生物质气与煤混燃锅炉分离式燃尽风反切消旋数值模拟

生物质气与煤混燃锅炉分离式燃尽风反切消旋数值模拟 [摘要]为了研究分离式燃尽风（SOFA）水平摆动形成反切角度对生物质气与煤粉混燃切圆锅炉出口速度偏差和温度偏差的影响，基于Fluent模拟软件搭建了纯煤掺烧松木气模型，对某电厂330MW机组掺烧10%松木气的燃煤锅炉SOFA不反切、反切10°、反切15°、反切20°等4种工况的燃烧过程进行数值模拟，分析不同工况下主燃烧区、折焰角、炉膛出口的速度场、温度场的分布特征。结果表明：在主燃烧区，SOFA反切对其流场影响较小；当SOFA开始反切时，折焰角残余切圆消失，流场趋于均匀，有效削弱了烟道的残余旋转，出口烟气速度偏差和温度偏差明显降低；当SOFA反切角度达到15°，出口左右侧速度偏差比和温度偏差比达到最低，其中心温度集中在其中心区域，速度场和烟气温度场的均匀性最好；当SOFA反切角度增大到20°时，出口烟速偏差比和烟气温度偏差比有所增大，其中心温度开始向其右侧偏移，速度分布和温度分布的均匀性下降。因此，最佳的SOFA水平摆动形成的反切角度为15°。 四角切圆燃煤锅炉在水平烟道处常常存在方向朝上的烟气气流残余旋转，造成了在炉膛出口左右两侧的烟气温度与烟气速度的不均匀性分布，而且会降低碳的燃尽率，还会引起炉膛上部的大屏换热器超温爆管。有学者认为导致炉膛出口左右烟气温度分布不均匀的最主要原因是炉膛主燃烧器上部的气流残余旋转[1-2]。目前，对降低炉膛出口气流残余旋转的研究较多。文献[3-4]基于Fluent软件对切圆锅炉出口残余旋转的模拟结果和实验结果进行比较，验证了模拟的正确性，通过改变燃烧器喷射和偏置气流的角度等可降低炉膛出口的残余旋转；文献[5]得出了改造前墙及重新布置过热器能较好降低炉膛出口热偏差；文献[6]通过降低上层一次风量，增加上层二次风量使炉膛出口温度偏差从74℃降至34℃；文献[7]发现了二次风反切能明显降低切圆锅炉出口烟气分布不均匀性，但削弱了炉内气流的旋转动量；文献[8]认为一次风反切能有效地降低水平烟道处烟气的残余旋转，但一定程度上影响了主燃烧区的稳定燃烧；文献[9]得出了燃尽风反切角度在15°时，炉膛出口烟气分布最为均匀；文献[10]研究了生物质气与煤粉混燃锅炉的燃烧特性，但目前针对其出口烟气分布不均匀性的研究较少。 针对生物质气与煤粉混燃四角切圆燃煤锅炉炉膛出口烟气存在不均匀性分布的问题，本论文基于掺烧10%生物质气的330MW四角切圆燃煤锅炉，模拟分析其分离式燃尽风（SOFA）反切角度对炉膛出口烟气残余旋转及其不均匀性分布的影响，为生物质气的合理利用以及降低其与煤粉混燃四角切圆燃煤锅炉炉膛出口烟气分布不均性提供理论依据。 1生物质气与煤粉混燃过程理论基础 目前降低炉膛出口烟气不均匀性分布的主要措施有：优化炉膛结构、燃烧器水平摆动布置和锅炉运行调整等，其中调整燃烧器水平摆动布置在实际运行中应用最为广泛。本论文也是基于该消旋措施对掺烧生物质气的四角切圆燃煤锅炉出口存在的烟气不均匀性分布进行模拟研究。 燃煤锅炉掺烧生物质气进行耦合发电流程是，将生物质原料通过送料系统送入气化炉并在炉内进行不完全燃烧，发生气化反应，主要生成CO、H2和CH4等可燃合成气，经过净化后的可燃合成气被送入锅炉与煤粉混合燃烧。 1.1研究对象 以某电厂SG-1117/17.5-M749型亚临界330MW机组自然循环锅炉为研究对象，该锅炉炉膛采用四角切圆燃烧方式，其截面尺寸为15390mm×13640mm（宽×深），主燃烧器高11m，共配有14层喷口，其中5层一次风喷口、1层生物质气喷口和8层二次风喷口，距主燃烧器最上一层二次风喷口上方5m处布置3层紧凑式SOFA喷嘴。锅炉结构和燃烧器布置如图1所示。 1.2边界条件设置 选取掺烧比为10%的松木合成气与义马烟煤在炉膛进行混合燃烧，其中，松木气成分基于AspenPlus模拟平台根据松木特性模拟获得[11]，煤质分析结果和松木合成气特性分别见表1和表2。用松木气替代部分煤粉由最下层喷口喷入，易燃的松木气替代了煤粉的裂解过程，降低了煤粉的着火高度，并且单位时间内松木气燃烧释放的热量低于煤粉的低位热值，松木气流速较一次风会增大，而炉膛最高温度有所降低，降低了热力型NOx和燃料型NOx的生成，有助于出口NOx的减排[12]。一次风、二次风和SOFA的入口截面定义为速度进口，炉膛出口截面定义为压力出口，压力为–100Pa。模拟工况均为满负荷工况，均采用20%燃尽风率，过量空气系数选取1.2。对切圆燃煤锅炉掺烧生物质气模拟分析中发现，炉膛出口烟气存在速度和温度偏差，对此采取了SOFA反切消旋的解决方案。 1.3生物质气掺烧过程 1.4炉膛出口烟气分布不均匀性分析 四角切圆燃烧锅炉在未采取消旋措施下出口烟气常常存在速度偏差和热偏差，从炉膛四角射入的气流会在炉膛中心形成切圆，旋转的气流会不断地卷吸周围的介质使燃料和空气在主燃烧区域充分混合，并提供很好的燃烧氛围；同时，在均等配风的方式下，旋转燃烧的气流会促进喷口周边煤粉的着火，提高了煤粉的着火稳定性，并且呈螺旋状的燃烧烟气随着炉膛的高度上升至炉膛出口，在这个过程中加长了煤粉在炉膛的停留时间，加强了粉煤的燃尽。这种燃烧方式虽然在主燃烧区的旋转气流会随着炉膛高度的上升，其旋转强度会减弱并逐渐趋于均匀，但在水平烟道和炉膛出口仍然存在烟气流的残余旋转[13]。当主燃烧区气流切圆为逆时针旋转时，在水平烟道处仍存在逆时针的残余旋转，炉膛出口右侧烟速高于左侧，其水平烟道烟气速度偏差形成原理如图2所示[14]。其中，v0为炉膛宽度方向的速度，v1为引风机作用下的牵引速度，v2为在水平烟道处v0和v1的合速度。因此理论分析认为造成炉膛出口烟气速度偏差的根本原因是，在其出口处存在烟气残余旋转；反之则左侧高于右侧。 虽然在炉膛顶部布置的大屏换热器会对从炉膛出来的旋转气流起到一定的分流和消除作用，但由于其数量少且布置不够合理对水平烟道气流残余旋转的消除程度有限，所以气流残余旋转会造成水平烟道烟速分布的不均匀性。当烟气通过等距离的水平烟道时，相比高烟速气流，烟速低的气流花的时间更长，单位质量烟气释放的热量更多，烟气温度更低。因此，炉膛出口的烟速偏差会引起烟气温度偏差，烟速较大的一侧烟气温度也较高。 1.5各项燃烧特性参数的定义 为了进一步描述SOFA反切对炉膛出口左右侧烟气速度场的影响，根据文献[15]，本文引入了平均速度偏差比Z来描述炉膛出口截面左右侧烟气平均速度偏差。 1.6反切方案的确定 为了降低炉膛出口的残余旋转，利用部分燃烧器反切达到消旋效果的主要措施有：1）一次风反切技术，虽适用于难燃烧的劣质煤大容量锅炉，但一次风动量较小，对降低炉膛出口气流残余旋转的效果有限；2）二次风反切技术，二次风速通常相对较大，虽能有效降低炉膛出口的气流残余旋转，但是会对炉膛出口的飞灰颗粒和烟气温度造成一定的影响；3）燃尽风反切技术，由于燃尽风风温较低、速度相对较大及通常布置在距离炉膛出口较近的燃烧器最上方，采用恰当的反切角度进行燃尽风反切，不仅实现了空气分级，降低出口NOx的质量浓度，还