余熱鍋爐分層燃燒數(shù)值模擬研究

鞠 霞

（中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330038）

在稀貴金屬冶煉中，采用NRTS 爐對(duì)電子廢料、低品位雜銅、工業(yè)廢渣等原料按照設(shè)定的投料量和還原劑一起進(jìn)行冶煉，得到稀貴金屬。 NETS 爐排出的煙氣含有大量的可燃物，這些可燃物主要是未燃盡的有機(jī)物，如果直接進(jìn)入后續(xù)系統(tǒng)，易形成二噁英。 因此必須將這些未燃盡的有機(jī)物充分完全燃燒。

NRTS 爐余熱鍋爐是將冶金爐未完全燃燒的有機(jī)物燃盡以及回收煙氣余熱的裝置。 其充分利用煙氣的高溫余熱后再進(jìn)行煙氣驟冷、布袋收塵等工序，最后煙氣經(jīng)過處理后排入大氣。 鑒于NRTS 爐余熱鍋爐的高安全性、可靠性要求，有機(jī)物在鍋爐里進(jìn)行二次燃燒的過程中，如何通過合理布置氧氣噴嘴及控制進(jìn)入氧氣量來控制燃燒速度，成為二次燃燒的關(guān)鍵問題。本文主要針對(duì)余熱鍋爐內(nèi)的二次燃燒建立余熱鍋爐仿真模型，分析余熱鍋爐內(nèi)的傳熱及傳質(zhì)過程。

1 物理模型

本文對(duì)某一種余熱鍋爐爐型進(jìn)行研究分析，余熱鍋爐物理模型如圖1 所示，三維尺寸為13．5 m×15．5 m×2．5 m[1]。

圖1 物理模型

本文假定有機(jī)可燃物有30%進(jìn)入余熱鍋爐進(jìn)行燃燒。進(jìn)入鍋爐有機(jī)物總量為0．295 t/h。鍋爐入口煙氣量設(shè)為8 697 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，下同），溫度為1 300 ℃，煙氣成分設(shè)定，如表1 所示。

表1 入口煙氣成分 %

在鍋爐下降煙道送入純度為99.6%的氧氣，總流量為445 m3/h，噴嘴直徑為DN20。 二次燃燒噴嘴分4 層布置，每層2 個(gè)，左右方向?qū)ΨQ布置，共設(shè)置8 個(gè)噴嘴。

2 數(shù)值模型

建立連續(xù)性方程、動(dòng)量方程、能量方程；建立輻射模型；采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε 湍流模型及SIMPLE 算法。通過仿真計(jì)算，可以獲得溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、有機(jī)物含量、氧氣含量分布等。

3 邊界條件與數(shù)值計(jì)算

邊界條件的設(shè)定決定于計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確率，通過結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，設(shè)定如下：1）進(jìn)口邊界。氧氣噴口及鍋爐煙氣入口，均設(shè)置為速度進(jìn)口。2）出口邊界。 出口采用壓力出口邊界條件， 設(shè)置為微負(fù)壓。3）壁面邊界。 近壁面用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程處理，直接將近壁面上的變量與湍流中心區(qū)內(nèi)的變量用半經(jīng)驗(yàn)公式聯(lián)系起來，采用無滑移邊界條件；水冷壁、灰斗采用定壁溫邊界條件。

網(wǎng)格劃分優(yōu)先采用易于控制質(zhì)量的貼體六面體網(wǎng)格劃分。在噴口處網(wǎng)格劃分采用在其周圍分塊后，用pave 的方法在噴口處生成非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格，然后采用Cooper 生成整個(gè)分塊區(qū)域的體積網(wǎng)格。 整體網(wǎng)格質(zhì)量控制較好[2]。

4 結(jié)果分析

4.1 模擬結(jié)果及結(jié)果分析

圖2 為鍋爐入口處的溫度分布云圖。

圖2 X=200 mm 截面處溫度分布云圖（單位：℃）

從圖2 可以看出該截面處有機(jī)物利用自帶氧氣進(jìn)行了燃燒，截面中心溫度低于邊界溫度，是由于截面中心速度高于邊界速度所致。

圖3 為氧氣噴嘴截面處溫度分布云圖。

圖3 X=1 904 mm 截面處溫度分布云圖（單位：℃）

由圖3 可以看出，氧氣噴口分4 層，自上往下，前3 層煙氣溫度均勻下降，到第4 層，煙氣溫度下降很快， 說明前3 層由于二次燃燒放熱， 維持鍋爐吸熱，到第4 層，燃燒放慢，放熱量減小，再噴入常溫氧氣，使煙氣溫度迅速下降。由于在第1 層噴嘴中心位置，煙氣溫度到達(dá)1 500 ℃以上，而煙氣溫度過高，會(huì)導(dǎo)致管壁溫度過高，超過金屬耐溫，造成爆管。 所以可以判斷第1 層噴嘴設(shè)置偏高， 第4 層噴嘴設(shè)置偏低。

圖4 為Y=0 mm 截面處氧氣占煙氣總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)， 圖5 為Y=0 mm 截面處有機(jī)物占煙氣總量的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

圖4 Y=0 mm 截面處氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

圖5 Y=0 mm 截面處有機(jī)物含量

從圖4、 圖5 可以看出大部分燃燒發(fā)生在入口（自帶氧燃燒）及第1、第2 個(gè)噴嘴處，在第3 個(gè)噴嘴處，燃燒基本結(jié)束。

圖6 為Y=0 mm 截面處速度矢量圖，反映煙氣沿鍋爐中心線方向流動(dòng)情況。

圖6 Y=0 mm 截面處速度矢量圖（單位：m/s）

由圖6 可以看出，在煙氣主通道上，流速分布比較均勻，在入口的下方，形成局部渦旋。

5 結(jié)論

本文通過運(yùn)用數(shù)值模擬的方法對(duì)NRTS 爐余熱鍋爐建立數(shù)值模型，掌握了NRTS 爐含有有機(jī)物的煙氣進(jìn)入余熱鍋爐之后的燃燒規(guī)律。 通過仿真發(fā)現(xiàn)氧氣噴嘴位置十分重要，噴口位置布置過高、過低都不合適。 噴嘴布置過高，容易引起局部高溫；噴嘴布置過低，可燃物已經(jīng)燃盡，此時(shí)通入氧氣對(duì)燃燒起不到任何輔助作用。 通過仿真，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，對(duì)噴口的位置。 進(jìn)行了調(diào)整，降低第1 個(gè)噴口的高度，抬高第4 個(gè)噴口的高度，優(yōu)化了噴嘴布置。