李 庚, 彭三瓏, 鐘 斌, 鐘春林

(深圳東方鍋爐控制有限公司,深圳 518057)

運(yùn)用數(shù)值模擬方法對爐內(nèi)流動、傳熱和傳質(zhì)過程進(jìn)行研究速度快,獲得的信息量大,能全面預(yù)測爐內(nèi)的流動、傳熱和燃燒過程,為鍋爐的設(shè)計、運(yùn)行和改造提供重要的參考依據(jù),具有重要的工程應(yīng)用價值[1-3].對于大型燃煤鍋爐,可全面模擬計算爐內(nèi)燃燒過程,分析爐內(nèi)的空氣動力場和溫度場,進(jìn)而對煤種在鍋爐內(nèi)的燃燒狀況進(jìn)行預(yù)測.

1 鍋爐概況

DG 1900/25.4-Ⅱ4型600 MW鍋爐為超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐,一次再熱、單爐膛、尾部雙煙道、采用擋板調(diào)節(jié)再熱汽溫、平衡通風(fēng)、露天布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu) П形鍋爐.采用前后墻對沖燃燒方式,24只低NO x旋流式燃燒器分三層分別布置在爐膛前后墻螺旋水冷壁上.在最上層燃燒器之上布置有燃盡風(fēng)(OFA)風(fēng)口,12只OFA風(fēng)口分別布置在前后墻上.

2 模型的建立與模擬工況

2.1 數(shù)學(xué)模型及計算方法

爐內(nèi)煤粉燃燒是復(fù)雜的物理、化學(xué)過程,它涉及多相流動、傳熱、傳質(zhì)和燃燒等多個學(xué)科[4-5],為三維湍流反應(yīng)流,其平均流可視為穩(wěn)態(tài)流.

采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型模擬氣相湍流流動,隨機(jī)軌道模型計算顆粒的運(yùn)動軌跡,混合分?jǐn)?shù)/概率密度函數(shù)(PDF)模型模擬湍流氣相燃燒,雙平行反應(yīng)模型模擬煤揮發(fā)分的熱解過程,動力-擴(kuò)散控制燃燒模型模擬煤焦的燃燒,P1模型計算輻射傳熱.

2.2 煤種特性

模擬選用煤種:A 3(煤A)、A 1(煤A與煤B的混合比為6∶4)及A 2(煤A與煤B的混合比為7∶3).各煤種的特性見表1.

表1 煤的特性Tab.1 Properties of coa l

2.3 模擬工況

筆者對3種燃煤工況進(jìn)行了模擬,分別為A 1、A 2和A 3.

3 計算結(jié)果與討論

3.1 速度場

圖1為3種工況煤種燃燒時,燃燒器在 y=7.880 8m截面的速度矢量圖.圖中,x、y、z坐標(biāo)軸分別代表爐膛深度、爐膛寬度及爐膛高度.

圖1 y=7.880 8 m截面速度矢量圖Fig.1 Velocity vector on section y=7.880 8m

圖1充分反映了燃燒器對沖布置的特點(diǎn),氣流在爐膛中心相碰后,絕大部分向上流動,最下層燃燒器一部分向下流動,在冷灰斗形成旋渦區(qū),然后再向上流動.氣流在整個爐膛中充滿度均比較好,分布合理,隨著爐膛高度的增加,速度逐步增大.在燃燒器出口約0.45m處存在回旋氣流,從而可以吸卷爐膛中的高溫?zé)煔?以保證在燃燒器出口煤粉能順利著火.A 1、A 2兩種混煤燃燒時爐內(nèi)速度場均無明顯區(qū)別,而A 3混煤燃燒時爐膛充滿度及速度較大,這主要是因為煤A發(fā)熱量較低,在相同負(fù)荷率下,煤A給粉量及風(fēng)量均需相應(yīng)增大所致,較大的煙氣流速會導(dǎo)致煤粉在爐膛中的停留時間縮短.

圖2為中層燃燒器截面速度場矢量圖.一次風(fēng)在爐膛中剛性較強(qiáng),但不會出現(xiàn)火焰直接沖擊對面水冷壁的情況,燃燒區(qū)域具有較大的回流區(qū).中部氣流擠向兩側(cè)墻,在爐膛四角出現(xiàn)旋渦.

鑒于3種工況的爐內(nèi)燃燒流場分布相似,所以下文僅分析工況A 1的爐內(nèi)各參數(shù)分布云圖.

3.2 溫度場

圖3為工況 A 1爐內(nèi) x=7.728 4 m、y=7.880 8 m和x=0.1 m截面的溫度云圖.由圖3可見,爐膛高溫區(qū)主要位于燃燒器至燃盡風(fēng)區(qū)域,燃盡風(fēng)起到壓火的作用.燃盡風(fēng)后還有一段高溫區(qū),這是由于未燃盡的CO和C與燃盡風(fēng)補(bǔ)充的氧反應(yīng)的結(jié)果.沿爐膛寬度方向,爐膛中心溫度分布均勻,減小了壁面熱負(fù)荷偏差所帶來的不利影響.距前墻燃燒器出口0.1 m處溫度云圖顯示,在一次風(fēng)和二次風(fēng)之間存在一個回流區(qū),回流溫度接近1 000℃,二次風(fēng)周邊的溫度在1 000℃以上,說明煤粉燃燒較好,煤粉氣流進(jìn)入爐膛后能夠迅速著火,保證了燃燒的穩(wěn)定性.

圖2 中層燃燒器截面速度場矢量圖Fig.2 Velocity vector on sections of m iddle bu rning area

圖3 x=7.728 4 m,y=7.880 8m和 x=0.1m截面的溫度云圖Fig.3 Temperature field on sections x=7.728 4 m,y=7.880 8 m and x=0.1m,respectively

圖4為中層燃燒器和OFA區(qū)域的溫度云圖.從圖4中可以看出,爐內(nèi)燃燒穩(wěn)定,溫度呈對稱分布,且分布較均勻.

圖4 中層燃燒器和OFA區(qū)域的溫度云圖Fig.4 Temperatu re field on sectionsofm iddle bu rning burning area and OFA,respectively

燃燒器出口處的溫度變化梯度較大,溫升快,保證了煤粉氣流的及時著火,爐膛中心區(qū)域燃燒最劇烈,最高點(diǎn)溫度達(dá)到1 700℃左右,爐膛火焰充滿度良好.

3.3 沿爐膛高度參數(shù)分布

圖5為沿爐膛高度煙氣溫度、O2體積分?jǐn)?shù)φ(O2)、CO 體積分?jǐn)?shù) φ(CO)及 CO2體積分?jǐn)?shù)φ(CO2)分布.

圖5 沿爐膛高度煙氣溫度,O2、CO和CO2體積分?jǐn)?shù)的分布Fig.5 Distribution of temperatu re,volume fraction of O2,CO and CO2 along height direction of boiler

由圖5可知:對于工況A 3,在爐膛同一高度上,煙氣溫度明顯低于其他2種混煤的工況,且爐膛火焰中心過高,表明煤A的燃燒性能差.其原因是該工況下通風(fēng)量較大,吸收了較多的熱量,降低了爐膛溫度,而且煤粉灰分高、熱值低、揮發(fā)分較低,使得煤粉燃燒行程過長.與煤B摻混后,爐膛溫度明顯提高,火焰中心回歸正常區(qū)域,爐內(nèi)燃燒狀況明顯改善.

在燃燒器下面的爐膛部分,由于未進(jìn)入燃燒區(qū),O2、CO及CO2的體積分?jǐn)?shù)基本保持不變,受燃燒區(qū)域傳熱的影響,越靠近燃燒區(qū)域的地方溫度越高.

在燃燒器至燃盡風(fēng)之間的燃燒區(qū)域,隨著煤粉的燃燒,釋放大量熱量,使得爐膛溫度持續(xù)上升,最終在該區(qū)域上部達(dá)到最高值,接近1 500℃.燃燒消耗大量氧氣,生成大量CO2,使得O2體積分?jǐn)?shù)不斷下降,而CO2體積分?jǐn)?shù)不斷升高.同時,由于該區(qū)域過量空氣系數(shù)小于1.0,因此在燃燒區(qū)產(chǎn)生大量中間產(chǎn)物CO.

在燃盡風(fēng)以上區(qū)域,由于燃盡風(fēng)的補(bǔ)充,O2體積分?jǐn)?shù)突然增大,促使中間產(chǎn)物及未燃盡煤粉燃盡,燃燒使得O2體積分?jǐn)?shù)和CO體積分?jǐn)?shù)下降,CO2體積分?jǐn)?shù)增大.燃燒結(jié)束時,O2體積分?jǐn)?shù)和CO2體積分?jǐn)?shù)基本維持不變,CO體積分?jǐn)?shù)最終為0,爐膛溫度因受熱面的吸熱而不斷下降.

同時可以看到,在第二、三層燃燒器及燃盡風(fēng)噴口標(biāo)高處,煙氣溫度、O2體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)及CO2體積分?jǐn)?shù)均有或大或小的波動,這是因為該處有大量煤粉、一次風(fēng)、二次風(fēng)及燃盡風(fēng)混入所致.

3.4 各煤種著火距離比較

圖6給出了各工況下燃燒器中心軸線上的平均溫度及著火距離.圖6表明,在離燃燒器出口很短距離內(nèi),煤粉氣流溫度迅速升高,煤粉顆粒吸熱著火,并放出熱量使溫度進(jìn)一步升高.定義燃燒器軸線上溫度達(dá)到1 000 K處為著火距離[5],3種工況下燃燒器的著火距離分別為0.39 m、0.42 m和0.65 m.煤A的著火距離偏長,會影響煤粉正常著火以及燃燒的穩(wěn)定性,而2種混煤的著火距離都在0.4 m左右,均屬于正常著火距離(0.3～0.5m).可見摻混煤B時改善了單一煤種(煤A)的著火性能,煤B的摻混比例越高,混煤的著火距離越短,表明其著火性能越好.

圖6 燃燒器中心軸線溫度和著火距離Fig.6 Temperatu re distribution along center axis of combustor and the ignition distan ce of coal

3.5 各煤種燃盡率比較

圖7為3種工況的煤粉燃盡率對比圖,其燃盡率分別為99.76%、99.81%和98.61%.由煤種元素分析可知,工況A 1和A 2燃燒煤種揮發(fā)分較高、灰分較低,故燃盡率較高,而工況A 3的煤A由于灰分較高,爐內(nèi)溫度相對較低,煙氣速度較高,所以燃盡率相對最低.

圖7 不同工況下煤粉燃盡率Fig.7 Bu rn-ou t ratio of coal under differentworking conditions

4 結(jié) 論

(1)煤A在爐內(nèi)燃燒狀況欠佳,流速較快,火焰中心過高,煤粉著火距離過長,其燃盡率及爐膛溫度相對較低.

(2)摻混煤B后,提高了爐內(nèi)溫度、煤粉著火性能和燃盡率.火焰中心位置合理,爐膛充滿度良好,溫度分布均勻.

(3)各工況下的爐內(nèi)O2、CO和CO2體積分?jǐn)?shù)分布無明顯區(qū)別.

(4)煤B的摻混比例越高,爐內(nèi)燃燒效果越好.

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