运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究

第24卷第4期2004年8月文章编号:100026761(2004)0420470207动力工程POWERENGINEERINGVol.24No.4Aug.2004运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究陈炳华,张颉,孙锐,吴少华,秦裕琨(哈尔滨工业大学能源科学与工程学院,哈尔滨150001)摘要:为了达到锅炉的优化运行以保证煤粉气流及时着火和充分燃尽,采用IPSA两相流动模型和煤粉燃烧综合模型,在不同的一次风率和煤粉细度的工况下,对1台350MW锅炉煤粉燃烧过程进行了数值模拟,得出了炉内燃烧器区域以及出口处烟气温度场和燃烧产物的组分浓度分布。分析了一次风率和煤粉细度对煤粉着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律,并确定了优化的运行参数。结果表明:一次风率对煤粉气流的着火影响较大,而对出口处烟气温度、氧量以及飞灰含碳量影响较小。煤粉细度对煤粉气流的着火、燃烧以及燃尽均有较大影响。图8表2参9关键词:动力机械工程;煤粉燃烧;数值计算;一次风率;煤粉细度;飞灰含碳量中图分类号:TK224文献标识码:ANumericalStudyofOperationParametersonPulverizedCoalIgnitionandUnburnedCarboninFlyAshforaBoilerCHENBing2hua,ZHANGJie,SUNRui,WUShao2hua,QINYu2kun(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Inordertoobtainoptimumoperationofboilersandthenensuretimelyignitionandcompletelyburnoutofpulverizedcoal,pulverizedcoalcombustionprocessesina350MWboilerwerenumericallycal2culatedunderdifferentprimaryairratiosandpulverizedcoalfineness.TheInterPhaseSlipAlgorithmmodelwasemployedforthetwo2phaseflowsimulation.Thecomprehensivecoalcombustionmodelswereusedtosimulatecombustionprocess.Thenumericalresultsshowedthetemperaturefieldandthecombus2tionspecies’concentrationdistributionsinthecombustionzoneandatfurnaceexit.Theeffectsofprimaryairratioandpulverizedcoalfinenessonpulverizedcoalignitionandunburnedcarboncontentinflyashwerestudiedandoptimumoperationparametersweregiven.Theresultsillustratethatprimaryairratiohasamajoreffectonpulverizedcoalignitionandminoreffectsongastemperature,oxygenconcentrationandunburnedcarbonatfurnaceexit.Pulverizedcoalfinenesshassignificanteffectsonpulverizedcoaligni2tion,combustionandburnout.Figs8,tables2andrefs9.Keywords:powerandmechanicalengineering;pulverizedcoalcombustion;numericalsimulation;primaryairratio;pulverizedcoalfineness;unburnedcarboncontent收稿日期:2003210215修订日期:2004203221作者简介:陈炳华(19682),男,硕士研究生,高级工程师。主要研究方向:煤粉燃烧过程的数值模拟。对于现代化的一流火电厂的发电机组来说,不仅要保证生产运行的安全性,还要着重考虑生产过程的经济性。电厂的经济性涉及汽机、锅炉、电气、热陈炳华,等:运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究·471·第4期工、化学和燃料等各方面,而锅炉效率是非常重要的一个方面。飞灰含碳量是影响锅炉效率的重要因素,也对锅炉的安全运行有很大的影响。煤粉中的大部分可燃物应该在炉膛火焰中心燃尽,如果煤粉无法正常燃尽,火焰中心上移,伴随着飞灰含碳量增高,则会造成炉膛出口区域烟气超温和造成位于该区域的高温过热器和再热器管的超温,影响主汽温度的调整,长此以往,就会造成爆管等突发事故1。影响飞灰含碳量的因素有:燃料的性质、炉膛结构、锅炉负荷、煤粉细度和配风方式等。对于炉膛结构、燃料性质一定的锅炉,在相同的负荷下,煤粉细度和配风方式选择的合理与否,关系到炉内的空气动力场,直接影响煤粉气流的着火、燃烧及燃尽,从而影响飞灰含碳量。长期以来,人们一直采用实炉测试方法来确定飞灰含碳量,并摸索降低飞灰含碳量的运行方法,但实炉测试工作量大,测试工况有限,较难获得详细全面而又经济可靠的结果2。数值计算的发展为煤粉燃烧研究开拓了一个新的领域,使理论分析和试验研究之间建立了相互结合的途径。通过数值试验手段模拟炉内煤粉燃烧过程,分析运行参数对煤粉气流的着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律,从而指导锅炉的运行优化,已得到越来越广泛的关注。本文采用了适合于旋流燃烧方式锅炉的数学模型和计算方法,根据炉内空气动力场的物理性质,采用了合理的网格划分和边界条件,利用PHOENICS程序,在不同的一次风率和煤粉细度的工况下,对山东日照电厂350MW锅炉煤粉燃烧过程进行了数值计算,分析了一次风率和煤粉细度对煤粉气流着火和飞灰含碳量排放情况的影响规律,得出了优化的运行参数。1燃烧设备情况日照电厂350MW锅炉设备是亚临界、一次中间再热、自然循环汽包、固态排渣煤粉炉;采用平衡通风、负压燃烧方式,单炉膛,Π型布置,水冷壁采用膜式结构。炉膛烟气依次流经屏式过热器、高温过热器、高温再热器、低温再热器、低温过热器、省煤器、空气预热器和电除尘器。锅炉设计燃用烟煤,采用直吹式制粉系统,每台锅炉配有4台MBF223型中速辊式磨煤机,每台磨煤机供一层4只燃烧器。锅炉共有16只FW双调风旋流煤粉燃烧器在前墙按4层×4列布置,采用“L”型燃烧方式,旋流燃烧器布置方式及二次风气流的旋向如图1所示。图1炉内燃烧器布置结构图Fig1Layoutoftheburnersinthefurnace2数学模型及计算方法2.1数学模型煤粉燃烧过程是伴随多种热传递现象的带有化学反应的湍流气固两相流动。煤粉燃烧过程的模拟需要建立很多物理和化学过程的简化模型,用以描述气固两相流动、相间作用力、颗粒湍流弥散、煤粉干燥、挥发份析出与燃烧、焦炭燃烧以及辐射传热等过程。2.1.1气固两相流动模型本文采用了IPSA模型(Inter2phaseSlipAlgo2rithmModel)进行气固两相流动的数值计算,对气固两相分别采用连续相介质控制方程进行描述,第i相的特性参数5i控制方程为d(riΘii)￶dt+div(riΘiVii-ri#igrad(i)-i#rigrad(ri))=Si+Sip(1)式中:i=1为气相,i=2为固相;#i为相内扩散系数;#ri为相间扩散系数;Si为相内作用源相;Sip为相间作用源相;Vi为第i相介质的速度;ri为体积份额,即单位体积内第i相介质所占的体积份数。气固两相间的相互作用包括质量、动量和能量传递,其中动量传递是由两相之间的气动阻力产生,可表示为F=3r2Θ1Cd￶V1-V2￶￶4D(2)式中,Cd为阻力系数,由球型颗粒的标准阻力系数公式给出Cd=24(1+0.15Re0.687)￶Re(3)式中,Re为气固两相间相对运动的雷诺数,可表示为Re=Θ1D￶V1-V2￶￶Λ1(4)式中,Θ1为气相密度;D为固相采用的球形颗粒直径;Λ1为气相动力粘度。对于气相湍流流动采用k2Ε双方程湍流模型,具体形式见参考文献3。动力工程·472·第24卷&)对于固相颗粒的湍流弥散过程采用湍流Prandtl数的梯度扩散假设来模拟,湍流Prandtl数可表示为Pt=1+1.5(0.85×￶V1-V2￶2￶k)(5)热烟气通过热传导、热对流和热辐射的方式加热煤粉颗粒,热辐射所占份额比较小,可以忽略不计。本文采用关于Nusselt数的体积模型在焓方程中加入传热源项来模拟传热过程,该源项可表示为q=6ΚΘ1r2Nu(T1-T2)￶D2(6)式中,Κ为气体的热传导系数;Nu为Nusselt数,Nu=2+0.65Re0.5Pr0.333。2.1.2煤粉燃烧综合模型本文采用的煤粉燃烧综合模型假设煤粒为单一粒径的球形颗粒,在反应进行的任何时刻,煤粒由水份、原煤、焦炭和灰份这4部分组成。煤粒温度的上升导致煤粒中的水份蒸发,进入气相变成水蒸气。原煤随着挥发份析出而消耗,剩余的固体可燃物为焦炭,焦炭与氧气发生异相反应而逐渐燃尽。灰份随着焦炭的燃尽而逐渐趋向于1。假设析出的挥发份的成分为碳氢化合物(CHx),它在气相燃烧反应中迅速耗尽。氧量在挥发份和焦炭的燃烧反应中迅速消耗。根据单步反应模型4来模拟煤的热解过程,挥发份的生成速率为均匀交错网格系统中求解5。在SIMPLEST算法中,首先是对流项采用迎风格式,同时采取加密网格的方法避免可能出现的假扩散问题。其次是扩散项采用线性迭代,对流项采用点迭代,可以免去求解速度场所需要的很强的低松弛,有利于加快结果的收敛和求解压力场的准确性5。由于炉膛沿宽度方向上是对称的,本文以宽度方向的半个炉膛作为模拟对象,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。经过对比计算表明:以上对计算域的两项简化对炉膛内的各主要变量的分布情况的影响很小。因此,本文的数值模拟均取简化后的计算域,其长度方向(X)、宽度方向(Y)和高度方向(Z)分别为11m×7.7m×30.3m,取Y=7.7m处Y2Z截面为计算对称面。为了获得与网格疏密程度无关的数值模拟结果,以便较准确地反映炉内情况,必须选取适当的网格划分。经过对比计算,最终选择X、Y和Z方向上均优化后的网格数30×48×70作为本文数值模拟的网格划分。具体的计算域结构及优化的网格划分如图2所示。mvol=Avr2Θ2Yvmce-Ev￶RT2(7)式中,mc为煤粉颗粒的质量;Yv为干燥无灰基的煤中挥发份所占的质量百分数。根据焦炭燃烧的扩散2动力模型4,焦炭的燃烧速率Rc受到氧扩散到焦炭表面的速率Kd和焦炭表面的化学反应速率Kc这两方面的控制,可表示为6r2PO21(a)计算域简图Rc=D(1￶Kc+1￶K(8)dKc=Ace-Ec￶RT2(9)Kd=ShDO2Mc￶RT1D(10)式中,PO2为氧气的分压;DO2为氧气的扩散系数;Sh为Sherwood数,取为2.0;Mc为碳的摩尔质量。对煤粉燃烧的其它分过程分别采用水份蒸发的扩散模型、挥发份燃烧的EBU2Arrhenius气相湍流燃烧模型以及六热流辐射传热模型等,具体形式见参考文献3。2.2计算方法及网格划分采用有限差分法来离散微分方程,对控制方程的求解采用SIMPLEST算法,在直角坐标系下的非(b)横截面上的网格划分陈炳华,等:运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究·473·第4期(c)纵截面上的网格划分图2模拟的炉膛结构及网格划分Fig2Calculatedfurnacestructureanddomaingrid2.3边界条件以锅炉现在常采用