鏈條爐內(nèi)氣流場試驗(yàn)研究與模擬

上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院

0 引言

目前我國北方很多地方燃煤工業(yè)鍋爐主要仍然以鏈條鍋爐為主[1]，然而隨著國家環(huán)保要求的提高，原爐型很大程度上已不能滿足環(huán)保要求，所以急需對其進(jìn)行改造。現(xiàn)常見方法是對鏈條鍋爐通過增拱提高燃燒效率以減少排放[2][3]。本文介紹通過模擬和試驗(yàn)研究了爐內(nèi)增拱后，不同負(fù)荷下65 t/h鏈條爐的爐內(nèi)氣流的影響。

1 原理分析

鏈條爐爐內(nèi)增加了前拱，爐膛形成半開式結(jié)構(gòu)，提高爐膛燃燒溫度，增加燃燒強(qiáng)度，使煙氣流形成S形，延長小煤粒子在爐內(nèi)的停留時(shí)間，小煤粒子得到充分燃盡。同時(shí)把原來的前墻二次風(fēng)布置于前后拱形成的喉口處，此處細(xì)煤屑濃度、煙氣溫度都比較高，有利于細(xì)煤屑的迅速著火和燃盡。另外，適當(dāng)調(diào)整前后二次風(fēng)噴射角度，使其在爐拱下部形成回流區(qū)，以強(qiáng)化主燃燒區(qū)的燃燒，同時(shí)延長煙氣爐內(nèi)運(yùn)動的軌跡[4]。

為了判斷爐膛空氣動力工況是否良好，就需要直接進(jìn)行速度場測量和氣流狀況觀察。所謂速度場，就是爐內(nèi)氣流流動的方向和速度值的分布。這在鍋爐運(yùn)行情況下很難全面觀測到，所以通常在冷態(tài)下，進(jìn)行爐內(nèi)空氣動力場的試驗(yàn)測定。爐膛內(nèi)動力場和溫度場相互影響和耦合，爐膛燃燒空氣動力場的監(jiān)測對于爐膛燃燒優(yōu)化調(diào)整和控制有十分重要的意義[5]。爐內(nèi)冷態(tài)空氣動力場試驗(yàn)通常用飄帶與風(fēng)速儀測量相結(jié)合的方法進(jìn)行：用飄帶網(wǎng)來觀察某一截面的全面氣流狀況，用風(fēng)速儀在爐內(nèi)測量爐內(nèi)選定點(diǎn)的速度大小。應(yīng)用質(zhì)輕易飄的飄帶來顯示爐膛內(nèi)氣流流動方向是一種常用的爐膛冷態(tài)空氣動力場測定方法[6]。該方法簡單易行，一般以紗布作飄帶，在需要觀察的測定區(qū)域中拉線并將一系列飄帶按一定間距扎在拉線上，根據(jù)通風(fēng)后各飄帶的飄動方向即可用描繪記錄或攝影等方法得出該區(qū)域的空氣流動方向圖。

2 試驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)是在江蘇某集團(tuán)熱電分廠鏈條爐（圖1）內(nèi)用熱球風(fēng)速儀與飄帶結(jié)合的方法測得了爐內(nèi)一系列點(diǎn)的一次風(fēng)速度分布，并對前后墻二次風(fēng)、拋煤風(fēng)進(jìn)行了測量與研究。由于爐內(nèi)工質(zhì)流動狀況比較復(fù)雜，因此測點(diǎn)的布置是根據(jù)網(wǎng)格法的原理，選擇一些具有代表性的測點(diǎn)來反映整個(gè)爐內(nèi)空氣速度的分布規(guī)律。

圖1 65 t/h鏈條鍋爐

按照70%、100%負(fù)荷工況下各風(fēng)門的開度，分別對一次風(fēng)門、前拱二次風(fēng)、后墻二次風(fēng)的速度場進(jìn)行測量。

3 CFD模擬結(jié)果分析

鍋爐內(nèi)部流場基本為紊流，故計(jì)算應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型采用紊流模型。分別采用標(biāo)準(zhǔn)K-ε雙方程模型計(jì)算，近壁面處采用壁面函數(shù)法進(jìn)行處理[7]。

三維直角坐標(biāo)中標(biāo)準(zhǔn)的K-ε模型的控制方程

在定常條件下，三維直角坐標(biāo)中K-ε模型的控制方程形式如下：

S——源項(xiàng)

計(jì)算采用固定的三維直角坐標(biāo)系統(tǒng)，由于計(jì)算區(qū)域比較簡單，可以直接劃分為立方體網(wǎng)格。利用均分網(wǎng)格（18×20×60）進(jìn)行模擬定常流動的速度場。

在數(shù)值計(jì)算求解器中根據(jù)邊界的不同設(shè)定不同的邊界類型，然后在各個(gè)邊界的屬性（Attributes）對話框中根據(jù)邊界條件設(shè)定不同的流量或各個(gè)方向上的流速以及該邊界上的壓強(qiáng)等參數(shù)。由于是鏈條爐的冷態(tài)模擬，取空氣是20 ℃的情況計(jì)算。20 ℃時(shí)，空氣的物性參數(shù)：流體的密度為1.205 kg/m3；動力粘度為1.506×10-5Pa·s。對該65 t/h鏈條爐 70%、100%兩個(gè)負(fù)荷下爐內(nèi)流場進(jìn)行CFD模擬，并且每個(gè)工況取了爐膛四個(gè)截面，并與實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。

爐內(nèi)氣流速度場數(shù)值模擬與實(shí)測速度對比圖，如圖2所示。

圖2 爐內(nèi)氣流速度分布

圖2顯示了65 t/h鏈條爐，隨著鍋爐從70%負(fù)荷變化到100%負(fù)荷時(shí)，4個(gè)爐膛截面的爐內(nèi)空氣流場，圖2中的數(shù)字為實(shí)爐測試數(shù)據(jù)。實(shí)際測得爐膛中各截面風(fēng)速一般在0.2 m/s到7.0 m/s之間變化，爐膛前拱下中部風(fēng)速最高可達(dá)7.0 m/s，爐膛前拱下靠墻位置風(fēng)速最低達(dá)0.2 m/s。從圖2中明顯看出：實(shí)爐冷態(tài)測試的結(jié)果和數(shù)值模擬的結(jié)果吻合較好，并且變化規(guī)律也趨于一致。隨著鍋爐負(fù)荷從70%提升到100%，對應(yīng)的是爐排上一次風(fēng)速的提高，前拱上方產(chǎn)生了一個(gè)明顯的回流區(qū)；根據(jù)流速線可以看出回流區(qū)的速度明顯小于其周圍的速度。由以上的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)實(shí)測速度場的對比圖和理論實(shí)驗(yàn)值對比圖，可以看出回流區(qū)中心離前墻的距離約為拱在水平面射影長度的1/2的距離處，回流區(qū)域的中心高度隨鍋爐負(fù)荷的增加而降低。

4 結(jié)語

通過鏈條爐爐內(nèi)空氣流場的試驗(yàn)與模擬研究，結(jié)合爐膛燃燒空氣動力場的監(jiān)測，對于爐膛燃燒優(yōu)化調(diào)整和控制有十分重要的意義。鍋爐爐內(nèi)空氣動力工況不僅直接影響著鍋爐的燃燒工況與效率，還影響著爐膛及受熱面的安全性，為解決鍋爐結(jié)焦等問題，并為鍋爐的改造或熱態(tài)燃燒調(diào)整提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

[1]劉振南，姚舜，岑樹海.廣西工業(yè)鍋爐運(yùn)行現(xiàn)狀分析及對策[J].裝備制造技術(shù)，2008，（9）：4-5.

[2]張清林.提高中國燃煤工業(yè)鍋爐運(yùn)行效率及節(jié)能措施研究[J].潔凈煤技術(shù)，2005，11（2）：5-10.

[3]張永照，陳聽寬，黃祥新.工業(yè)鍋爐[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993.

[4]徐通模.鍋爐燃燒設(shè)備[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.

[5]王毓，陳釗.淺談中山市工業(yè)鍋爐節(jié)能技術(shù)的推廣[J].鍋爐制造，2009，（2）：36-39.

[6]孫學(xué)信.燃煤鍋爐燃燒試驗(yàn)技術(shù)與方法[M].北京：中國電力出版社，2002.

[7]范維澄，萬躍鵬.流動及燃燒的模型與計(jì)算[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1992，8.