配氧方式对火电锅炉稳燃效果的影响研究

1. 绪论

随着新能源的快速发展，火力发电厂参与电网深度调峰已是大势所趋。但火电机组在深度调峰时遇到的最大困难就是锅炉炉膛内的煤粉气流燃烧稳定性较差 [1-3]。因此研究新的锅炉超低负荷运行工况下的稳燃技术具有重要的意义。张宝国[1] 在利用安装油枪实现火电锅炉稳燃的基础上配合加入纯氧，研究两者共同作用下煤粉气流的着火特性。李可君等 [2] 研究者遇到某烟煤在某 650MW 机组深度调峰时无法稳定燃烧的问题后，提出使用混煤，加入一些含碳量低而挥发分高的煤种，并改变配风方式去增加氧气浓度，为锅炉运行调整时创造富氧氛围。浙江大学杨建国 [3] 对照分析局部富氧和整体富氧两种方式，研究它们对煤粉气流不同程度的着火燃烧影响。

2. 数值模拟方法

2.1 几何模型

在燃烧器一次风粉气流入口端增设一加氧管，纯氧通过该加氧管到达燃烧器并和一次风均匀混合，从而模拟其助燃效果。本模型二维几何参数如下：加氧管长度 300mm ，宽度 100mm ；燃烧器长度 700mm ，宽度 500mm ；燃烧室长度 2500mm ，宽度 1500mm 。在 ICEM 中完成该二维几何模型的建立。

2.2 网格划分

在生成网格前，特将该三种几何模型全部分割为四边形，后将各个四边形均定义为内部面，如此将能保证生成的网格拥有较高的质量。设置网格的比例因子为 1，大小参数为 15，网格类型为三角形 ， 创建方法为 patch dependent， 创建区域为全部，其余默认一般设置。创建后三种模型的网格数量均为44000-45000，且 99.997% 的网格质量在0.5以上，符合高质量网格要求。

2.3 数学模型类型及方程选择

2.3.2 湍流模型 Viscous-model

煤粉气流在燃烧室流动燃烧的过程属于完全湍流，分子粘性可忽略。按照 Fluent 2020 R2 中的十种湍流模型的使用范围进行初步选择，并查阅相关文献资料，本模拟研究中激活最常见的湍流模型 k. -eplison模型，并采用其标准型式下的双方程。在燃烧学中简化的 k -eplison 方程为：

2.3.3 组分模型 Species-model

在火电锅炉燃烧过程中，燃烧器内部组分的运输行为包括扩散、对流和反应等过程，所以本模拟研究中激活组分的运输模型来模拟气相燃烧。

3 数值模拟结果及分析

3.1 工况一

在该种工况下，设定煤粉挥发分含量为 50% ，煤粉流量为 1.0kg/s ，

一次风流速为 15m/s ，一次风温度为 370k ，其余参数保持不变，该工况下的温度场如图1 所示。

对图1 进行分析可知：

火焰最高温度高达 3200k ，虽说该火焰最高温度已经超过正常值，但由此可知，氧气发挥了其助燃作用且助燃效果显著，但需要改进；

3.4. 工况二

在该种工况下，煤粉挥发分含量为 45% ，煤粉流量降至 0.8kg/s ，反应活化能升高至 7.85^*106 ，该工况下的温度场如图2 所示。

分析可知：

煤粉在整个炉膛的燃烧情况较佳，沿轴线的法线方向温度变化梯度适中，与实际运行中的较佳工况接近，高温火焰集中在炉膛轴线两侧距离不远处，氧气稳燃效果明显。

综上所述，在这 2 个具有代表性的工况中，显而易见，工况二为加入纯氧后的最佳工况。

4 结论

经过燃烧模拟计算和结果分析，得出以下结论：

在一维直流炉煤粉燃烧中，氧气助燃效果显著，在火电锅炉深度调峰改造过程中，创建适合浓度的富氧燃烧氛围，有助于实现低负荷稳燃；

配氧稳燃时，火焰温度升高，煤粉着火提前，容易在燃烧器里开始燃烧，对锅炉的制造材料承载温度提出了新要求；

参考文献

1. 张宝国 ， 冯仁海 . 纯氧点火技术在 300MW 机组的应用 [J]. 发电与空调 ，2014，35（3）：18-2117.

2. 李可君 ， 李芳芹 ， 任建兴 ， 等 . 富氧燃烧对投运混煤锅炉低负荷稳燃性的影响 [J]. 热能动力工程 ，2023，38（5）：88-96.

3. 杨建国 . 电站锅炉煤粉空气富氧直接点火技术的理论及应用研究 [D]. 浙江大学 ，2011.

4. 闫高程 . 纯氧在电站锅炉点火及稳燃过程中的助燃特性研究[D]. 华北电力大学 （ 北京 ），2017.

5. 郑建祥 ， 李时光 ， 朱秀丽 . 燃烧器高温富氧直接点火劣质煤的数值模拟 [J]. 锅炉技术 ，2016，47（2）：57-62.

作者信息：马晓东，男（1978.02—），汉，山西省太原市，大学本科，研究方向：电厂热能动力工程