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        鏈條爐改造為噴粉燃燒方式的燃燒特性模擬

        2016-10-21 20:41:16韓莉武利利鐘曉暉
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年8期

        韓莉 武利利 鐘曉暉

        摘 要:以16t/h鏈條式鍋爐為研究對(duì)象,改造為噴粉燃燒方式,并對(duì)爐膛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,利用FLUENT軟件,對(duì)改造后鍋爐的燃燒特性及爐膛內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了模擬,結(jié)果表明,采用噴粉燃燒方式可以大幅度提高鍋爐燃燒效率,鏈條爐升級(jí)為噴粉燃燒方式是可行的,研究結(jié)果可為鏈條爐升級(jí)改造和運(yùn)行操控提供一定的參考。

        關(guān)鍵詞:煤粉爐;旋流燃燒;氣固兩相流;數(shù)值模擬

        引言

        煤炭是我國(guó)的主體能源,在一次能源結(jié)構(gòu)中占70%左右,在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi),煤炭作為主體能源的地位不會(huì)改變。燃煤工業(yè)鍋爐數(shù)量多,單機(jī)容量仍然較小,容量≤35t/h的鍋爐數(shù)量約占工業(yè)鍋爐總臺(tái)數(shù)的96%,其中容量≤10t/h的占80%,大多數(shù)鍋爐為鏈條爐,總體工藝水平較差[1]。文章利用FLUENT軟件對(duì)改造后的鏈條爐燃用煤粉時(shí)的運(yùn)行特性進(jìn)行數(shù)值模擬,以期為鍋爐的優(yōu)化升級(jí)和運(yùn)行操控提供有益的參考。

        1 模擬工況

        1.1 運(yùn)行煤種

        為了考察燃燒室內(nèi)的溫度分布和多相流動(dòng)特性,選取了典型煙煤作為熱態(tài)實(shí)驗(yàn)煤種,其煤質(zhì)工業(yè)分析、元素分析和低位發(fā)熱量分析如表 1 所示。

        1.2 邊界條件

        根據(jù)實(shí)際運(yùn)行參數(shù),模擬工況見(jiàn)表2。

        2 模型

        燃燒過(guò)程包括煤粉燃燒、湍流流動(dòng)、傳熱傳質(zhì)等多個(gè)過(guò)程,是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程,模型選擇見(jiàn)表3?;臼睾惴匠贪ㄙ|(zhì)量守恒方程、能量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、化學(xué)組分方程、連續(xù)方程。首先進(jìn)行單相流場(chǎng)的計(jì)算,等空氣單相計(jì)算穩(wěn)定之后,再加入煤粉顆粒Dpm模型進(jìn)行煤粉的燃燒計(jì)算。

        3 網(wǎng)格劃分

        三維網(wǎng)格劃分,因?yàn)闋t膛上部為圓柱形,為提高精確度,整體采用六面體網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格總數(shù)量為4127915個(gè),如圖 1 所示。

        使用三維建模軟件完成了對(duì)燃燒器的幾何建模。建立的模型包括煤粉濃縮器、內(nèi)二次風(fēng)旋流器、煤粉分配器、切向蝸殼、各個(gè)風(fēng)管等。如圖2所示。

        4模擬結(jié)果與分析

        4.1 溫度場(chǎng)

        圖3可以看出:煤粉在旋流燃燒器中高速噴出,進(jìn)入爐膛后,受到爐內(nèi)的高溫?zé)煔鈱?duì)流換熱以及爐膛壁面的輻射換熱而被點(diǎn)燃,發(fā)生劇烈的燃燒傳熱反應(yīng)。爐膛整體溫度在800-900℃之間,燃燒發(fā)生在前半個(gè)爐膛區(qū)域,在煤粉噴口一段距離后出現(xiàn)局部高溫區(qū),是因?yàn)榛鹧嬖趦?nèi)回流區(qū)的邊緣開(kāi)始向外回流區(qū)擴(kuò)散,顆粒燃盡速度快,爐膛內(nèi)部溫度均勻,降低爐內(nèi)溫度水平,該溫度下不易在爐膛壁面結(jié)渣。由于旋流燃燒器中存在軸向二次風(fēng),增強(qiáng)了外回流區(qū)顆粒與空氣的混合作用,使煤粉燃盡率提高,同時(shí)降低了煤耗。

        由于爐型的特殊情況,在火焰發(fā)展過(guò)程中,下部空間不能得到延伸,火焰沿爐底向爐膛深處延伸,并在慣性力作用下在爐膛尾部形成中溫區(qū)域。爐膛底部和尾部可以布置受熱面來(lái)吸收高溫對(duì)流熱。

        4.2 速度場(chǎng)

        帶有二次風(fēng)的旋流燃燒,雖然火焰處軸向速度不高,但切向動(dòng)量與軸向動(dòng)量的比值較大,燃燒器的旋流卷吸能力增強(qiáng),尤其是旋轉(zhuǎn)射流的外邊界對(duì)周?chē)邷責(zé)煔獾木砦芰υ鰪?qiáng),從圖4速度場(chǎng)的模擬結(jié)果可以看出,主要高速區(qū)發(fā)生在氣流中心,在內(nèi)回流及外回流作用下,主要速度區(qū)并未向爐膛深處延伸,而呈現(xiàn)扇形收斂,爐膛深處為低速區(qū)。

        由于爐膛的特殊結(jié)構(gòu),在外回流區(qū)下部受爐底的阻力作用,速度場(chǎng)向爐膛深處延伸了一段距離,與圖3中火焰的形狀走向形成對(duì)應(yīng)。

        4.3 顆粒軌跡

        對(duì)煤粉粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行模擬研究,模擬結(jié)果如圖5所示。從模擬結(jié)果看出,由于爐型的原因顆粒容易在爐膛內(nèi)部循環(huán),循環(huán)位置分為兩部分,一部分是燃燒器出口,一部分是主爐膛。停留時(shí)間大部分在30-50s之間,部分顆粒在60min左右。少量顆粒隨煙氣進(jìn)入煙道排出,大部分沉降在爐膛內(nèi)部低速區(qū)。顆粒軌跡密集部位有利于對(duì)流換熱,可以作為對(duì)流受熱面主要布置區(qū)。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        (1)鏈條爐改造后,由于爐膛深度較長(zhǎng),不容易滿足空氣與顆粒的良好混合,帶有二次風(fēng)的旋流燃燒器能較好地滿足顆粒的燃盡效果。(2)設(shè)計(jì)工況下的模擬結(jié)果得到了均勻的溫度場(chǎng)分布,明晰了高速區(qū)、低速區(qū)及顆粒軌跡,為進(jìn)一步受熱面改造提供了參考依據(jù)。

        參考文獻(xiàn)

        [1]余潔.中國(guó)燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀[J].節(jié)能減排,2012,3(18):89-91.

        作者簡(jiǎn)介:韓莉,華北理工大學(xué)在讀碩士研究生。

        作者簡(jiǎn)介:鐘曉暉(1977-),男,漢族,河北邢臺(tái)人,博士,教授/碩士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)榭稍偕茉蠢谩⒅评淇照{(diào)系統(tǒng)節(jié)能、潔凈煤技術(shù)等。

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