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300MW四角切圆煤粉锅炉燃烧和NOx排放的数值模拟
发布时间：2013-10-03 09:16 来源：未知
四角切圆煤粉锅炉是目前世界上比较常用的电站锅炉类型之一，其燃烧适应性好，风粉混合均匀。由于我国的煤种分布较广，与四角切圆锅炉的特性相适应。所以，四角切圆燃烧是目前我国应用最广、最为成熟的燃烧方式。
本文借助COALFIRE软件平台，以某电厂300 MW四角切圆煤粉锅炉为研究对象，根据其结构参数、设计参数和运行参数，利用数值计算程序对炉膛内的湍流气固两相流动、传热和燃烧等进行了三维数值模拟。计算结果描绘出了炉内的温度场、颗粒场、各组分浓度场和NO。浓度场等，为了解和掌握四角切圆燃烧煤粉锅炉炉内过程及其规律，提高同类型锅炉的设计、运行与改造水平提供了有益的参考。
1、模拟对象
本文所模拟的对象是某电厂由东方锅炉厂生产的DG1025/18.2-Ⅳ型亚临界、中间再热、自然循环、燃煤汽包锅炉。该锅炉为单炉膛Ⅱ型布置，配有中储式制粉系统，采用四角切圆燃烧，直流摆动式燃烧器，固态除渣。其结构示意图见图1。整组燃烧器设5层一次风喷口，9层二次风喷口和1层三次风喷口，二次风和一次风间隔布置，如图2所示。燃烧器配风方式见表1。锅炉燃用煤粉颗粒的直径最小为10um．最大为200um，颗粒直径分布遵循Rosin-Rammler分布律。锅炉燃用的设计煤种的煤质分析如表2所示。富通新能源生产销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧颗�；⒛拘伎帕；怪频纳镏士帕Ｈ剂希蔽颐腔褂写罅康难钅灸拘伎帕Ｈ剂虾陀衩捉崭芽帕Ｈ剂铣鍪�。
2、计算网格和数值方法
由于炉膛的几何结构不规则，为了计算简便，选取从炉膛下部的冷灰斗到炉膛上部的折焰角之间的区域作为计算域。在四角切圆燃烧锅炉的炉内流动计算中，炉膛4个角上的燃烧器的风口速度方向一般与直角坐标的网格边界成约45°夹角，容易产生伪扩散，从而影响计算的准确性。在进行三维的数值计算之前，首先要对计算域进行网格划分，COALFIRE软件采用非结构化的四面体网格，其好处是可以减少伪扩散。网格如图3所示，共划分了48多万网格。
数值模拟采用三维稳态计算。采用标准k-a双方程模型模拟湍流气相流动；对固体颗粒相的求解采用随机的颗粒轨道模型；对辐射传热采用Pl辐射模型；对煤粉挥发分的释放采用单步反应模型；对于焦炭的燃烧采用了扩散动力模型；采用守恒标量的PDF模型模拟非预混燃烧；对气相流场则采用非交错网格的SIMPLE方法来求解。
根据残差判断收敛，以所有计算量（如：u、v、w、￡等）的相对误差都必须小于1.0×10-4作为收敛准则。在迭代了658步后方程收敛，模拟完成。
3、计算结果与讨论
3.1温度场
图4、图5分别表示炉膛纵截面和横截面温度分布，从图中可以看出，炉膛中心处温度最高，达到1800K左右，而整个炉膛温度最高的地方出现在燃烧器区域。随着炉膛高度的增加，温度水平逐渐降低，呈中心高四周低趋势分布，在4个角隅处容易出现低温区。在燃烧器区域，由于煤粉气流在射出喷口时，4股射流相互撞击在炉膛中央形成一个强烈旋转的旋涡并呈螺旋式上升，故在炉膛中心出现了低温区。在一次风喷口附近，由于挥发分的强烈析出和反应，使得喷口附近出现了局部高温区。模拟结果符合四角切圆煤粉锅炉的燃烧规律。
3.2组分场
由于氧化剂02和中间还原性产物CO对气氛的影响很显著，所以这里只列举了02和CO的浓度分布，如图6a、图6b所示，分别表示炉膛竖直中心截面上02和CO的浓度分布。浓度图表明，炉内02和CO的浓度分布与温度分布有很大关系，高温区对应着高的CO浓度和低的0：浓度，在炉膛高温区煤粉与0，发生剧烈燃烧反应，消耗大量的0，而主要生成CO;然后在低温区CO再与过剩的02反应，消耗高温区生成的CO，故低温区对应着低的CO浓度和高的02浓度。在接近折焰角处CO的浓度已经非常低了，而0：浓度还比较高。从图中可以看出，在炉膛出口处的烟气中，C0的浓度大约为200 ppm，而出口平均氧量为6.4%左右。
3.3 NO。浓度场
图7、图8是炉膛中心纵、横截面上的NOx体积浓度分布图。从氮的生成机理可知，NO。体积浓度主要与02浓度和反应温度有关。NO。的生成主要在炉膛的燃烧器区域，其最高浓度在炉内高温区且0，浓度梯度最大处出现，而炉壁附近则较低。主要原因是燃料的挥发分中氮的化合物被进口的大量氧气氧化，生成HCN等中间产物，然后进一步转化为NO。随着氧气的消耗和温度的升高，NO。浓度也逐渐升高，炉膛中心处NO。浓度约为600 ppm。沿着炉膛高度方向，炉膛温度的降低，NO。浓度开始消减，在接近折焰角处NO。的浓度达到300 ppm左右。
3.4壁面热负荷分布
图9是炉内的壁面热负荷分布图。炉膛内的传热绝大部分为辐射换热，燃烧中心区由于温度较高，热负荷明显高于其它区域，炉膛底部热负荷最低。燃烧器附近局部热负荷较高，切圆的存在使火焰发生偏转而靠近炉墙，所以火焰偏向一侧的壁面局部热负荷最高，最大值高达511kW／m2，而炉膛内的平均净壁面热负荷约为185 kW/m2左右。由此可见，燃烧器一次风口设有周界风还是很有必要的，因为周界风的速度较一次风高，可以增加一次风的刚度，防止火焰贴墙。在炉膛上部，前、后墙热负荷沿炉宽方向趋于均匀，峰值在中心线附近出现；左、右墙热负荷由于折焰角的影响，分布并不均匀。
3.5颗粒轨迹
图10是炉内煤粉颗粒的运动轨迹分布图。煤粉的着火主要是由挥发分先着火，提高了烟气温度，然后焦炭燃烧，释放出大量的热量。而煤粉的燃尽过程主要取决于焦炭的燃烧速度，而它与温度有着密切的关系。图lOa、图lOb的颗粒轨迹颜色分别是用颗粒中残留的含碳量多少和炉内温度来定义的。在燃烧器以下的炉膛区域，温度水平很低，煤粉颗粒运动缓慢，在燃烧器附近速度急剧升高，在炉膛中心形成了一个旋涡；在燃烧器区域刚喷入时含碳量很高，经过剧烈燃烧，从燃烧器区域向上，含碳量已经很少。随着炉膛高度的增加，温度逐渐降低，焦炭趋于燃尽，只�；曳�，颗粒质量不再改变。在炉膛折焰角处含有较多的飞灰含碳量，约为5%左右。
4、结论
本文以大型四角切圆燃煤锅炉炉膛的数值模拟计算软件COALFIRE为基础，选用合适的数学物理模型与几何结构模型，对一台四角切圆燃烧煤粉炉进行数值计算，自动生成细密网格，且可较好地模拟四角切圆煤粉炉炉内温度场、颗粒场、各组分浓度场和NO。浓度场等。通过研究得出了一些有参考价值的数据和结论。富通新能源生产销售的生物质锅炉以及木屑颗�；怪频纳镏士帕Ｈ剂鲜强突遣淮淼难≡�。
