420t/h四角切圆锅炉低氮燃烧改造数值模拟研究

为达到严格的超低排放标准,目前国内绝大部分电站锅炉均实施了NOx排放控制技术改造。针对一台燃用烟煤的420 t/h四角切圆煤粉锅炉,将原双通道燃烧器改造为水平浓淡燃烧器并加装3层燃尽风(SOFA),从而达到低氮燃烧的效果。应用数值模拟方法进行方案论证,研究了一次风浓淡比、SOFA风率和SOFA风射流角度等参数对锅炉燃烧状况及NOx排放规律的影响,并提出最佳改造方案。随着浓淡比的增加,炉膛出口温度逐渐增加,而NOx含量逐渐降低。浓淡比为4∶1时,飞灰含碳量最低。随着浓淡比增大,CO浓度升高,增强了主燃区域的还原性,抑制挥发分含氮中间产物氧化成NO;另一方面,浓淡比增大使浓煤粉气流挥发分析出速率加快,强化挥发分含氮中间产物HCN和NH3将已生成的NO还原为N2;同时,淡侧气流煤粉浓度低,含氮基团析出量变小,与氧反应生成NO的量减少。随着SOFA风率的增加,炉膛出口烟温、飞灰含碳量增加,20%SOFA风率时,NOx浓度较高,SOFA风率由30%增加到40%时,NOx浓度基本保持不变。随着SOFA风率的增加,主燃区形成的低O2高CO浓度的强还原性气氛抑制了HCN及NH3被氧化成NO,反而促进了其与已生成的NO发生反应生成N2。此外,高SOFA风风率下,主燃区高温区缩小,生成的热力型NOx也相应减少。随着SOFA风射流角度上扬,还原区加长,有利于降低NOx浓度,但燃尽区的火焰中心会上升,煤粉燃尽时间变短,炉膛出口温度和飞灰含碳量上升。随射流角度增加,O2浓度降低而CO浓度升高,这是由于射流角度增大延迟了煤粉燃尽过程,增加了化学不完全燃烧损失;这种低氧高CO的强还原性气氛大大抑制了NOx生成。根据数值模拟结果,确定试验锅炉的低氮燃烧改造方案为:选择浓淡比为4∶1的水平浓淡燃烧器作为改造燃烧器,SOFA风率定为30%,SOFA射流角度上扬15°。改造后锅炉燃烧稳定,NOx排放显著降低,为220 mg/Nm3左右(降幅达65%～70%),而飞灰含碳量保持在3%～4%,表明改造方案可达到良好的低氮燃烧效果。     

四角切圆煤粉锅炉燃烧工况评判

针对现有锅炉燃烧工况评判方法的不足,结合某300MW四角切圆燃烧煤粉锅炉实际运行工况,创新性地利用因子分析法,对锅炉燃烧工况影响因素进行降维分析。按公共因子各自的方差贡献率加权相加计算综合评价得分,从而评价各因素影响作用的大小,避免了各因素之间不可比性给评判决策造成的困难,综合评判的结果正确反映了锅炉实际运行工况,相对现有锅炉燃烧工况评判方法,具有一定的优越性。     

多因素优化700℃四角切圆锅炉烟温偏差模拟

700℃切圆锅炉存在较严重的烟温偏差问题,利用Fluent软件,对1台660 MW的700℃四角切圆锅炉进行数值模拟。采用数值模拟正交试验法,对燃尽风的反切角度(因素A)、燃尽风的速度偏置(因素B)、燃尽风反切角度与燃尽风速度偏置两者可能存在的交互作用(因素A×B)、燃烧器的上摆角度(因素C)以及二次风的偏转角度(因素D)5个因素,每个因素分别设置2个水平,以炉膛出口烟温偏差为试验指标进行优化。对模拟所得数据采用极差、方差、权矩阵等3种分析方法。结果表明,各因素对试验指标重要程度的排序为：D>A>B>A×B>C,因素D的影响非常显著,因素A影响显著,其余3个因素影响不明显;各因素权重占比为：因素A(0.184)、因素B(0.068)、因素A×B(0.033)、因素C(0.024)、因素D(0.544);数值模拟得出最佳因素与水平组合为A₂B₂C₂D₁,该组合下锅炉炉膛出口截面左、右两侧烟温偏差为6.6 K,锅炉炉膛出口截面左、右两侧烟温偏差可控制。     

300MW锅炉四角切圆燃烧调整优化试验研究

针对大型电站锅炉存在的水冷壁结渣,底渣量大且可燃物含量高以及主再热蒸汽温度偏低等问题,结合电厂习惯运行方式,进行了一系列的燃烧调整试验。通过重新布置炉内布风、减小下层给粉机转速的方法对其进行改造。试验结果表明：不同的配风方式对锅炉燃烧有明显影响;二次风缩腰配风是合适的配风方式。投用周界风有利于防止水冷壁的结渣和高温腐蚀。减小下层给粉机转速,火焰中心上移,提高了主再热蒸汽的温度。改造后锅炉效率有所提高。     

660MW墙式切圆锅炉燃烧器数值模拟优化改造

针对某电厂水冷壁结渣、动力场不稳及低负荷稳燃能力差等问题,通过对百叶窗式煤粉浓缩器的性能参数进行试验优化,提出改进措施。利用Fluent计算软件,分析对比改造前后的空气动力场、温度场和烟气中各组分物质的量浓度的分布。结果表明:将挡板延长至钝体并与之结合,使浓、淡相煤粉气流一直保持到燃烧器出口,并通过将第一级叶片改为丘体型结构,第二、三级叶片中间开竖槽并适当调整叶片结构参数,获得较理想的煤粉浓缩效果,提高燃烧器的稳燃性能。     

300MW四角切圆贫煤锅炉三次风布置对NOx排放的影响

低氮燃烧改造是燃煤电厂降低氮氧化物排放最主要的策略之一。空气分级燃烧技术因其技术成熟、成本低廉等优势在燃用烟煤的锅炉中得到广泛应用。然而,随着煤/风比的进一步增加,NO_x降幅减小,未燃尽碳含量显著变大。与燃用烟煤的锅炉相比,燃用低挥发分煤种锅炉的低氮改造工作更加困难和复杂。四角切圆贫煤锅炉的三次风会影响风煤混合、燃烧气氛和温度,这些都会对煤粉燃烧过程和NO_x生成产生显著影响,若仅采用空气分级技术,并不能满足NO_x排放标准。因此,在低氮燃烧改造方案设计过程中,需寻求最佳的三次风布置方案以实现低氮高效燃烧。将一台300 MW四角切圆贫煤燃烧锅炉作为研究对象,采取CFD数值模拟方法,考察了三次风布置方式对锅炉燃烧特性的影响。结果表明:当三次风布置在燃烧区下部时,下层一次风和三次风中的煤粉迅速着火燃烧,温度攀升,火焰中心上移; NO_x还原区变长,此时炉膛出口NO_x浓度最低,为405 mg/Nm~3;三次风的下移导致炉膛主燃区中上部氧量较少,煤粉不充分燃烧,燃尽率降低。当三次风布置在主燃区中部时,由于三次风风温较低,导致炉膛燃烧温度下降,一定程度上抑制了热力型NO_x的生成,炉膛出口NO_x排放量减少;三次风的喷入增加了主燃区过量空气系数,有利于煤粉的充分燃烧,燃尽率提高。当三次风布置在主燃区上部时,随着三次风位置的升高,三次风煤粉整体燃烧燃尽区域上移,折焰角附近温度依次升高;三次风位置的上移增加了NO_x还原区的长度,三次风喷口位置越高,炉膛出口NO_x浓度越低;三次风上移导致三次风煤粉在炉膛的停留时间变短,造成燃烧不充分,飞灰含碳量增加,燃尽率降低。此外,对改造后飞灰及大渣含碳量,炉膛出口烟温和NO_x浓度等参数进行现场测量,NO_x排放浓度模拟值和测量值分别为445和448 mg/Nm~3,飞灰含碳量分别为1. 92%和1. 48%,数值模拟结果与现场测量结果吻合较好。     

660MW切圆燃烧塔式锅炉烟温偏差机理数值模拟

降低烟温偏差是塔式锅炉的特性之一,但实际运行过程中其烟温偏差仍存在,目前还缺乏其偏差形成机理的深入研究。以一台660 MW四角切园燃烧的塔式锅炉为对象,研究了额定工况下的屏式受热面区域烟气流场偏斜与温度偏差特性;设计了3种不同的烟道结构和屏式受热面布置工况,研究其烟温偏差机理。结果表明:模拟值和烟温偏差特性与试验值和实际运行偏差特性一致。屏式受热面区域存在明显的烟气流动偏斜和温度偏差,左侧区域的速度和温度明显高于右侧区域;随着高度增加,左右两侧的流动和烟温偏差先增后减,在标高68 m的三级过热器入口附近烟温偏差达到最大值。引起烟气流动和烟温偏差的原因有两方面:一是在受热面管屏分割约束的作用下,旋转上升进入屏区的烟气垂直于管屏方向的速度分量被迫发生转向,导致靠近左侧区域烟气主要向前墙流动,而右侧区域烟气主要向后墙流动。二是由于炉膛顶部烟气出口不对称布置在后墙,在引风机的抽吸作用下,左侧区域的烟气流动先向前墙倾斜,而后转向后墙,在整个屏式受热面区域分布较居中;而右墙区域的烟气先向后墙倾斜,后沿后墙区域被抽走;左右两侧不同的烟气流动偏差导致温度偏差。     

六角切圆燃烧锅炉炉内空气动力特性的研究

建立冷态空气动力场模化试验台，对不同燃烧器布置工况进行试验研究，了解六角切圆燃烧锅炉炉内空气动力特性，分析其对炉膛和受热面结渣的影响，并把研究成果应用于某200MW锅炉机组的改造中，对工程实际具有很大的应用价值。     

调节同层二次风以缓解双切圆锅炉高温腐蚀的数值模拟

针对某双切圆锅炉热角区域高温腐蚀问题,本文提出调节同层二次风流量的方法来改善热角上游的还原性氛围。基于Fluent软件模拟了不同冷角二次风流量工况下的炉内燃烧情况,结果表明：增加冷角二次风量可以基本消除双切圆锅炉水冷壁附近CO体积分数过高（>8%）的区域,大大缓解水冷壁高温腐蚀的问题。5%工况和10%工况下,炉膛近壁面安全区域面积占比分别上升了1.20%和1.35%,出口NO _x 平均质量浓度分别升高2.99%和8.89%;而15%工况的炉膛防腐效果最佳,近壁面安全区域面积占比上升了3.60%,同时腐蚀严重区域占比下降了4.99%,出口NO _x 平均质量浓度升高较明显,上升18.91%。在一般电厂实际调整过程中,冷角二次风增量应设置在5%～10%,对于燃用高硫煤且NO _x 排放较低的电厂,建议将冷角二次风增量设置为15%左右,以最大限度缓解高温腐蚀。     

Investigation of the flow, combustion, heat-transfer and emissions from a 609 MW utility tangentially fired pulverized-coal boiler

A numerical approach is given to investigate the performance of a 609 MW tangentially fired pulverized-coal boiler, with emphasis on formation mechanism of gas flow deviation and uneven wall temperature in crossover pass and on NO_x emission. To achieve this purpose and obtain a reliable solution, some different strategies with the existing researches are used. Good agreement of simulation results with design parameters and site operation records indicates this simulation is pretty reasonable and thus the conclusions of the gas flow deviation, emissions, combustion and heat transfer are reliable. These conclusions can be used to guide the design and operation of boilers of similar types.     

Numerical investigation on the flow, combustion and NOx emission characteristics in a 500 MWe tangentially fired pulverized-coal boiler

The characteristics of the flow, combustion, temperature and NO_x emissions in a 500 MW_e tangentially fired pulverized-coal boiler are numerically studied using comprehensive models, with emphasis on fuel and thermal NO_x formations. The comparison between the measured values and predicted results shows good agreement, which implies that the adopted combustion and NO_x formation models are suitable for correctly predicting characteristics of the boiler. The relations among the predicted temperature, O₂ and CO₂ mass fractions are discussed based on the calculated distributions. The predicted results clearly show that NO_x formation within the boiler highly depends on the combustion processes as well as the temperature and species concentrations. The results obtained from this study have shown that overfire air (OFA) operation is an efficient way to reduce the NO_x emissions of the pulverized-coal fired boiler. Air staging combustion technology (OFA operation) adopted in this boiler has helped reduce fuel NO_x formation as well as thermal NO_x formation under the present simulated conditions. The decrease in the formation of fuel NO_x is due to the decreased contact of the nitrogen from the fuel with the oxygen within the combustion air, while the decrease in thermal NO_x formation is caused by a decrease in temperature. The detailed results presented in this paper may enhance the understanding of complex flow patterns, combustion processes and NO_x emissions in tangentially fired pulverized-coal boilers, and may also provide a useful basis for NO_x reduction and control.