水平浓淡燃烧器在130t_h燃煤锅炉的数值模拟及应用.pdf

专论 水平浓淡燃烧器在1 3 0 t ／ h 燃煤锅炉的数值模拟及应用 李国全1 吕绍辉 1 ． 唐山开滦热电有限责任公司林西电分公司 2 ． 唐山开滦热电 有限责任公司 I 摘 要】 近年来， 由于设计煤种与燃用煤种存在较大偏差， 电站 锅炉结渣事故时有发生。 本文以某电厂燃煤炉为例， 探讨应用水平浓淡 燃烧器技术控制煤粉流向， 改善炉内燃烧， 进而解决结渣问题 。 通过对 该燃烧器的数值模拟和实际安装后表明该燃烧器对防止炉内结渣及低 负 荷稳燃均有明显效果。 【 关键词】电站锅炉； 结渣； 水平浓淡燃烧器； 数值模拟 1 ． 引言 近几年来我国电力发展十分迅速， 从发电量来看， 火电所占比例 达N8 o ％以上。 但是我国动力煤多年以来一直是 “ 煤种杂， 煤质差” ， 这使得很多电厂燃煤偏离设计煤种， 导致灭火频繁、 出力下降、 煤耗 增加 可靠性降低问题的发生【 】 】 。 近年来， 煤粉气流过程数值模拟技 术已广泛用于指导工程实践。 借助数值模拟技术指导锅炉改造方案 的实施 ， 可有效降低改造风险， 控制改造费用。 [ 4 - 5 ] 本文研究对象为某电厂额定蒸发量为1 3 0 t ／ h 的四角切圆燃煤 炉， 该机组为煤矿 自备电 兼具供热功能 。 该机组肩负着保障煤矿 生产安全的重任， 发电负荷变化太大时， 可能会对矿业生产安全产生 直接影响。 此外， 由于该机组承担供热任务， 在冬季必须超负荷运行 以满足居民采暖需求， 对炉内燃烧质量要求较高。 近年来 ， 由于燃用煤种偏离设计值较远， 该炉结渣严重， 需要人 Y - g 0 炉前或者冷灰斗前除渣， 存在较大安全隐患。 鉴于上述情况， 电 厂决定在大修期间进行燃烧器改造， 解决结渣问题。 本文先由数值模 拟分析水平浓淡燃烧器对解决该炉问题的可行性， 之后简要介绍燃 烧器改造过程。 2 ． 设备概述及运行问题分析 该炉呈 “ n” 型炉体布置， 设计燃烧劣质无烟煤， 燃烧器四角布 置， 燃烧器自下而上依次为 第一层下二次风 ； 第二层下一次风； 第三 层中二次风 ； 第四层中一次风； 第五层上二次风； 第六层三次风。 该 炉采用中间仓储式制粉系统 ， 热风送粉。 该锅炉主要设计参数如下表 所示。 表1锅炉主要设计参数 在近几年的实际运行中， 与该厂其他锅炉相比可发现， 虽然该炉 的卫燃带面积最小 ， 但结渣最为严重。 结渣一般发生在卫燃带上 ， 渣 的厚度能达到1 m左右， 而且渣块较大， 不能顺利地从冷灰斗下方排 出， 致使渣块堵塞排渣 I1 ， 渣越积越 多， 只能被迫停炉。 为防止停炉 次数过多， 每个值均需要工人到炉前或者零米冷灰斗前捅渣 ， 还发生 过多次烫伤事件。 经现场勘测和分析得知， 煤质的改变是导致该炉问题的根本原 因。 当前该炉燃用设计煤种， 结渣问题就有 明显的改善， 进一步说明 煤质是根本的影响因素。 从当前煤种的发热量看， 约1 6 0 0 0 k J ／ k g ， 比 设计煤种低约2 0 0 0 k J ／ k g 。 额定负荷的燃料消耗量从2 1 ． o 8 t ／ h 高 N2 3 t ／ h 。 制粉量的增大导 致了一次风速和三次风速的提高， 与原设 计相比， 同样的负荷 下， 在总氧量变化不大的情况下， 二次风速会相 应的减少， 所以下二次风的托粉能力会降低， 这是导致底渣的份额偏 大的原因之一。 针对这些现象国内新设计的煤粉炉及相关炉内燃烧 系统改造普 遍采用一些新的 “ 风包火” 燃烧技术来防止水冷壁结渣， 如上海锅炉 厂 的二次风 外偏同心切圆燃烧技 术， 广泛应用的水平浓淡燃烧技 术 等， 包括对冲燃烧炉型广泛使用的双调风旋流燃烧器。 而本炉的燃烧 系统设计没有采用类似的设计， 从而 当燃煤改变时， 不能够有效的防 止结渣的发生， 这是设备上的缺陷。 基于上述分析， 采用水平浓淡燃烧技术营造 “ 风包火” 氛围， 借 以解决结渣 问题 。 下面对所应用的水平浓淡燃烧器进行数值模拟 ， 探 究其在分离煤粉气流中的作用。 3 ． 水平浓淡燃烧器结构及煤粉气流数值模拟 水平浓淡分离燃烧器 以下简称燃烧器 分为三部分， 即调节风 管、 连接风管及喷12 1 。 该燃烧器通过改变调节风管内的调节挡块位 置对煤粉气流进行浓淡分离， 调节由螺栓旋转完成。 调节挡块上， 在 煤粉来流方向上贴耐磨陶瓷片 在调节挡块对侧板亦贴有耐磨陶瓷 片 。 通过上述结构， 可实现煤粉气流的“ 水平浓淡分离” 。“ 水平浓 淡” 指的就是水平方向上， 左侧浓， 右侧淡， 浓侧布置在向火侧， 淡侧 布置在背火侧。 向火侧的着火条件极好， 背火侧可以有效的防止水冷 壁结渣。 此外， 由于煤粉相对缺氧燃烧 ， 对防止N Ox 生成亦有一定作 用 。 煤 粉 气流 图1水平浓淡燃烧器结构示意图 根据上述燃烧器结构进行构体， 对其煤粉气流颗粒浓度进行模 拟 ， 以期得到燃烧 器对煤粉气流的浓淡分离比及不同挡块位置对煤 粉 气流浓淡分离效果影响的数据。 图2燃烧器模拟网格分布 如图2 示为燃烧器示意， 构体时均采用技术上较为成熟的结构化 网格划分。 采用该方法绘制的网格可以较少的网格数量达到较高的 精度。 设定挡块初始位置其基部与煤粉管道内壁平齐， 并以挡块 垂直 于向煤粉管外移动的方向为正方向。 下面我们先模拟燃烧器挡块位于 初始位置时对煤粉气流的分离效果。 数值模拟采用k Q湍流模型， 连续相与离散相耦合采用双向湍 流耦合模型， 离散相煤粉在燃烧器内运动采用采用随机轨道模 型跟 踪 ， 并设定煤粉粒径分布为1 0 m 5 0 0 “ m， 平均粒径2 0 0 m。 燃烧器 一 次风流速2 0 m／ s ， 煤粉总流量0 ． 8 k g ／ s 。 按此数据模拟得到燃烧器 内煤粉颗粒分布如图3 示。 可见在此工况下， 煤粉气流可在炉内实现 煤粉浓淡分离， 浓煤粉流分布在向火侧， 淡煤粉流分布在背火侧， 这 样的煤粉分布除了有稳定着火的优势， 同时由于煤粉相对缺氧燃烧， 对防止NO x 生成亦有一定作用。 应用f l u e n t 软件可统计出燃烧器两出口处煤粉浓度如表2 示 ， 颗 粒轨迹如图3 至5 示。 定义浓淡比作为分离效果测定指标， 其值等于浓 侧出口 煤粉颗粒浓度与淡侧出口 颗粒浓度之比。 专 表2煤粉浓度 挡块位于初始位置 图3档块位于初始位置时煤粉颗粒的轨迹示意 图5挡块位于初始位置时直径为2 0 0 p m 煤粉颗粒的轨迹示意 我们再将挡块位置分别设置为l O mm、 2 0 ram、 3 0 mm、 4 0 mm、 5 0 ram， 再次进行数值模拟 ， 结果如表3 所示。 由表中数据分析可知 ， 挡块 位置变化后浓淡分离效果减弱， 可进一步计算得出挡块位置与 分离比的关系如图6 示。 在实际运行中， 当出现煤粉气流着火过早情 况时， 可采取该操作进行改进。 表3各挡块位置处煤粉浓度 挡块位置 ram 截面颗粒浓度 k g ／ m 浓淡分离比 浓侧 出口 淡侧出口 0 0 ． 6 8 7 4 0 1 2 9 0 ． 4 5 6 8 2 3 1 1 1 ． 5 0 4 7 4 3 1 0 0． 6 9 3 4 3 0 3 0 ． 4 9 9 1 7 7 5 5 1 ． 3 8 9 1 4 6 2 0 0． 6 7 0 6 4 9 8 9 0 ． 5 3 4 8 5 2 1 5 1 ． 2 5 3 8 9 8 3 0 0 ． 6 5 9 7 4 2 1 8 0 ． 5 5 0 6 1 3 2 2 1 ． 1 9 8 1 9 5 4 0 0 ． 6 5 0 4 7 2 4 6 0 ． 5 6 4 8 8 7 7 6 1 ． 1 5 1 5 0 7 5 0 O ． 6 3 8 7 9 2 9 3 0 ． 5 8 1 0 8 8 6 I ． 0 9 9 3 0 4 根据上述数值模拟可知， 该燃烧器可在各锅炉工况下均有很好 的浓淡分离效果， 可应 用于 该电厂燃烧器改造 ， 以优化 炉内燃烧工况。 4 改造施工 4 ． 1 切圆校正 现场勘 测表明， 该锅炉使用时间较 ’ 长 ， 已出现切圆直径偏离设 ” 计情况。 这种偏离造成了火； 焰刷墙。 因此在安装燃烧器 板产生夹角也不靠在隔板上 。 此时可认为燃烧器中心线与炉内直径 为5 5 0 mm的圆相切。 3 为验证 2 中调整准确性， 用激光笔进行如下两种验证 验证一， 将激光笔贴在隔板上 ， 调整激光束使其与隔板在 同一 平面内。 将激光束投射向切圆处， 圆盘处用屏幕承接激光点， 观察其 大致位置， 若与圆相切则证 明 2 中调节准确； 若激光点位于圆盘内 或与圆盘相距较远则应按激光点位置重新调整燃烧器。 验证二， 亦是将激光笔贴于隔板上， 调整激光束后将光束投射到 对面炉壁上， 记下光点位置后在对角隔板对应位置进行相同操作， 观 察光点是否打在对应位置上。 若光点均位于燃烧器一侧某一根水冷 壁管处则证明 2 中调整准确； 否则， 若相差较大， 需要重新调整。 按照上述方法调整各一次风喷 13， 完成后将其余各二次风及三 次风喷 13 按照一次风喷口 位置调整至对应位置。 切圆校正过程中力求精确， 但是由于现场条件的局限， 有个别角 稍有偏差， 激光笔打到对面墙上最多时能差3 根管。 4 ． 2 改造效果8 ／ 1 下旬改造结束后锅炉投运 。 第一周燃用不易 结渣的灰熔点较高的煤种， 该炉未发现有结渣情况。 从8 月底开始进 行燃用另一种易结渣煤， 进一步考查其效果。 结果显示 ， 炉内结渣情 况有所缓解， 能达到预期的效果。 在8 月底我们同电厂人员进行了低负荷稳燃实验以验证燃烧器性 能。 通过现场实验可知， 蒸发量最低达8 0 t ／ h 时锅炉稳定燃烧， 改 造后锅炉在较低负荷可保持燃烧， 不必投入助燃油。 5 ． 结论 本文根据额定蒸发量为1 3 0 t ／ h 的燃煤锅炉燃烧器改造， 对水平 浓淡燃烧器在该炉上的应用进行了模拟， 并简要介绍了燃烧器的改造 过程。 得出如下结论 1 通过数值模拟 ， 得出挡块位置位于0 5 0 ram时， 水平浓淡燃 烧器可调节的煤粉浓淡比介于1 ． 5 1 ． 0 之间。 该数据对电厂运行具有 指导意义。 2 燃烧器改造过程进行拉线切 圆矫正， 有助于炉内气流形成 较好的切圆， 防止火焰偏斜、 贴壁， 从而减少了结渣事故发生。 综合上述情况， 改造后未发生由于大量结渣而导致的被迫停炉 问题。 该种燃烧器可将煤粉气流进行浓淡分离， 从而减缓炉壁结渣； 加之改造过程中重新进行了切圆矫正 ， 进一步优化炉内流动， 收到了 良好的效果。 参考文献 【 7 】 王亚军， 王宏格． 三 菱j 2 0 5 t ／ h 锅 炉低 负荷再热汽温偏低原因 分析【 J 1 ． 山西电力， 2 0 0 5 1 1 1 1 5 【 2 ] 刘兆俊． 6 7 0 t ／ h 锅炉再热汽温偏低 的原因分析与对策[ J 】 ． 胜利 油田职工大学学报， 2 0 0 9 ， 2 3 4 6 5 - 6 4 ． [ 5 】 吴安 ， 曾汉鼎， 马东森等． 华能德 州电厂再热汽温偏低的原因 分析及解决方案[ J 】 ． 动力工程 ， 2 0 0 8 ， 2 8 6 8 5 9 - 8 4 6 ． I 4 ] M i n g c h a n g q u ，M a s a h i r o Is h ig a k i ，M a s a h ir o T o k u d a ．Ig n i t o n a n d c o m b u s t io n o f la s e r h e a t e d p u l v e r iz e d c o a l [ J ] ．F u e l ， 1 9 9 6 ， 7 5 1 0 1 1 5 5 -- 1 1 6 0． 【 5 ] L ． D ． S m o o t ． In t e r n a t i o n a l r e s e a c h c e n t e r s ’ a c t iv i t ie s i n C o a l C o m b u s t i o n [ J ] P r o g ．E n e r g y C o m b u s t ．S c i ， 1 9 9 8 2 4 ． 4 0 9 -- 5 0 1 ． 作者简介 李国全 1 9 7 8 ． 2 ，男，汉族，河北唐山人，唐山开滦热电有 限 责任 公 司林 西 电分 公 司，副 经理 ，工程 师 。 吕绍辉 1 9 7 7 -- ，男，汉族，河北唐山人 ，工作于唐 山开滦 热 电有限责任公 司，主要从事火力发电设备及管理。2 0 1 z - 7 月毕 业于华北电力大学，学历热能动力专业工程硕士。