煤粉锅炉富氧燃烧的数值模拟研究

第 3 6卷第 3期 2 O l 3年 7月 煤 炭 转 化 COAL C0NVERS1 0N Vo1 36 No 3 J u 1 2 o 1 3 煤粉锅炉富氧燃烧的数值模拟研究 彭龙飞D 赵 星海 辛 国华。 摘 要 以一 台6 0 0 Mw 四角切 圆煤粉锅 炉为研 究对 象， 通过 Ga mb i t 软件建立炉膛的三维 结构及 网格 生成 ， 在 F I UE NT软件 中选择 合 理的数 学模 型 ， 进 行 了空气 气氛 和 富氧 气氛 下 炉 内煤 粉燃烧的数值模拟 模拟结果表明： O c o 气氛下， 由于 c o 。 具有较高的比热容， 炉膛 内烟气的蓄 热能 力及 着火热 增加 ， 炉膛整 体 温度下 降 ， 火焰 中心上移 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 ， 有利于煤粉的着火和燃烧 关 键词切 圆燃 烧 ， 煤粉 锅 炉 ， 0 。 C 0 z ， 数值 模拟 中 图分 类号 T K2 2 9 6 3 ， TQ O 1 8 0 引 言 煤在 燃烧 过程 中产生 大量 的污 染 物 NO ， S Oz ， C O 以及粉尘等 ， 造 成严重 的环境污染 C O 作为 温 室气 体 的 主 要 成 分 ， 对 生 态 环 境 有 着 恶 劣 的 影 响 1_ 1 0 c o 也叫富氧燃烧技术 ， 是将 O 与循环 烟气混合代替空气作为介质参 与燃烧 ， 使得烟气中 C O 浓 度 升高 至 9 O 以上 ， 从 而 可 以有效 且 经 济地 从 电站 锅炉 的烟气 中捕 集 C O ， 并 且采 用 这 种 燃烧 方式还能减少 S O 和 NO 的排放， 实现燃煤 污染 物的综合脱除 1 2 在 以某 6 0 0 Mw 四角切圆燃烧锅 炉为研究对象 ， 运用 F I UE NT计算流体动力学软 件为基础的条件下 ， 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 富氧燃 烧技 术 在我 国电 厂 中还 没 有 实施 ， 本研 究 对 了解 和掌 握 四角切 圆燃烧 煤粉 锅炉 富氧燃 烧方 式下 炉 内过 程及 其规律 ， 提高该锅炉的设计、 运行与改造水平提供了 有 益 的参 考 ， 对于 老 机组 优 化 改 造及 新 机 组 的设 计 建 立具有 重 要意义 1 研 究对象 某 电 厂 6 0 0 MW 机 组 锅 炉 HG - - 2 0 0 8 1 8 2 - HM3 型为哈尔 滨锅 炉厂 引进 C E技术 生产 的亚 临界 和一次 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， 1 ， 3 号角和 2 ， 4号角在炉膛中心分别 形成直径 为 D5 6 5 mm和 D 8 4 5 mm 的假想切 圆 ， 双切 圆均 为逆时针方 向旋 转 ( 见 图 1 ) 每一角燃 烧 器分 为 上下 两组 ， 底 层 一 次 风 距 炉 底 1 6 8 4 6 ram( 见 图 2 ) 锅 炉设计为平衡通风 ， 单炉膛倒u型布置 整个锅炉 图 1 燃烧器切 圆示意图 Fi g 1 I n s c r i b e d c i r c l e di a gr a m o f t he bu r ne r = ：! Z J l 捶 ： ： 吕 I 暑 g 甘 ； 2 2 。 l - l l l i 1 - I Z 睦 Pr i ma r y a i r S e c o n d a r y a i r Pr i ma r v a i r S e c o n d a r y a i r 图 2 燃烧器喷 口布置 Fi g 2 Ar r a n ge me n t vi e w of t he b ur ne r no z z l e 1 )硕士生 ； 2 )副教授 ， 东北电力大学能源与动力工程学院， 1 3 2 0 1 2 吉林吉林 ； 3 )教授 ， 吉林工业职业技 术学院， 1 3 2 0 1 3 吉林吉林 收稿 日期 ： 2 0 1 2 - 1 0 1 4 ； 修回 日期： 2 0 1 2 1 2 一 O 1 一 一 一 一 一 誊 一 (；i 第 3期 彭龙飞等煤粉锅 炉富氧燃烧 的数值模拟研究 高 8 1 m， 炉膛截面尺寸为 2 O 0 5 2 mmX 2 0 1 9 3 mm， 设 计煤种为褐煤 ， 煤粉分析见表 1 ， 煤 的收到基低位发 热量为 1 3 2 0 7 MJ k g 锅炉最大连续出力 ( B MC R) 和额定 出力分 别 为 2 0 0 8 t h和 1 8 1 5 t h 锅 炉 为 单炉膛 ， 四角布置 摆动燃 烧器 ， 并 配有 8台 MP S 一 2 5 5中速 磨煤 机 ， 每 台磨 煤 机供 给 同一层 4只燃 烧 表 1 煤粉分析 ( ， a r ) Ta b l e 1 An a l y s i s o f t h e p u l v e r i z e d c o a l ( w ， a r ) 2 网格划分和模型选取及边界条件设定 2 1网格 划分 本研 究按 照该 电厂 锅 炉 实 际 尺 寸在 Ga mb i t 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 四个 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 4 5 。 ， 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 P a v i n g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 燃烧器区域某一截 面上的 网格及 整体炉膛 网格划 分 3 见 图 3 对锅炉炉 内煤粉燃烧进行三维稳态数值计算 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 炭 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 1 4 本文中气 相湍流采用可实现的 肛模 型， 气 固两相采 用随机 轨道模型( s t o c h a s t i c t r a c k i n g mo d e 1 ) ， 辐射换 热采 用 P 一 1辐射模型( P - 1 r a d i a t i o n mo d e 1 ) ， 挥发分的热 解采用双竞争 反应热解模 型( t wo c o mp e t i n g r a t e s mo d e 1 ) ， 挥 发 分 燃 烧 采 用 混 合 分 数 P DF( mi x t u r e f r a c t i o n P D F ) ， 焦 炭燃 烧 采 用 动 力一 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 S I MP L E C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 c 6 , 7 3 图 3网 格 结 构 Fi g 3 St r uc t ur e of t he g r i d 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 对于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， 其他参数保持不变 二次风量的送人以炉 膛 折焰 角 处 C O质 量 浓度 不 超 过 0 0 0 2和 O 质 量 浓度不超过 0 0 0 5为依据 ， 以保证与空气气氛下折 焰角处 的 C O和 O 质量浓度一致 ， 计算选择 5个工 况 ， 详 细设 定见 表 2 表 2边界条件的设定 Ta b l e 2 S e t t i n g o f t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n P u l v e r i z e d c o a l S p e e d o f t h e p r i ma r y Te mp e r a t u r e o f t h e Te mp e r a t u r e o f t h e S p e e d o f t h e s e c o n d a r y ( k g S ) a i r ( m S 一 )p r i ma r y a i r K s e c o n d a r y a i r K a i r ( m S 一 ) Ai r 2 1 7 9 2 5 7 5 2 9 7 1 3 3 6 7 1 0 0 8 1 0 0 8 1 0 0 8 1 0 0 8 1 O O 8 3 结果 与讨论 工况 1的炉膛中心纵截面温度分布与热负荷分 布见第 5 8页图 4 图 4 a为工 况 1空气 气氛 下炉 膛 中 心纵截面温度场分布， 图 4 b为工况 1空气气氛下炉 膛 的壁面热负荷分布 由图 4 a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 9 0 2 5 O K， 出 口烟 气质 量流 量 为 7 3 4 2 3 k g s ， 实 际运行 锅炉约 第 3期 彭龙 飞等煤 粉锅 炉富氧燃烧的数值模拟研究 5 9 内烟气的蓄热量随之减少 ， 炉 内总体温度水平提高 图 6为富氧工况下随氧气浓度升高的壁 面平均 热负荷与最大热负荷的变化 由图 6可以看出 ， 随着 O x y g e n c o n c e n t r a t i o n o f t h e o x y g e n - r i c h a t o ms p h e r e 图 6 富氧工况下 随氧浓度 升高的壁面热负荷变化 F i g 6 Ch a n g e o f t h e wa l l h e a t f l u x wi t h t h e r i s e o f t h e o xy ge n c onc e nt r a t i o n a t ox yg e n c o nd i t i o n 氧气浓度的提高 ， 壁面平均热负荷 与最大热负荷逐 渐增高 工况 1下炉 内壁面平均热负荷为 2 2 5 3 X l O W m ， 工况 2下 炉 内壁 面平均热 负荷 为 1 4 2 5 1 O W m ， 较 工 况 1有 明显 降 低 这是 由于 工 况 2 下 炉 内温 度水 平较 低 ， 炉 内燃烧 不稳 定 ， 火焰 中心 上 1 2 3 3 E 4 5 6 7 移 ， 使 得 炉 内水 冷壁 换热 面换 热能 力变 差 ， 随着 富氧 气氛 下氧 气浓 度 的提高 ， 炉 内壁面 平均 热负 荷升 高 ， 换热 能力 提高 4 结 论 1 )0 c o 2 体 积 比为 2 1 7 9时 ， C o 具 有 较 高 的比热容 ， 炉膛内烟气的蓄热能力增加 ， 一次风着火 热增加 ， 炉膛整体温度下降， 火焰中心上移 2 )O。 c o 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 ， 炉内三原子气体 C O 的增加和炉膛温度 的升高导致辐射能力的加强 4 )O 2 C ( 2 气氛下， C O 2 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 参 考 文 献 闫志勇， 张虹 c o2排放导致的地球温升问题及基本技术对 策 J 环境 科学发展 ， 1 9 9 9 ， 7 ( 6 ) ： 1 7 5 1 8 1 杜莹， 王静 ， 王 贤华等 富氧气氛下燃煤 污染物排放规律研究 J 煤炭转化 ， 2 0 1 1 ， 3 4 ( 3 ) ： 7 5 7 8 李宽 ， 赵星海 ， 辛 国华 等 6 0 0 Mw 机组锅炉不同煤质燃烧的数 值研究 E 1 热 力发电 ， 2 0 1 1 ， 4 0 ( 6 ) ： 1 7 2 0 Ea t o n A M S m o o t L D Hi l l S C e t a 1 Co mp o ne n t s ， Fo r mu l a t i o n s ， S o l u t i o n s ， Ev a l u a t i o n a n d Ap p l i c a t i o n o f Co mp r e h e n s i v e C o mb u s t i o n Mo d e l s J P r o g r e s s i n E n e r g y a n d C o mb u s t i o n S c i e n c e ， 1 9 9 9 ， 2 5 ( 4 ) ： 3 8 7 4 3 6 牛胜利 ， 路春美 ， 赵建立等 02 c o z气氛下煤粉的燃烧规律与动力学特性 E J 动力工程 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 5 ) ： 7 7 0 7 7 3 Mu r p h y J J ， S h a d d i x C R Co mb u s t i o n Ki n e t i e s o f C o a l Ch a r s i n Ox y g e n e n r i c h e d E n v i r 0 n me n t s J C o mb u s t i o n a n d F l a me ， 2 0 06 ( 1 44 ) ： 7 1 0 7 1 2 阎维平 ， 刘亚芝 3 0 0 Mw 四角切圆煤 粉锅炉燃 烧工 况的数值模拟及优化研究 J 锅 炉技术 ， 2 0 0 7 ， 3 8 ( 6 ) ： 1 4 1 9 NUM ERI CAL S TUDY oN CoM BUS TI oN PRoCES S I N A CoAL BoI LERS W I TH oXY FUEL CoM BUS TI oN Pe ng Lo n g f e i Zh a o Xi ng h a i a nd Xi n Gu o hu a ( En e r g y Re s o u r c e a n d Po we r En g i n e e r i n g I n s t i t u t e ，No r t h e a s t Di a n l i Un i v e r s i t y，1 3 2 0 1 2 J i l i n， Ji l i n ；* Ji l i n Vo c a t i o n a l C o l l e g e o f I n d u s t r y a n d Te c h n o l o g y，1 3 2 0 1 3 J i l i n，Ji l i n ) A B S T R A C T Ta k i n g a 6 0 0 MW c o a l - f i r e d b o i l e r i n 8 p o we r p l a n t s e r v i n g a s t h e o b j e c t o f s t u d y。t h r e e d i me n s i o n a l s t r u c t u r e o f t h e f u r n a c e h a s b e e n e s t a b l i s h e d a n d a me s h b e i n g p r o d u c e d t h r ou gh Ga mbi t s o f t wa r e A r e a s o na b l e ma t h e ma t i c mo de l ha s be e n c ho s e n f r o m FLU ENT s of t wa r e a nd t he c o mbus t i o n i n f u r n a c e be i n g nu m e r i c a l l y s i mul a t e d un de r c o n di t i on of bu r ni n g c oa l s wi t h d i f f e r e n t q u a l i t y I n O2 cO2 a t mo s p h e r e ，CO2 h a s a h i g h e r s p e c i f i c h e a t c a p a c i t y t h a t