水平浓度油点火煤粉燃烧过程数值模拟

水平浓度油点火煤粉燃烧过程数值模拟

0微油点火技术微油燃烧技术是一种先进有效的锅炉燃烧技术。油枪的中心温度为1500.2000c。作为高温燃烧的第一个爆发点，它可以直接在煤粉炉中燃烧。微油点火技术与百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器成功结合,在华电淄博热电有限公司1号410t/h燃贫煤锅炉上成功投运,实现了大幅节能,同时保持了水平浓淡煤粉燃烧器低负荷稳燃和低氮氧化物排放的性能。本文针对燃烧器入口煤粉浓度和入口风速等关键运行参数对燃烧器点火过程的影响,通过数值模拟方法,进一步了解燃烧器在不同运行参数条件下的性能指标,为水平浓淡微油点火燃烧器的实际工程应用和推广提供更为完善的指导性数据。1燃烧特性分析以NG-410/9.8-M4自然循环燃贫煤锅炉上所采用的微油点火百叶窗水平浓淡煤粉燃烧器为对象,对其特性进行研究,燃烧器结构布置方式如图1。设计、模拟计算采用的燃料分析和微量油枪的主要技术参数分别如表1和表2。2计算区域和网络划分根据燃烧器结构设计,对燃烧器整体进行三维计算网格划分,采用非结构四面体网格,燃烧器整体计算区域及网格划分如图2所示。3流场动力学方程模拟的过程在Fluent计算流体动力学软件平台上完成,采用拉格朗日随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动,煤粉颗粒沿着轨迹的挥发份热解采用单步反应速率模型,模型固定碳的异相反应采用动力燃烧与扩散燃烧共同控制,辐射传热模型采用P1法,燃油喷射采用雾化模型,压力-速度的耦合计算采用SIMPLE法求解。采用k-ε-f-g模型模拟气相的流动、燃烧过程,其控制方程表达式为:式中φ——分别为直角坐标系中3个坐标轴方向的速度分量、湍流动能k、湍动能耗散率ε、总焓h、时均混合分数f及其脉动均方值g,φ=1时为连续方ρ——气相密度;Γφ——变量φ的扩散系数;Sφ——气相引起的源项;Sρφ——由于颗粒引起的源项,反映了颗粒对气相流场的作用。式(1)中源项、扩散系数具体形式及方程的解法见参考文献。对气相燃烧的模拟采用了快速化学反应混合分数方法,混合分数f可根据原子质量分数写为:式中Zi——元素i的元素质量分数;Zi,ox——氧化剂流入口处的值;Zi,fuel——表示燃料流入口处的值。本研究系统中含有煤粉和燃油2种不同的燃料,需要用2个混合分数来分别跟踪2种燃料的各自组分。在所有组分扩散系数相同的条件下,组分方程可以被简化为关于混合分数的方程,应用方程(1)计算二混合分数及其变化量,根据平衡化学反应法和几率密度函数法,利用得到的混合分数计算各种组分的摩尔分数、密度和温度等。此外,2种燃料粒子利用各自的喷射源面板进行输入,从而在程序运行中跟踪2种燃料粒子,粒子的材料属性和初始条件可以预先设定。4只油枪的配气确定的设计工况入口条件为:入口煤粉浓度0.455kg/kg,入口一次风速22m/s,入口风温150℃,单只油枪出力40kg/h,单只油枪的辅助空气量1000m3/h以上,2只油枪均投入。在以下模拟计算工况中,除所要计算的运行参数外,无特殊说明情况下,燃烧器的其他运行参数均以设计工况参数为准。4.1燃尽速率和氧量分布为说明燃烧器内整个点火进程和燃烧发展状态,以设计工况为例,沿燃烧器轴线X方向取不同截面,比较不同截面上的温度分布,如图3、4所示。从图3和图4可以看出,燃烧火焰由中部高温区沿着行进方向逐渐均匀扩散至四周,各截面温度的整体水平不断上升,高温区域的面积不断增大。说明在点火过程中,不断有煤粉进入高温区域被点燃,并放出热量,从而使高温区域不断增加,并保持在较高的温度水平。在燃烧器喷口的中心区域,最高温度达到1800K,整体温度水平完全满足煤粉点火要求。但同时也看到,燃烧器喷口处的火焰充满度欠佳,尤其在淡相煤粉区域较为明显,考虑到煤粉主要集中在浓相煤粉区域,煤粉整体的点火效果可以满足燃烧器的实际点火要求。分析燃料中焦炭燃尽速率的变化和燃烧器内的耗氧量情况,可以反映燃料在燃烧器内的燃烧剧烈程度,下面仍以设计工况为例,分析不同截面上相对应的燃尽速率和氧量分布,如图5所示。从图5可知,燃料燃尽速率主要集中在扩散火焰与外侧气流相接触的边缘,主要原因是在此处提供了燃烧所需的更多氧量,促进了燃料的后期燃烧。相反,在火焰的内部区域,燃尽速率很低,几乎为0,为缺少氧量所至。虽然燃烧器内整体燃尽速率很低,但由于燃烧器的一次风率仅为20%,只能提供燃料前期点火燃烧所需的部分氧量,所以燃烧器内燃料的低燃尽速率是正常的。在实际点火燃烧过程中,高的燃尽速率并不是所追求的目标,只要在燃烧器喷口处的煤粉粒子达到足够高的着火温度,当煤粉粒子进入炉膛后遇到二次风配风供入氧量,便会立即着火燃烧,燃料的燃尽速率就会大幅提高。4.2入口煤粉浓度对燃烧效果的影响由煤粉以往的燃烧经验可知,煤粉浓度的变化对煤粉的点火燃烧过程有很大影响,本文取4种入口煤粉浓度进行模拟研究,来确定合理的燃烧器入口煤粉浓度,结果如图6所示。由图6可以看出,随着煤粉浓度的提高,燃烧器的喷口温度总体水平逐渐升高,说明入口煤粉浓度的提高对煤粉点火是有利的。同时可以看出,煤粉浓度需大于0.4kg/kg,如果浓度过小,燃烧区域火焰温度水平较低,燃烧器喷口处的火焰充满度较差。但同时考虑到燃烧器内的一次风风量是有限的,煤粉浓度也不宜过高,否则会有更多的未燃煤粉进入炉膛,出现锅炉运行中所谓的“黑龙”现象,如模拟结果中所示。0.6kg/kg可以取为燃烧器入口煤粉浓度上限参考值,符合电厂实际锅炉给粉的运行条件。4.3火炬入口风速合理的燃烧器入口风速对煤粉的点火燃烧也有较大的影响,风速过高,煤粉点火加热时间变短,点火距离变长,不易被点燃,适当降低风速可以相对延长煤粉的点火加热时间,利于煤粉点火燃烧。图7是4种入口风速下的模拟结果,其中22m/s为燃烧器设计运行风速,除入口风速外,其他入口参数与设计工况相同。从图7可以看出,在20,22,24m/s3种燃烧器入口风速条件下,燃烧器喷口的温度水平和燃烧效果相差不大。当入口风速提高到26m/s时,燃烧效果急剧下降,说明此风速已经过高,对煤粉点火造成困难,可能出现脱火现象,可以选择模拟结果中比设计风速略低的20m/s作为入口风速参考值。由煤粉点火经验可知,略低的煤粉气流速度对煤粉的点火过程较为有利,但入口风速也不能过低,否则可能在一次风管中出现积粉现象,对锅炉的安全运行不利。5燃烧温度结果与对比分析根据模拟计算结果和微油点火技术实际应用经验,在华电淄博热电有限公司1号NG-410/9.8-M4型进行了燃贫煤锅炉水平浓淡煤粉燃烧器节油技术改造,锅炉一次点火成功,实现了微油点火技术与水平浓淡煤粉燃烧器的优化结合。燃烧器出口火焰明亮,刚性较强,燃烧状态稳定。为进一步确定燃烧器的工作状态,利用K型铠装热电偶对燃烧器喷口附近火焰温度分布进行测量,热电偶在燃烧器喷口前沿Z=0的直线方向逐渐插入炉膛,方向由燃烧器浓侧煤粉燃烧区垂直指向淡侧煤粉燃烧区,以10cm为测量间隔,测量范围在1.5m左右,大于燃烧器喷口宽度,分别在仅有燃油和油煤混烧2种情况下进行测量,结果如图8、9。通过图8和图9的对比分析可知,2种燃烧情况下,计算和测量结果有类似的温度分布趋势,均是由浓侧煤粉燃烧区域,火焰温度迅速升高,然后向淡侧煤粉区域扩展,火焰温度逐渐降低,说明计算结果定性准确。在投入煤粉燃烧的工况中,计算结果和测量结果的整体温度水平均较仅投燃油工况有所提高,这是煤粉燃烧释放的热量所致。同时可以看到,该工况条件下,计算结果与测量结果有些差别,主要是由于计算过程中假定所有化学反应是在化学平衡条件下进行,而实际燃烧过程非常复杂,计算模拟与实际的燃烧状况存在一定差异。另外,测量手段也存在一定的误差。因为煤粉的点火燃烧过程发生在燃烧器内部,为了确保燃烧器的安全稳定运行,对改造后的4只燃烧器进行风膜冷却,并对燃烧器高温区壁面温度进行不间断监控。在燃烧器稳态运行时,壁面冷却风膜风门全开,查看燃烧器壁温监控结果,得到锅炉1、2、3、4号角的燃烧器壁面温度分别为328,316,346,284℃,接近二次风热风温度,满足燃烧器设计运行壁面温度的要求。在现场进行了关闭燃烧器壁面冷却风膜风门试验,在燃烧器正常运行下,壁面温度会快速上升,很快超过壁温报警值,监控系统开始报警,随即全开冷却风膜风门,壁面温度逐渐下降,回落到安全壁温以下。由此可知,冷却风膜对控制燃烧器壁面温度具有很好效果,适当调节冷却风膜风门的开度,可有效控制燃烧器的运行壁温。对点火燃油量进行了计算分析,整个冷炉点火过程大约持续6h,无需投入大油枪,锅炉升温升压曲线稳定,点火用油量约3t,相比改造前该锅炉的点火耗油量12t以上有较大降幅。随着运行操作的逐渐熟练和相关的热态调整,可以将冷态点火燃油量进一步降低。由工业试验得知燃烧器运行状态良好,但同时也发现在点火过程中,燃烧器的淡侧煤粉点燃率不是很高,即由浓侧煤粉向淡侧煤粉的火焰扩散效果有待提高,但其对燃烧器的点火运行影响有限。因此,目前的燃烧器结构完全可以满足工业应用要求。6火炬总剂量设计6.1从数值模拟和实际应用效果可见,微油点火技术能够很好地与水平浓淡煤粉燃烧器相结合,实现煤粉气流逐级被点燃,着火能量逐级放大,实现冷炉微油油枪点火启动,取得良好的节油效果。6.2燃烧器的入口煤粉浓度应该适当,如果浓度过低或过高,燃烧火焰温度均较低,同时考虑到在燃烧器内一次风风量有限,煤粉浓度不宜采用过高值。6.3燃烧器入口风速不宜过高