电力燃烧锅炉及基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法
【专利摘要】本发明提供一种电力燃烧锅炉及其基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法。本发明的电力燃烧锅炉，通过独特的燃烧器和燃烧制粉系统结构，以及各种一二次风、燃尽风喷口的设置，使得SOFA风占的比例提高，通过增加SOFA风来降低NOx排放浓度，而且不需要过多硬件结构改造，成本不高。由于采用增加SOFA风来降低NOx排放浓度，对该电厂低氮改造后燃烧特性规律进行了数值模拟，数值模拟结果与现场运行数据进行了严格对比验证，保证数值模拟有效性。得到了速度场、温度场、组分场和污染物分布规律，以及在不同SOFA风门开度下，燃烧器区域以及沿着炉膛高度方向NOx分布规律，并通过数值模拟测试，得到了最佳的SOFA风门开度。
【专利说明】电力燃烧锅炉及基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力燃烧锅炉的【技术领域】，特别是涉及一种电力燃烧锅炉，以及所述电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法。
【背景技术】
[0002]随着环境治理的严峻形势，对NOx的排放限制将日益严格。目前国内外电站锅炉控制NOx技术主要有2种:一种是控制生成，主要是在燃烧过程中通过各种技术手段改变煤的燃烧条件，从而减少NOx的生成量，即各种低NOx技术；二是生成后的转化，主要是将已经生成的NOx通过技术手段从烟气中脱除掉，如选择性催化还原法(SCR)、选择性非催化还原法(SNCR)。
[0003]研究表明:使用再燃改造后炉膛温度分布更加均匀，再燃喷口附件形成了还原性气氛，降低了 NOx浓度。采用大涡数值模拟方法(LES)对一台220t/h四角切圆锅炉在3组不同分速条件下炉内流场、温度场和NOx排放特性进行了研究，研究结果表明采用LES方法，数值模拟结果与现场试验结果吻合比较好。
[0004]在1025t/h锅炉上通过燃烧调整降低NOx，不同氧量工况下炉内火焰平均温度基本不变，随着氧量增加，燃料型NOx急剧增加，锅炉效率升高，随上三次风比例增加，NOx和锅炉效率都下降，随着燃尽风挡板开度增大，炉内火焰平均温度下降，NOx排放浓度下降，锅炉效率变化较小，不同配风方式下，束腰型配风方式的锅炉效率最高，NOx排放量最低，均匀配风工况下NOx排放浓度增加。采用数值模拟方法研究燃煤电站锅炉影响NOx排放的因素，研究表明:过量空气系数是影响NOx生成的重要因素之一，NOx排放浓度随着过量空气系数的增大而增加，改变二次风配风方式也能够影响NOx生成。燃尽风喷口位置对NOx的还原效果、出口烟气温度以及煤粉焦炭转化率影响较大。NOx主要产生于燃烧初期，当燃料与02混合不充分时会发生NOx的还原反应，从炉膛整体上看，燃料型NOx的生成速率明显大于热力型NOx，主燃区和燃尽区NOx反应速率的主要控制因素分别为02体积分数和焦炭燃烧速率。燃煤挥发分和含氮量高的煤，NOx析出速度也比较高，较细的煤粉有利于降低NOx的生成，机组负荷下降20%，NOx下降6.74%，倒宝塔配风有利于降低NOx生成。燃尽风可以有效控制燃料型NO的排放，在100%负荷下效果更显著。
[0005]利用在线运行参数预测了锅炉NOx排放浓度。针对一台330MW机组锅炉，基于锅炉在线运行参数和NOx排放浓度测量值，采用多元线性回归方法，对锅炉NOx排放浓度与主要运行参数之间的相关性进行了分析。机组负荷、锅炉运行氧量、各层燃烧器热负荷对NOx排放浓度的作用最显著，并根据在线数据提出了预测锅炉NOx排放浓度的经验关系式，预测值与实测值得偏差大都在10%范围内。通过建立电厂燃煤锅炉NOx排放计算模型。该数学模型的建立是从锅炉运行因素出发，通过分析各种运行因素对锅炉效率和NOx排放浓度的影响，归纳出影响锅炉效率和NOx排放质量浓度的综合性影响因素-炉内风分配，从而建立锅炉NOx排放质量浓度的多元回归计算模型。
[0006]然而，目前各种电站锅炉控制减少NOx的技术都不完善，或者效果不够理想，或者成本较高。
【发明内容】
[0007]针对现有各种电站锅炉控制减少NOx的技术都不完善，或者效果不够理想，或者成本较高的问题，本发明提出一种电力燃烧锅炉，通过独特的燃烧器和燃烧制粉系统结构，以及各种一二次风、燃尽风喷口的设置，增加SOFA风来降低NOx排放浓度，能够有效降低NOx的排放，而且不需要改变太多硬件结构，成本不高。
[0008]一种电力燃烧锅炉，包括4个直流式宽调节比摆动式燃烧器和燃烧制粉系统；所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置在电力燃烧锅炉的炉膛下部的四个切角处，形成切圆燃烧方式；每个直流式宽调节比摆动式燃烧器的轴线与炉膛前、后墙夹角分别为43°和35° ;每个直流式宽调节比摆动式燃烧器在高度方向上布置2个燃尽风喷口，6个一次风喷口和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷口，所述一次风喷口和二次风喷口呈均等配风方式的间隔布置，并且各种喷口可上下摆动，所述燃尽风喷口的摆动范围为-5°?30° ;所述二次风喷口的摆动范围为-30°?30° ; —次风喷口的摆动范围为-20。?20° ;所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器分为6层，且每一层包括4个一次风喷口，分别与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停；所述燃烧器还包括4对分离燃尽风，以水平对冲方式安装；所述燃烧制粉系统为中速磨直吹式，包括6台磨煤机，6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统,并分别与每层燃烧器的一次风喷口相对应。
[0009]本发明的电力燃烧锅炉中，通过独特的燃烧器和燃烧制粉系统结构，以及各种一二次风、燃尽风喷口的设置，使得SOFA风占的比例提高，通过增加SOFA风来降低NOx排放浓度，能够有效降低NOx的排放，而且不需要改变太多硬件结构，成本不高。
[0010]本发明提出一种所述电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法，包括以下步骤:
[0011]建立电力燃烧锅炉仿真模型，包括:采用标准k_ ε湍流模型模拟气相湍流；采用混合分数/概率密度函数模型模拟组分运输和燃烧:采用单混合分数/概率密度模型模拟纯煤燃烧，采用双混合分数/概率密度模型模拟污泥掺烧燃烧；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；采用双方程平行竞争反应模型模拟煤的热解；采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧；采用Pi法计算辐射传热，离散方法均采用一阶迎风格式；中心风、一次风、二次风都采用质量入口边界条件；入口处质量流量、风温根据设计参数进行设置；对燃尽风和周界风本体根据其实际尺寸构建其入口模型；燃尽风和周界风也采用质量入口边界条件，质量流量数值根据设计参数及变工况条件计算得到；出口边界条件采用压力出口，压力设置为-SOPa ;炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，热交换采用第二类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度和辐射率，壁面温度为690Κ，壁面辐射率为
0.8 ;根据所述电力燃烧锅炉仿真模型进行冷态计算，获得初步收敛程度的流场，再进行热态计算，直至收敛；对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松驰因子；分别模拟分离燃尽分的风门开度为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时的工况；获取各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布；根据所述各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布，获取各个工况下分离燃尽风的最佳开度值；根据所述最佳开度值调节所述电力燃烧锅炉的分离燃尽分的风门开度。
[0012]由于采用增加SOFA风来降低NOx排放浓度，对该电厂低氮改造后燃烧特性规律进行了数值模拟，数值模拟结果与现场运行数据进行了严格对比验证，保证数值模拟有效性。得到了速度场、温度场、组分场和污染物分布规律，以及在不同SOFA风门开度下，燃烧器区域以及沿着炉膛高度方向NOx分布规律，并通过数值模拟测试，得到了最佳的SOFA风门开度。本发明为该电厂低氮改造后效果检测，以及现场运行过程中SOFA风门开度调整方式，提供了非常重要的依据。
[0013]在一种实施方式中，对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解时，对NO和HCN的计算残差小于10 8，其余各项计算残差小于10 6O
[0014]测试结果表明，通过对NO和HCN的计算残差小于10_8，其余各项计算残差小于10_6，可大大提高数值模拟结果的精确度，提高对SOFA风门开度调节的控制精度，使控制更有效率。
[0015]在一种实施方式中，采用162万网格精度进行仿真模拟，建立所述电力燃烧锅炉仿真模型。
[0016]通过模拟试验可得，对电力燃烧锅炉仿真模型采用162万网格划分，能够提高计算的精度，燃烧器出口与炉膛的连接面设置为interface，防止两个两个面的网格质量和网格形状差异较大而引起误差。
[0017]在一种实施方式中，采用红外温度测量方法，得到所述电力燃烧锅炉现场实际满负荷运行时炉膛出口温度，以及炉膛出口 NOx浓度的实际测量值；根据所述电力燃烧锅炉的温度场分布和污染物分布的数值模拟结果，将所述电力燃烧锅炉现场实际满负荷运行时炉膛出口温度以及炉膛出口 NOx浓度的数值模拟结果与对应的实际测量值对比；如果数值模拟结果中的炉膛出口温度与对应的实际测量值误差范围在10%以内，且NOx浓度与对应的实际测量值比较误差在1.7%以内，则判断数值模拟结果准确。
[0018]通过将数值模拟结果和实际检测值的严格对比验证，保证数值模拟结果有效性，确保控制的准确度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明电力燃烧锅炉一种实施方式的结构示意图；
[0020]图2是本发明电力燃烧锅炉的4对分离燃尽风的布置方式示意图；
[0021]图3是本发明电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法的流程示意图；
[0022]图4是本发明电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法中网格划分和燃烧器喷口布置图；
[0023]图5为数值模拟得到不同SOFA风门开度下最下层二次风温度云图；
[0024]图6为数值模拟得到不同SOFA风门开度下最下层一次风温度云图；
[0025]图7为模拟得到了炉膛中心截面温度场分布图；
[0026]图8为炉膛横截面平均温度沿着炉膛高度方向分布图；
[0027]图9为燃烧器区域温度分布图；
[0028]图10为不同SOFA风开度下炉膛出口温度变化示意图；[0029]图11为不同SOFA风开度下最下层二次风速度云图；
[0030]图12为不同SOFA风开度下最下层一次风速度云图；
[0031]图13为02浓度沿着高度方向分布图；
[0032]图14为燃烧器区域02浓度分布图；
[0033]图15为不同SOFA风开度下炉膛出口 02浓度变化示意图；
[0034]图16为CO浓度沿着高度方向分布图；
[0035]图17为燃烧器区域CO浓度分布图；
[0036]图18为NOx浓度沿着高度方向分布图；
[0037]图19为燃烧器区域NOx浓度分布图；
[0038]图20为计算得到不同SOFA风门开度下炉膛出口 NOx浓度变化示意图。
【具体实施方式】
[0039]请参阅图1，图1是本发明电力燃烧锅炉一种实施方式的结构示意图。
[0040]所述电力燃烧锅炉，包括4个直流式宽调节比摆动式燃烧器和燃烧制粉系统；
[0041]所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置在电力燃烧锅炉的炉膛下部的四个切角处，形成切圆燃烧方式；每个直流式宽调节比摆动式燃烧器的轴线与炉膛前、后墙夹角分别为43°和35° ;每个直流式宽调节比摆动式燃烧器在高度方向上布置2个燃尽风喷口，6个一次风喷口和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷口，所述一次风喷口和二次风喷口呈均等配风方式的间隔布置，并且各种喷口可上下摆动，所述燃尽风喷口的摆动范围为-5°?30° ;所述二次风喷口的摆动范围为-30°?30° ;—次风喷口的摆动范围为-20°?20° ;
[0042]所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器分为6层，且每一层包括4个一次风喷口，分别与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停；所述燃烧器还包括4对分离燃尽风，以水平对冲方式安装；
[0043]所述燃烧制粉系统为中速磨直吹式，包括6台磨煤机，6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统，并分别与每层燃烧器的一次风喷口相对应。
[0044]在本实施方式中，该电力燃烧锅炉为660丽，亚临界压力、一次再热、单汽包、控制循环、四角喷燃双切圆燃烧燃煤锅炉。采用露天布置，燃烧制粉系统为中速磨直吹式，采用直流式宽调节比摆动式燃烧器。4个直流摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置炉膛四角。燃烧器分6层，每一同层燃烧的4个一次风(煤粉气流)喷口与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停。6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统，并与6层燃烧器一次风喷咀相对应，5层投运已能满足锅炉最大连续蒸发量(MCR)的需要。4组燃烧器分别布置在炉膛下部四个切角处，形成典型的切圆燃烧方式，燃烧器总高度为11.266m，燃烧器轴线与炉膛前、后墙夹角分别为43°和35°角。每组燃烧器在高度方向上上方布置2个燃尽风喷咀(OFA、0FB)，6个一次风喷咀(A、B、C、D、E和F)和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷咀(AA、AB、BC、⑶、DE、EF和FF)，一次风喷咀和二次风喷咀呈均等配风方式的间隔布置。各种喷咀可以上下摆动，其摆动限定范围:燃尽风喷咀为-5°?30° ;二次风喷咀为-30°?30° ;一次风喷咀为-20°?20°。
[0045]锅炉高约57m，且炉膛横截面为长方形，宽16.44m，深19.558m，见图1 (a)所示。图I (b)为燃烧器横截面图。共有6层一次风，6层二次风和2层紧凑型燃尽风(CCOFA)。制粉系统为直吹式制粉系统，共6层磨煤机，5运I备。在本发明中，最上层磨煤机停运。4对分离燃尽风(SOFA)以水平对冲方式安装，以进一步降低锅炉NOx排放，布置方法见图2。由于总风量没有变化，且二次风中一部分分配到SOFA风，使得二次风喷口改造，面积变小，但除了最上层CCOFA的高度有所变化，其余一二次风喷口高度均没有改变。SOFA开度100%情况下，SOFA风与CCOFA风占到总二次风的37.2%，仅SOFA风就为26.8%，与一般电力燃烧锅炉的20.4% (仅CC0FA)有了很大的提升。
[0046]本发明的电力燃烧锅炉中，通过独特的燃烧器和燃烧制粉系统结构，以及各种一二次风、燃尽风喷口的设置，使得SOFA风占的比例提高，通过增加SOFA风来降低NOx排放浓度，能够有效降低NOx的排放，而且不需要改变太多硬件结构，成本不高。
[0047]请参阅图3，图3是本发明电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法的流程示意图。
[0048]所述电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法包括以下步骤:
[0049]S101，建立电力燃烧锅炉仿真模型，包括:采用标准k_ ε湍流模型模拟气相湍流；采用混合分数/概率密度函数模型模拟组分运输和燃烧:采用单混合分数/概率密度模型模拟纯煤燃烧，采用双混合分数/概率密度模型模拟污泥掺烧燃烧；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；采用双方程平行竞争反应模型模拟煤的热解；采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧；采用Pi法计算辐射传热，离散方法均采用一阶迎风格式；中心风、一次风、二次风都采用质量入口边界条件；入口处质量流量、风温根据设计参数进行设置；对燃尽风和周界风本体根据其实际尺寸构建其入口模型；燃尽风和周界风也采用质量入口边界条件，质量流量数值根据设计参数及变工况条件计算得到；出口边界条件采用压力出口，压力设置为-SOPa ;炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，热交换采用第二类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度和辐射率，壁面温度为690Κ，壁面辐射率为0.8 ；
[0050]S102，根据所述电力燃烧锅炉仿真模型进行冷态计算，获得初步收敛程度的流场，再进行热态计算，直至收敛；对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松驰因子；
[0051]S103,分别模拟分离燃尽分的风门开度为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时的工况；
[0052]S104，获取各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布；
[0053]S105，根据所述各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布，获取各个工况下分离燃尽风的最佳开度值；
[0054]S106，根据所述最佳开度值调节所述电力燃烧锅炉的分离燃尽分的风门开度。
[0055]在步骤SlOl中，采用标准k_ ε湍流模型模拟气相湍流；采用混合分数/概率密度(PDF)函数模型模拟组分运输和燃烧:采用单PDF模型模拟纯煤燃烧，采用双PDF模型模拟污泥掺烧燃烧；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；煤的热解采用双方程平行竞争反应模型；焦炭燃烧则采用动力/扩散控制反应速率模型；辐射传热计算采用Pl法，离散方法均采用一阶迎风格式。中心风、一次风、二次风都采用质量入口边界条件；入口处质量流量、风温根据设计参数。对燃尽风和周界风本体也进行适当简化，根据其实际尺寸构建其入口模型；燃尽风和周界风也采用质量入口边界条件，质量流量数值根据设计参数及变工况条件计算得到。出口边界条件采用压力出口，压力设置为-80Pa ;炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，热交换采用第二类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度和辐射率，壁面温度为690K，壁面辐射率为0.8。
[0056]煤粉颗粒直径按照Rosin-Rammler方法分布。Rosin-Rammler分布假定在颗粒直
径d与大于此直径的颗粒的质量分数Yd之间存在指数关系:Yrf 二 fT (i//7)\ J为平均
直径，η为分布指数。最小粒径5 μ m,最大粒径250 μ m,平均粒径60 μ m,分布指数1.5,那么，煤粉质量百分比含量与煤粉粒径之间的关系见表1，煤质信息见表2。
[0057]表1煤粉质量含量与粒径的关系
【权利要求】
1.一种电力燃烧锅炉，其特征在于，包括4个直流式宽调节比摆动式燃烧器和燃烧制粉系统； 所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器按切圆燃烧方式布置在电力燃烧锅炉的炉膛下部的四个切角处，形成切圆燃烧方式；每个直流式宽调节比摆动式燃烧器的轴线与炉膛前、后墙夹角分别为43°和35° ;每个直流式宽调节比摆动式燃烧器在高度方向上布置2个燃尽风喷口，6个一次风喷口和7个供给燃料燃烧空气用的二次风喷口，所述一次风喷口和二次风喷口呈均等配风方式的间隔布置，并且各种喷口可上下摆动，所述燃尽风喷口的摆动范围为-5°~30° ;所述二次风喷口的摆动范围为-30°~30° ;一次风喷口的摆动范围为-20°~20° ； 所述4个直流式宽调节比摆动式燃烧器分为6层，且每一层包括4个一次风喷口，分别与同一台磨煤机连接、供粉，投则同投，停则同停；所述燃烧器还包括4对分离燃尽风，以水平对冲方式安装； 所述燃烧制粉系统为中速磨直吹式，包括6台磨煤机，6台磨煤机各自构成基本独立的6个制粉子系统，并分别与每层燃烧器的一次风喷口相对应。
2.一种如权利要求1所述的电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法，其特征在于，包括以下步骤: 建立电力燃烧锅炉仿真模型，包括:采用标准k- ε湍流模型模拟气相湍流；采用混合分数/概率密度函数模型模拟组分运输和燃烧:采用单混合分数/概率密度模型模拟纯煤燃烧，采用双混合分数/概率密度模型模拟污泥掺烧燃烧；采用颗粒随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动；采用双 方程平行竞争反应模型模拟煤的热解；采用动力/扩散控制反应速率模型模拟焦炭燃烧；采用Pl法计算辐射传热，离散方法均采用一阶迎风格式；中心风、一次风、二次风都采用质量入口边界条件；入口处质量流量、风温根据设计参数进行设置；对燃尽风和周界风本体根据其实际尺寸构建其入口模型；燃尽风和周界风也采用质量入口边界条件，质量流量数值根据设计参数及变工况条件计算得到；出口边界条件采用压力出口，压力设置为-80Pa ;炉膛壁面采用标准壁面方程，无滑移边界条件，热交换采用第二类边界条件，即温度边界条件，给定壁面温度和辐射率，壁面温度为690K，壁面辐射率为0.8 ； 根据所述电力燃烧锅炉仿真模型进行冷态计算，获得初步收敛程度的流场，再进行热态计算，直至收敛；对于离散方程组的压力和速度耦合采用SIMPLE算法求解，求解方程采用逐线迭代法及低松驰因子； 分别模拟分离燃尽分的风门开度为30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%时的工况； 获取各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布； 根据所述各个工况下的温度场分布、速度场分布、组份场分布以及污染物分布，获取各个工况下分离燃尽风的最佳开度值； 根据所述最佳开度值调节所述电力燃烧锅炉的分离燃尽分的风门开度。
3.如权利要求2所述的电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法，其特征在于: 对于离散方程组的压力和速度耦合采用SMPLE算法求解时，对NO和HCN的计算残差小于10_8，其余各项计算残差小于10_6。
4.如权利要求2所述的电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法，其特征在于: 采用162万网格精度进行仿真模拟，建立所述电力燃烧锅炉仿真模型。
5.如权利要求2所述的电力燃烧锅炉的基于数值模拟技术的分离燃尽风调节方法，其特征在于: 采用红外温度测量方法，得到所述电力燃烧锅炉现场实际满负荷运行时炉膛出口温度，以及炉膛出口 NOx浓度的实际测量值； 根据所述电力燃烧锅炉的温度场分布和污染物分布的数值模拟结果，将所述电力燃烧锅炉现场实际满负荷运行时炉膛出口温度以及炉膛出口 NOx浓度的数值模拟结果与对应的实际测量值对比； 如果数值模拟结果中的炉膛出口温度与对应的实际测量值误差范围在10%以内，且NOx浓度与对应的实际测量值比较误差在1.7%以内，则判断数值模拟结果准确。
【文档编号】F23L9/00GK103968371SQ201410045149
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年2月7日 优先权日:2014年2月7日
【发明者】李德波, 徐齐胜, 沈跃良 申请人:广东电网公司电力科学研究院