浅谈锅炉四角切圆燃烧方式

浅谈锅炉四角切圆燃烧方式

闫建航

（神华神东电力陕西富平热电有限公司陕西渭南711700）

摘要：煤炭作为我国能源消耗主要方式之一，其在燃煤火力发电机组中占据主力地位。随着我国环境保护问题的日益突出，节能环保政策的逐渐深化推行，使得研究燃煤锅炉炉膛内部的流动特性、燃烧方式、传热特性等更具工程实际应用价值。目前，火力发电厂所使用的锅炉类型多，所用的燃煤种类多，使得锅炉容易产生燃烧不稳定、结渣和爆管等问题，直接影响了锅炉的安全与经济运行。基于此，文章以某火电厂2350MW超临界机组新建工程锅炉为例，该锅炉为一次中间再热、超临界直流锅炉，锅炉采用单炉膛、燃烧器四角布置、平衡通风、固态排渣、全钢架、全悬吊结构、型布置，主要针对该350MW四角切圆燃煤锅炉燃烧过程进行仿真研究，定性的分析锅炉的燃烧特性和运行规律，以期对锅炉调整试验和运行优化提供理论参考依据。

关键词：350MW燃煤锅炉；燃烧方式；模型分析

1锅炉燃烧机理及数学模型分析

1.1煤粉炉燃烧过程机理

对于炉内煤粉燃烧过程的物理化学机理主要包括：（1）伴有传热的气相湍流流动机理；（2）气相湍流燃烧：（3）辐射传热；（4）多相湍流机理；（5）颗粒表面的液体蒸发；（6）颗粒挥发份析出；（7）颗粒氧化；（8）烟灰及污染物的形成：（9）积灰结渣。风粉混合物由一次风携带经燃烧器射入炉膛，经过湍流扩散和回流，可以卷吸周围的高温烟气，另外接受炉内高温火焰的辐射传热，而被迅速加热，煤粉达到着火温度后被点燃。整个燃烧过程受多方面影响，包括烟气的湍流流动、传热方式和燃烧化学反应等。炉内化学反应涉及挥发份的燃烧、煤粉颗粒的燃烧以及其他可燃物质燃烧和化学反应。

锅炉内煤粉燃烧过程极其复杂，在剧烈的燃烧化学反应中进行，同时还有流动、传质、动量和能量传递等物理过程。在此过程中，质量、能量、动量、化学元素等都是守恒的。

1.2煤粉燃烧模型

（1）挥发份析出模型

有关煤热解过程的试验研究，已经得到了许多实用的热解模型。本文采用双步竞争（Two-Competing-Rates）模型，虽然该模型不适用于专门研究煤热解反应，但作为描述炉内燃烧过程己足够准确，其反应方程表示为：

图1燃烧器布置方式

成熟的四角切圆燃烧方式能够保证沿炉膛水平方向均匀的热负荷分配。通过合理的组织炉内空气动力场，有效保持切圆流场，使炉膛内火焰充满度好，炉膛内气流旋转强烈，与煤粉颗粒混合良好，不仅延长煤粉颗粒在炉内流动路程，且更利于煤粉充分燃烧。

本锅炉是超临界燃煤直流锅炉，可适用于各种变压工况运行，具有较高的锅炉效率和可靠性。以最大连续出力工况（BMCR）为设计参数。在设计条件下任何5台磨煤机运行时，均能长期带BMCR负荷运行。锅炉设计参数如表1所示。

表1锅炉容量及设计参数

2.2锅炉冷态空气动力场试验

采用四角切圆布置的燃烧器锅炉炉内燃烧特性、传热特性、流体流动状态均比较复杂，且对四角热负荷的均匀性要求较高。通过对锅炉进行冷态通风试验，来检验系统及转机整体运行情况，以及整个烟风系统冷态运行特性及调节特性。以锅炉最大连续负荷（BMCR）为设计参数作为设计值来进行试验前的相关计算。

通过计算得到的试验工况最低风速和风量，并校核模化条件和风机出力。确定了所计算的最低风速工况可满足模化条件，且风机容量能够满足试验所需风量的要求。

采用炉内冷态动力场试验的目的是测定实际切圆直径的大小，气流是否贴壁或冲墙，炉内充满度是否良好，燃烧器出口附近的气流结构如何，及四角配风是否均匀。如果有一角风速过高或过低都会使相邻两射流的动量大小及作用拖围发生改变，从而造成切圆偏心，炉内燃烧中心偏置，水冷壁温度偏差过高及水冷壁结焦等，严重危及锅炉的安全运行。本文采用飘带法，试验时在距离最下层一次风处搭建平台，用铁丝拉一个米字形架，从炉膛中心开始，每隔400mm系1根飘带，调整锅炉系统各设备到上文所述的试验工况，使一次风和二次风速度达到冷态模化风速，然后用热线风速仪测量铁丝拉线上各点和近壁面处的风速。

3锅炉炉内燃烧仿真分析

3.1仿真过程分析

本文先对该锅炉满负荷350MW设计工况进行燃烧过程仿真研究，模拟得出了炉内速度场、温度场、煤粉颗粒轨迹、炉膛出口参数、组分浓度场以及壁面热负荷分布情况。依据该锅炉的特点，在炉内燃烧的模拟之前先将空气动力场的冷态计算收敛，之后气体作为连续相仍使用Realizablek-e端流模型，煤粉作为离散相采用随机轨道模型来描述，挥发份和CO等气相物质燃烧采用祸破碎模型，挥发份的释放采用双步竞相反应速率模型，固定碳的燃烧采用动力学／扩散控制反应速率模型。

气相入口边界条件与冷态空气动力场的模拟方法相同，离散相需要设置每个燃烧器的煤粉流量和速度，设定煤粉的速度与燃烧器的一次风速相等，且煤粉颗粒粒径按Rosin-Rammler规律分布。炉膛出口作为出口边界条件仍设置为压力出口，为避免计算中出现的回流现象影响炉内组分分布，将回流各项组分质量分数设置为零。炉膛的壁面温度没有设计数据，将实际运行时的水冷壁温作为壁面边界条件数值，并假设煤粉与壁面之间是弹性碰撞，即颗粒碰到水冷壁后100%反弹回来。数值计算采用一阶迎风离散格式，迭代求解方法使用压力修正法的SIMPLE方法，收敛判据为所有变量的残差£10-4，并且进出口流量应相等。

3.2仿真数值计算结果

炉内空气动力场对燃烧的优劣影响很大，因此本文对炉内的速度场进行了数值计算。根据炉内速度矢量场数值模拟结果可知：四角布置的燃烧器喷出的气流在距离喷口一定距离处两两相交，并在炉膛中心处形成强烈的旋流；各截面旋流同时向上运动，与上层气流混合，由此切圆直径沿炉膛高度而变大；SOFA风的刚性较强，可有效降低氮氧化物的浓度。

在传统的燃烧调整试验中，通常采用专用测量仪器来测量炉内火焰温度和炉膛出口温度，测量工作不仅繁琐，且存在一定误差，无法全面掌握炉内温度场具体情况。本文通过数值模拟结果显示冷灰斗区域温度水平较低，燃烧器区域是高温区，特别是距离燃烧器喷口一定距离处温度最高，在炉膛上部区域温度逐渐降低。并且可以体现出燃料在炉内的分级燃烧，在主燃烧器区是高温的富燃料燃烧，在SOFA区域处是温度较低的富氧燃烧，可以有效减少炉膛出口NOX浓度。炉内煤粉燃烧产生的热量，大部分通过火焰的福射换热传递给水冷壁，少部分由烟气与水冷壁对流换热。壁面的热流密度反映热负荷的大小，由于传热方式主要福射换热为主，炉内温度高的地方其相应位置水冷壁热负荷较大，吸收的热量多。因此，燃烧器区域的壁面热流密度最大，冷灰斗处热流密度最小。燃烧器四角布置的锅炉，矩形的四边到炉中心距离不等，导致壁面中心位置的热流密度较高。若实际切圆很大或者产生射流偏斜，会导致热负荷分布不均，甚至局部超温，或者造成气流刷墙而引起水冷壁结焦，影响锅炉的经济性和安全性。通过上述各类模拟分析得到的趋势，完全符合四角切圆锅炉的燃烧理论和燃烧规律，对锅炉的运行和调整试验有一定的指导意义。

参考文献

[1]李成俊.600MW四角切圆燃烧锅炉炉膛出口热偏差研究[D].哈尔滨工业大学,2015.

[2]向寓华,张家元,张小辉.基于数值模拟的四角切圆燃烧锅炉冷态试验[J].热力发电,2012,12:14-18.

[3]郭增辉.浅析四角切圆燃烧锅炉热偏差产生的原因及治理措施[J].机电信息,2013,36:48-49.