肖江飛

中國能源建設(shè)集團(tuán)華北電力試驗(yàn)研究院有限公司，天津 300012

高爐煤氣是一種低熱值可燃?xì)怏w。近年來，煤氣鍋爐的發(fā)展促進(jìn)了高爐煤氣的合理利用，但煤氣鍋爐實(shí)際運(yùn)行中存在著燃燒不穩(wěn)定、安全性差等問題。因此，掌握高爐煤氣爐內(nèi)燃燒過程十分必要。

70年代以來，數(shù)值模擬逐漸成為研究鍋爐爐內(nèi)燃燒的常用方式。其中FLUENT軟件具有豐富的物理模型、先進(jìn)的數(shù)值方法，對(duì)于流動(dòng)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)等有關(guān)的研究計(jì)算均可使用。

1 鍋爐概況

某鋼鐵企業(yè)320t/h煤氣鍋爐為自然循環(huán)、一次中間再熱、倒U型煤氣鍋爐，設(shè)計(jì)工況下燃料為高爐煤氣。鍋爐爐膛采用全膜式水冷壁。燃燒器為雙旋流式燃燒器，前后墻布置，前墻、后墻各兩層，每層三支，共12支。鍋爐爐膛尺寸見圖1，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖1 爐膛結(jié)構(gòu)尺寸示意圖（mm）

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)值模型

煤氣鍋爐爐內(nèi)燃燒過程主要包括氣相湍流流動(dòng)、輻射換熱、氣相湍流燃燒。

湍流流動(dòng)及換熱的數(shù)值計(jì)算模型中標(biāo)準(zhǔn)k-模型可以很好地模擬一般的湍流，計(jì)算精度相對(duì)較好、計(jì)算速度較快，本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-模型作為研究爐膛內(nèi)煙氣流動(dòng)的數(shù)值模型。

散坐標(biāo)（DO）輻射模型考慮了散射和顆粒的影響，不受光學(xué)厚度大小的影響，模型簡單，計(jì)算占用硬件資源不多。本文研究采用DO輻射模型進(jìn)行輻射換熱計(jì)算。

燃?xì)馊紵某Ｒ姺绞接袛U(kuò)散燃燒、部分預(yù)混燃燒、完全預(yù)混燃燒。燃燒模型從常見的氣相燃燒模型中選擇，本文選用渦耗散模型進(jìn)行計(jì)算。

2.2 邊界條件

（1）入口邊界：將燃燒器出口截面設(shè)定為速度入口，高溫空氣入口速度為29m/s，溫度為240℃。高爐煤氣入口速度為26m/s，溫度為170℃。

（2）出口邊界：設(shè)置爐膛煙氣出口截面為出口邊界，設(shè)置為壓力出口，取煙氣出口壓力為-35Pa。

（3）壁面邊界條件：壁面設(shè)置采用定溫條件，溫度設(shè)置為水冷壁內(nèi)飽和工質(zhì)的溫度343℃。給定爐膛壁面發(fā)射率。

3 爐內(nèi)溫度場(chǎng)模擬結(jié)果及分析

鍋爐爐膛內(nèi)的溫度場(chǎng)比較復(fù)雜，影響溫度的因素很多，爐膛內(nèi)各處的溫度分布情況也不相同。圖2所示為爐膛寬度方向中心截面等溫線分布圖，可以明顯地看出爐膛內(nèi)溫度分布的總體趨勢(shì)。

圖2 爐膛寬度方向中心截面溫度場(chǎng)（K）

燃燒器出口燃燒后的高溫?zé)煔庖砸欢ㄋ俣攘鞒龊笙蛏舷蚝罅鲃?dòng)。觀察該截面上爐內(nèi)煙氣由低到高的溫度分布，可知爐內(nèi)煙氣溫度沿爐膛高度由下向上逐漸降低，溫度層次比較明顯，變化趨勢(shì)比較均衡。主要是由于爐膛受熱面布置均勻，爐內(nèi)流場(chǎng)均勻。在爐膛底部區(qū)域，由于煤氣剛剛經(jīng)燃燒器后燃燒進(jìn)入爐膛，此處燃燒后的高溫?zé)煔馕唇?jīng)足夠的水冷壁受熱面的吸熱，所以爐膛底部兩層燃燒器區(qū)域?yàn)闋t內(nèi)煙氣溫度最高的區(qū)域，此處溫度范圍為1670～1730K。在爐膛中上部，前、后墻煙溫偏差較為明顯，約有50～60℃，且爐膛中心區(qū)域煙溫較高，而在貼近水冷壁附近煙溫較低，對(duì)水冷壁的輻射換熱有不利影響。在爐膛上部，煙氣經(jīng)換熱之后，溫度下降到1270～1400K，已經(jīng)趨于均勻。

圖3所示為爐膛上、下層燃燒器區(qū)域截面溫度場(chǎng)，高爐煤氣噴出燃燒器后迅速著火燃燒，且由于對(duì)沖燃燒的布置方式，燃燒區(qū)域中心處煙氣溫度最高，呈向兩側(cè)逐漸降低趨勢(shì)。

圖3 爐膛上、下層燃燒器區(qū)域截面溫度場(chǎng)（K）

為對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行一定程度的驗(yàn)證，將該物理模型的計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果以及實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行比較，見表2，模擬結(jié)果與理論計(jì)算及實(shí)際運(yùn)行結(jié)果相近，符合實(shí)際應(yīng)用要求。

表2 計(jì)算結(jié)果、模擬結(jié)果以及實(shí)際運(yùn)行工況參數(shù)比較（℃）

4 結(jié)語

（1）計(jì)算所選模型較為準(zhǔn)確，結(jié)果符合實(shí)際運(yùn)行工況，可參考進(jìn)行同類型鍋爐的模擬研究，為高爐煤氣鍋爐的生產(chǎn)改造提供幫助。

（2）高爐煤氣鍋爐的前后墻對(duì)沖布置利于自身回流著火，可單獨(dú)組織燃燒，回流卷吸高溫?zé)煔?，縮短燃燒火焰，可使熱值較低的高爐煤氣燃燒穩(wěn)定、充分。

（3）高爐煤氣鍋爐采用對(duì)沖布置利于爐左、爐右的煙氣溫度平衡，但存在前后墻煙氣偏差的不利因素。

（4）高爐煤氣鍋爐對(duì)沖燃燒器在爐膛中布置的節(jié)距較大，相鄰燃燒器之間沒有互相支持，單只燃燒器的熱功率大，對(duì)燃燒系統(tǒng)的燃燒器自穩(wěn)燃及燃盡能力要求較高。