基于有限元的電力鍋爐熱力特性應(yīng)用研究

宋順鑫，趙 敏，孫森

（杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司，浙江杭州 310018）

我國的工業(yè)鍋爐大部分是鏈條爐排鍋爐[1-4]，鏈條爐現(xiàn)已發(fā)展成機(jī)械化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定的一種燃燒設(shè)備。但與煤粉爐及循環(huán)流化床鍋爐相比，鏈條爐的排煙熱損失與固體未完全燃燒熱損失嚴(yán)重，它的熱效率較低，這就增加了機(jī)組運(yùn)行成本，致使經(jīng)濟(jì)性較差。

對鏈條爐的研究工作，國內(nèi)外已有較多報(bào)道，如丁大偉等對鏈條爐配風(fēng)優(yōu)化開展了數(shù)值模擬研究[5-9]，李景明等對工業(yè)鏈條爐開展了熱態(tài)數(shù)值模擬研究工作[10-16]。

該文研究采用了一種能將鏈條爐床層與爐膛一體化耦合的方法，進(jìn)一步提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過該次模擬研究，能為鏈條爐的工業(yè)應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

1 模擬對象介紹

該爐型為雙鍋筒橫置式鏈條爐排鍋爐，鍋爐高8 421 mm，最大寬度6 355 mm，深度2 700 mm，鏈條爐結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。對應(yīng)的三維實(shí)體采用GAMBIT軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)為820 000 個(gè)。鍋爐基本參數(shù)如表1 所示，煤質(zhì)特性參數(shù)中元素分析及工業(yè)分析數(shù)值分別如表2、表3 所示，其中該煤質(zhì)低位發(fā)熱量是24.42 MJ/kg。

圖1 鏈條爐結(jié)構(gòu)示意

表1 鍋爐基本參數(shù)

表2 煤質(zhì)特性參數(shù)

表3 煤質(zhì)工業(yè)分析參數(shù)

2 數(shù)值模型與計(jì)算條件

該計(jì)算為三維穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。湍流計(jì)算為標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型，輻射換熱為P1 模型，運(yùn)用了混合分?jǐn)?shù)-概率密度函數(shù)模擬湍流燃燒過程，揮發(fā)分的析出與焦炭的燃燒分別采用了雙步競爭速率模型與動力/擴(kuò)散控制模型。

初始條件：給煤溫度為25 ℃，給煤量為0.4 kg/s，煤粒徑服從rosin-rammler 分布，其中燃煤最小粒徑為6 mm，最大粒徑為30 mm，平均粒徑為16 mm。床層燃煤厚度為150 mm，編寫UDF 函數(shù)實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)顆粒軌跡控制，燃煤在爐排上停留時(shí)間為60 min。

邊界條件：一次風(fēng)室為進(jìn)風(fēng)入口，一次風(fēng)溫為403 K；煤入口與出口為壁面熱流邊界，發(fā)射率為0.8；前后拱設(shè)為絕熱壁面；前后墻及左右墻壁溫為393 K，發(fā)射率為0.9；爐膛出口為壓力出口。一次風(fēng)計(jì)算參數(shù)如表4 所示。

表4 一次風(fēng)計(jì)算參數(shù)

從表3 可以看出，后側(cè)風(fēng)室的供風(fēng)量較少，供氧較多位置主要是在鏈條爐排的前段，這由鏈條爐的燃燒方式及該爐型結(jié)構(gòu)共同決定的。該計(jì)算對象由5 個(gè)一次風(fēng)室構(gòu)成，從工程實(shí)際出發(fā)，風(fēng)室的數(shù)量對合理配風(fēng)有重要作用，進(jìn)而影響燃燒結(jié)果。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 溫度場與氣相組分場

100%負(fù)荷下，對其進(jìn)行了熱態(tài)燃燒計(jì)算模擬，得到了溫度場與氣相組分場。對于氣相，該文分析了O2在爐內(nèi)分布的情況（單位：體積分?jǐn)?shù)）。

圖2 是溫度分布等值線圖，最高溫度值出現(xiàn)在第二個(gè)風(fēng)室上方的爐排面上，溫度值是1 300 ℃，該處是主燃燒區(qū)域，其余兩側(cè)爐排面上溫度逐步變小，沿爐膛高度方向煙氣溫度也是逐漸變低，爐膛出口煙溫約為905 ℃。

圖2 溫度分布等值線

由圖2 可知，第一個(gè)風(fēng)室上方爐排面的溫度較低，這是由于給煤的溫度偏低，在點(diǎn)燃前要吸收一定的熱量，且該爐燃用煤質(zhì)的揮發(fā)分含量低，燃料引燃也會推遲，再加上該處是水分的蒸發(fā)區(qū)域，也要吸收一定的熱量，故溫度不高。第4-第5個(gè)風(fēng)室上方爐排面的溫度也相對偏低，這是因?yàn)榭扇嘉锏竭_(dá)該位置時(shí)已基本燃盡，該處的溫度主要是剩余少量焦炭的燃燒與灰渣物理熱共同作用的結(jié)果。上述結(jié)果符合典型鏈條爐的燃燒進(jìn)程，說明該模擬方法準(zhǔn)確、可靠。

O2分布等值線如圖3 所示，該圖與溫度分布結(jié)果相對應(yīng)，從圖中可看出，主燃燒區(qū)的O2濃度較低，水分析出處與焦炭燃盡處的O2濃度相對較高，爐排下的一次風(fēng)室由于不參與燃燒過程，因而不耗氧。由于氣體可燃物在爐膛空間的燃燒，沿爐膛高度方向O2濃度不斷變小。

圖3 O2分布等值線

3.2 負(fù)荷變化對燃燒過程的影響

分別對鍋爐負(fù)荷為50%、75%、100%時(shí)的燃燒特性進(jìn)行了研究，并將得出的結(jié)果加以對比分析。

圖4 為不同負(fù)荷下的燃煤顆粒溫度沿爐排長度方向的變化規(guī)律，計(jì)算條件：取床層高度100 mm 處的煤質(zhì)且粒徑為14 mm。

圖4 不同負(fù)荷下的燃煤溫度變化曲線

結(jié)果可見，在爐排面長度為0～0.5 m 處，負(fù)荷變化對燃煤顆粒溫度的影響不明顯，此時(shí)煤質(zhì)處于燃燒準(zhǔn)備階段。但在長度為0.5 m 以后，不同負(fù)荷間的溫度差異變得顯著，尤其在主燃燒區(qū)，不同負(fù)荷間的溫度差值較大。在爐排后段，隨著煤不斷的燃盡，溫度差值逐漸變小。

表5 是負(fù)荷變化對爐膛出口煙氣溫度、燃盡率、CO2、O2、CO 濃度的影響?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著鍋爐負(fù)荷的變大，CO 與O2的濃度在降低，而CO2的濃度和爐膛出口煙氣溫度在增加，煤質(zhì)的燃盡率也隨著變大。

表5 負(fù)荷變化對燃燒結(jié)果的影響

3.3 床層燃煤顆粒溫度與質(zhì)量的變化

計(jì)算條件：選取床高分別為65 mm、85 mm、103 mm位置處的3 種燃煤顆粒，直徑為22 mm。圖5 為爐排方向上不同床層高度的燃煤溫度變化曲線?？梢钥闯?，床層高度由高變低時(shí)，床層顆粒的溫度也是逐步降低的，說明了鏈條爐的燃燒是從煤層表面向床層底部逐漸擴(kuò)展的，也即鏈條爐具有單面引火特性。在爐排面長度為0.0～1.2 m 處，床層高度對顆粒溫度的影響差別較小，這是由于該段是水分蒸發(fā)與揮發(fā)分析出區(qū)域，此時(shí)的燃燒進(jìn)程還很緩慢。從總體分布來看，不同床層高度的顆粒溫度差異較大，在爐排面長度為3.5 m 處時(shí)，以65 mm 與103 mm 的床高為例，兩者的溫度差值為148 ℃左右。

圖5 不同床層高度下的燃煤溫度變化曲線

以床層高度103 mm 為基準(zhǔn)，分別統(tǒng)計(jì)了燃煤粒徑是6 mm、9 mm、12 mm、14 mm 時(shí)，單顆粒燃煤質(zhì)量隨爐排面長度的變化規(guī)律，如圖6 所示。

由圖6 可知，當(dāng)長度小于0.5 m 時(shí)，煤質(zhì)質(zhì)量變化很小，之后燃煤質(zhì)量不斷變小，但在長度為4～6 m時(shí)，顆粒質(zhì)量已不再發(fā)生變化。粒徑越小，燃盡時(shí)間越短。

圖6 不同粒徑下的單顆粒燃煤質(zhì)量變化曲線

3.4 總體燃盡率計(jì)算

揮發(fā)分析出溫度與著火溫度均較低，在鏈條爐排的前端即會燃盡，且可燃成分中焦炭的比重遠(yuǎn)高于揮發(fā)分，因此，燃煤顆粒的燃盡主要指的是焦炭的燃盡狀況，表征煤燃盡情況的參數(shù)可用燃盡率表示，燃盡率ηrj的表達(dá)式如下：

式中，Ml為可燃質(zhì)燃燒損失的質(zhì)量，Mt為可燃質(zhì)的總質(zhì)量。

由于燃煤中的可燃質(zhì)為揮發(fā)分與焦炭，因此可按式（2）來表示其含量。

式中，Vdaf為干燥無灰基揮發(fā)分質(zhì)量百分比，Cdaf為干燥無灰基焦炭質(zhì)量百分比。

可燃質(zhì)的燃燒損失質(zhì)量可表示為：

式中，ηv表示揮發(fā)分的燃盡率，ηc表示焦炭的燃盡率。由以上各式，可得出燃盡率的計(jì)算公式為：

式（2）中的Vdaf與Cdaf根據(jù)燃煤特性即可得知，該計(jì)算中其分別是7.85%與92.15%。ηv與ηc通過對燃煤顆粒的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)便可知曉，數(shù)值如表6 所示，依次是揮發(fā)分燃盡率100%與焦炭燃盡率92.71%（燃盡率=燃燒前后含量差值與燃燒前含量的百分比），代入式（4）可得燃盡率為93.28%，該值較高，說明燃盡效果好。

表6 揮發(fā)分與焦炭參數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.5 沿程燃盡率計(jì)算

計(jì)算出沿爐排方向的沿程燃盡率，便可掌握燃煤在床層上的燃盡情況，再通過合理調(diào)整運(yùn)行參數(shù)，優(yōu)化鏈條爐的燃燒過程，進(jìn)而獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益。沿程燃盡率的變化曲線如圖7 所示，其中的可燃質(zhì)包含揮發(fā)分與焦炭兩種成分。

圖7 沿程燃盡率變化曲線

爐排面長度為0～0.5 m 時(shí)，揮發(fā)分的燃盡率快速增長，而焦炭與可燃質(zhì)的燃盡率變化緩慢且燃盡率很低。在0.5 m 時(shí)，揮發(fā)分已經(jīng)燃燒完全，而焦炭與可燃質(zhì)的燃盡率則繼續(xù)增長，到5 m 時(shí)，焦炭與可燃質(zhì)燃盡率增長趨勢已變緩慢。

揮發(fā)分很快燃盡是因?yàn)樗奈龀鲞^程在爐排前段就已幾乎完成，且其著火溫度低。焦炭的燃盡伴隨著整個(gè)燃燒過程，在爐排長度為6 m 時(shí)，燃盡率是89.88%。由圖可見，焦炭與可燃質(zhì)的燃盡率變化曲線近乎重合，這是因?yàn)槿济嚎扇汲煞值膿]發(fā)分含量低，大部分由焦炭構(gòu)成。

4 結(jié)論

通過該數(shù)值計(jì)算，得到以下結(jié)論：

1）該10 t/h 鏈條爐熱態(tài)模擬后得出的溫度場、氣相組分場符合典型鏈條爐的燃燒特點(diǎn)，證實(shí)該一體化耦合計(jì)算方法準(zhǔn)確、可靠；100%負(fù)荷時(shí)，爐內(nèi)最高溫度約是1 300 ℃，爐膛出口氧量為5%左右，燃燒較充分。

2）高負(fù)荷時(shí)，爐膛出口處的CO 與O2濃度相對低些，而排煙溫度與CO2濃度偏高，此時(shí)的燃盡率也較高。

3）床層高度不斷降低時(shí)，燃煤顆粒溫度逐漸下降，驗(yàn)證了鏈條爐的單面引火特性；顆粒質(zhì)量越大，越不利于燃料的燃盡，實(shí)際運(yùn)行時(shí)應(yīng)合理調(diào)整燃煤粒徑。

4）鏈條爐的燃盡率較高，為93.28%，對鏈條爐爐型而言，燃燒效率較高；沿程燃盡率的計(jì)算表明，揮發(fā)分很快消耗殆盡，而焦炭燃燒伴隨整個(gè)燃燒過程。