生物质气再燃喷口摆角改变耦合燃煤锅炉燃烧特性数值模拟_张小桃

膛出口烟气温度偏差最小。再燃喷口摆角向下倾斜一定角度，有利于减小炉膛出口热偏差。
关键词：生物质气再燃；摆动角度；数值模拟；热偏差
中图分类号：TK62
文献标志码：A
文章编号：2096－7705 （2021） 01－0050－07
ZHANG Xiaotao, ZHANG Weidong, ZHANG Chengyu, MU Haoliang, LIU Haoming, WANG Aijun
生物质气再燃锅炉模型，对某电厂 600 MW 燃煤锅炉耦合 2 台 20 t/h 秸秆气化炉再燃系统进行再燃喷口摆动角度分
别为 0毅、依15毅、依25毅等 5 种工况燃烧过程进行数值模拟，分析燃烧区、折焰角及炉膛出口处烟气速度场及温度场分
布特征。结果表明：生物质气再燃工况下炉内燃烧区温度变化趋势大致相同；改变再燃风喷口竖直摆动角度对炉内
17.696
研究与探讨
燃烧器喷口 竖直截面
+25 毅角喷射 +15 毅角喷射 0 毅角喷射 -15 毅角喷射 - 25 毅角喷射
生物质气
再燃风
燃尽风
图 2 再燃喷口摆动角度示意图
二次风 一次风
燃烧过程及炉膛出口污染物排放的影响，本文选择 2 台 20 t/h 秸秆气化炉耦合至 600 MW 燃煤锅炉进 行再燃燃烧改造研究，以神府东胜煤为设计煤种，
窑51窑
re-burning nozzles swing angle, the flue gas temperature deviation at the furnace outlet and the uneven temperature distribution coefficient gradually increase, when the re-burning nozzles swing angle is +25毅 (case 4), the value is the largest, reaching 5.80% . While not affecting the combustion of the main combustion zone in the furnace, when the re-burning nozzles swing angle is -15毅, the flue gas temperature deviation at the furnace outlet is the smallest. The swing angle of the reburning nozzle is inclined downward to a certain angle, which is beneficial to reduce the thermal deviation of the furnace outlet.
（North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China）
In order to study the effect of the vertical swing angle of the re-burning nozzles on the combustion characteristics of a pulverized coal coupled biomass gas re-burning system, Based on Fluent simulation software to build a biomass gas reburning boiler model, a power plant 600 MW coal-fired boiler coupled with two 20 t/h straw gasifier re-burning systems was used to carry out numerical simulation of the combustion process in five cases including the swing angle of the re-burning nozzles is 0毅, 依15毅, and 依25毅, respectively, analyze the distribution characteristics of the velocity field and temperature field of the flue gas at the combustion zone, the folding angle and the furnace outlet. The results show that the temperature change trend of the combustion zone in the furnace is roughly the same under the cases of biomass gas re-burning. Changing the vertical swing angle of the reburning air nozzle will affect the combustion stability in the furnace, when the downward swing angle of the reburning air nozzle is too large (case 1), the reburning air flow will disturb the flue gas flow in the main combustion zone and affect the combustion of pulverized coal in the main combustion zone. With the upward tilt of the
收稿日期：2020-11-04 基金项目：河南省高等学校重点科研项目“基于再燃技术的燃煤锅炉耦合生物质气系统特性研究” （21A480006） 第一作者：张小桃 （1967—），女，教授，博士，主要研究方向为生物质能的开发及利用。E-mail： zxt@
研究与探讨
能源研究与管理 2021 （1）
biomass gas re-burning; swing angle; numerical simulation; thermal deviation
引言
四角切圆燃煤锅炉火焰充满度好、燃烧器布置 灵活、燃料适应性广、负荷变化能力强，在燃煤电 厂得到广泛应用。但由于炉内燃烧气流呈旋转态向 上辐射，烟气在炉膛出口有一定的残余旋转动量， 容易导致炉膛出口烟温偏差，且烟温偏差随着锅炉 容量的增加而逐渐增大[1-3]。对于燃煤锅炉，在减少 炉膛出口烟气温度偏差方面，主要的研究有：王志 刚等[4]以 1 台 700 MW 切圆锅炉为研究对象，通过 模拟与实验对照，研究发现锅炉负荷变化、燃烧器 摆角变化及运行氧量的提高均可减小烟气残余旋转 动量，减少烟温偏差。李晗等[5]研究发现燃尽风风量 配比对炉膛水平烟道处烟温偏差影响大，但燃尽风 摆角变化对水平烟道烟速偏差的影响大。刘基昌等[6] 以 660 MW 塔式锅炉为研究对象，通过 Fluent 软件 研究发现，75%负荷运行下，炉内烟气流场及烟温 偏差相对较小，当左右侧风速配比为 1.2颐1 时，炉内 烟气流场和烟温偏差明显变小。叶骥等[7]利用数值模 拟的方法发现，通过调整燃烧器竖直摆角，在一定 程度上可以改变锅炉火焰高度，达到调整受热面烟 温的目的。田登峰[8]采用燃烧器上摆和附加风上摆角 度偏差设置方法来降低某电厂 700 MW 四角切圆锅 炉烟温偏差及再热蒸汽温度偏差，试验表明，燃烧 器上摆 11毅和附加风上摆偏差 10毅可将再热温度偏差 降低至 4 益以下。随着煤粉耦合生物质燃烧技术的 发展，煤粉耦合生物质改造锅炉逐渐得以应用。 WU 等[9]对 1 000 MW 塔式锅炉热偏差问题进行了研 究，结果表明，通过改变主燃烧器和 SOFA 喷嘴的 角度，可以减小炉膛燃烧区的动量强度，进而降低 热偏差。于治国等[10]分析了不同负荷下燃尽风喷口 角度对炉内燃烧特性及污染物排放问题的影响，研 究表明，在锅炉降氮改造中，应根据实际运行负荷 及时调整燃尽风喷射角度。张小桃、卢毅等 为 [11] 了 分析生物质气与煤粉混燃对锅炉燃烧过程的影响， 基于 Fluent 软件对理 2021 （1）
0.796 m （宽伊高）。为保证炉内燃烧火焰的稳定性， 根据燃料分级原理，在炉膛主燃区与燃尽区之间设 置再燃区，保证一次风、二次风及燃尽风位置不变 的同时，以四角切圆的布置方式分别布置 1 层生物 质气喷口和 1 层再燃风喷口，为保证炉内燃烧气流 的稳定性，2 层再燃喷口的喷射角度与主燃区喷口 保持一致。锅炉结构及燃烧器布置方式如图 1 所示。
煤粉特性参数如表 1 所示，秸秆气特性如表 2 所示。
究结果表明，生物质气掺烧比越大，炉膛中心截面 烟气温度逐渐降低，炉膛中心部分气流流速及旋转 强度逐渐增强。魏子明等[12]以 1 台 670 MW 切圆锅 炉为研究对象，研究生物质气喷入位置对燃烧过程 的影响，结果表明生物质气再燃降低 NO 排放效果 较好，降幅可达 34%。张小桃、段佛元等 研 [13] 究了 不同高度生物质气再燃喷口对锅炉燃烧过程的影响， 研究发现，生物质气再燃会导致炉膛出口烟温升高， 且生物质气喷口越高，炉膛出口烟温增加的越多。 由此可见，煤粉耦合生物质气混燃锅炉改造会加强炉 膛出口烟温的不稳定性，导致出口热偏差幅度增大。
目前，针对四角切圆纯煤燃烧降低其出口热偏 差的研究相对较多，但随着煤粉耦合生物质气技术 的发展，如何降低耦合系统炉膛出口热偏差成为未 来的研究方向之一。张小桃等[14]以某电厂 330 MW 机组耦合松木气燃烧系统为研究对象，研究 SOFA 水平反切角度对生物质气混燃切圆锅炉出口偏差的 影响，研究发现 SOFA 反切角度为 15 毅时，出口左 右侧烟速及烟温偏差比达到最低，当反切角度增大 时，炉膛出口速度分布和温度分布均匀性将会下降。 本文以 600 MW 燃煤锅炉耦合生物质气再燃系统为 研究对象，引入温度偏差和温度分布不均匀系数， 研究生物质气再燃喷口竖直摆角对锅炉燃烧状况以 及炉膛出口烟温偏差的影响，为生物质气的合理利 用和降低切圆锅炉出口热偏差提供理论依据。
燃烧稳定性会造成影响；当再燃风喷口向下摆动角度过大 （工况 1） 时，再燃风气流会扰动主燃区烟气气流，影响
主燃区煤粉的燃烧；随着再燃喷口摆角向上倾斜，炉膛出口烟气温度偏差和温度分布不均匀系数 逐渐增大，再燃
喷口摆角为 +25毅 （工况 4） 时的 值最大，可达 5.80%。在不影响炉内主燃区燃烧的同时，再燃喷口摆角为-15毅时，炉
1 研究概况
1.1 研究对象及改造方案 以某电厂 600 MW 等级自然循环锅炉为研究对
象，该锅炉采用单炉膛四角切圆燃烧。炉膛本体高 63.55 m，其截面尺寸为 18.82 m伊17.70 m （宽伊深）。 以一、二次风间隔布置方式共计布置 13 层燃烧器， 其中一次风喷口 6 层，二次风喷口 7 层，距主燃区 最上层二次风喷口上方 6 m 处布置 2 层燃尽风喷口。 一次风喷口面积为 0.572 m伊0.572 m，二次风喷口面 积为 0.572 m伊0.796 m，燃尽风喷口面积为 0.572 m伊
窑50窑
能源研究与管理 2021 （1）
DOI：10.16056/j.2096-7705.2021.01.010
研究与探讨
生物质气再燃喷口摆角改变耦合燃煤锅炉 燃烧特性数值模拟
张小桃，张卫东，张程俞，慕昊良，刘昊明，王爱军
（华北水利水电大学，郑州 450045）
摘 要：为了研究再燃喷口竖直摆动角度对煤粉耦合生物质气再燃锅炉燃烧特性的影响，基于 Fluent 模拟软件搭建