四角切圆锅炉变CCOFA与SOFA配比下燃烧特性数值模拟

李德波，李方勇，许凯，钟俊，温智勇，周杰联

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)



四角切圆锅炉变CCOFA与SOFA配比下燃烧特性数值模拟

李德波，李方勇，许凯，钟俊，温智勇，周杰联

(广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080)

摘要：针对某电厂660 MW四角切圆煤粉锅炉NOx排放高的问题，进行了增加分离燃尽风(separated overfire air，SOFA)的低氮改造。利用ANSYS FLUENT 14.0软件进行了低氮改造后不同紧凑燃尽风(close-coupled overfire air，CCOFA)与SOFA配比下燃烧特性的数值模拟，研究了炉膛速度场、温度场、组分场和污染物分布的规律。主要结论如下：第一，炉内最高温度出现在CCOFA与SOFA配比为64∶112(风量单位为 kg/s，下同)。第二，CCOFA与SOFA配比为64∶112时，炉膛出口温度最高，为1 537.2 K；当CCOFA与SOFA配比为56∶120时，炉膛出口温度最低，为1 511.1 K。第三，随着SOFA风量减小，炉膛出口NOx的质量浓度逐渐降低，在CCOFA与SOFA配比为64∶112时，炉膛出口NOx的质量浓度达到最小值为221.75 mg/m3(标准状况下)，建议在实际运行中维持CCOFA与SOFA配比为64∶112。

关键词：前后墙对冲；超超临界；NOx分布；数值模拟；变紧凑燃尽风；分离燃尽风

随着环境治理的严峻形势，对NOx的排放限制将日益严格，目前国内外电站锅炉控制NOx技术主要有两种[1-4]：一种是控制生成，主要是在燃烧过程中通过各种技术手段改变煤的燃烧条件，从而减少NOx的生成量，即各种低NOx技术；二是生成后的转化，主要是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除掉，如选择性催化还原(selective catalytic reduction，SCR)、选择性非催化还原(selective non-catalytic reduction，SNCR)。

李德波等人[5-6]对某电厂660 MW超临界旋流燃烧器发生大面积烧损的实际工程问题，利用ANSYS FLUENT 14.0软件对该锅炉内流动场、温度场进行了数值模拟研究，提出了该类型旋流燃烧器运行的改进措施。文献[7]采用大涡数值模拟(large-eddy simulation，LES)方法对一台220 t/h四角切圆锅炉在3组不同分速条件下炉内流场、温度场和NOx排放特性进行了研究，结果表明采用LES方法，数值模拟结果与现场试验结果吻合比较好。其他研究者针对电站锅炉炉内流动、燃烧以及污染物生成过程进行了数值模拟研究[8-15]。

李德波，等：四角切圆锅炉变CCOFA与SOFA配比下燃烧特性数值模拟本文利用ANSYS FLUENT 14.0软件对某电厂660 MW对冲燃煤锅炉进行了变紧凑燃尽风(close-coupled overfire air，CCOFA)与分离燃尽风(separated overfire air，SOFA)下燃烧特性生成规律的数值模拟研究。该电厂由于NOx排放浓度(指NOx的质量浓度，且换算到6%氧量(体积分数)标准状态下)高，进行了增加SOFA的低氮改造，为了优化低氮改造效果，本文通过改变CCOFA与SOFA配比，研究温度场、速度场、组分场和污染物分布的规律，得到不同配比下炉内燃烧特性变化的规律。

1锅炉设备情况

该锅炉为660 MW，亚临界压力、一次再热、单汽包、控制循环、四角喷燃双切圆燃烧燃煤锅炉。采用露天布置，锅炉高约57 m，炉膛横截面为长方形，宽16.44 m，深19.558 m，系ABB-CE公司产品。

燃烧制粉系统为中速磨直吹式，采用直流式宽调节比摆动式燃烧器，4个直流摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置炉膛四角。该锅炉共有6层一次风，6层二次风和2层CCOFA；制粉系统共6层磨煤机，5运1备，在本次模拟中，最上层磨煤机停运。燃烧器分6层，每一同层燃烧的4个一次风(煤粉气流)喷口与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停。6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统，并与6层燃烧器一次风喷嘴相对应，5层投运已能满足锅炉最大连续蒸发量(maximum continuous rating，MCR)的需要。4组燃烧器分别布置在炉膛下部四个切角处，形成典型的切圆燃烧方式，燃烧器总高度为11.266 m，燃烧器轴线与炉膛前、后墙夹角分别为43°和35°。每组燃烧器在高度方向上上方布置2个燃尽风喷嘴(OFA、OFB)，6个一次风喷嘴(A、B、C、D、E和F)和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷嘴(AA、AB、BC、CD、DE、EF和FF)，一次风喷嘴和二次风喷嘴呈均等配风方式的间隔布置。各种喷嘴可以上下摆动，其摆动限定范围：燃尽风喷嘴为-5°～30°；二次风喷嘴为-30°～30°；一次风喷嘴为-20°～20°。

低氮改造后，4对SOFA以水平对冲方式安装，以进一步降低锅炉NOx排放；改造后由于总风量没有变化，且二次风中一部分分配到SOFA风，使得二次风喷口面积变小，但除了最上层CCOFA的高度有所变化，其余一二次风喷口高度均没有改变。改造后SOFA开度100%情况下，SOFA风与CCOFA风占到总二次风的37.2%，仅SOFA风就为26.8%，与改造前的20.4%(仅CCOFA)有了很大的提升。

2低氮改造数值模拟

2.1数学模型

在燃烧模拟计算中，采用标准k-ε湍流模型模拟气相湍流，采用混合分数/概率密度函数(probability density function，PDF)模型模拟组分运输和燃烧：采用单PDF模型模拟纯煤燃烧，采用双PDF模型模拟污泥掺烧燃烧；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；采用双方程平行竞争反应模型模拟煤的热解；采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧则；辐射传热计算采用P1法，离散方法均采用一阶迎风格式。中心风、一次风、二次风都采用质量入口边界条件；入口处质量流量、风温根据设计参数。对燃尽风和周界风本体也进行适当简化，根据其实际尺寸构建其入口模型；燃尽风和周界风也采用质量入口边界条件，质量流量数值根据设计参数及变工况条件计算得到。出口边界条件采用压力出口，压力设置为-80 Pa；炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，热交换采用第二类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度和辐射率，壁面温度为690 K，壁面辐射率为0.8。

表1煤粉的质量分数与粒径的关系

粒径/μm质量分数/%粒径/μm质量分数/%>597.6>1304.12>1588.2>1700.85>3070.2>2100.14>5541.6>2500.02>9015.9>3000.001

表2煤质分析(收到基)

项目分析方法结果项目分析方法结果水分的质量分数/%计算17.7硫的质量分数/%计算0.4碳的质量分数/%计算17.7灰分的质量分数/%计算6.6氢的质量分数/%计算3.8燃料低位收到基热值/(kJ·kg-1)分析23013氧的质量分数/%计算10.1燃料高位收到基热值/(kJ·kg-1)分析27915氮的质量分数/%计算0.8

计算迭代时，先进行冷态计算获得一定收敛程度的流场，然后再进行热态计算，直至收敛。对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松驰因子，NO和HCN计算残差小于10-8，其余各项计算残差小于10-6。

2.2数值模拟工况

本研究模拟5个工况，保持CCOFA与SOFA风总量(176 kg/s)不变，改变CCOFA与SOFA风比例，CCOFA与SOFA配比分别为：32∶144、40∶136、48∶128、56∶120、64∶112(风量单位均为kg/s，下同)。表3为不同CCOFA与SOFA配比下，各个风口风量配比情况。

表3不同CCOFA与SOFA比例下各风口风量kg/s

2.3网格划分及无关性检验

根据模型的结构特点，采用单独划分网格的方法，将炉膛划分为5个区域，分别为：冷灰斗区域、燃烧器区域、燃烧器上方区域和屏式过热器区域。在划分的过程中，模型均采用结构化网格，炉膛燃烧器区域被适当加密，为了提高计算的精度，燃烧器出口与炉膛的连接面设置为interface，防止两个面的网格质量和网格形状差异较大而引起误差。网格划分和燃烧器喷口布置如图1所示，实际数值模拟总网格数约162万。

图1　炉膛结构、喷口布置方式与网格划分

为了验证本文数值模拟网格精度是否满足计算要求，进行了网格无关性检验，表4给出了检验结果。采用3种不同网格分辨率网格，计算同样的计算工况，从表4可以得出，162万网格数模型结果与200万网格(网格精度较高)得到结果非常接近，炉膛出口温度相差1.7 K，而162万网格与120万网格结果相比，炉膛出口温度相差24 K，因此可以得出，采用120万网格计算得到结果精度比较差，网格无关性对比结果表明本文采用的162万网格规模是满足计算精度要求的。

表4网格无关性检验

检验工况网格数量/万出口O2体积分数/%炉膛出口烟温/K炉膛出口NOx的质量浓度/(mg·m-3)11203.01577.4331.721622.21552.8307.432002.41554.5310.2

3模拟结果分析与讨论

3.1数值模拟结果与热力计算对比

为了验证数值模拟结果的准确性，采用红外温度测量方法，得到了现场实际满负荷运行时炉膛出口温度，以及炉膛出口NOx的质量浓度，对比结果见表5。

表5模拟结果与实际测量结果的数据对比

名称实际测量数据数值模拟结果误差/%炉膛出口温度/K113510259.7炉膛出口NOx的质量浓度/(mg·m-3)2983031.7

通过数据对比，数值模拟结果炉膛出口温度与现场测量误差范围在10%以内，NOx的质量浓度与现场比较误差在为1.7%，说明本文数值模拟结果较为准确。

3.2温度场分布规律

图2和图3分别为数值模拟得到的不同CCOFA与SOFA配比下温度场分布规律，从图中可以看出，改变CCOFA与SOFA的配比，数值模拟得到温度分布较均匀，切圆形成比较好，没有出现火焰贴墙现象，水冷壁面温度较低。

图2　最下层二次风温度云图

图3　最下层一次风温度云图

图4为不同CCOFA与SOFA配比下炉膛中心截面温度分布，可以看出燃烧器区域温度比较高，最高温度达到了2 000 K，沿着烟气流动方向，温度逐渐降低。本文数值模拟考虑了屏式过热器对烟气温度影响，从模拟结果看出，烟气经过屏式过热器区域时，温度有较大降低。

图4　炉膛中心截面温度分布

图5为炉膛横截面平均温度沿着炉膛高度方向分布的情况，可以看出改变CCOFA与SOFA风量配比，对燃烧器区域和CCOFA喷口与SOFA喷口之间区域的温度分布影响比较大，在SOFA风以上区域，温度分布影响比较小。在燃烧器区域，当CCOFA与SOFA风配比为64∶112时，燃烧器区域温度相比其他配比工况要高，最高温度为1 741.44 K，最高温度位置出现在第7层二次风喷口的位置。当CCOFA风与SOFA风配比为32∶144、40∶136时，炉内最高温度分别为 1 722.4 K、1 713.4 K, 都出现在CCOFA与SOFA风喷口之间的位置(26 m)；当CCOFA与SOFA配比为48∶128、56∶120、64∶112时，炉内最高温度分别为1 702.5 K、1 696.0 K、1 741.4 K，都出现在第7层二次风喷口的位置。在CCOFA与SOFA风之间区域，不同配比下，温度分布影响比较大。

图5　沿高度方向温度分布

经数值模拟得到不同CCOFA与SOFA配比下炉膛出口烟温变化情况，在5种不同配风方式中，当CCOFA与SOFA配比分别为32∶144、40∶136、48∶128、56∶120、64∶112时，炉膛出口温度分别为：1 523.0 K、1 526.5 K、1 515.9 K、1 511.1 K、1 537.2 K； CCOFA与SOFA配比为64∶112时，炉膛出口温度最高，为1 537.2 K；当CCOFA与SOFA风配比为56∶120时，炉膛出口温度最低，为1 511.1 K。

3.3组分场分布规律

图6为O2的体积分数沿着高度方向分布情况。

图6　O2的体积分数分布沿高度方向

从图6可以看出，在锅炉24 m以下区域(CCOFA风口以下位置)，当改变CCOFA与SOFA配比时，O2的体积分数沿着炉膛高度方向基本上是重合的，而且呈现较为复杂的规律，说明改变CCOFA与SOFA配比，对O2分布影响比较小；在24 m以上区域(CCOFA与SOFA风口之间)，改变SOFA与CCOFA配比，由于配风方式改变，燃烧特性发生变化，O2的体积分数分布出现较大变化，而且呈现较为复杂的规律；在SOFA喷口以上区域，沿着高度方向，O2的体积分数逐渐降低，这是由于后期未燃尽的焦炭继续燃烧，氧量逐渐消耗导致的。

图7　沿高度方向CO的体积分数分布

图7为CO的体积分数沿着高度方向分布情况。与O2分布规律类似，改变SOFA与CCOFA风配比，燃烧器区域CO的体积分数分布曲线基本上是重合的；在CCOFA与SOFA之间区域，CO的体积分数分布曲线趋势是一致的，即沿着高度方向，CO的体积分数逐渐降低；在SOFA喷口以上位置，CO的体积分数分布趋势基本类似，随着高度增加，CO的体积分数逐渐降低。

3.4污染物分布规律

图8　沿高度方向NOx的质量浓度分布

图8为NOx的质量浓度沿着高度方向分布情况。可以看出，在燃烧器区域，沿着高度方向，NOx的质量浓度是逐渐降低的；在CCOFA与SOFA之间区域，随着SOFA风量增大，NOx的质量浓度增加，在CCOFA与SOFA配比为32∶144时，NOx的质量浓度达到最高值。在同一CCOFA与SOFA配比下，沿着高度方向，NOx的质量浓度分布较为平缓；在SOFA风喷口以上区域，NOx的质量浓度分布规律与CCOFA与SOFA风之间区域规律类似，在CCOFA与SOFA配比为32∶144时，NOx的质量浓度达到最高值，在不同CCOFA与SOFA风配比下，沿着高度方向，NOx的质量浓度有一定程度的增加。

经计算得到不同SOFA风门开度下炉膛出口NOx的质量浓度变化规律：随着SOFA风量减小，炉膛出口NOx的质量浓度逐渐降低，在CCOFA与SOFA风配比为64∶112时，炉膛出口NOx的质量浓度达到最小值221.75 mg/m3；当CCOFA与SOFA风配比为32∶144时，炉膛出口NOx的质量浓度达到最高值，为247.76 mg/m3。

4结论

针对某电厂660 MW超超临界旋流燃烧煤粉锅炉，进行了变CCOFA与SOFA风配比下，炉内燃烧特性变化的规律研究。数值模拟的结果与现场实际情况吻合比较好，验证了本文数值模拟结果的有效性，主要结论如下：

a)数值模拟结果炉膛出口温度与现场测量误差范围在10%以内，NOx的质量浓度与现场比较误差在为1.7%，说明本文数值模拟结果较为准确。

b)炉内最高温度出现在CCOFA与SOFA风配比为64∶112。

c)CCOFA与SOFA风配比为64∶112时，炉膛出口温度最高，为1 537.2 K；当CCOFA与SOFA风配比为56∶120时，炉膛出口温度最低，为1 511.1 K。

d)随着SOFA风量减小，炉膛出口NOx的质量浓度逐渐降低，在CCOFA与SOFA风配比为64∶112时，炉膛出口NOx的质量浓度达到最小值221.75 mg/m3，建议在实际运行中，CCOFA与SOFA风配比维持为64∶112，从而降低NOx排放的水平。

通过本文研究表明，采用增加SOFA风低氮改造后，炉内速度场、温度场形成比较好，没有出现冲墙现象，实际运行表明低氮改造措施是有效的。

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李德波(1984 )，男，土家族，湖北宜昌人。高级工程师，工学博士，主要从事煤粉燃烧污染物控制，火电厂超低排放技术研究及工程应用，SCR脱硝调试、试验和技术监督，WFGD脱硫除尘协同脱除技术研究等。

李方勇(1984 )，男，湖北宜昌人。高级工程师，工学硕士，主要从事百万超超临界燃煤机组调试、试验等方面的研究。

许凯(1986 )，男，湖北襄阳人。工程师，工学博士，主要从事煤粉燃烧污染物控制，百万超超临界燃煤机组调试、试验等方面的研究。

(编辑王朋)

Numerical Simulation on Combustion Characteristics with Variable

CCOFA and SOFA of Tangentially Fired Boiler

LI Debo, LI Fangyong, XU Kai, ZHONG Jun, WEN Zhiyong, ZHOU Jielian

(Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Guangzhou，Guangdong 510080，China)

Abstract：In allusion to the problem of high emission of NOx of 660 MW tangentially fired boiler in some power plant, low nitrogen transformation of increasing separated overfire air (SOFA)is carried out. ANSYS FLUENT 14.0 software is used for numerical simulation on combustion characteristics with different closed-coupled overfire air (CCOFA)after low nitrogen transformation and distribution laws of furnace speed field, temperature field, species field and pollutants are studied. It is concluded firstly the highest temperature in the furnace occurs when CCOFA and SOFA matching is 64∶112 ( air volume unit is kg/s, the same below). Secondly, when CCOFA and SOFA matching is 64∶112, the exit temperature of furnace is the highest at 1 537.2 K, while when CCOFA and SOFA matching is 56∶120, the exit temperature of furnace is lowest at 1 511.1 K. Thirdly, with decrease of SOFA air volume, NOxconcentration at the exit of furnace reduces gradually, when CCOFA and SOFA matching is 64∶112, NOxconcentration at the exit of furnace reaches to the minimum value of 221.75 mg/m3under standard state. Therefore, it is suggested to keep CCOFA and SOFA matching with 64∶112 in practical operation.

Key words：front-back wall hedge; ultra-supercritical; NOx distribution; numerical simulation; closed-coupled overfire air; separated overfire air

作者简介：

中图分类号：TM223

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0001-07

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.001

基金项目：国家自然科学基金重点项目(51376161)

收稿日期：2015-06-25