基于多場協(xié)同理論的爐膛燃燒傳熱分析

郭開放，曾卓雄，徐曉東，程 恒，公 雪

（上海電力大學 能源與機械工程學院，上海 200090）

隨著我國化石能源利用的不斷增加，快速上升的氮氧化物排放量對環(huán)境造成了嚴重的破壞?？刂坪蜏p少煤燃燒產(chǎn)生的NO，主要是控制燃料型NO的生成。由于煙氣脫硝裝置投資和運行費用都十分昂貴，國際上的主流研究方向之一是采用低NO燃燒技術。王鵬濤等分析了三次風比對NO排放的影響規(guī)律。王康等研究了不同煤粉細度及煤粉體積濃度對NO生成的影響，結果表明煤粉細度的減小明顯降低了NO的體積分數(shù)。趙星海等結合空氣分級及富氧燃燒技術，對鍋爐爐內溫度場以及 NO排放特性進行了數(shù)值模擬。劉建全等對不同結構的燃燒器NO生成特性進行了對比，分析了不同運行因素對NO排放特性的影響。張秀霞通過實驗研究了鍋爐分級燃燒中將一部分熱風作為火下風（below fire air, BFA）與空氣分級及燃料分級相結合的的燃燒技術，獲得了使NO排放量最低的最佳配風量。Ribeirete等評估了空氣分級對鍋爐整體性能以及污染物排放的影響，通過實驗得到了最佳過量空氣系數(shù)。Houshfar等通過實驗研究了不同燃料、不同分級燃燒的規(guī)律，獲得了最低NO排放量時的工況。王文潔等以75 t·h循環(huán)流化床鍋爐為研究對象，采用數(shù)值模擬方法對其物料流動與燃燒時NO排放特性進行了研究。

爐膛內煤粉燃燒是極為復雜的過程，涉及諸如煤粉燃燒流動、傳熱傳質等許多物理化學過程。場協(xié)同理論從流場、壓力場和溫度場相互配合的角度重新審視傳熱的物理機制，能夠統(tǒng)一認識現(xiàn)有傳熱現(xiàn)象的物理本質，取得了較好的應用效果，但其在鍋爐燃燒中的應用極少，因此有必要結合場協(xié)同理論分析爐膛整體流動及NO排放。

1 計算對象

某330 MW的四角切圓鍋爐采用濃淡分離直流型燃燒器和同心反切燃燒技術組織燃燒，一次風在爐膛中心形成一個順時針小切圓，二次風在外圍形成一個逆時針大切圓。一次風噴口A、B內濃外淡，C、D、E下濃上淡；與一次風相間布置的二次風噴口共有7個。在主燃燒區(qū)上部有1層緊湊燃盡風（OFA）和4層分離燃盡風（SOFA）。基準工況下噴口無擺角。燃燒器橫截面及噴口布置如圖1所示。鍋爐燃用煤的煤質特性如表1所示，表中：為低位發(fā)熱量；、、、分別為水分、揮發(fā)分、灰分、固定碳質量分數(shù)；、、、、分別為碳、氫、氧、氮、硫元素質量分數(shù)。

圖 1 燃燒器橫截面及噴口布置Fig. 1 Cross section of burner and the nozzle layout

表 1 煤質特性Tab. 1 Coal property

2 計算模型及條件

采用混合分數(shù)/概率密度函數(shù)模擬氣相湍流燃燒，湍流模型為RNG-模型，采用P1輻射模型計算輻射傳熱，P1輻射模型中發(fā)射率（黑度）為0.6，采用雙平行反應模型模擬煤粉揮發(fā)分的析出，采用動力擴散控制燃燒模型模擬焦炭燃燒，采用隨機軌道方法跟蹤煤粉顆粒。壓力-速度耦合的求解方法為SIMPLE方法，對流項為二階中心差分，擴散項為二階迎風差分。

基于多場協(xié)同理論，各協(xié)同角表達式分別為

一次風從 A、B、C、D層燃燒器噴入，E層燃燒器停用。二次風噴口、緊湊燃盡風噴口、分離燃盡風噴口全開。采用均等配風方式，總風量為 353.7 m·s，總煤量為 36.8 kg·s，其中燃燒器噴口的煤粉濃淡比為7:3。一次風率為21%，二次風率為49%，燃盡風率為30%。按照電廠實驗數(shù)據(jù)給定鍋爐邊界條件，一次風進口溫度為343 K，二次風和燃盡風進口溫度為614 K，冷灰斗底部壁面平均溫度為472 K，爐膛壁面平均溫度為654 K，過熱器區(qū)域煙道壁面平均溫度為792 K，再熱器區(qū)域煙道壁面平均溫度為696 K，省煤器區(qū)域煙道壁面平均溫度為549 K。爐膛整體為規(guī)則形狀，采用結構化網(wǎng)格處理。為減小計算中的偽擴散，將爐膛主燃區(qū)橫截面劃分為輻射狀，對燃燒器噴口附近區(qū)域進行加密處理，并進行了網(wǎng)格無關性驗證，網(wǎng)格數(shù)目約為190萬。

3 結果分析

將爐內同一位置處的煙氣含氧量、煙氣溫度、NO質量濃度的模擬結果與文獻[1]中的實驗結果進行了比較，結果如表2所示，由表中可見，實驗值和模擬值的相對誤差均小于3.5%。該模擬結果可以較好地反映爐內的溫度，表明本文采用的模型和方法可行。

圖2為爐膛中心截面協(xié)同角分布。圖2(a)為爐膛中心截面協(xié)同角分布。在爐膛燃燒區(qū)壁面附近及中心部分區(qū)域，協(xié)同角較小，表明速度與速度梯度的協(xié)同性較好，而介于這兩部分之間的大塊區(qū)域，協(xié)同角較大。圖2(b)為爐膛中心截面協(xié)同角分布，其規(guī)律類似于圖2(a)中協(xié)同角的分布規(guī)律，協(xié)同角大的區(qū)域占比相對較大，協(xié)同角越小，速度與溫度場協(xié)同性越好，流動換熱能力增強。

表 2 模擬結果和實驗結果的比較Tab. 2 Comparison of simulation results and experimental ones

圖 2 爐膛中心截面協(xié)同角分布Fig. 2 Synergy angle distribution in the central section of furnace

圖2(c)為爐膛中心截面協(xié)同角分布。在整個燃燒區(qū)域，尤其是噴口附近，協(xié)同角較大，且分布比較均勻。協(xié)同角越大，表明強化傳熱的綜合性能越高。圖2(d)為爐膛中心截面協(xié)同角分布，類似于分布，協(xié)同角分布也比較均勻，大角度主要集中在壁面附近。越大，表明壓力梯度與速度梯度的協(xié)同性越好，流體的流動阻力越小。圖2(e)為爐膛中心截面協(xié)同角分布，在爐膛中心大部分區(qū)域以及爐膛頂部及折焰角處，流線與壓力梯度接近垂直，協(xié)同角較大，表明傳熱功耗大。但是在噴口附近，協(xié)同角較小。

圖3為部分截面煙氣溫度分布。射流所在的截面溫度分布能直觀反映射流軌跡和火焰形狀。通過分析一次風截面溫度可以看出，距離燃燒器噴口較近的射流根部溫度較低，這對燃燒器安全運行是有利的。爐內特別是燃燒器所在區(qū)域存在強烈的湍流，形成了高溫切圓，且燃燒器所在區(qū)域為高溫區(qū)，最高溫度接近1 550 K。

表3為A/B層與軸不同豎直擺角工況，表4為DD/DE層不同擺角工況，表5為 EE/OFA層不同擺角工況。表3～5中軸正方向為從爐膛底部到頂部方向。分別改變A/B層、DD/DE層、EE/OFA層噴口擺角，結果發(fā)現(xiàn)，在改變的角度范圍內，協(xié)同角、、、及整體變化不大，但是A/B層的值變化范圍稍大些，結合圖2（a)～(e)的情況來看，局部區(qū)域內協(xié)同角較優(yōu)。

表 3 A/B 層與 Z 軸不同豎直擺角工況Tab. 3 Synergy angles under different vertical swing angles of A/B layer

表 4 DD/DE 層不同擺角工況Tab. 4 Synergy angles under different vertical swing angle conditions of DD/DE layer

表 5 EE/OFA 層不同擺角工況Tab. 5 Synergy angles under different vertical swing angle conditions of EE/OFA layer

圖4為不同工況下沿鍋爐高度方向NO排放質量濃度分布。增大DD、DE層入射方向沿順時針方向的偏轉角度時，爐膛底部的NO質量濃度先增加后減少。沿鍋爐高度方向上看，最高NO排放質量濃度均出現(xiàn)在主燃區(qū)。該區(qū)域內煤粉集中燃燒，是產(chǎn)生NO的主要區(qū)域。工況1的主燃區(qū)NO質量濃度最高，這是由于工況1中主燃區(qū)中心煤粉燃燒充分，產(chǎn)生更多的燃料型NO。而工況5、6、7與工況1（基準）相比，燃盡風層和折焰角區(qū)域的局部NO質量濃度升高。隨著DD、DE層入射方向沿順時針方向的偏轉角度增大，煤粉在主燃區(qū)的停留時間縮短，使得NO質量濃度下降，更多的未燃盡煤粉在爐膛上方燃燒，從而使整體燃燒效率下降。

圖 3 部分截面煙氣溫度分布Fig. 3 Temperature distribution of flue gas in some sections

圖 4 不同工況下沿鍋爐高度方向 NO質量濃度分布Fig. 4 NO distribution along the height of furnace under different working conditions

4 結 論

對不同條件下的爐膛燃燒流場進行了數(shù)值模擬，分析了多場協(xié)同角度、煙氣溫度以及NO排放質量濃度，主要結論為：在爐膛燃燒區(qū)壁面附近及中心部分區(qū)域，協(xié)同角較小，而介于這兩部分之間的大塊區(qū)域，協(xié)同角較大。協(xié)同角大的區(qū)域占比相對較大。在整個燃燒區(qū)域，尤其是噴口附近，協(xié)同角較大，且分布比較均勻。協(xié)同角分布比較均勻，大角度主要集中在壁面附近。在爐膛中心大部分區(qū)域以及爐膛頂部及折焰角處，協(xié)同角較大，但是在噴口附近，協(xié)同角較小。