第３７卷第２期 华北电力大学学报 Ｖ０１．３７．Ｎｏ．２ ２０１０年３月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏａｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍａｒ．，２０１０ 变负荷下Ｗ型火焰锅炉燃烧 特性的数值模拟研究 高正阳，宋玮，赵锦，孙小柱，严帆帆 （华北电力大学能源与动力工程学院，河北保定０７１００３） 摘要：针对ｗ型火焰锅炉在１００％，８０％，６０％负荷下不同过量空气系数的情况进行数值模拟，从而揭示出 负荷变化对锅炉内温度场、流场、氧气浓度以及ＮＯ浓度的影响。计算与分析的结果表明：在不同过量空气 系数下１００％负荷与８０％负荷的流场与温度场都比较均匀，相差不是很大，而６０％负荷时较为明显地偏向后 墙，并且炉膛温度较低。在同样降低２０％负荷的条件下，改变过量空气系数的情况下，Ｎ０浓度变化幅度由 １００％降低到８０％负荷要高于８０％负荷降低到６０％负荷，氧气浓度变化则相反。 关键词：Ｗ火焰锅炉；数值模拟；负荷；ＮＯ 中图分类号：ＴＫ２２７．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７—２６９１（２０１０）０２—００６３—０５ Ｎｕｍｅｒｃｉａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｗ．ｆｌａｍ ｂｏｉｌｅｒ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｓ ＧＡＯ Ｚｈｅｎｇ—ｙａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｗｅｉ，ＺＨＡＯ Ｊｉｎ，ＳＵＮ Ｘｉａｏ－ｚｈｕ，ＹＡＮ Ｆａｎ—ｆａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ ａｎｄ Ｐｏｗｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｃｅｔｒｉｃ ｏＰｗｅｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ ０７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｒａｔｉｏｓ ａｎｄ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｌｏａｄｓ ｏｆ １００％，８０％，６０％ｉｎ Ｗ— ｌｆａｍｅ ｂｏｉｌｅｒ，ｒｅｖｅａｌｓ ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔｓ ｏｆ ｃｈａｎｇｉｎｇ ｌｏａｄ ｏｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ，ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ，ｏｘｙｇｅｎ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ＮＯ ｏｃｎ— ｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｒａｔｉｓｏ．ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｌｏｗ ｆｉｄｄ ａｒｅ ｅｖｅｎ ｗｅｌ１ ｉｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｏｆ １００％ａｎｄ ８０％．ｂｕｔ ｔｈｅ ｔｅｎｄｅｎｃｙ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｗａｌｌ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ ｆｕｒｎａｃｅ ｉｓ ｌｏｗｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ｌａｏｄ ｏｆ ６０％．Ｓｉｍｉｌａｒｌｙ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｂｙ ２０％，ａｎｄ ｃｈａ￣ｎｇ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏａｄ，ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｒａｎｇｅ ｏｆＮＯ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｆｒｏｍ１００％ｌａｏｄｔｏ ８０％ｌａｏｄｉｓ ｈｉｇｈｅｒｔｈａｎｔｈａｔｆｒｏｍ８０％ｔｏ ６０％，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｏｘｙｇｅｎ ｏｃｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｏｐｐｏｓｉｔｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｗ——ｆｌａｍｅ ｂｏｉｌｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｌａｏｄ；ＮＯ 此，对不同负荷下的Ｗ火焰锅炉燃烧特性进行 ０ 引 言 研究具有重要的工程实际意义。 数值模拟可以详细反映出炉内燃烧过 Ｗ型火焰锅炉是我国燃用低挥发分燃料的主 程【１－－３］，可对锅炉设计、改造及运行调整进行指 要炉型。煤粉燃烧过程排放出大量Ｎ ，控制燃 导。本文针对某电厂３００ ＭＷＷ型火焰锅炉，利 煤电站锅炉ＮＯ排放是我国的一项基本国策。由 用ＣＦｘ—ＴＡＳＣＦ１．ＯＷ软件对该锅炉１００％、 于电网调峰需要，国内投运的ｗ火焰锅炉，负 ８０％和６０％负荷时的炉内燃烧过程进行了计算， 荷变动较频繁，且长时间在较低负荷下运行。因 分析比较了不同过量空气系数的各工况下炉内燃 烧的流场、温度场和ＮＯ排放量，研究了不同负 收稿日期：２００９．０９—２６ 荷下改变过量空气系数对Ｗ型火焰锅炉温度场、 华北电力大学学报 ２０１０拒 表２煤粉主要反应动力学参数 流场以及ＮＯ浓度的影响规律。 Ｔａｂ．２ Ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃａｌ ｒｅｆｌｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｏｆ ｃｏａｌ １ 模拟对象 本文所研究３００ ＭＷ机组锅炉为亚临界、中 间一次再热、ｗ火焰、固态排渣、自然循环锅 炉。锅炉燃用煤质见表ｌ。锅炉配Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ 共４台磨，在拱部共有２４只双旋风筒式燃烧器， 其结构如图１所示。２４只燃烧器交错布置在前后 拱部，分别与４台磨相连。二次风由风箱供给， 分６股从不同位置送人炉膛，Ａ，Ｂ二次风从拱 部与一次风粉流同向送入炉膛；Ｄ，Ｅ，Ｆ二次风 从前后墙不同高度送人炉膛；Ｃ二次风用于给油 供氧。各股二次风风量均通过挡板进行调节。 锅炉正常运行时，Ｃ挡板全关。 表１煤质成分分析表 Ｔａｂ．１ Ｔｉｌｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ／ ／Ｑ，／ ／ＳＪ ／ ／～ ／Ｖａ＃Ｑ ／ ．．（ 一！ ２ ２ １ ２盟！ ２ １ ！！丝２ ｆ ２ ｆ ： ） ６３．嘶：２．２ ２．５７ ０．ｑｒ７ １．６ｌ ．１ｊ６ ５．７３ １．５ ９．４２ ２３ ７５０ 一次 图１ 燃烧器及二次风口布置 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ａｎｄ ｂｕｒｎｅｒｓ ２数学模型及工况条件设置 ２．１数学模型 本文所研究锅炉模型及网格划分如图２所 示，运用ＩＣＥＭ软件对锅炉模型划分６面体网格， 最终生成网格总数为８９万个，计算收敛残差取为 ｌ０— ，以ＣＦＸ—ＴＡＳＣＦＬＯＷ软件为平台对炉内 燃烧过程进行数值模拟，湍流气相流动模型采用 双方程模型，对湍流近壁面的处理采用壁面函数 法，气固两相流动采用拉格朗日颗粒轨道模型，原 煤热解反应模型采用单反应模型，挥发分气相燃 烧采用多步涡团耗散模型，焦炭燃烧采用扩散动 力模型，辐射模型采用扩散模型，用后处理的方式 处理燃烧过程的生成。煤粉燃烧动力学参数根据 表１所示煤粉元素分析利用ＣｋＭｆｉｒｅ软件计算得 到见表２ 曩 图２锅炉模型及网格划分 Ｆｉｇ．２ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｇｒｉｄｓ ｉｎ ｔ ｈｅ ｂｏｉｌｅｒ ｍｏｄｄ ２．２ Ｎ０计算方法 在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的ＮＯ 中，ＮＯ约占９０％以上，因而在研究燃煤锅炉 ＮＯ．的生成时，一般主要讨论ＮＯ的生成机 理Ｈｊ。炉内燃烧生成的ＮＯ主要分热力型、燃料 型、快速型三类Ｅ５，６Ｊ：热力型ＮＯ是Ｎ２在高温下 氧化而生成的氮氧化物，目前一般采用Ｚｅｌｄｏｖｉｃｈ 模型计算热力型ＮＯ的生成；燃料型ＮＯ是燃料 氮氧化生成的；快速型ＮＯ是燃料分解产生的中 间产物和Ｎ２反应生成的。实验证明，在煤粉火 焰温度小于ｌ ６５０ Ｋ时，热力型ＮＯ所占比例很 小。在温度相对较低、燃料含量高、燃料中氮键 又比氮分子键能低的情况下，燃料型ＮＯ就非常 显著。在燃煤锅炉中，燃料型ＮＯ一般占７５％～ ９５％，热力型ＮＯ占５％～２５％，快速型ＮＯ很 少。在Ｎ０生成的同时，烟气中已有ＮＯ还会与 煤分解产生的挥发分与煤焦反应被还原。最终 ＮＯ生成总量则取决于ＮＯ生成反应与还原反应 的竞争结果。 由于ＮＯ浓度低，ＮＯ生成过程对气相物质 的混合特性、热力学特性及燃烧产物的组分分布 影响很小，所以对ＮＯ生成特性模拟采用后处理 华北电力大学学报 ２０１０年 ７．０ ｍ处，６０％负荷的火焰中心在炉高９．４ ｍ处 拱上部分燃烧器停用，炉内温度场在沿炉宽方向 在不同过量空气系数的条件下，６０％负荷下 （以冷灰斗底部为基准），因为６０％负荷时，前后 ＮＯ浓度的变化最为明显。在过量空气系数分别 ５ ４ ３ ２ ｌ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ０ ５ ４ ３ ２ ｌ 为１．１４４和１．２时，１００％负荷和８Ｏ％负荷时要 的截面上分布可能不一样，炉膛中心截面处的温 度场不能反应整个炉内的温度场情况，但是从一 定程度上表明６０％负荷时炉内温度水平最低，中 心截面处温度最高的等温线上的温度为１ ９１９ Ｋ。 高于６０％负荷；但当过量空气系数达到１．２４时 候，在炉膛下部６０％负荷下的ＮＯ浓度呈现出先 降低（在二次风入口以下位置）之后再缓慢上升 的状态，原因主要在于过量空气系数的增大会导 致总风量增大，继而一，二次风量相应增大，又 咖 咖 咖 蝴 咖 ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 图６为不同过量空气系数下沿炉高方向不同 截面平均ＮＯ浓度变化曲线。可以看出随着过量 空气系数增大，同样降低２０％负荷，其中ＮＯ浓 度变化幅度由１００％降低到８０％负荷要高于８０％ 负荷降低到６０％负荷。 呈 商 誉 Ｚ １ ５ ９ １３ ｌ７ ２１ ２５ ２９ ３３ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷Ｉ ８０％负荷 十６０％负荷 （ａ）过量空气系数为１．１４４ 一 ０ ０ 越 ０ Ｚ ｌ ７ １３ １９ ２５ ３ｌ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷 ８０％负荷 十６０％负荷 （ｂ）过量空气系数为１．２ ６０００ ５ ０００ ｆ ｂ ４０００ ０ ３０００ ０ ２０００ Ｚ ｌ ０００ ０ ｌ ７ ｌ３ ｌ９ ２５ ３ｌ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷＿ｌ＿８０％负荷 ＋６０％负荷 （ｃ）过量空气系数为１．２４ 图６不同过量空气系数下沿炉高方向平均Ｎ０浓 度曲线 Ｆｉｇ．６ Ｔｈｅ ＮＯ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｈｅｉｇｈｔ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｒａｔｉｏｓ 由于６０％负荷时拱上风下冲较深，这样下部炉膛 内的空气量增大，而此时火焰中心相对较低，使 得在下部炉膛产生大量的ＮＯ，在炉子底部其浓 度生至于超过１００％负荷；由于拱上风下冲较深， 上升气流的速度要低于８０％和１００％负荷，这时 ＮＯ浓度的上升幅度就要低于另外两种负荷，ＮＯ 浓度曲线逐渐下降到８０％负荷以下，此时部分的 煤粉在上升过程中继续燃烧，并且在炉膛上部不 再有风、粉的进入，因此不会对炉内温度和流场 产生较大的扰动，所以ＮＯ浓度曲线还在持续上 升，但是比较平稳。随着煤粉颗粒燃烧的结束， ＮＯ浓度随高度的变化幅度越来越小。 在６Ｏ％负荷下，由于存在部分燃烧器停用， 使得其温度常不能反映出整个炉子温度分布，所 以对比８０％与１００％负荷，可以看出在过量空气 系数由１．１４４提高到１．２４的时候，两种负荷下 的ＮＯ浓度起始点都略有提升，８０％时提升了约 ５００×１０一，而１００％负荷时竟然提升了约 １ ０００×１０一，这主要是由于总风量的增大，使 得大量风粉下冲到炉膛下部，产生了较多的ＮＯ。 对比图７中氧浓度曲线图，可以发现，在过 量空气系数分别为１。１４４和１．２时６０％负荷时， 炉膛下部氧气浓度低于１００％负荷和８０％负荷或 者持平。而当过量空气系数达到１．２４时，６０％ 负荷下氧气浓度在炉膛下部甚至高于１００％负荷 １ ７ ｌ３ １９ ２５ ３ｌ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷 ８０％负荷 十６０％负荷 （ａ）过量空气系数为１．１４４ 第２期 高正阳，等：变负荷下ｗ型火焰锅炉燃烧特性的数值模拟研究 ６７ 一 浓度要高于６０％负荷的时候，当过量空气系数达 到１．２４时候，２种负荷下的ＮＯ浓度都呈现出了 Ｏ ８ ６ ４ ２ ０ ４ ２ Ｏ ８ ６ ４ ２ ４ ２ Ｏ 一 越 矮 ｌ ７ ｌ３ １９ ２５ ３ｌ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷 ８０％负荷 十６０％负荷 （ｂ）过量空气系数为１．２ 一 一 越 ｌ ７ １３ ｌ９ ２５ ３ｌ ３７ 沿炉膛高度，ｍ ＋１００％负荷 ８０％负荷 十６０％负荷 （ｃ）过量空气系数为１．２４ 图７不同过量空气系数下氧气浓度变化曲线 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｏｘｙｇｅｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｈｅｉｇｈｔ ｆｒｏｍ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｃｅｓｓ ａｉｒ ｒａｔｉｏｓ 沿着炉膛高度方向，６０％负荷下的氧气浓度的增 长幅度始终低于１００％和８０％负荷下的增长水 平，而不同过量空气系数下，８０％与１００％负荷 时区别较小。这也说明，同样是下降２０％负荷的 条件下，由１００％到８０％的ＮＯ浓度以及氧气浓 度变化幅度均要小于８Ｏ％到６０％的情况。 ４ 结 论 （１）在过量空气系数一定时１００％和８０％负 荷的流场比较对称，但１００％负荷时稍向前墙偏 斜。６０％负荷时，炉内流场相对来说不太对称， 气流在刚进入上炉膛时向后墙处偏斜。 （２）１００％负荷时火焰中心位置最高，６０％ 负荷时炉内温度水平最低。 （３）随着负荷降低，ＮＯ浓度也基本呈现出 下降趋势，在相同过量空气系数的条件下，６０％ 负荷下ＮＯ浓度的变化最大，在过量空气系数分 别为１．１４４和１．２时，１００％和８０％负荷时的ＮＯ 降低之后再缓慢上升的趋势。 参考文献： ［１］申春梅，孙锐，吴少华．１ ＧＷ单炉膛双切圆炉内煤 粉燃烧过程的数值模拟［Ｊ］．中国电机工程学报， ２００６，２６（１５）：５１—５７． ［２］潘维，池作和，斯东波．２００ ＭＷ四角切圆燃烧锅炉 改造工况数值模拟［Ｊ］．中国电机工程学报，２００５， ２５（８）：１１０—１１５． ［３］刘泰生，周武，叶恩清．燃尽风对炉内流动和燃烧 过程影响的数值模拟［Ｊ］．动力工程，２００６，２６ （１）：１１６—１２０． ［４］李争起，吴少华，孙锐，等．配风方式对旋流煤粉 燃烧器ＮＯｘ的排放及煤粉燃尽的影响［Ｊ］．动力工 程，１９９７，１７（２）：２７—３１． ［５］Ｓｍｏｏｔ Ｌ Ｄ，￣ｎｉｔｈ Ｐ Ｊ．Ｃｏａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ａｎｄ ａｓｉｆｉｃａ— ｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｐｌｅｎｕｍ Ｐｒｅｓｓ，１９８５． ［６］Ｓｈｕｅｎ Ｓ，Ｓｏｌｏｍｏｎ Ｓ Ｐ，Ｚｈａｎ Ｑ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０ｆ ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｌａｄｅｎ Ｊｅｔｓ：Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｓ ［Ｃ］．ＡＩＡＡ ２２ｎｄ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｅｔｉｎｇ，Ｒｅｎｏ， Ｎｅｖａｄａ，１９８４． 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