工业煤粉锅炉额定燃烧工况数值模拟_新闻_

王涛　钟晓晖

中图分类号：TN919.8 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）01-0262-01

前言

二十世纪中期，随着工业的迅速发展，工业锅炉容量由小向大发展，压力、温度也有所提高，结构繁多。从九十年代后期各国开始扭转了思路，转向高效、节能为主要目标：以强化燃烧、强化传热、提高给水品质、降低排污量、改进绝热环保材料，降低散热损失、适当增加一些受热面（如装节能器）以降低排烟温度。还采取了一些新技术来提高效率和降低NOX的排放。

1 理论分析

1.1 喷粉燃烧工业锅炉燃烧特性

针对链条炉排锅炉存在的缺点和煤粉燃烧技术的优点，采用喷粉燃烧技术，改层燃为悬浮燃烧对链条炉排锅炉进行节能改造，可取得明显的节能效果。因为煤磨成煤粉后，由于小而轻，可在表面吸附大量空气，具有良好的流动性。而且可以增大与空气的接触面积，提高燃烧速度及燃烧的完全程度，降低机械和化学不完全热损失，提高整个燃烧系统的效率。

1.2 改造后链条炉特性

1）烟风系统

锅炉的运行可分为两个过程：炉内过程和锅内过程。前者包括燃料的燃烧过程和受热面外部烟气侧的炉内传热过程，管道内灰分沉积、结渣及腐蚀；后者包括受热面金属与工质之间的传热过程，工质的蒸发与过热过程，工质的流动过程和工质侧的热化学过程诸如蒸汽品质、盐分沉淀和管内结垢腐蚀等问题。要使锅炉可靠而经济地运行，必须合理地设计好炉内过程和锅内过程。锅内过程的好坏对锅炉效率本身关系不大，对锅炉经济性及安全性有一定影响，严重影响的是锅炉的安全可靠性。锅内过程的稳定需要炉内过程提供稳定的、额定温度及流速的烟气条件[2-2]。

根据图1，煤粉在载气的输送下左侧中心喷口沿炉的轴向喷入，载气为空气。煤粉进入燃烧室后经点火器点燃后迅速在燃烧室内产生火焰并持续燃烧，产生强大的热气流，在燃烧室区域设置炉拱，加强气流的扰动混合，使炉膛内可燃气体充分燃烧。对于低挥发分的煤，炉拱的主要作用就是保证燃料快速着火，同时大量灰分在此处沉积，通过炉箅子将沉积的灰分清除。燃烧产生的高温烟气使未完全燃烧的颗粒在炉膛中继续燃烧，并与水冷壁换热，通过联通口送入上层换热器，最终经立式换热器后通过烟道排入烟气净化水池。

2）水循环系统

如图1所示，在圆拱形的炉膛两侧及顶部布满水冷管，与炉膛联通的为二级加热烟道，直立部分为尾部烟道，布置水冷管道作为预热器，冷却水经尾部烟气预热后约50℃，经过二级加热烟道后温度约为70℃左右，最终经过下炉膛水冷壁后温度上升至90℃，冷却水的压力由水侧减压水箱控制，位于炉子的上部。高温水供热后冷却至较低温度，通过水泵循环使用。

2 模型建立

2.1 燃烧数学模型的建立

FLUENT 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法。煤粉燃烧过程包括多种热传递方式和多组分化学反应的湍流气固两相流动，需要建立描述其物理、化学过程的数学摸型，包括气固两相流动、相间动量传递、气固相间热传递、煤粉干燥、挥发分热解和燃烧、焦炭燃烧以及气相辐射传热等模型[5-13]。

流体流动要受物理守恒定律的支配，基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。如果流动包含有不同成分（组分）的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统还要遵守附加的湍流运输方程。

2.2 基本假设及网格划分

2.2.1 模型假设

模拟炉膛的燃烧过程的物理模型进行以下假设：

1）前后拱、前后墙、各侧墙均为灰体漫反射面； 2）燃烧器为火焰起始部位，也就是炉膛的入口； 3）炉膛壁面边界条件：炉膛水冷壁面视为恒温，取为600K，黑度为0.8，炉拱壁面视为绝热，黑度0.8； 4）炉膛出口边界条件：给定炉膛出口压力，取为0Pa。

2.2.2 网格划分

本燃烧炉在进行网格划分时，先生成炉膛顶部截面的网格，沿炉膛轴向有对称的三对烟气通道，燃烧室是正方形区域，采用结构网格进行划分，火焰喷口区域内采用三角形的非结构化网格进行加密，拱形炉膛内部采用非结构网格进行划分，然后沿着燃烧炉高度方向用的方式进行延伸。采用以上方法可以保证网格的对称性以及减轻数值计算中的伪扩散。

2.3 额定工况模拟结果

2.3.1 温度分布

煤进入煤粉炉后随着烟气向前的运动，受到炉膛壁面的辐射传热以及炉内烟气的对流换热，煤吸收热量，逐渐发生水分蒸发、挥发分析出、固定碳燃烧等过程，并且释放出大量的热。结合煤粉炉y=1870mm处截面温度分布图，以及z=500mm处横截面温度分布图，煤沿着轴向向炉膛内部喷出，煤粉进入炉膛后，受到炉内的高温烟气对流换热以及炉膛壁面的辐射换热，煤粉被点燃，发生剧烈的燃烧传热反应，在煤粉喷口一段距离后出现局部高温区。随着水冷壁将热量带走，燃烧产生的烟气温度逐渐降低，最终烟气从炉膛排出。由于煤粉及一次风流速很高，火焰比较集中在炉膛的一侧，容易产生结渣和炉壁热负荷不均匀的情况，这样对于炉膛的安全性产生影响。

2.3.2 压力分布

改造喷煤粉燃烧后，炉膛底部压力增大，在炉膛的入口部分压力出现局部增大，主要是由于煤粉燃烧释放大量的热，烟气受热膨胀，形成局部拥塞，而在燃烧室部分仍有大量空气供入煤粉炉内，因此出现局部正压。而在局部压力增大的区域尾部出现局部压力突降，这是煤粉剧烈燃烧造成的。

2.3.3改善措施

1）应保证锅炉的送风量适中以及锅炉的密封性，尽量减少漏风。在充分燃烧的前提下降低过量空气系数。而对于排烟温度过高的问题，应适当地增加尾部受热面、省煤器、空气预热器来降低排烟温度。

2）采取优化炉膛结构的措施来增强烟气的扰动，加强可燃气体与氧气的混合，并保证适当的空气量，降低化学未完全燃烧热损失。

3）机械未完全燃烧热损失可以通过提高炉温、改进炉内结构、改进配风装置、改进燃烧设备、调节炉排速度来适当降低。

2.4 结论

通过上述喷煤粉工业炉内模拟过程中所得到温度、速度、压力结果来看，保证链条炉与煤粉链条炉的燃煤量相同情况下，以74.39m/s的风速将煤制成煤粉通入炉膛内部可以大大提高炉膛出口烟气的温度、速度，降低可燃气体浓度，可以促进炉内的扰动加强，改造效果明显。

1）炉膛内前后温差达400℃，前半部温度较高，结渣严重。在实际运行过程中要充分考虑炉膛的结构以及高温对炉膛安全性，结渣性能的影响；

2）在煤粉链条炉内也出现局部压力过高这一问题，可以通过调整炉下侧送风仓的挡风墙的高度，增加火焰处气流混合强度来解决此问题；

3）炉膛喉口上侧的回流区增大，这样更加有助于加强炉膛空间的扰动，增强烟气之间的传热以及加强氧气与可燃气体之间的混合；

4）炉膛内部颗粒循环强度大，有利于燃尽，但仍有大量颗粒较快离开炉膛。