旋流燃烧器低氮改造方案的数值模拟研究

旋流燃烧器低氮改造方案的数值模拟研究

王术力

内蒙古大板发电有限责任公司  内蒙古赤峰市025150

摘要:针对现有双调风旋流燃烧器锅炉低氮改造方案进行炉内燃烧热态速度场和温度场数值模拟计算，通过数值模拟计算结果找出双调风低氮燃烧器改造后存在问题的原因，并提出改进意见，为同类锅炉改造提供参考。

关键词：旋流燃烧器；浓淡改造；电站锅炉；数值模拟

1 引言

我国目前有一部分火电厂锅炉采用两面墙对冲 DRB-XCL 低 NOx 双调风旋流燃烧器，该燃烧器具有燃烧效率高，炉内温度场和流场分布均匀等优点，但也存在着低 NOx 效果不果不如直流燃烧器好的缺点，因此，现有部分采用旋流燃烧器的锅炉进行低氮改造，一是采用大还原区燃尽风的措施，改造方式与直流燃烧器基本相同，改造效果比较明显，但因一次风煤粉浓度低、且一二次风混合较早，NOx 浓度还比较高，达不到现有直流燃烧器的低氮效果200-240 mg/Nm3。因此，还需要更进一步改造，以提高炉内脱硝效果，减少 SCR 脱硝还原剂尿素用量及氨逃逸大带来的副作用等。本文对某台燃烧褐煤的 600MW 机组亚临界锅炉双调风旋流燃烧进行一次风浓淡分离改造方案数值模拟计算，通过几种改造方案的数值模拟计算结果对比分析，确定优化改造方案，为同类机组进行低氮燃烧器改造提供参考。

2 双调风旋流燃烧器原设计结构及存在的问题

一次风携带煤粉经过上升弯头进入燃烧器内，该燃烧器在燃烧口前安装了一个扩流锥以冲散煤粉，使一次风管道内的煤粉颗粒沿着管道四周分布。DRB-XCL 型燃烧器上配有双层强化着火的调风机构，该调风机构可以控制二次风挡板开度，从而改变二次风的旋转角度和旋转强度。二次风包裹着一次风进入炉膛，两股风不断混合，二次风形成的回流区卷吸高温烟气从而点燃煤粉。为了稳定二次风风压，锅炉配备有大风箱。两层调风器所用的二次风均从大风箱引来，内层二次风用来引燃煤粉气流，大量的外层二次风提供煤粉燃尽所需的氧气量，使煤粉充分完全燃烧。

3 现有双调风旋流燃烧器改造方案数值模拟计算分析

3.1 现有双调风旋流燃烧器改造方案

现有双调风旋流燃烧器改造从以下两方面入手进行改造：

1）一次风浓淡分离增加主燃烧器煤粉浓度

将锅炉的每只燃烧器一次风在进入主燃烧器前加浓缩器进行煤粉浓淡分离，对燃烧器前

的部分煤粉管道进行了改造，将浓的煤粉气流进入主燃烧器，而氮的气流作为乏气单独送入燃烧器的上方，既不影响主燃烧的燃烧，也要将乏气中的煤粉燃烧完全，还能使主燃烧器区域煤粉浓度增加，减少主燃烧器区域的 O2浓度，从而控制 NOx 的生成量。

3.2 现有双调风旋流燃烧器低氮改造应用效果

通过上述对双调风旋流燃烧器低氮改造后，在保证燃烧效率不变的条件下，能使 NOx

降低 150～200 mg/Nm3。使炉内脱硝效果有很大提高。但改造后从锅炉运行中发现改造方案

存在以下问题，需要进一步解决：

（1）根据炉膛内燃烧温度场测试中发现，炉内有部分黑龙出现；

（2）缺氧燃烧条件下 NOx 浓度能控制在 240 mg/Nm3,但飞灰及和炉渣可燃物高，且炉渣由于缺氧燃烧形成大量烧结炭黑，且炉内有轻微结渣出现。

（3）在炉内不缺氧条件下燃烧时，不会产生结渣和炭黑焦，但 NOx 浓度会达到 300 mg/Nm3左右，其改造效果还有待提高。

3.3 现双调风旋流燃烧器低氮改造方案数值模拟计算分析

3.3.1 锅炉炉内燃烧数值模拟方法简介及模型构建

为了对该锅炉炉内燃烧情况进行真实模拟，先在 Gambit 软件中对低氮燃烧器改造后的

锅炉建立全尺寸数学物理模型，对模型进行网格划分，而后将模型导入 Fluent 软件中，设置边界条件及锅炉设计参数和改造设计参数，进行数值模拟计算。Gambit 是帮助设计者和分析者建立并网格化计算流体力学（CFD）模型和其他科学应用设计的一个软件，它的优点在于能够确保几何体的精度和质量，其中的六面体规则化网格，能让导入到后续软件的计算更加快捷简便，不过在 Gambit 中划分网格需要下很大的功夫，网格的划分及其质量的好坏，直接影响到后续计算的难易程度以及结果的精度[1]。

3.3.2 Fluent 计算方法及边界条件设定

采用计算流体力学（CFD）软件 Fluent 进行数值模拟计算。Fluent 软件中采用有限体

积法来计算以网格单元为基础的几何模型，包含类型丰富的湍流模型、多相流模型、传热模型等供用户选择，提供了耦合显式算法、耦合隐式算法、非耦合隐式算法等多种算法，还可

以设置不同精度的求解方法如一阶精度、二阶精度等[3]。在进行数值模拟计算的过程中，可以根据不同的流动方式，选用合适的数学模型，采用最合理的算法，然后根据具体要求选择恰当的求解精度来进行计算。

（1）湍流模型

由于研究对象为两面墙对冲布置旋流燃烧器的炉膛，炉内流动涉及到旋转射流，所以选

取模型为 k-e 模型中的Realizable 模型，用来修正模拟过程中旋转气流对流场的影响，从而

得到相对准确贴近事实的结果。

（2）辐射模型

炉内煤粉燃烧过程包含所有的能量传输方式，但主要是通过辐射的方式来传递能量，同时以对流的方式也能传递部分能量，因此选择合适的辐射换热模型对正确模拟炉内传热过程具有重要意义。Fluent 软件提供了 P-1 辐射模型、离散传递辐射模型（DTRM）、离散坐标模型（DO）、表面辐射（S2S）模型和 Rosseland 辐射模型。本文选择 P-1 辐射模型，它的求解计算量小，同时可以考虑炉膛中气相以及颗粒相之间传热的相互影响，适用于模拟燃煤锅炉炉内复杂的辐射传热的过程。

（3）燃烧模型

炉内燃烧归类于非预混燃烧，需要使用 PDF 方法将锅炉设计煤质和校核煤质进行换算，输入相应数据，系统根据煤质的组分、低位放热量、燃料和氧化剂的温度自动运算出 PDF模型，为炉内的非预混燃烧提供基础。

3.3.3 速度场模拟计算结果分析

为了能对该锅炉燃烧器布置和配风方式及改造方式进行合理的评价，对该锅炉进行炉内速度场数值模拟计算，各层速度场的情况发现，第一层燃烧器射程最长，二三层射程相对较短，但最长射流中间仍存在小块速度较低的区域，而第二层和第三层射程严重不足，对冲气流中间出现大片的低速区，速度进口一次风速为 23.6 m/s，但气流行程接近一半的时速度就衰减到2-6m/s，所以炉膛中部接近一半区域气流速度很低 2-3 m/s，证明炉膛中心区域火焰充满度不好。而由燃尽风截面速度场分布图发现，燃尽风速射程更低，射程只有 2-3 m/s 左右，燃尽风集中在前后墙水冷壁附近，不能射到炉膛中间，造成炉膛中部严重缺氧燃烧，水冷壁附近富氧严重，形成 O2 浓度不均和氧量表显示虚假燃烧氧量的现象。

4 问题分析及建议

（1）通过对改造后炉膛内燃烧温度场实测中发现，炉内有部分黑龙出现，通过数值模拟计算结果证明，产生黑龙的原因主要是一次风和乏气风速低，使煤粉气流穿不透火焰中心造成的，需要提高一次风速和乏气风速，增加一次风机乏气风射程和刚性；

（2）燃尽风速设计不合理，燃尽风不应该设计成旋流射流方式，应该设计成直流射流，同时提高燃尽风速。

（3）一次风浓淡分离装置有待于改进，现在乏气风含粉浓度高，使其低氮效果达不到设计理想值，需要对乏气风引出位置及浓淡分离装置进行优化设计，使乏气风含粉量降低到20%以下，现在没有达到设计值，乏气含粉浓度接近 0.5，证明现有分离不合理，而且发起引出位置也不合理。

参考文献

[1] 周秋月,朱全利,方彦军. 浓淡偏差直流燃烧器炉内燃烧过程及 NOx 生成的数值模拟[J].华

中电力,2002(06):5-7.

[2] 樊孝华,米翠丽,魏刚,张勇胜. 基于 CFX 的双调风旋流燃烧器数值模[J].电站系统工程,2012,28(02):8-11.

[3] 刘宇.双调风旋流燃烧器的 300MW 煤粉炉燃烧和排放特性的实验研究[D].哈尔滨工业大学,2016.