationJ.Thermal Power Generation/2015,44(05):108-112/124.6 孙保民,王顶辉，段二朋，等.燃尽风率对燃煤锅炉NOx生成特性影响的数值模拟J.电站系统工程,2013,29(01):9-12.SUN Baomin,WANG DinghuiQUAN Erpengfet al.Numerical simu

24、lation of effect of over-fire air ratio on NOxformation in coal-fired boilerJ.Power Sys-tern Engineering/2013/29(01):9-12.7 李超亮.某1 000 MW超超临界旋流对冲锅炉外二次风叶片开度对燃烧及NOx排放影响的数值 模拟J.湖北电力,2017.41(05):25-31.11 Chaoliang.Numerical simulation of effect of dif-ferent outer secondary-air vane opening degrees on c

25、oal combustion characteristic and NOxemission in a 1 000 MW ultra-supercritical opposed swirling fired utilityboilerJ.Hubei Electric Power,201741(05):2531.8 周亮.贴壁风配风方式对四角切圆锅炉高温腐蚀的影响J.湖北电力,2017,41(05):35-40.ZHOU Liang.Effect of air Volume proportion be-tween closing-to-wall air on the high temperatur

26、e corrosion of a 300 MW tangentially fired boilerJ.Hubei ElectricPower,2017,41(05):3540.9 段二朋，孙保民，郭永久等.800 MW旋流对冲燃烧锅炉低NOx改造的数值模拟J.动力工程学 报,2012,32(11):825-829,858.DUAN Erpeng,SUN Baomin.GUO Yonghong.et al.Numerical simulation on an 800 MW swirl-opposed firing boilerretrofitted forlow NOxemissionJ Journal Of Chinese Society Of Power Engineeringf2012/32(ll):825-829f858.