・节能改造・ 燃用非设计煤种链条炉排锅炉过热蒸汽超温改造 文章编号:1004—8774(2010)02—25—05 燃用非设计煤种链条炉排锅炉 过热蒸汽超温改造 周晓彬 (北京锅炉厂研究所,北京100044) 摘要:DHL 35—450/3.82一AⅡ型链条炉排锅炉因燃用非设计煤种,导致炉内燃烧恶化, 炉膛出口出现大量炽热粒子冲刷过热器,使得过热蒸汽超温,锅炉出力下降。针对上述问题,提 出了评价粒子流冲刷过热器所引起的传热影响的计算方法和炉拱改造方案:并采用CFD技术, 作者简介:周晓彬 对炉拱改造前后的炉内流场进行了模拟与对比。研究结果表明,通过改造炉拱,改善了炉内燃 (1982一),助理工程 烧工况,炉内火焰充满度高,形成了“d”火焰,消除粒子流,使锅炉性能得到优化。 师,工程热物理专业 关键词:链条炉排锅炉;过热蒸汽超温;炉拱改造;传热影响;CFD 硕士,主要从事工业 中图分类号:TK229.6 文献标识码:B 锅炉设计研发工作。 The Improvement for the Overtemperature of Superheated Steam in a Chain——grate Boiler Which Use Non——design Coal as Fuel ZH0U Xiao—bin (Institute of Beijing Boiler Works,Beijing 100044,China) Abstract:Due to overtemperature of superheated steam,there is a marked drop in the output of a chain—grate boiler of DHL 35—145O/3.82一A I1 which use non—design coal as fue1.In view of the above problems.put forward a calculation method about effect of heat transfer caused by particle stream and a plan of archg improvement.Flow field distribution has been simulated by using CFD technology in the chain—grate boiler.Obtain two simulated results,one is for the original structure,and the other is for boiler with improved arch.The eomparis on of the two simulated results show that the con— bustibility has been improved by improVement of arch.The combustion of coal is in a good condition.The route of lfue gas is “ ”shape.The phenomenon of particle stream has been eliminated.The performance of chain—grate boiler is optimized. Key words:chain—grate boiler;overtemperature of superheated steam;improvement of arch;effect of heat transfer;CFD 0前言 炉排锅炉,结构如图1所示。设计出力35 t/h,过热 黑龙江省呼玛县某热电厂2 、3 锅炉采用北京 蒸汽温度为450℃,压力为3.82 MPa,设计燃用二 锅炉厂设计制造的DHL 35—45O/3.82一AⅡ型链条 类烟煤,煤质分析可见表1。 表1设计煤种的燃料特性 实际运行中,该厂燃用当地褐煤,此煤具有发热 值比较低、水分较多、难于燃尽等特点。其煤质分析 见表2。 收稿日期:2009—12-07 26 工业锅炉 2010年第2期(总第120期) 况)。这说明,由于锅炉煤质变化,原来设计的前后 炉拱组合并不能有效的使燃煤在炉排上获得充分燃 烧。炉内燃烧恶化,炉排上出现了许多未燃尽的碳 颗粒、细灰粒等炽热粒子。这些小粒子由于比重小, 随一次风从炉排上吹起,进入炉膛,呈现悬浮燃烧状 态,但由于在炉内行程过短,停留时问不足,致使其 尚未燃烧完全即由炉膛出口飞出,快速穿过高、低温 过热器。这些炽热的粒子具有很强的辐射力 J,造 成烟气黑度增加,从而使过热器烟气侧辐射放热系 数增加,换热量随之增大,过热蒸汽温度偏高。高、 低过热器之问及省煤器人口出现的大量粒子;B、D 为过热蒸汽温度正常时,上述位置烟气流动情况)。 这说明,由于锅炉煤质变化,原来设计的前后炉拱组 图1 DHL 35—450/3.82一AⅡ型链条炉排锅炉结构简图 该厂2 、3 锅炉自2008年10月投运以来,在减 合并不能有效的使燃煤在炉排上获得充分燃烧。炉 内燃烧恶化,炉排上出现了许多未燃尽的碳颗粒、细 灰粒等炽热粒子。这些小粒子由于比重小,随一次 风从炉排上吹起,进入炉膛,呈现悬浮燃烧状态,但 由于在炉内行程过短,停留时间不足,致使其尚未燃 烧完全即由炉膛出口飞出,快速穿过高、低温过热 器。这些炽热的粒子具有很强的辐射力 ,造成烟 气黑度增加,从而使过热器烟气侧辐射放热系数增 加,换热量随之增大,过热蒸汽温度偏高。 温器全开的情况下,仍然存在严重的过热蒸汽超温 现象,以至于两台锅炉均不能正常满负荷运行,严重 影响了该厂日常生产,经济效益出现下滑。 1过热蒸汽超温原因分析 由表2我们可以看出,由于锅炉实际所用燃煤 热值很低,导致锅炉燃煤消耗量大大增加,炉内烟气 量增多,从而使过热器对流换热量增加,这是影响锅 炉过热蒸汽温度的一个不利因素。此外其所用燃煤 含水量也很高,有资料表明¨ ,水分每增加1%,过 热蒸汽就会升高1.5 oC。表3给出了该型锅炉分别 燃用设计煤种和非设计煤种时燃料消耗量、烟气量 等参量对比情况。 值得一提的是,笔者在现场发现,在锅炉的炉膛 出口、高温过热器与低温过热器之问以及省煤器入 El等处,均有烟气夹杂着大量炽热的粒子快速穿过 (详细情况可见图2,图中A、C为过热蒸汽超温时, B、D为过热蒸汽温度正常时,上述位置烟气流动情 表3两煤种对比结果 图2炉内不同位置粒子流冲刷对流受热面情况 据此,笔者提出一种新的计算方法,在热力计算 模型中引人烟气中炽热粒子的辐射力,借以考察炽 热的粒子对过热蒸汽温度的影响。 2影响评价计算方法 在DIlL 35一_450/3.82一AⅡ型链条炉排锅炉 ・节能改造・ 燃用非设计煤种链条炉排锅炉过热蒸汽超温改造 卜——中,低温过热器与高温过热器均属于对流受热面。 烟气的平均绝对温度 管壁灰污层的绝对温度 a:1一e p (5) 对于对流受热面的传热计算,前苏联57标准 中指 出,对流受热面的烟气侧传热系数由对流放热系数 Ot 和辐射放热系数 组成。其中对流放热系数OL 按式(1)、(2)、(3)计算。 d:o.2C C 舻 Pr 孙,kW/(m ・℃)(1) 月P:一wd f2) 0——烟气黑度,烟气黑度可以用式(5)计算 式中p——烟气的绝对压力 s——烟气在受热面中有效辐射层厚度 ——辐射减弱系数 文献[1]和文献[2]中均规定,对于层燃炉,k 仅考虑烟气中三原子气体辐射减弱系数,即k应按 : (3) 式(6)计算。 k= H,0+Ro, 式中 C 、C ——与过热器结构相关的修正系数 (6) d——定性尺寸,取管子外径 从上述公式可以看出,按照计算标准¨ 进行 A——烟气的导热系数 此种情况的校核计算时,数学模型中均未能体现烟 烟气的动力粘性系数 气中炽热粒子对受热面的换热影响。因此,校核计 ————烟气的运动黏度 算的结果与实际情况不符。笔者认为,针对层燃炉 p——烟气的密度 中出现大量粒子冲刷受热面的情况,式(6)应该引 C ——烟气的定压比热 入碳颗粒与灰粒子的辐射减弱系数,即可以按式 需要说明的是, 、 A、Pr等烟气物理特性参 (7)计算。 k=kqrH数,仅是水蒸气容积份额r 加的函数 。因此大量 ,0+Ro,+ fh m+kj 1 2 (7) 粒子的出现对过热器的换热影响仅体现在辐射放热 式中 ——烟气中三原子气体辐射减弱系数 系数中。辐射放热系数Ol 可按式(4)计算。 TH20+ItO2——烟气中三原子气体容积份额 ——灰粒子辐射减弱系数 ——飞灰的无因次浓度 5.7 一 。 , (m: kj——碳颗粒辐射减弱系数 1一( ) , ——碳颗粒浓度影响系数 (4) 利用式(4)、(5)、(6)、(7)来计算炽热粒子对 式中Ot ——辐射放热系数 链条炉排锅炉高、低温过热器传热影响,计算结果见 ——管壁灰污黑度,对一般锅炉受热面取 表4。 值为0.82 表4计算结果比较 从表4中,我们可以看出,按上文所述模型进行 热器管壁温度过高,过热器寿命受损;另一方面,由 计算,高温过热器吸热量比额定值增加了4.63%, 于生产工艺对过热蒸汽温度的严格要求,必须将过 低温过热器吸热量比额定值增加了6.68%。设计 热蒸汽温度控制在450℃左右。此时,锅炉必须降 工况下,面式减温器最大减温水量为3.78 t/h,而经 负荷运行,其出力受到了限制。 计算,此时需要大约4.39 t/h的减温水才能使高温 3解决方案 过热器出口蒸汽温度恢复到设计值。 由此可见,一方面,过热蒸汽长期超温,导致过 对于链条炉排锅炉过热蒸汽超温的处理,目前大 工业锅炉 2010年第2期(总第120期) 多采用割去过热器部分受热面或在过热器管子外部 焊接隔热罩的办法 。事实上,这类处理方法并没有 从根本上改善锅炉内部燃烧状况,并且由于过热器受 热面的减少,引起锅炉内部热量分配不当,最终导致 排烟温度升高,排烟热损失增加,锅炉效率下降。为 了避免上述方法的不足,从根本上缓解锅炉燃烧恶化 的情况,笔者应用“经验设计法”l6胡 和CFD技术,对 气流场并不理想,前后气流各自分层流动较明显,混 合性差,大量烟气紧贴后墙,快速流出炉膛,导致大 量碳颗粒在炉内停留时问缩短,不足以使其获得充 分燃烧,因此造成粒子流冲刷过热器现象。 图5给出了改造前炉内压力分布情况。 从图5可以看出,由于拱内烟气塞闷,在前、后 拱等区域均出现不同程度的正压,这容易造成炉内 原有炉拱进行改造,从而消除粒子流冲刷过热器的现 象,根本上解决过热蒸汽超温的问题。 火焰冲刷炉墙,引起炉墙挂焦。此外,由于炉门不 严,易造成烟气外泄,热损失增加。这与笔者现场观 3.1模拟方法 根据文献[9]、文献[1O]中的研究,本文以火床 上表面作为炉内模拟计算的入口边界条件,以Rel— izable型k一占双方程模型模拟炉内炯气湍流流动 特性,以拉格朗日法模拟炉内颗粒与炯气耦合运动 情况。通过数值计算,考察炉拱对炉内流场的影响。 具体设置本文不再赘述。 3.2改造前炉内流场分析 3.2.1改造前计算对象 根据该炉实际结构进行几何建模,计算对象如 图3所示。为满足计算精度需要,本文采用非结构 " 化四边形网格对计算对象进行剖分,网格数量大约 "; 为5 177个。 图3改造前计算对象(左:结构简图;右:网格示意图) 3.2.2改造前炉内流动特性 图4给出了改造前炉内烟气速度矢量分布情况。 图4改造前炉内速度矢量分布 从图4可以看出,虽然由于前后拱二次风的扰 动,在喉口及炉膛中部出现了较大的涡旋,但炉内烟 察到的现象一致,印证了炉内流场不合理。 ‰ 图5改造前炉内压力分布 20l— ■■●曩隧隧霞曩暖 ●120;74e 203e 2j一02e 2 0 1Oe nc 9;304c O7c O59,8c 6 308e一 3O47P 7i 376Oe 3O95c 3O25e 3O4c 3{ O373;,7c 麟089j c 04c 30e 4O6e 0Oe 2 图6给出了改造前烟气中颗粒在炉内的运动轨迹。 图6改造前炉内颗粒运动轨迹 由图6可以看出,颗粒在炉内停留时间不超过 0.014 9 s,且烟气在炉内呈“L”形流动路线。由于 后拱的拱身较高、较短、上倾、圆弧出口,这样从后拱 出来的高温烟气就进不到前拱内,而是在圆弧出口 段的导流作用下,几乎紧贴着后拱面呈薄层远离前 拱区过快地逸出。 3.3改造后炉内流场分析 3.3.1炉拱的改造 文献[6]中提出链条炉排锅炉炉拱的基本经验 尺寸,本文据此对该炉进行如下改造。 (1)后拱拱尖削平延后770 mm,借以增加炉膛 断面,降低烟气流速; ・节能改造・ 燃用非设计煤种链条炉排锅炉过热蒸汽超温改造 29 (2)后拱倾角由15。变为12。,以便强化后拱引 射能力; ・(4)后拱二次风口相应拔高1 317 Mill,与前拱 二次风配合,强化炉内烟气扰动。 改造前后,炉拱基本尺寸与设计推荐值 (3)加装导流拱,长600 nlm,下倾5。,使整个后 比 拱呈“人”字型,有利于后拱将烟气导人前拱; 较见表5。 表5炉拱基本尺寸比较 3.3.2改造后计算对象 现负压 免了火焰冲墙,同时也大大减少了 图7给出了锅炉改造后计算对象。计算中,采 炉内烟 用非结构化四边形网格,数量大约14 330个。 不外■隰 H]孽豢慧 =]麟豳 囱豳—● 网7改造后计算对象(左:结构简图;右:网格示意图) 3.3.3改造后炉内流动特性 图9改造后炉内压力分布 图8~图10给出了改造后炉内流动情况。 图l0给出了改造后炉内烟气中颗粒流动轨迹。 由图10可以看出,改造后,在导流拱的配合下,烟气 高速向前喷射,使高温烟气进人前拱而不易过早的 流出,继而在炉排头部产生强烈的湍流和冲刷,前拱 出现高温回流,产生了气流的回旋,形成有效的“ ” 火焰。粒子在炉内停留时问延长,燃尽率增加,减少 了飞灰量,热效率得到提高。在烟气流向前拱时,其 所夹带的炽热焦碳粒子和灰粒子会在烟气转弯处分 /: 离下来,大大减少炉膛出口处烟气所携带的粒子,改 善了过热器工作条件,过热蒸汽超温得到缓解。 ” ≯、.33e-02 黪 6.67D04 0 OOe+O0:, 图10改造后炉内颗粒运动轨迹 (下转第33页) ・节能改造・. 大连市工业锅炉节能减排工作现状及建议 等评价考核体系、政府动态监管监测体系、第三方技 上,年可减少SO 排放0.26万t,NO 排放0.23万 术服务培训体系。 t,CO,排放78.7万t。按每吨700元计算,可节约 4 总结 燃料成本2亿元以上。 到2009年底,大连市通过经济性检验并督促整 工业锅炉的节能减排工作是 项系统工程,不 改,节能效果十分明显。根据对试点锅炉房内锅炉 可能一蹴而就,需要解决当前的主要矛盾,更要建立 改造前后的能效测试检测,结果显示锅炉改造前后 长效机制。尤其是工业锅炉在线监测系统的建立, 将为政府提供真实有效的基础在线运行数据,保证 其热效率提高5%左右,据测算工业节能减排项目 政府对工业锅炉节能监管职能的实施落到实处,同 将节省标煤15万t以上。减少SO 排放0.13万t, 时也可为各使用单位提高工业锅炉热效率、降低排 NO 排放0.12万t,CO2排放39.3万t。按每吨700 放污染、进行经济性操作、保持和稳定节能效果等方 元计算,可节约燃料成本近亿元。同时可以看到大 面提供技术支持。盟 连市工业锅炉的节能潜力巨大,并且,大连市工业锅 参考文献 炉节能减排工作依旧有着一定的提升空间。 [1]李海军,蒲建国,李素芬,王旭东.大连市工业锅炉现状 预计到2010年底,大连锅检所将完成全市(含 调查与分析[J].化学工程与装备,2009(10). 县市区)5 000台在用工业锅炉及新安装锅炉投运 [2]王善武.我国工业锅炉节能潜力分析与建议[J].工业锅 时的节能减排经济性检验,完成全市8 000名司炉 炉,2005(1). [3]车得福,刘银河.供热锅炉及其系统节能[M].北京:机 人员的节能减排专项培训。届时全市工业锅炉平均 械工、 I出版社,2008. 运行热效率进一步提高,年节约标准煤30万t以 (上接第29页) 参考文献 4 结论 [1]容銮恩,袁镇福,刘志敏,等.电站锅炉原理[M].北京: (1)链条炉排锅炉对煤种也有一定的适应性。 中国电力出版社,1997. [2]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 由于燃用非设计煤种,导致炉内燃烧恶化,出现了大 1998. 量粒子冲刷过热器的现象。此时,过热器换热量过 [3]上海工业锅炉研究所译.锅炉机组热力计算标准方法 多,造成过热蒸汽超温。其中,炽热的粒子流冲刷过 (1957年版)[M].上海:上海工业锅炉研究所,2001. 热器而引起的换热影响,按本文提出的方法进行计 [4]北京锅炉厂译.锅炉机组热力计算标准方法(1973年版) 算是可行的。 [M].北京:机械工业出版社,1976. (2)通过改造炉拱来改善炉内燃烧状况,工作 [5]伍圣才.解决过热器超温的简易办法[J].工业锅炉, 量小,效果良好。改造后,后拱低,出口段反倾,整个 2007(1). 后拱呈“人”字形,锐边出口,烟气流向前拱,形成明 [6]丁仁荣.链条炉炉拱设计的建议[J].锅炉设计,1983. 显涡旋。不仅提高了炉内烟气行程,增加了炉内停 [7]张永照,陈听宽,黄祥新,等.工业锅炉[M].北京:机械 留时间,同时,强化了炉内燃烧,锅炉燃烧效率提高。 工业出版社,1995. (3)从根本上消除了大量的炽热粒子冲刷过热 [8]宋良贵.锅炉计算手册[M].辽宁:辽宁科学技术出版 社,1995. 器的现象,过热蒸汽超温得到了解决,锅炉出力达到 [9]胥波,张彦文,蔡宁生.链条炉SNCR脱除NO 数值模拟 设计值。 研究[J].热力发电,2009(3). (4)本文所述方法虽然是针对DHL 35---450/ [10]李飞翔,田红波,赵钦新.10 t/h抛煤机链条炉的节能改 3.82一AⅡ型链条炉排锅炉而提出,但对于其它类 造数值模拟分析[J].节能,2009(6). 型的层燃炉仍然具有参考意义。强