鏈條爐改造為噴粉燃燒方式的燃燒特性模擬

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。