王　飛, 潘衛(wèi)國(guó), 王文歡, 韓　濤

(1.上海電力學(xué)院, 上?！?00090; 2.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心, 上?！?00090)

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墻式切圓鍋爐燃燒過程的數(shù)值模擬

王飛1, 潘衛(wèi)國(guó)1, 王文歡1, 韓濤2

(1.上海電力學(xué)院, 上海200090; 2.上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心, 上海200090)

摘要:為研究墻式切圓鍋爐爐內(nèi)的燃燒問題,采用Fluent模擬軟件,分析了爐內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NOspan的分布規(guī)律.結(jié)果表明,爐膛燃燒器區(qū)橫截面的切圓直徑隨著爐膛高度的增加逐漸增加;在爐膛中心縱截面上,爐內(nèi)中心溫度低于兩側(cè)溫度,而且隨著爐膛高度的增加,溫度先增后降,爐壁附近出現(xiàn)局部高溫;NO濃度沿高度方向先升后降.

關(guān)鍵詞：超臨界鍋爐; 燃燒; 數(shù)值模擬

目前,國(guó)內(nèi)使用的煤粉鍋爐80%以上是四角切圓鍋爐,旋流燃燒鍋爐的使用率不到10%[1].四角切圓鍋爐具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、燃料的適應(yīng)性強(qiáng)、風(fēng)粉混合均勻等明顯特點(diǎn),在中國(guó)乃至全世界的應(yīng)用范圍非常廣泛.而在常見的切圓鍋爐中,又存在一種燃燒器布置于4面墻壁上的墻式切圓鍋爐.墻式切圓鍋爐充分利用了爐膛的容積,因而具有避免水冷壁結(jié)渣、熱負(fù)荷均勻以及爐膛出口溫度偏差小等顯著特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用在實(shí)際的鍋爐運(yùn)行中.

國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)切圓鍋爐進(jìn)行了大量研究,采用的是試驗(yàn)、理論和數(shù)值模擬等方法.張開利等人[2]采用磨煤機(jī)系統(tǒng)調(diào)整試驗(yàn),優(yōu)化調(diào)整了機(jī)組的運(yùn)行參數(shù);秦明等人[3]通過實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn),得出了墻式切圓燃燒噴口采用分組布置的形式可以有效減輕氣流貼壁的結(jié)論;潘維等人[4]采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行了切圓鍋爐改造工況的研究;潘維和李彥鵬等人[5-6]針對(duì)切圓鍋爐爐膛網(wǎng)格的生成方法進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)pave 方法畫出的輻射狀網(wǎng)格能夠有效地抑制偽擴(kuò)散;呂太等人[7]對(duì)燃燒器噴嘴射入的角度進(jìn)行了研究,通過Fluent數(shù)值模擬多種不同的射入角度,從而分析對(duì)比不同射入角度前后所形成的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及組分場(chǎng)的情況,分析所選角度的合理性,為同類機(jī)組的抑制結(jié)焦提供了有效參考.文獻(xiàn)[8]采用一種新網(wǎng)格對(duì)609 MW的四角切圓鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)、傳熱、燃燒及NOx排放等情況進(jìn)行了模擬,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明,模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)相吻合,數(shù)值計(jì)算可行、可靠.文獻(xiàn)[9] 對(duì)500 MW四角切圓鍋爐爐內(nèi)流動(dòng)、燃燒、傳熱及NOx生成過程等進(jìn)行了研究,著重研究了空氣分級(jí)燃燒、二次風(fēng)的配置、煙道氣循環(huán),以及燃料分級(jí)燃燒(再燃燒)降低NOx排放等技術(shù).

本文基于Fluent軟件,以某電廠墻式切圓鍋爐為研究對(duì)象,對(duì)其爐內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得出速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NOx的分布情況及其燃燒規(guī)律,以期為研究該類型鍋爐的安全運(yùn)行提供理論依據(jù).

1研究對(duì)象

本文主要以某電廠HG-1950/25.4-HM15超臨界直流鍋爐為研究對(duì)象.該鍋爐為一次中間再熱、超臨界壓力變壓運(yùn)行的直流鍋爐,橫截面為(爐膛寬度)20 402.3 mm×(深度)20 027.3 mm,采用中速磨直吹式制粉系統(tǒng).

鍋爐采用墻式切圓新型燃燒方式,主燃燒器布置在水冷壁的4面墻上,每層4只燃燒器對(duì)應(yīng)1臺(tái)磨煤機(jī),燃燒器分組布置,共有3組,每組由下往上依次是二次風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng)、一次風(fēng)、二次風(fēng).SOFA燃燒器布置在主燃燒器區(qū)上方水冷壁的4個(gè)角,以實(shí)現(xiàn)分級(jí)燃燒降低NOx排放.鍋爐的結(jié)構(gòu)如圖1所示.

2網(wǎng)格劃分

本文基于CFD軟件,對(duì)鍋爐爐內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行數(shù)值模擬.為研究方便,采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法對(duì)爐膛進(jìn)行網(wǎng)格劃分,將爐膛整體劃分為冷灰斗區(qū)、燃燒器區(qū)、上爐膛區(qū)和爐膛出口4大部分.

燃燒器部分是煤粉和空氣噴入的主要部分,會(huì)產(chǎn)生劇烈的湍流和燃燒等現(xiàn)象,因此為減少模擬過程出現(xiàn)偽擴(kuò)散對(duì)計(jì)算準(zhǔn)確性的影響,對(duì)燃燒器區(qū)適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行了網(wǎng)格局部加密,同時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分.而其他幾部分結(jié)構(gòu)相對(duì)均勻,可采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分.所生成的爐膛網(wǎng)格模型如圖2所示.

3數(shù)學(xué)模型及研究方法

鍋爐的爐內(nèi)燃燒過程是湍流流動(dòng)與化學(xué)反應(yīng)相互耦合的過程,它不僅涉及湍流和多組分的流動(dòng),而且相關(guān)的化學(xué)反應(yīng)包括氣相和顆粒相的燃燒,因此整個(gè)過程非常復(fù)雜[10].為簡(jiǎn)化整個(gè)燃燒過程,本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-?雙方程湍流模型[11]模擬氣相湍流的輸送;運(yùn)用隨機(jī)軌道模型(Stochastic Tracking Model)跟蹤煤粉顆粒;采用混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)法(PDF)模擬氣相湍流的燃燒;采用動(dòng)力-擴(kuò)散模型(Kinetic/Diffusion Limited Model)模擬焦炭的燃燒[12];運(yùn)用雙競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)模型(The Two Competing Rates Model)進(jìn)行煤粉揮發(fā)分的釋放;用于采用P-1輻射模型[13]用于輻射傳熱.計(jì)算時(shí)采用Simple算法[14].

模擬時(shí),一次風(fēng)、二次風(fēng)和燃盡風(fēng)入口的邊界條件設(shè)置為速度入口,煙道出口設(shè)置為壓力出口邊界.爐膛壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面方程、無滑移邊界條件,即溫度邊界條件,給定壁面溫度為600 K.運(yùn)行參數(shù)見表1.

煤粉顆粒采取Rosin-Rammler分布,其最小顆粒為5 μm,最大顆粒為310 μm,平均顆粒為60 μm,分布指數(shù)取為1.5.煤質(zhì)分析見表2.

4計(jì)算結(jié)果與分析

4.1速度場(chǎng)

圖3為各層一次風(fēng)口的速度分布圖.從圖3可以看出,各個(gè)截面的速度很好地形成了切圓的形式,符合設(shè)計(jì)要求.煤粉從一次風(fēng)口進(jìn)入爐膛以后,在湍流的作用下立即與空氣混合.

同時(shí),隨著爐膛高度的增加,各個(gè)截面所形成的切圓直徑逐漸增大.這是因?yàn)?隨著爐膛高度的增加,爐內(nèi)旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度也逐漸增加,從而使得形成的切圓直徑增大.

4.2溫度場(chǎng)

圖4為不同截面的溫度分布示意.從圖4可以看出,煤粉從一次風(fēng)口進(jìn)入爐膛后被迅速點(diǎn)燃,然后在4股射流的相互干擾影響下,形成穩(wěn)定的切圓.這也與上述得出的速度分布情況相一致.煤粉在離開壁面一定的距離時(shí),揮發(fā)分快速析出并開始燃燒,釋放出大量的熱量,從而形成局部高溫區(qū).因此,高溫區(qū)主要發(fā)生在煤粉的射流軌跡上,不在一次風(fēng)口處,而是離水冷壁壁面有一定的距離,這符合鍋爐的實(shí)際運(yùn)行情況.同時(shí),隨著爐膛高度的增加,環(huán)狀高溫區(qū)不斷增大,這也與爐膛高度增加導(dǎo)致旋流強(qiáng)度逐漸增加以及所形成的切圓直徑不斷增大有關(guān).

圖5為爐膛中心縱截面的溫度分布.

從圖5可以看出,從燃燒器噴出的煤粉立即與空氣混合,燃燒釋放大量的熱,使得爐膛兩側(cè)的溫度高于爐膛中心溫度,但高溫區(qū)不在壁面處,也不在爐膛中心處,而是在離水冷壁有一定的距離處.而且隨著爐膛高度的增加,爐內(nèi)溫度先升后降,在燃盡風(fēng)區(qū)域,隨著溫度較低的燃盡風(fēng)的大量進(jìn)入,使得燃燒不充分的焦炭充分燃燒,進(jìn)而使得該區(qū)域的溫度不斷升高.隨著爐膛高度的進(jìn)一步增加,出現(xiàn)了折焰角以后,溫度開始降低.

4.3NOx分布

鍋爐燃燒中產(chǎn)生的NOx有3種,分別為燃料型NOx,快速型NOx和熱力型NOx.由于快速型NOx的量極少,因此鍋爐燃燒中所說的NOx指的就是燃料型NOx和熱力型NOx兩種.而所生成的NOx中,90%以上是NO,故以下以NO濃度代表NOx濃度.圖6為z=10中心截面NO濃度分布圖.

由圖6可以看出,高濃度的NO主要分布在燃燒器區(qū)域的兩側(cè)靠近水冷壁的壁面處.對(duì)于燃料型的NO來說,煤粉顆粒揮發(fā)出的含氮的化合物被氧化成HCN,隨后被氧化成NO,這部分氧氣充足,NO的生成量增加.過了主燃區(qū)后,由于氧氣被大量消耗,氧氣含量大幅下降,部分NO被還原,使得NO濃度也略微開始下降,而燃盡風(fēng)的加入,使得焦炭開始燃燒,NO的濃度也開始有所回升.過了燃盡風(fēng)后,此時(shí)NO處于還原性氣氛,NO濃度開始大幅下降,最終趨于穩(wěn)定.而對(duì)于熱力型的NO來說,它是由空氣中的N2在高溫下直接被氧氣氧化而生成的,這與圖6中的高NO區(qū)域正好相對(duì)應(yīng).

5結(jié)語

本文對(duì)墻式切圓鍋爐爐內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,較為準(zhǔn)確地描述了爐內(nèi)的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和NOx的分布規(guī)律,此研究結(jié)果可以為該類型鍋爐的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供一定的理論依據(jù).

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(編輯胡小萍)

Numerical Simulation of Combustion Characteristics in a Wall-tangentially Fired BoilerWANG Fei1, PAN Weiguo1, WANG Wenhuan1, HAN Tao2

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China; 2.ShanghaiTechnologyResearch

CenterinPowerEnvironmentalProtectionEngineering,Shanghai200090,China)

Abstract:The combustion characteristics in the furnace of wall-tangentially fired boiler are numerically simulated by using Fluent.The velocity field,the temperature field and the NOspandistribution are analysised.The results show that on the cross section of the burner area in the furnace,the diameter of the circle increases with the increase of the furnace elevation.In the longitudinal section of the furnace center,the central temperature is lower than that in both sides.The furnace temperature firstly incresaes and then decreases with the increase of the furnace elevation.Also,the local high temperature occurs near the wall.The fraction of NO increases at first,and then decreases with the increase of the furnace elevation.

Key words:supercritical boiler; combustion; numerical simulation

中圖分類號(hào)：TK224.11

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-4729(2016)01-0005-04

基金項(xiàng)目：上海發(fā)電環(huán)保工程技術(shù)研究中心項(xiàng)目(11dz2281700); 上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技攻關(guān)項(xiàng)目(13dz1202703,14dz1200200).

通訊作者簡(jiǎn)介：王飛(1990-),男,在讀碩士,陜西延安人.主要研究方向?yàn)殄仩t安全運(yùn)行.E-mail:sgjlwf@163.com.

收稿日期：2015-07-19

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.002