卫燃带和燃尽风布置对W型煤粉锅炉燃烧影响模拟研究

陈 涛，于 洁，王 凯，赵 封，丘纪华，孙路石

卫燃带和燃尽风布置对W型煤粉锅炉燃烧影响模拟研究

陈 涛1，于 洁1，王 凯1，赵 封2，丘纪华1，孙路石1

（1.华中科技大学煤燃烧国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.武汉华喻燃能工程技术有限公司，湖北 武汉 430074）

对某台300 MW机组福斯特惠勒W型锅炉改烧烟煤进行技术改造。首先将目前的卫燃带面积550 m2分别调整为450、350、300 m2，模拟发现卫燃带面积的减少有助于降低飞灰含碳量，出口NOx质量浓度则分别为571、567、563、583 mg/m3，说明其对于NOx排放影响有限；在炉膛上部3 m处引入二次总风量20%的燃尽风，能够将NOx质量浓度由581 mg/m3降低至423 mg/m3；燃尽风下倾角度从0°变为25°时，飞灰含碳量先从2.71%降至2.02%，最后上升至2.17%，3种下倾角度下NOx排放量分别为423、435、424 mg/m3，最佳燃尽风下倾角度为25°。

W火焰锅炉；燃尽风角度；卫燃带面积；空气分级改造；飞灰含碳量；数值模拟

随着人们对空气质量的逐步重视，国家对电厂污染物的排放也提出更多的限制。在由国家发展改革委员会、环境保护部和国家能源局联合出台的《煤电节能减排升级与改造计划（2014—2020年）》中提出，烟尘、SO2和NO放质量浓度不得超过10、35、50 mg/m3。而适用于低挥发分煤种燃烧的W型锅炉的结构特殊，在实际运行中，NO排放质量浓度远远超出现行标准，难以满足即将实施的超低排放要求，如果不进行相应的改造，电厂就会面临巨大的环保成本。

目前学术及工业界均对于W型锅炉的低氮燃烧改造进行了大量研究。刘光奎等[1-3]对于福斯特惠勒W型锅炉（FW）的OFA风率、入射角度都有详细的研究。高正阳等[4]研究了锅炉结构对于火焰的影响，认为折焰角以及水平烟道会使得火焰中心偏向前墙。马仑等[5]通过数值模拟研究F层二次风对锅炉燃烧的影响，得出最佳F层二次风角度在20°到30°之间。魏小林等[6]调整风量配比来研究如何在W型炉内形成良好流场。方庆艳等[7]研究了SOFA风率和位置对燃烧的影响，通过大量的模拟案例得出最佳风率为20%，最佳位置为拱上2 m处。王科[8]、邱开红[9]等分别研究了SOFA以及拱上二次风参数对NO生成的影响。李争起等[10]提出针对W型锅炉的高效低氮燃烧技术，包含有浓淡分离、燃尽风等，并在实际运行中取得良好效果。况敏[11]则研究了多次引射分级燃烧技术在W型火焰锅炉的影响。

有研究指出锅炉燃用煤种的变化对于锅炉燃烧具有极大的影响，更换后的煤种与设计煤种属性差距过大，会出现降低燃烧系统运行效能，影响燃烧稳定等问题[12]。但在实际运行过程中，由于地理环境、煤种价格变化等各种原因，需要进行煤种的更换。但目前对于W型锅炉煤种的更换改造，主要考虑减少卫燃带面积，改进燃烧器等方法[13]，而对于卫燃带布置缺少针对性[14-16]，锅炉仍然存在许多燃烧不稳定等问题。

本文所研究的W型锅炉原本设计煤种为低挥发分的煤种，为了减少NO的排放，需要将无烟煤更换为烟煤，并进行相应的改造，避免壁面温度过高等问题。利用Fluent软件，对不同卫燃带面积和不同燃尽风下倾角度对锅炉燃烧的影响进行模拟，为电厂实际改造提供依据。

1 模拟对象

本文模拟对象为一台300 MW、亚临界压力、一次中间再热、全钢构架、全悬吊结构、平衡通风、固态排渣、自然循环、W型煤粉锅炉。该锅炉采用双拱型、单炉膛，双旋风分离式煤粉浓缩型燃烧器布置于下炉膛的前、后拱上。尾部为双烟道结构，采用烟气挡板调节再热蒸汽温度。煤粉通过48个一次风喷口和48个乏气喷口送入炉内燃烧。二次风经锅炉两侧风道送入前后墙大风箱，从拱上和拱下的风口进入炉膛。每个燃烧器作为一个单元，每个单元布置6个二次风道及挡板，其中A、B、C挡板控制拱上部分，分别对应乏气喷口周界风、一次风喷口周界风和油枪风，D、E、F挡板控制拱下部分，分级将二次风送入炉内，控制风粉混合燃烧过程。燃烧器布置如图1所示。在水冷壁上及炉拱附近敷设有卫燃带，侧墙卫燃带布置如图2所示。其余卫燃带则布置在前后墙，具体如图3所示。本文所采用的计算煤种为神府烟煤，煤质分析见表1。

图1 燃烧器布置

图2 锅炉侧墙卫燃带分块布置示意

图3 前后墙卫燃带布置示意

表1 煤质分析

Tab.1 The coal quality analysis result

2 计算模型及网格划分

2.1 数学模型

本文模拟计算采用CFD软件为ANSYS18.0。由于锅炉内部存在绕流，湍流模型选择的是可实现-双方程湍流模型。煤粉的燃烧包括挥发分的析出、挥发分的燃烧和焦炭的燃烧过程，分别采用双步竞争速率模型、PDF燃烧模型和动力/扩散反应速率模型模拟；辐射模型选用了精度较高，又不会带来较多计算量的DO模型；通过离散项来描述煤粉颗粒的轨迹；NO计算采用后处理方式模拟，仅考虑热力型和燃料型NO[17]，不考虑占比较少的快速型NO。

2.2 网格划分

采用Gambit进行网格划分，将下炉膛按喷口位置进行分割，并采用Interface处理特定位置的网格来保证整体网格质量[8]，对于炉膛内部燃烧器区域进行局部加密，具体网格划分如图4所示。

图4 网格划分

最终网格质量为0.65，其中网格质量大于0.6的网格占比仅为0.05%，满足燃烧模拟网格质量要求。网格独立性验证比较了网格数量分别为210万、300万以及360万的模拟数据，其中烟气流场网格数从300万变化到360万时，基本没有变化，所以最终确定网格数量为300万。

3 模拟工况

由于煤种由无烟煤变化为烟煤，因而取消原有的乏气喷口，并调整相应的运行参数，具体运行参数见表2。同时在不改变锅炉两侧墙的卫燃分块布置的基础上，逐步减少前后墙卫燃带的面积，从前后墙下部往上逐步减少。本文考虑卫燃带面积分别为550、450、350、300 m2共4种工况。

表2 烟煤工况运行参数

Tab.2 The operating parameters when firing bituminous coal

此外，为了提高低氮效果，在拱上3 m处增设24组燃尽风，每个燃尽风喷口对应一组燃烧器，同时关闭D层风，减少E层风量，燃尽风风率设为20%，具体设置见表3。燃尽风下倾角度设置为0°、20°、25° 3种工况。

表3 改造工况运行参数

Tab.3 The operating parameters under refrofitting condition

4 计算结果及分析

4.1 模型验证

为了验证数值模型选取的合理性及数值计算结果的准确性，对炉膛出口模拟结果和实际测量结果进行了比较，结果见表4。由表4可以看出，模拟结果均略高于实际测量结果，但误差在允许范围内，表明模型选择是合理可信的。

表4 炉膛出口参数模拟值与实际值

Tab.4 The simulation values and actual values of parameters at the furnace outlet

原始工况温度及组分等计算结果如图5所示。从图5a)可以看出，冷灰斗壁面附近温度过高，容易结焦结渣，在到达上炉膛后，温度开始升高，表明了煤粉在此区域的剧烈燃烧过程；从图5b)和图5c)也可以证明这一点，煤粉在离开喷口后，没有立即燃烧，此区域的O2体积分数一直保持在极高的水平，CO体积分数则偏低，直到进入上炉膛，O2体积分数才有所下降，CO体积分数得到提升；从图5d)可以看出，NO集中在煤粉着火区域，炉膛中心的NO远远高于其他区域。

图5 原始工况计算结果

4.2 卫燃带面积的影响

卫燃带面积调整后，温度等特征参数随卫燃带面积变化曲线如图6所示。卫燃带面积变化时，出口NO质量浓度、炉膛出口温度及飞灰含碳量统计数据见表5。

从图6a)可以看出：冷灰斗区域温度偏高，煤粉在下炉膛区域没有得到燃烧，最后在上炉膛区域燃烧；不同卫燃带面积的温度变化曲线基本类似，仅影响炉膛内部的换热量，而最终的炉膛出口温度并没有显著变化，基本处于重合状态；卫燃带面积为550、450、350、300 m2的炉膛出口温度分别为1 536、 1 526、1 517、1 515 K，卫燃带面积的减少对于炉膛出口温度的影响有限。另外，图6b)和图6c)的CO和O2体积分数变化类似，虽然在炉膛内部有较大变化，但是最终的出口参数基本不变，可见卫燃带变化对于最终的参数没有显著影响。此外，图6c)的NO质量浓度变化曲线也表明了这一点，卫燃带面积为550、450、350、300 m2的NO质量浓度分别为571、567、563、581 mg/m3，彼此之间差距不大，但是飞灰含碳量却随着卫燃带面积而减小降低，分别为3.04%，2.75%，2.56%和2.25%。这是因为卫燃带减少的是炉膛下部的部分，这些区域的换热量增加，就会导致更高位置区域的换热量的减少，反而促进了该区域煤粉的燃烧，因此飞灰含碳量有所减少。

表5 炉膛出口模拟数据

Tab.5 The simulation values of parameters at the furnace outlet

4.2 卫燃带面积的影响燃尽风下倾角度的影响

为了研究燃尽风下倾角度的影响，固定卫燃带面积为300 m2，改变燃尽风下倾角度。图7为燃尽风不同下倾角度各参数随炉膛高度变化曲线。出口NO质量浓度、炉膛出口温度及飞灰含碳量统计数据见表6。

从图7a)可以看出：在加入燃尽风后，冷灰斗区域的温度下降，可以减少结焦的风险；煤粉流动至下炉膛时燃烧强度加强，温度逐步上升，在燃尽风位置后温度达到最高值，最终降至1 510 K左右；不同下倾角度的曲线变化类似，出口温度基本重合，在下倾角度为0°、20°和25°时炉膛出口温度分别为1 513、1 516、1 520 K。而从图7b)和图7c)可以看出：在燃尽风位置O2体积分数略微上升，CO体积分数则急剧下降，表明在此区域由于O2的补充煤粉燃烧剧烈；CO体积分数最大值为下炉膛出口，O2体积分数最低值则在此区域，已经达到了分级改造的效果。而图7d)的NO质量浓度分布则表明：分级改造后，NO集中在冷灰斗区域附近；燃尽风下倾角度为20°时，NO质量浓度最高，而下倾角度为0°和25°时数据基本重合，在这3种下倾角度下炉膛出口NO质量浓度分别为423、435、424 mg/m3，而飞灰含碳量则是2.71%，2.02%以及2.17%。

增设燃尽风可以有效降低NO排放，但是燃尽风下倾角度的变化没有进一步降低NO排放的效果。综合考虑飞灰含碳量以及温度场等因素，下倾角度为25°时，飞灰含碳量只有2.17%，相比于下倾0°的2.71%有所下降，同时NO排放量基本相同。所以可以认为下倾角度为25°时低氮改造效果最好。

表6 炉膛出口模拟数据

Tab.6 The simulation values of parameters at the furnace outlet

5 结 论

1）W型锅炉的煤种由无烟煤更换为烟煤后，为了避免结渣等问题，需要对卫燃带的布置进行改造。模拟结果表明，锅炉卫燃带面积的减少，可以降低飞灰含碳量和炉膛出口烟温，但单纯地改变卫燃带面积对NO排放量影响不大。

2）增设燃尽风后，能够有效地降低W型锅炉的NO排放，并且飞灰含碳量仅有小幅度上升，对炉膛出口温度也没有太大的影响。

3）不同下倾角度对最终工况的影响有限。燃尽风下倾角度从0°变化到25°，飞灰含碳量先下降后上升，NO排放变化不明显。综合考虑飞灰含碳量以及温度场等因素，认为下倾角度为25°时低氮改造效果最好。

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Numerical study on influence of refractory belt and OFA distribution on combustion of W-shaped boiler

CHEN Tao1, YU Jie1, WANG Kai1, ZHAO Feng2, QIU Jihua1, SUN Lushi1

(1. State Key Laboratory of Coal Combustion, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China;2. Huayu Combustion Engineering Corporation, Wuhan 430074, China)

Technical retrofit was conducted on a 300 MW Foster Wheeler down-fired boiler for burning bituminous coal. Firstly, the area of refractory belt was reduced from 550 m2 to 450, 350 and 300 m2. Then, numerical simulation was carried out and the result shows that the reduction of the area of the refractory zone helps to reduce the carbon content in fly ash, while it affects little on NOx emission mass concentration (the NOx mass concentration is 571, 567, 563 and 583 mg/m3, respectively) . Via introducing the over fire air (OFA) containing 20% total volume of secondary air at 3 m high from the furnace top, the NOx mass concentration decreased from 581 mg/m3 to 423 mg/m3. When the downdip angle of the OFA changed from 0° to 25°, the carbon content in fly ash decreased from 2.71% to 2.02% at first, and then increased to 2.17%. The NOx emission mass concentration at three downdip angles was 423, 435 and 424 mg/m3, respectively, indicating the best OFA downdip angle was 25°.

down-fired boiler, OFA angle, refractory belt area, air staging transformation, carbon content in fly ash, numerical simulation

National Key Research and Development Program (2018YFB0604202);

陈涛(1994)，男，博士研究生，主要研究方向为锅炉燃烧模拟，taochen@hust.edu.cn。

TK229.6；TK224.1+1

A

10.19666/j.rlfd.201903069

陈涛, 于洁, 王凯, 等. 卫燃带和燃尽风布置对W型煤粉锅炉燃烧影响模拟研究[J]. 热力发电, 2019, 48(12): 75-81. CHEN Tao, YU Jie, WANG Kai, et al. Numerical study on influence of refractory belt and OFA distribution on combustion of W-shaped boiler[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(12): 75-81.

2019-03-06

国家重点研发计划项目(2018YFB0604202)

于洁(1983)，男，博士，副教授，yujie@hust.edu.cn。

（责任编辑 马昕红）