1000_MW锅炉污泥掺烧温度场数值模拟_纪政

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第39卷第1期上海电力大学学报Vol．39，No．12023年2月JournalofShanghaiUniversityofElectricPowerFeb．2023■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■DOI:10．3969/j．issn．2096－8299．2023．01．0011000MW锅炉污泥掺烧温度场数值模拟12324纪政，李佳伟，施敏，吴江，范忠鹏，35朱俊，黄亚继(1．国电南京自动化股份有限公司，江苏南京210032;2．上海电力大学，上海200090;3．上海外高桥第三发电有限责任公司，上海201306;4．上海同天碧翔环保科技有限公司，上海200092;5．东南大学，江苏南京200031)摘要:采用FLUENT软件对电站锅炉污泥掺烧温度场进行数值模拟分析。分别对污泥掺烧比例为0，1．3%，2．9%，4．8%的煤燃烧情况下的温度场进行了比较。结果表明:随着污泥与煤粉掺烧比例的增加，污泥与煤粉的混合物中灰分含量增加，可燃物的含量减少，水分大幅增加导致炉膛中心温度出现明显的变化。关键词:电站锅炉;污泥掺烧;温度场;数值模拟中图分类号:TK01+9文献标志码:A文章编号:2096－8299(2023)01－0001－04NumericalSimulationofSludgeMixingTemperatureFieldin1000MWBoiler12324JIZheng，LIJiawei，SHIMin，WUJiang，FANZhongpeng，35ZHUJun，HUANGYaji(1．GuodianNanjingAutomationCo．，LTD．，Nanjing，Jiangsu210032，China;2．ShanghaiUniversityofElectricPower，Shanghai200090，China;3．ShanghaiWaigaoqiaoThirdPowerGenerationCo．，LTD．，Shanghai201306，China;4．ShanghaiTongtianBixiangEnvironmentalProtectionTechnologyCo．，LTD．，Shanghai200092，China;5．SoutheastUniversity，Nanjing，Jiangsu200031，China)Abstract:NumericalsimulationsofthetemperaturefieldofasludgeblendedboilerwerecarriedoutusingFLUENTtocomparethetemperaturefieldofcoalcombustionatsludgeblendingratiosof0%，1．3%，2．9%and4．8%．Theresultsshowthatasthesludgeandpulverisedcoalratioin-creases，theashcontentofthesludgeandpulverisedcoalmixtureincreases，thefuelcontentdecrea-sesandthemoistureincreasesconsiderably，leadingtosignificantchangesinthecentreofthefur-nacechambertemperature．Keywords:utilityboiler;sludgemixingsintering;temperaturefield;thenumericalsimulation中国每年消耗超过40亿t的煤炭，煤炭燃烧使得各种气体污染物及重金属对环境的破坏愈加收稿日期:2022-04-13通信作者简介:吴江(1974—)，男，博士，教授。主要研究方向为燃烧科学与污染物控制、吸附剂研究与开发、生物质能源等。E-mail:wjcfd2002@163．com。基金项目:国家自然科学基金(51976036)。

12上海电力大学学报2022年严重。随着城市污泥的减量化处理成为各大城市本文参照某电厂污泥掺烧比例，并结合燃煤［3］快速发展急需解决的问题，污泥掺烧煤粉燃烧成电厂掺烧污泥性能分析数据等，通过对其参照为研究的重点。虽然加入污泥会携带高于燃煤的分析决定对污泥煤粉掺烧比例进行适当调整。炉重金属及其他污染物，但适当的掺烧污泥并不会膛模拟工况如表3所示。［1］引起污染物排放超标现象。各种可燃物和煤掺表3炉膛模拟工况烧在一定程度上减少了煤的需求量，再利用一些工况掺烧比/%含水率/%锅炉负荷/MW污泥掺烧不仅提供了大量的热值，同时也减轻了1——700［2］21．330700环境污染。张成等人对100MW小机组掺烧污泥燃烧和污染物排放进行了研究，结果表明，实32．930700际掺烧较低配比污泥是可行的。马杜鹃等人［1］认44．830700为燃煤电厂掺烧污泥是无害化且经济有效的污泥处理方式。通过对广州恒运热电厂燃煤耦合污泥2计算模型及计算条件发电进行实验表明，干化污泥进厂在含水率＜40%、掺烧比例为4．7%时，污泥掺烧对于煤2．1模型建立及网格划分的元素成分影响不大，锅炉烟气主要污染物指标锅炉内燃烧情况较为复杂，从煤粉污泥和氧［3］几乎无影响。管明健等人利用FLUENT软件化剂经过燃烧器喷口进入炉膛中的过程产生的烟对某1000MW塔式锅炉的燃烧过程进行了数值气经过凝渣管、过热器、再热器、省煤器、空气预热模拟，得出了额定工况下炉膛燃烧的温度场分布。器后排出。与此同时，锅炉四角切圆燃烧的燃烧本文将对不同比例的污泥掺烧工况进行温度场比器结构在建立模型时相当于对锅炉整体的一个切较分析。分，使其结构变得更为复杂。划分网格使网格数1研究对象量激增，计算时间也随之增多。因此，本文对炉膛结构进行优化处理:将燃烧器喷口一次风、二次风以某电厂1000MW超临界锅炉为模拟对作为入口条件，同时将复杂的喷口做截面化处理。象。锅炉炉膛尺寸为23．16m×23．16m，炉顶管屏式过热器后作为出口边界，忽略再热器对炉膛中心标高113．91m;采用单炉膛塔式布置，四角传热的影响。切圆燃烧方式。锅炉整体配备6台中速磨煤机，本文锅炉模型采用Solidworks软件对其进行其中5台运行1台备用。锅炉燃煤采用SM+建模，考虑其复杂的结构利用ICEM进行非结构DT+IN煤种，掺烧一定比例的污泥。煤质特性化网格划分。在锅炉燃烧器喷口部分，进行单独如表1和表2所示。的加密处理，增加其模拟的准确性。考虑模拟情表1煤质特性工业分析况及增加的网格质量，最终对锅炉整体进行四面体网格划分，划分网格数目为96万个。炉膛和燃工业分析/%收到基低位发热量煤种－1烧器截面网格示意如图1所示。MarAarVarFCarQnet，ar/(MJ·kg)设计煤种14．0012．0027．0047．0023．42SM煤校核煤种10．4016．7724．0048．8322．12DT煤表2煤质特性元素分析工业分析/%灰软化温度/煤种CarHarOarNarSar℃设计煤种61．453．617．800．710．431．17×103SM煤校核煤种58．333．429．770．680．631．30×103DT煤图1炉膛和燃烧器截面网格示意

2纪政，等:1000MW锅炉污泥掺烧温度场数值模拟32．2选择计算条件3结果分析气相湍流模型采用Ｒealizablek－ε模型。该3．1不同工况下一次风截面温度模型比标准k－ε模型更充分地反应炉膛内部的旋流情况，比较有利于模拟炉膛内耦合燃烧工况;气图2为不同工况下最下层一次风截面处的温固两相流采用基于欧拉-拉格朗日的离散相模型度场分布。(DiscretePhaseModel，DPM);在挥发析出及燃烧［4］方面采用双步竞争反应速率模型;气相燃烧采用涡耗散(EddyDissipationEdm，EDM)模型，与机率密度模型(ProbabilityDensityFunction，PDF)不同的是，EDM模型能够更清楚地反映污泥与煤粉两种物质，也能更为准确地反映水分对炉膛燃烧造成的影响;焦炭燃烧采用动力学(扩散控制)反应速率［5］模型;炉膛内的辐射传热模型采用P-1辐射模型;NOx生成采用污染物排放模型，考虑到热力型NOx以及燃料型NOx的生成，忽略快速性NOx的［6］生成。2．3边界条件设定图2最下层一次风入口处截面温度场分布对于入口边界上的气相控制方程:以四角切由图2可知:四角切圆燃烧器因为其特殊的圆燃烧器上的各个喷口作为入口边界。入口边界燃烧方式使炉膛的高温区域主要集中在4个喷角上的速度、温度、气体组分等参数依据锅炉最初设所切出的燃烧圆区域;由于燃料以51°的切角从计值给定，其中一次风和二次风速为27．3m/s和4个方向相切成圆，燃料集中在炉膛中心位置;由60．3m/s，方向按照四角切圆切角角度设定。于煤粉喷射速度较高，炉膛中形成低压区域，使得对于颗粒固相的控制方程:颗粒直径按照射流周围气体都向此射流靠近，温度也向中心靠［7］Ｒosin-Ｒammler分布规律进行分布。把注入的近，由喷口处向炉膛中心喷射过程中逐渐升高，形一次风口作为燃料进口，煤粉、污泥、煤粉和污泥成圆形高温区域;炉膛主燃区煤粉燃烧较为充分，的混合以此为进口进入炉膛进行燃烧。同时对这火焰位置距炉膛壁面适中，火焰稳定，温度分布均3种燃料的密度、比热及进口温度根据燃料本身匀，近壁面处无局部高温情况出现;随着锅炉污泥的性质进行设置。通过污泥与煤粉的初析温度及掺烧比例的逐渐增加，最下层一次风入口截面处着火温度T来对燃料的边界条件进行输入。燃料的温度下降较为明显，高温区明显减少，整体温度颗粒的入口速度及温度按照锅炉运行工况有所下降，这是因为污泥中水分以及灰分存在的436．7t/h和一次风温进行设定。依据燃料本身原因导致炉膛火焰温度在1600～1700K之间变所附带的性质以及EDM模型对2种燃料燃烧过化，影响了燃料实际释放的总热值，最终导致燃烧程中需要用到的模型进行设定。器区域温度下降。炉膛的壁面设置为无质量渗透、无湍流、无相3．2不同工况下炉膛中心截面温度对滑动的固定边界。给定炉膛内壁面的温度，根据实际工况设置燃烧器。燃烧器上部、折焰角壁图3为不同工况下锅炉运行时炉膛中心截面面的边界条件为第一类边界条件，根据电厂实际处的温度分布。由图3可知，炉膛中心温度在燃烧工况对壁面温度进行设置。计算方法采用1600～1750K。随着高度的增加，紧凑/分离燃尽Simple三维稳态计算，各个角之间除了速度矢量风的加入使得高温区域面积减小形成如图3所示外其余数值都相同，壁面条件采用无滑移边界及的蜡烛火焰状温度分布，污泥的含水率为30%。对反射边界类型。比4个工况可知，在污泥与煤粉的掺烧比例从

34上海电力大学学报2022年1．3%上升到4．8%的整个过程中(工况2至工上层火焰的冲击，燃烧最为剧烈;燃烧过程自上而况4)，炉膛的中心温度有了明显变化。与此同时，下，主要燃烧区域仍在燃烧器区域，并且随着燃烧锅炉炉膛的灰分含量也随着掺烧比例的增加而增高度的不断提升和燃料的燃尽，燃烧器上方温度加，从而导致了可燃物的减少。这也是炉膛中心截逐渐降低。标高1处温度整体较低，为1700K面温度降低的原因之一。飞灰含碳量随着燃料水左右;在标高5处处于火焰尾部，火焰收缩，火焰分和灰分增加、总燃料热燃尽率降低而增加。截面积变小;其他标高处均位于火焰中部，温度高于标高1与标高5处，其中标高4处温度最高，为1800K左右。燃烧器上部出现近墙壁温度过高情况，这与最初模型建立有关。由于对燃烧器喷口进行了优化处理，因此其截面化的喷口使得旋流半径变大。在污泥掺烧的炉膛燃烧过程中，由于污泥燃点较低，在其接触到锅炉壁面的同时，污泥中的挥发分析出并燃烧，释放出较多的热量，从而导致在壁面处出现局部高温情况。4结论(1)对炉膛4个模拟工况进行对比分析发图3炉膛中心截面温度分布现，4个工况下锅炉机组负荷均约700MW。当污泥的掺烧比从1．3%增加到2．9%和4．8%时，掺3．3同种工况下各标高截面温度烧后燃料折算灰分增加，折算可燃物量减少。(2)污泥的热值比煤的热值低，水分较高，致为更好地模拟实际电厂炉膛的运行情况，将工使掺烧后燃料的燃尽率降低，污泥与煤粉混合燃况1下的不同标高位置处的炉膛截面处温度分布料的燃烧效果较不掺烧时变差。进行对比，具体如图4所示。其中，标高1对应炉(3)随着锅炉污泥掺烧比例的增加，火焰中膛22．5m处，标高2对应炉膛31m处，标高3对心及炉膛整体温度均有所降低。应炉膛39．3m处，标高4对应炉膛45．5m处，标高5对应炉膛53m处。参考文献:［1］马杜娟，黄纯琳，李顺泉，等．燃煤电厂掺烧城市污泥性能分析［J］．当代化工研究，2021(24):116-118．［2］张成，朱天宇，殷立宝，等．100MW燃煤锅炉污泥掺烧试验与数值模拟［J］．燃烧科学与技术，2015，21(2):114-123．［3］管明健，李彦，马晟恺．1000MW塔式锅炉炉内燃烧特性的数值模拟［J］．上海电力学院学报，2018，34(2):115-118．［4］李道强．O2/CO2气氛下煤粉燃烧特性及性能研究［D］．北京:北京交通大学，2011．［5］胡庆伟，王为术．600MW超临界对冲锅炉分级燃烧特性［J］．洁净煤技术，2019，25(2):69-75．［6］李凡，赵小盼，乔晓磊，等．某600MW煤粉锅炉掺混污泥NOx排放特性数值模拟研究［J］．电站系统工程，2021，图4工况1下各标高截面温度场分布37(4):7-11．［7］李德波，徐齐胜，沈跃良，等．变风速下四角切圆锅炉燃烧热由图4可知，从冷灰斗到燃烧器区域温度大幅性的数值模拟［J］．动力工程学报，2013，33(3):172-177．度升高。由于燃料的喷出集中在燃烧器区域，受到(责任编辑谢冉)