神华煤炉内燃烧及结焦特性研究

张双 张琦彬 董宜斌

上海电力大学 上海 200000

摘要：燃煤有一个十分常见而又比较难解决的问题就是锅炉发生结焦 ,它在很大程度上影响了锅炉的安全运行与经济性。研究燃用神华煤的锅炉如何保证运行过程中的安全与可靠性，对于提高电厂运行效率、保障火电厂的经济性至关重要。本文主要讨论了某电厂2×1000MW超超临界机组煤粉锅炉，通过模拟软件FLUENT对锅炉炉膛的燃烧过程进行模拟，通过对锅炉炉膛内速度场、温度场等因素进行分析，预测出炉膛结焦位置。与此同时，通过对锅炉炉内结焦过程的数值模拟及分析，总结出在锅炉正常运行时能避免结焦的措施。本研究的燃烧模拟选择了非预混燃烧模型模拟炉膛在满负荷工况下的运行状态，模拟结果显示，综合飞灰射流的特性以及网格的划分情况，煤粉的平均粒径过大会直接冲刷受热面导致尾部受热面磨损，所以要尽可能选择平均粒径较小的煤粉。另一方面为了避免热风温度大幅下降，煤粉颗粒的燃烧恶化，应尽量保持锅炉在高负荷状态下运行。

关键词：四角切圆煤粉锅炉，数值模拟，结焦

1 背景及意义

在我国燃煤电厂仍是发电厂的主力军，发电量占比虽逐年下降但仍占有67%的地位，受政策影响抑制火电发展大力发展核电，稳步提高非化石能源发电的比重，加上燃气发电的发展，未来煤电将面临逐年下降的发电比重，更多的是发挥调峰作用^[1]。机组参与调峰次数越频繁，煤耗也就相应越高。煤种以及煤的品质会直接关系到电站锅炉燃烧的稳定性，燃用劣质煤很有可能会导致结焦或者超温爆管等问题。在锅炉炉膛内存在的众多问题当中，结焦是最为严重的问题，不仅影响热交换，使锅炉运行负荷降低，从而导致锅炉运行效率下降等问题。由于神华煤具有灰分含量低、硫含量低、挥发分含量高等众多优点，在中国很多大容量、高参数锅炉在设计时的煤种都会选取神华煤^[2]。但是神华煤有个很明显的的缺点是其灰特性中具有含量较高的钙、铁元素，所以神华煤使其在使用过程中特别容易使锅炉炉膛积灰结焦。研究燃用神华煤的锅炉如何保证运行过程中的安全与可靠性，对于提高电厂运行效率、保障火电厂的经济性至关重要。

2 模型的建立

本研究所采用的建模方法是非预混燃烧模型的建模方法，采用数值计算软件Fluent对炉膛燃烧进行数值模拟，煤种为烟煤，利用双步竞争反应模型，由于模拟焦炭的燃烧采用了动力-扩散模型，由于有偏大的气相湍流旋流强度因此采用Realizable k-ε双方程模型，采用壁面函数法。本研究所讨论的锅炉有相当大的计算区域和较大的颗粒相与气相之间的热量交换，而以热流法为基础的P-1辐射模型刚好可以满足条件，所以本文选择P-1辐射模型。本研究以从冷灰斗区至过热器下部之间区域作为计算区域，选择了GAMBIT进行三维建模。所建模型如图2-1所示。在对模型进行系统计算之中，网格划分的多少和计算结果精确度成正比，本模型将燃烧器区域纳入重点并加密处理，本模型炉膛网格及炉膛截面网格如图2-2所示，模型的总网格数量为140万。入口边界条件，煤粉粒径平均粒径为80μm，最小粒径为0.8μm，最大粒径为250μm，扩展指数为2，粒径分布都是遵循rosin-rammler分布。出口边界条件为自由出流，炉内不同的区域设置有不同的温度。燃烧模拟完成以后建立结焦模拟。本文从火焰是不是存在偏斜以及偏斜程度、锅炉中 含量、燃烧器区域温度是不是偏高等可能造成锅炉结焦的原因展开了讨论与验证，用来总结结焦生成的原因及位置。

3模拟结果及分析

模拟过程中，飞灰颗粒总数目为168000，在100%工况下，分析了结焦率、撞击壁面颗粒的平均温度、碰壁率以及飞灰中含碳量与平均粒径的关系。其中平均粒径依次取25μm、40μm、60μm、80μm、100μm、120μm。综合分析图3-1、图3-2、图3-3和图3-4，可以发现随着平均粒径的增加，结焦率增加，撞击壁面颗粒的平均温度降低，而撞击壁面的颗粒数以及飞灰含碳量却增加。这是因为煤粉的平均粒径增大，在相同的体积内会有更少的煤粉颗粒与氧气接触，使得煤粉着火减慢从而导致燃烧不充分，降低了锅炉燃烧效率，炉内煤粉颗粒平均温度降低，所以炉膛整体温度会因为煤粉颗粒的平均粒径的增加而降低。当煤粉粒径过大时，对于低挥发分的煤种来说，会出现燃烧中心向上移动的现象，导致炉膛出口烟气温度增加，致使尾部受热面直接被烟气冲刷，此时结焦十分可能发生在炉膛的出口位置；而对于挥发分很高的煤来说，有可能出现着火点向前移动的现象，此时结焦很容易发生在喷嘴出口及其附近区域。综上所述，由于本文所讨论的煤种为高挥发分煤，所以燃用平均粒径较大的煤粉, 会导致燃尽时间延长, 火炬拖长, 平均粒径较大的煤粉由于惯性过大会而直接冲刷受热面, 同时平均粒径较大煤粉在燃烧过程中, 粒子温度也相对较高, 熔化比例也相对偏大, 此时撞击受热面后更容易粘附在受热面从而产生结焦。因此燃用平均粒径较小的的煤粉对避免结焦和尾部受热面的磨损十分有利。

图3-1 结焦率与平均粒径的关系 图3-2 撞击壁面颗粒的平均温度与平均粒径的关系

图3-3 碰壁率与平均粒径的关系 图3-4 飞灰含碳量与平均粒径的关系

4结论

本研究的燃烧模拟选择了非预混燃烧模型模拟炉膛在满负荷工况下的运行状态，模拟结果显示，该锅炉炉膛内空气动力场组织良好，火焰没有发生明显的贴壁现象。根据引起结焦的因素总结了改变煤粉平均粒径能减轻锅炉的结焦程度。本文获得的主要结论如下: 模型选择与网格划分方法均是正确的，因为在运行工况为满负荷，炉膛内部所有条件包括速度场、温度场均满足四角切圆燃烧锅炉特点；火焰偏斜不是引起结焦的原因，因为燃烧过程中，炉内空气动力场组织良好，沿炉膛高度没有由于火焰偏斜而出现贴壁现象，所以锅炉结焦也许是燃烧器区域壁面附近烟气温度高于进入炉膛内的煤灰软化温度造成的；煤粉颗粒平均粒径过大会直接冲刷受热面导致尾部受热面过快被磨损，所以应该选择较小的煤粉粒径；锅炉负荷的下降碰壁的几率会上升，所以应该保证锅炉在高负荷状态下运行。

参考文献

[1]寇炳女 600MW超临界煤粉炉炉膛结渣特性的数值模拟 学位论文 太原理工大学 2014-05- 01

[2]邓念念 660 MW旋流对冲燃煤锅炉燃烧过程的数值模拟及结渣分析《动力工程学报》

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