韓莉 武利利 鐘曉暉
摘 要:以16t/h鏈條式鍋爐為研究對象,改造為噴粉燃燒方式,并對爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,利用FLUENT軟件,對改造后鍋爐的燃燒特性及爐膛內(nèi)部溫度場和流場進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,采用噴粉燃燒方式可以大幅度提高鍋爐燃燒效率,鏈條爐升級為噴粉燃燒方式是可行的,研究結(jié)果可為鏈條爐升級改造和運(yùn)行操控提供一定的參考。
關(guān)鍵詞:煤粉爐;旋流燃燒;氣固兩相流;數(shù)值模擬
引言
煤炭是我國的主體能源,在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右,在未來相當(dāng)長時期內(nèi),煤炭作為主體能源的地位不會改變。燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量多,單機(jī)容量仍然較小,容量≤35t/h的鍋爐數(shù)量約占工業(yè)鍋爐總臺數(shù)的96%,其中容量≤10t/h的占80%,大多數(shù)鍋爐為鏈條爐,總體工藝水平較差[1]。文章利用FLUENT軟件對改造后的鏈條爐燃用煤粉時的運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)值模擬,以期為鍋爐的優(yōu)化升級和運(yùn)行操控提供有益的參考。
1 模擬工況
1.1 運(yùn)行煤種
為了考察燃燒室內(nèi)的溫度分布和多相流動特性,選取了典型煙煤作為熱態(tài)實(shí)驗(yàn)煤種,其煤質(zhì)工業(yè)分析、元素分析和低位發(fā)熱量分析如表 1 所示。
1.2 邊界條件
根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù),模擬工況見表2。
2 模型
燃燒過程包括煤粉燃燒、湍流流動、傳熱傳質(zhì)等多個過程,是一個非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程,模型選擇見表3?;臼睾惴匠贪ㄙ|(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程、化學(xué)組分方程、連續(xù)方程。首先進(jìn)行單相流場的計算,等空氣單相計算穩(wěn)定之后,再加入煤粉顆粒Dpm模型進(jìn)行煤粉的燃燒計算。
3 網(wǎng)格劃分
三維網(wǎng)格劃分,因?yàn)闋t膛上部為圓柱形,為提高精確度,整體采用六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)量為4127915個,如圖 1 所示。
使用三維建模軟件完成了對燃燒器的幾何建模。建立的模型包括煤粉濃縮器、內(nèi)二次風(fēng)旋流器、煤粉分配器、切向蝸殼、各個風(fēng)管等。如圖2所示。
4模擬結(jié)果與分析
4.1 溫度場
圖3可以看出:煤粉在旋流燃燒器中高速噴出,進(jìn)入爐膛后,受到爐內(nèi)的高溫?zé)煔鈱α鲹Q熱以及爐膛壁面的輻射換熱而被點(diǎn)燃,發(fā)生劇烈的燃燒傳熱反應(yīng)。爐膛整體溫度在800-900℃之間,燃燒發(fā)生在前半個爐膛區(qū)域,在煤粉噴口一段距離后出現(xiàn)局部高溫區(qū),是因?yàn)榛鹧嬖趦?nèi)回流區(qū)的邊緣開始向外回流區(qū)擴(kuò)散,顆粒燃盡速度快,爐膛內(nèi)部溫度均勻,降低爐內(nèi)溫度水平,該溫度下不易在爐膛壁面結(jié)渣。由于旋流燃燒器中存在軸向二次風(fēng),增強(qiáng)了外回流區(qū)顆粒與空氣的混合作用,使煤粉燃盡率提高,同時降低了煤耗。
由于爐型的特殊情況,在火焰發(fā)展過程中,下部空間不能得到延伸,火焰沿爐底向爐膛深處延伸,并在慣性力作用下在爐膛尾部形成中溫區(qū)域。爐膛底部和尾部可以布置受熱面來吸收高溫對流熱。
4.2 速度場
帶有二次風(fēng)的旋流燃燒,雖然火焰處軸向速度不高,但切向動量與軸向動量的比值較大,燃燒器的旋流卷吸能力增強(qiáng),尤其是旋轉(zhuǎn)射流的外邊界對周圍高溫?zé)煔獾木砦芰υ鰪?qiáng),從圖4速度場的模擬結(jié)果可以看出,主要高速區(qū)發(fā)生在氣流中心,在內(nèi)回流及外回流作用下,主要速度區(qū)并未向爐膛深處延伸,而呈現(xiàn)扇形收斂,爐膛深處為低速區(qū)。
由于爐膛的特殊結(jié)構(gòu),在外回流區(qū)下部受爐底的阻力作用,速度場向爐膛深處延伸了一段距離,與圖3中火焰的形狀走向形成對應(yīng)。
4.3 顆粒軌跡
對煤粉粒子的運(yùn)動軌跡進(jìn)行模擬研究,模擬結(jié)果如圖5所示。從模擬結(jié)果看出,由于爐型的原因顆粒容易在爐膛內(nèi)部循環(huán),循環(huán)位置分為兩部分,一部分是燃燒器出口,一部分是主爐膛。停留時間大部分在30-50s之間,部分顆粒在60min左右。少量顆粒隨煙氣進(jìn)入煙道排出,大部分沉降在爐膛內(nèi)部低速區(qū)。顆粒軌跡密集部位有利于對流換熱,可以作為對流受熱面主要布置區(qū)。
5 結(jié)束語
(1)鏈條爐改造后,由于爐膛深度較長,不容易滿足空氣與顆粒的良好混合,帶有二次風(fēng)的旋流燃燒器能較好地滿足顆粒的燃盡效果。(2)設(shè)計工況下的模擬結(jié)果得到了均勻的溫度場分布,明晰了高速區(qū)、低速區(qū)及顆粒軌跡,為進(jìn)一步受熱面改造提供了參考依據(jù)。
參考文獻(xiàn)
[1]余潔.中國燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀[J].節(jié)能減排,2012,3(18):89-91.
作者簡介:韓莉,華北理工大學(xué)在讀碩士研究生。
作者簡介:鐘曉暉(1977-),男,漢族,河北邢臺人,博士,教授/碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榭稍偕茉蠢?、制冷空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能、潔凈煤技術(shù)等。