220t_h电站锅炉防结渣改造方案的数值模拟

第 13卷 第 1期2007年 2月 燃 烧 科 学 与 技 术Journa l of Com bustion Sc ience and Technology Vol. 13 No. 1Feb. 2007 收 稿 日 期 : 2006204203.作 者 简 介 : 张 波 (1977 ) ,男 ,博 士 研 究 生 , zb961013 sina. com.220 t/h电 站 锅 炉 防 结 渣 改 造 方 案 的 数 值 模 拟张 波 1 , 孙 忠 伟 1 , 文 军 2 , 魏 铜 生 2 , 王 月 明 2 , 惠 世 恩 1(1. 西 安 交 通 大 学 能 源 与 动 力 工 程 学 院 , 西 安 710049; 2. 西 安 热 工 研 究 院 有 限 公 司 , 西 安 710032)摘 要 : 针 对 220 t/h锅 炉 因 燃 用 煤 种 变 化 出 现 较 严 重 的 结 渣 问 题 ,提 出 了 将 燃 烧 器 一 次 风 反 切 的 改 造 方 案 . 用 数值 模 拟 的 方 法 对 改 造 前 和 改 造 方 案 在 1000 /0 BMCR负 荷 下 的 炉 内 燃 烧 参 数 进 行 研 究 . 通 过 分 析 、 比 较 改 造 前 后 炉 内燃 烧 的 速 度 场 、 温 度 场 、 氧 量 场 以 及 煤 粉 颗 粒 分 布 ,发 现 改 造 后 水 冷 壁 的 结 焦 趋 势 小 ,论 证 了 改 造 方 案 的 可 行 性 .关 键 词 : 锅 炉 ; 燃 烧 ; 结 渣 ; 数 值 模 拟中 图 分 类 号 : TK229. 6 文 献 标 志 码 : A 文 章 编 号 : 100628740 (2007) 0120091205Num er ica l S im ula tion About Retrof it Proposa l to Reducethe Slagg ing of a 220 t/ h Bo ilerZHANG Bo1 , SUN Zhong2wei1 , W EN Jun2 , W E I Tong2sheng2 , WANG Yue2m ing2 , HU I Shi2en1(1. Institute of Energy and Power Engineering, Xi an J iaotong University, Xi an 710049, China;2. Thermal Power Research Institute of State Power Corporation of China, Xi an 710032, China)Abstract: The coal shift in the 220 t/h power p lant results in serious slagging in the furnace. To ease the slagging p rob2lem, a retrofit p roposal was made to change the p rimary air jets in reverse tangential arrangement to the secondary air jets.Numerical simulations were carried out to investigate the in2furnace combustion parameters at 1000 /0 BMCR ( boiler maxi2mum continuous rating) load of p re2and post2retrofit cases. Comparative analyse of the velocity, temperature, oxygen fieldsand coal dust distribution in p re2and post2retrofit cases show that the slagging tendency after retrofit p roposal will comedown, demonstrating the feasibility of the retrofit p roposal.Keywords: boiler; combustion; slagging; numerical simulation某 电 厂 220 t/h锅 炉 设 计 煤 种 为 大 同 烟 煤 ,采 用中 间 仓 储 式 钢 球 磨 煤 机 制 粉 系 统 ,乏 气 送 粉 . 锅 炉 燃 烧方 式 为 四 角 喷 燃 切 圆 燃 烧 . 近 年 来 由 于 燃 用 煤 种 偏 离了 设 计 煤 种 ,锅 炉 出 现 了 较 为 严 重 的 结 渣 现 象 . 炉 膛 内的 焦 块 落 下 时 不 仅 引 起 炉 膛 负 压 的 波 动 ,导 致 炉 膛 频频 灭 火 ,而 且 大 块 的 焦 还 会 砸 坏 冷 灰 斗 ,影 响 捞 渣 机 的运 行 ;水 冷 壁 被 大 面 积 的 焦 块 遮 住 ,炉 膛 内 正 常 的 换 热过 程 被 打 破 ,导 致 换 热 推 迟 ,过 热 器 超 温 ,减 温 水 量 加大 ,排 烟 温 度 高 ,锅 炉 热 效 率 降 低 ;炉 膛 结 焦 严 重 影 响了 锅 炉 的 安 全 经 济 运 行 ,亟 需 解 决 .1 结 渣 原 因 及 影 响 因 素 分 析锅 炉 的 结 渣 是 一 个 非 常 复 杂 的 过 程 ,涉 及 因 素 很多 ,它 不 仅 与 燃 用 煤 种 的 成 分 及 其 物 理 、 化 学 特 性 有关 ,而 且 还 与 锅 炉 的 设 计 参 数 有 关 ,诸 如 燃 烧 器 的 布 置方 式 、 炉 膛 热 负 荷 、 炉 内 空 气 动 力 场 结 构 、 炉 膛 出 口 烟温 、 过 热 器 的 布 置 位 置 、 各 部 分 的 烟 气 流 速 和 烟 温 、 锅炉 的 蒸 汽 参 数 和 管 壁 温 度 、 受 热 面 的 排 列 节 距 和 布 置形 式 等 ;同 时 还 受 锅 炉 的 运 行 工 况 影 响 ,诸 如 负 荷 的 变化 、 过 量 空 气 系 数 、 煤 粉 细 度 、 炉 膛 燃 烧 温 度 的 控 制 、 配风 方 式 以 及 炉 内 燃 烧 空 气 动 力 场 的 控 制 等 1 .煤 灰 颗 粒 在 炉 膛 火 焰 中 心 温 度 条 件 下 ,一 般 都 处于 熔 融 状 态 . 一 些 处 于 熔 融 状 态 的 颗 粒 在 惯 性 力 的 作用 下 脱 离 旋 转 烟 气 ,被 甩 向 水 冷 壁 . 在 冲 向 水 冷 壁 的 过程 中 ,颗 粒 受 到 水 冷 壁 的 冷 却 作 用 . 如 果 到 达 水 冷 壁 时颗 粒 已 经 凝 固 ,则 这 种 固 体 颗 粒 很 难 被 水 冷 壁 捕 捉 而沉 积 下 来 ;如 果 颗 粒 仍 然 保 持 熔 融 状 态 ,则 这 种 颗 粒 就会 很 容 易 在 水 冷 壁 上 沉 积 下 来 ,形 成 结 渣 . 一 旦 水 冷 壁上 形 成 了 渣 层 ,由 于 渣 的 热 阻 高 ,渣 的 表 面 温 度 高 ,使 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 得 渣 表 面 处 于 熔 融 状 态 ,则 所 有 撞 击 渣 层 的 颗 粒 ,不 管是 否 处 于 熔 融 状 态 ,都 会 被 渣 层 捕 捉 而 沉 积 下 来 ,使 得渣 层 越 来 越 厚 . 因 此 ,炉 内 空 气 动 力 场 结 构 是 否 合 理 是影 响 锅 炉 结 渣 的 重 要 因 素 . 就 笔 者 研 究 的 四 角 切 圆 布置 的 锅 炉 来 说 ,假 想 切 圆 的 大 小 是 一 个 重 要 的 参 数 ,过大 的 切 圆 直 径 ,会 使 更 多 的 熔 融 粒 子 被 甩 到 水 冷 壁 上 ,形 成 水 冷 壁 结 渣 . 当 然 ,假 想 切 圆 也 不 能 太 小 ,否 则 对于 强 化 炉 内 燃 烧 、 低 负 荷 稳 燃 等 方 面 都 是 不 利 的 .烟 气 气 氛 对 结 渣 有 较 大 影 响 ,灰 粒 在 还 原 性 气 氛中 ,灰 熔 点 会 比 在 氧 化 性 气 氛 中 的 熔 点 低 30 50 ,对 于 含 铁 量 高 的 煤 ,甚 至 能 达 到 200 . 在 还 原 性 气 氛中 ,已 经 处 于 熔 融 状 态 的 灰 粒 要 比 在 氧 化 性 气 氛 中 的温 度 低 很 多 时 才 会 凝 固 ,即 还 原 性 气 氛 中 的 熔 融 灰 粒相 对 于 氧 化 性 气 氛 中 的 熔 融 灰 粒 在 温 度 降 低 时 更 易 保持 熔 融 状 态 . 因 此 ,在 还 原 性 气 氛 中 水 冷 壁 结 渣 的 可 能性 更 大 . 燃 烧 温 度 对 结 渣 也 有 很 大 影 响 ,燃 烧 温 度 越高 ,熔 化 的 煤 灰 颗 粒 数 目 越 大 ,且 熔 化 的 煤 灰 颗 粒 温 度也 越 高 ,那 么 就 更 难 被 水 冷 壁 冷 却 而 凝 固 ,同 时 ,由 于水 冷 壁 渣 层 的 表 面 温 度 升 高 ,使 得 渣 层 表 面 更 易 熔 化 ,粘 住 更 多 的 灰 粒 . 研 究 表 明 ,结 渣 速 度 与 燃 烧 温 度 成 指数 关 系 ,燃 烧 温 度 的 微 小 变 化 都 会 导 致 结 渣 速 度 有 较大 改 变 .2 改 造 方 案为 缓 解 锅 炉 结 渣 问 题 ,对 锅 炉 燃 烧 器 进 行 改 造 ,将原 来 对 冲 布 置 的 一 次 风 ,改 为 与 二 次 风 旋 转 方 向 相 反的 反 切 布 置 ,切 圆 直 径 400 mm. 这 样 减 小 了 炉 内 气 流的 旋 转 动 量 ,减 小 了 将 煤 粉 颗 粒 从 烟 气 流 中 甩 出 、 落 到水 冷 壁 上 导 致 结 渣 的 趋 势 ;由 于 煤 粉 被 包 在 炉 膛 的 中心 ,有 效 地 改 善 了 锅 炉 壁 面 区 域 的 气 氛 ,保 证 壁 面 区 域的 氧 量 ,同 时 还 能 降 低 壁 面 附 近 烟 气 的 温 度 2 3 .3 数 值 模 型 及 边 界 条 件为 对 改 造 后 的 效 果 进 行 预 测 ,用 数 值 模 拟 的 方 法对 目 前 和 改 后 锅 炉 满 负 荷 条 件 下 的 燃 烧 过 程 进 行 了 研究 ,对 比 分 析 了 改 造 前 后 的 速 度 场 、 温 度 场 、 氧 量 场 以及 煤 粉 颗 粒 的 轨 迹 . 对 燃 烧 的 数 值 模 拟 ,涉 及 到 气 2固两 相 流 动 和 化 学 反 应 . 笔 者 应 用 商 业 数 值 计 算 软 件Star2CD对 炉 内 燃 烧 进 行 了 模 拟 . 湍 流 模 型 选 k2 高 雷诺 数 模 型 ,用 拉 格 朗 日 方 法 描 述 煤 粉 颗 粒 的 运 动 轨 迹 ,挥 发 分 析 出 选 常 速 率 模 型 ,挥 发 分 燃 烧 选 m ix2is2burnt模 型 ,焦 炭 的 燃 烧 选 1 st order effect模 型 . 控 制 方 程 参见 文 献 4 ,采 用 控 制 容 积 积 分 法 将 控 制 方 程 离 散 ,其中 扩 散 项 采 用 中 心 差 分 ,非 线 性 的 对 流 项 采 用 二 阶 迎风 差 分 . 计 算 网 格 为 1 000 000,收 敛 标 准 1. 0 10 - 4 2 9 .改 造 前 后 ,一 、 二 次 风 温 度 、 速 度 均 无 变 化 ,如 表 1所 示 .表 1 改 造 前 后 一 、 二 次 风 温 度 和 速 度分 类 风 速 / (m s- 1 ) 风 温 /一 次 风 30 60二 次 风 45 283侧 二 次 风 45 283注 : 1000 /0负 荷 .由 现 场 煤 粉 取 样 ,做 筛 分 试 验 ,得 到 煤 粉 细 度 分布 . 根 据 简 化 前 后 不 同 粒 径 范 围 内 质 量 百 分 数 不 变 的原 则 ,将 连 续 分 布 的 煤 粉 粒 径 简 化 为 在 5个 典 型 粒 径下 的 离 散 分 布 ,见 表 2.表 2 简 化 后 的 粒 径 分 布粒 径 / m 10 40 70 90 120质 量 分 数 /0 /0 17 42 15 10 154 数 值 模 拟 结 果 及 分 析4. 1 气 流 速 度 分 布从 模 拟 结 果 看 ,改 造 前 后 ,炉 内 均 形 成 了 逆 时 针 旋转 的 气 流 . 改 后 由 于 一 次 风 反 切 布 置 ,一 次 风 动 量 在 炉膛 对 角 方 向 的 分 量 小 于 改 前 ,所 以 在 一 次 风 截 面 上 比较 ,改 后 一 次 风 气 流 射 入 深 度 不 及 改 前 (图 1和 图 2).图 3和 图 4是 改 造 前 后 燃 烧 器 以 上 6 m截 面 的 速 度 分布 . 可 见 改 后 的 气 流 旋 转 强 度 比 改 前 要 小 一 些 ,这 有 利于 减 少 被 甩 向 水 冷 壁 上 并 被 捕 捉 的 煤 粉 颗 粒 的 数 目 .图 1 改 前 一 次 风 截 面 速 度 分 布29 燃 烧 科 学 与 技 术 第 13卷 第 1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图 2 改 后 一 次 风 截 面 速 度 分 布图 3 改 前 燃 烧 器 以 上 截 面 速 度 分 布图 4 改 后 燃 烧 器 以 上 截 面 速 度 分 布4. 2 颗 粒 轨 迹 分 布图 5和 图 6是 锅 炉 内 颗 粒 轨 迹 分 布 . 改 后 由 于 一次 风 反 切 ,减 小 了 气 流 的 旋 转 强 度 ,提 高 了 炉 膛 中 心 区域 的 煤 粉 浓 度 . 一 、 二 次 风 混 合 强 烈 ,燃 烧 剧 烈 ,煤 粉 燃烧 行 程 短 ,能 够 保 证 煤 粉 充 分 燃 尽 . 同 时 ,煤 粉 被 包 在炉 膛 中 心 ,刷 墙 颗 粒 较 少 .4. 3 温 度 分 布图 7和 图 8是 一 次 风 截 面 的 温 度 场 . 可 见 ,改 后 由于 一 次 风 反 切 ,减 小 了 气 流 的 旋 转 强 度 ,提 高 了 炉 膛 中心 区 域 的 煤 粉 浓 度 ,同 时 ,一 、 二 次 风 的 混 合 剧 烈 ,强 化了 局 部 区 域 的 燃 烧 强 度 . 所 以 在 此 截 面 上 ,改 后 温 度 的最 高 值 比 改 前 要 大 一 些 . 但 是 ,改 后 水 冷 壁 附 近 煤 粉 浓度 低 ,温 度 比 改 前 有 所 降 低 .图 5 改 前 炉 内 煤 粉 颗 粒 轨 迹 分 布图 6 改 后 炉 内 煤 粉 颗 粒 轨 迹 分 布图 7 改 前 一 次 风 截 面 温 度 分 布图 8 改 后 一 次 风 截 面 温 度 分 布图 9和 10是 燃 烧 器 以 上 截 面 的 温 度 场 . 改 后 的 温度 高 温 区 被 包 裹 在 炉 膛 中 心 ,改 前 前 、 后 墙 附 近 的 温 度较 高 ,局 部 容 易 结 渣 .392007年 2月 张 波 等 : 220 t/h电 站 锅 炉 防 结 渣 改 造 方 案 的 数 值 模 拟 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图 9 改 前 燃 烧 器 以 上 截 面 温 度 分 布图 10 改 后 燃 烧 器 以 上 截 面 温 度 分 布图 11和 12是 锅 炉 纵 剖 面 的 温 度 场 .可 以 看 到 改 后的 火 炬 处 于 炉 膛 中 心 位 置 ,前 、 后 墙 温 度 都 不 是 很 高 .图 11 改 前 纵 剖 面 温 度 分 布图 12 改 后 纵 剖 面 温 度 分 布综 上 所 述 ,从 炉 内 温 度 分 布 来 看 ,改 前 ,前 后 墙 附近 的 温 度 较 高 ,局 部 容 易 结 渣 ;改 后 ,在 整 个 炉 膛 范 围内 ,火 焰 处 于 炉 膛 中 心 位 置 ,水 冷 壁 附 近 的 温 度 比 较低 ,这 有 利 于 保 护 水 冷 壁 ,防 止 锅 炉 结 渣 .4. 4 氧 量 分 布图 13和 图 14是 燃 烧 器 以 上 截 面 的 氧 量 场 (体 积分 数 ). 可 以 看 到 改 后 壁 面 附 近 有 一 个 大 氧 量 区 ,改前 ,前 、 后 墙 区 域 氧 量 偏 小 ,对 锅 炉 的 防 结 渣 是 不 利 的 .图 13 改 前 燃 烧 器 以 上 截 面 氧 量 分 布图 14 改 后 燃 烧 器 以 上 截 面 氧 量 分 布5 结 论(1) 改 造 前 后 均 形 成 了 逆 时 针 旋 转 的 气 流 . 改 后由 于 一 次 风 全 部 反 切 ,所 以 改 后 的 气 流 旋 转 强 度 比 改前 要 小 一 些 ,有 利 于 防 止 煤 粉 颗 粒 被 甩 向 水 冷 壁 .(2) 改 后 ,由 于 一 次 风 反 切 ,减 小 了 气 流 的 旋 转 强度 ,提 高 了 炉 膛 中 心 区 域 的 煤 粉 浓 度 . 一 、 二 次 风 混 合强 烈 ,燃 烧 剧 烈 ,煤 粉 燃 烧 行 程 短 ,能 够 保 证 煤 粉 充 分燃 尽 . 同 时 ,煤 粉 被 包 在 炉 膛 中 心 ,刷 墙 颗 粒 较 少 .( 3) 改 前 ,前 后 墙 附 近 的 温 度 较 高 ,局 部 容 易 结渣 ;改 后 ,在 整 个 炉 膛 的 范 围 内 ,火 焰 处 于 炉 膛 中 心 位置 ,水 冷 壁 附 近 的 温 度 比 较 低 ,有 利 于 保 护 水 冷 壁 ,防止 锅 炉 结 渣 .(4) 改 后 由 于 一 次 风 反 切 ,煤 粉 被 包 在 炉 膛 中 心 ,49 燃 烧 科 学 与 技 术 第 13卷 第 1期 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 水 冷 壁 附 近 的 氧 量 有 所 提 高 ,降 低 了 炉 内 的 结 渣 趋 势 .(5) 本 文 提 出 的 改 造 方 案 可 行 ,可 望 有 效 缓 解 该220 t/h锅 炉 存 在 的 严 重 结 焦 问 题 .参 考 文 献 : 1 许 晋 源 ,徐 通 模 . 燃 烧 学 M . 北 京 :机 械 工 业 出 版 社 ,1990.Xu J inyuan, Xu Tongmo. Com bustion M . Beijing: ChinaMachine p ress, 1990 ( in Chinese). 2 李 彦 鹏 , 徐 益 谦 , 刁 永 发 ,等 . 切 向 燃 烧 锅 炉 炉 膛 内 旋 流数 分 布 的 研 究 J .热 能 动 力 工 程 , 2001 (5) : 4772481.L i Yanpeng, Xu Yiqian, D iao Yongfa, et al. An investigationof the distribution of swirl numbers in the furnace of a tan2gentially fired boiler J . Journal of Engineering for Therm alEnergy and Paw er, 2001 (5) : 4772481 ( in Chinese). 3 范 贤 振 ,郭 烈 锦 ,高 晖 ,等 . 200MW 四 角 切 向 燃 烧 煤 粉炉 炉 内 过 程 的 数 值 模 拟 J . 西 安 交 通 大 学 学 报 , 2001(3) : 2412245.Fan Xianzhen, Guo L iejin, Gao Hui, et al. Numerical simu2lation of flow and combustion p roless in the tangentially firedfurnance of a 200 MW puluerized coal boiler J . Journal ofX i an J iaotong U niversity, 2001 (3) : 2412245 ( in Chinese). 4 STAR2CD Version 3. 15. Methodology of Computational FluidDynamics Software. 1998. 5 周 力 行 . 湍 流 两 相 流 动 和 燃 烧 的 数 值 模 拟 M . 北 京 :清华 大 学 出 版 社 , 1991.Zhou L ixing. The N um erical S im ulation of Tw o2Phase Turbu2lent Flow and Com bustion M . Beijing: Q inghua Universi2ty Press, 1991 ( in Chinese). 6 Fan J ianren