600MW机组锅炉不同煤质燃烧的数值研究

1、600MW机组锅炉不同煤质燃烧的数值研究发表时间:2011-12-22作者：李宽、赵星海、郑媛、辛国华摘要：    由煤质变化造成的炉内燃烧不稳定一直是影响某电厂600MW机组锅炉安全运行的关键原因。以该锅炉为研究对象，通过Gambit软件建立炉膛的三维结构并生成网格，在FLUENT软件中选择合理的数学模型，进行了不同煤质下炉内燃烧的数值模拟。研究发现：随着煤质的改善，炉内温度和CO浓度升高，气粉分离现象减轻，煤粉着火提前，炉膛火焰充满度逐渐提高，但燃烧器分组效果降低。模拟结果与锅炉实际运行情况吻合较好。    锅炉炉内燃烧是一复杂的

2、物理、化学过程，它涉及到多相流动、传热、传质和化学反应等诸多学科。随着计算流体力学、燃烧学、传热学、化学反应动力学和计算机技术的发展，利用数值模拟方法分析炉内燃烧工况已成为一种有效的研究手段。    本文以某600MW机组锅炉为研究对象，根据其结构、设计和运行参数，对燃用不同煤质下的炉内流动、传热和燃烧等过程进行数值模拟，得出燃用不同煤质下的炉内温度分布和CO浓度分布等。    一、研究对象    某电厂600MW机组的HG-2008/18.2-HM3锅炉采用四角切圆燃烧方式，燃烧时1、3号角和2、4号角

3、在炉膛中心分别形成直径为d565mm和d845mm的假想切圆（图l）。每一角燃烧器分为上下两组，底层一次风距炉底16846mm。整个锅炉高81m，炉膛截面尺寸为 20052mm×20193mm。锅炉燃用褐煤，煤质分析见表1。锅炉采用中速磨煤机正压直吹式系统，配有8台MPS-255中速磨煤机，每台磨煤机供给同1层4只燃烧器，锅炉额定出力运行时，6台磨煤机运行，2台备用。                    

4、   二、网格划分、模型选取及边界条件设定    2.1 网格划分    在Gambit软件中进行锅炉三维结构的构建并进行网格生成，仅对锅炉四周水冷壁采用无厚度的固定壁面进行简化，模拟空间从冷灰斗底部延伸到水平烟道。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，具体网格划分如图2所示。                

5、60;                      2.2 计算模型选取和边界条件的设定    采用FLUENT流体计算软件进行三维稳态计算。基本控制方程包括连续性方程、动量方程、能量方程、状态方程。燃烧计算采用非预混燃烧模型，气相湍流的输送采用标准k-。模型，煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型，煤粉挥发分的释放采用两步竞争反应模型，气相湍流的燃烧采用混合分数PDF模型，焦

6、炭的燃烧采用动力扩散控制反应速率模型，辐射传热采用P-1辐射模型。    对于边界条件的设定，以实际运行的锅炉参数为依据：一次风速为23.73m/S，一次风温345K；二次风速为54.7m/s，二次风温 655K。    三、计算结果及分析    3.1 速度场    图3是计算得到的底层一次风截面的速度场。由图3可知，四角射流相互冲击形成切圆，射流喷出后不断卷吸高温烟气形成补气流。        

7、;             ；    3.2 炉膛横截面最高温度分布    图4是不同煤质下的炉膛横截面最高温度分布。由图4可知，沿炉膛高度的横截面最高温度分布是先升高后降低，在下组燃烧器区域达到最大值；在上组燃烧器区域及以上区域温度变化最大且下降最快。对于炉膛横截面最高温度，燃用上限煤质时最高，燃用设计煤质时居中，燃用下限煤质时最低。这说明煤质越好，炉膛横截面最高温度越高。  

8、0;                                            3.3 炉膛纵截面温度分布    图5是不同煤质

9、下的炉膛纵截面温度分布。随着煤质的改善，炉内温度升高，煤粉着火提前，炉膛火焰充满度逐渐提高，气粉分离现象减轻，但燃烧器分组效果降低，水冷壁外壁在上组燃烧器区域温度较高，容易出现结渣。                       煤质变化对炉膛出口温度影响差别较大。煤质变好时炉膛出口温度变化不大，但煤质变差时炉膛出口温度降幅较大。    煤质的改善有利于煤粉的

10、燃烧，但要注意对上组燃烧器区域的监控，防止炉内结渣；在煤质变差时应注意煤粉的稳燃，防止炉内灭火。    3.4 CO浓度分布    图6是不同煤质下的炉内CO质量分数分布。通过对比可知，随着煤质的改善，CO的析出比较剧烈，浓度升高，且分布较好，但煤质变差对CO浓度的分布影响更为显著。分析图6可知，煤质变差对上组燃烧器喷入煤粉的燃烧影响较小，对下组燃烧器影响较大。在对该型锅炉改造或设计时，可以适当改进下组燃烧器，以提高对劣质煤粉的适应能力。               四、结论    (1）模拟计算结果与锅炉实际运行情况吻合较好，验证了计算的合理性。    (2）随着煤质的改善，炉内温度和CO浓度升高，煤粉着火提前，炉膛火焰充满度逐渐提高，气粉分离现象减轻；但燃烧器分组效果降低，水冷壁外壁在上组燃烧器区域温度较高，容易出现结渣。