墙式切圆锅炉燃烧过程的数值模拟

王　飞, 潘卫国, 王文欢, 韩　涛

(1.上海电力学院, 上海　200090; 2.上海发电环保工程技术研究中心, 上海　200090)



墙式切圆锅炉燃烧过程的数值模拟

王飞1, 潘卫国1, 王文欢1, 韩涛2

(1.上海电力学院, 上海200090; 2.上海发电环保工程技术研究中心, 上海200090)

摘要:为研究墙式切圆锅炉炉内的燃烧问题,采用Fluent模拟软件,分析了炉内的速度场、温度场和NOspan的分布规律.结果表明,炉膛燃烧器区横截面的切圆直径随着炉膛高度的增加逐渐增加;在炉膛中心纵截面上,炉内中心温度低于两侧温度,而且随着炉膛高度的增加,温度先增后降,炉壁附近出现局部高温;NO浓度沿高度方向先升后降.

关键词：超临界锅炉; 燃烧; 数值模拟

目前,国内使用的煤粉锅炉80%以上是四角切圆锅炉,旋流燃烧锅炉的使用率不到10%[1].四角切圆锅炉具有结构简单、燃料的适应性强、风粉混合均匀等明显特点,在中国乃至全世界的应用范围非常广泛.而在常见的切圆锅炉中,又存在一种燃烧器布置于4面墙壁上的墙式切圆锅炉.墙式切圆锅炉充分利用了炉膛的容积,因而具有避免水冷壁结渣、热负荷均匀以及炉膛出口温度偏差小等显著特点,被广泛应用在实际的锅炉运行中.

国内外的学者对切圆锅炉进行了大量研究,采用的是试验、理论和数值模拟等方法.张开利等人[2]采用磨煤机系统调整试验,优化调整了机组的运行参数;秦明等人[3]通过实验室冷态模化实验,得出了墙式切圆燃烧喷口采用分组布置的形式可以有效减轻气流贴壁的结论;潘维等人[4]采用数值模拟的方法进行了切圆锅炉改造工况的研究;潘维和李彦鹏等人[5-6]针对切圆锅炉炉膛网格的生成方法进行了研究,发现pave 方法画出的辐射状网格能够有效地抑制伪扩散;吕太等人[7]对燃烧器喷嘴射入的角度进行了研究,通过Fluent数值模拟多种不同的射入角度,从而分析对比不同射入角度前后所形成的温度场、速度场及组分场的情况,分析所选角度的合理性,为同类机组的抑制结焦提供了有效参考.文献[8]采用一种新网格对609 MW的四角切圆锅炉炉内流动、传热、燃烧及NOx排放等情况进行了模拟,并进行实验验证,结果表明,模拟结果与实验相吻合,数值计算可行、可靠.文献[9] 对500 MW四角切圆锅炉炉内流动、燃烧、传热及NOx生成过程等进行了研究,着重研究了空气分级燃烧、二次风的配置、烟道气循环,以及燃料分级燃烧(再燃烧)降低NOx排放等技术.

本文基于Fluent软件,以某电厂墙式切圆锅炉为研究对象,对其炉内的燃烧过程进行数值模拟,得出速度场、温度场和NOx的分布情况及其燃烧规律,以期为研究该类型锅炉的安全运行提供理论依据.

1研究对象

本文主要以某电厂HG-1950/25.4-HM15超临界直流锅炉为研究对象.该锅炉为一次中间再热、超临界压力变压运行的直流锅炉,横截面为(炉膛宽度)20 402.3 mm×(深度)20 027.3 mm,采用中速磨直吹式制粉系统.

锅炉采用墙式切圆新型燃烧方式,主燃烧器布置在水冷壁的4面墙上,每层4只燃烧器对应1台磨煤机,燃烧器分组布置,共有3组,每组由下往上依次是二次风、一次风、二次风、一次风、二次风.SOFA燃烧器布置在主燃烧器区上方水冷壁的4个角,以实现分级燃烧降低NOx排放.锅炉的结构如图1所示.

2网格划分

本文基于CFD软件,对锅炉炉内的燃烧过程进行数值模拟.为研究方便,采用非结构化网格和结构化网格相结合的方法对炉膛进行网格划分,将炉膛整体划分为冷灰斗区、燃烧器区、上炉膛区和炉膛出口4大部分.

燃烧器部分是煤粉和空气喷入的主要部分,会产生剧烈的湍流和燃烧等现象,因此为减少模拟过程出现伪扩散对计算准确性的影响,对燃烧器区适当地进行了网格局部加密,同时采用非结构化网格进行划分.而其他几部分结构相对均匀,可采用结构化网格进行划分.所生成的炉膛网格模型如图2所示.

3数学模型及研究方法

锅炉的炉内燃烧过程是湍流流动与化学反应相互耦合的过程,它不仅涉及湍流和多组分的流动,而且相关的化学反应包括气相和颗粒相的燃烧,因此整个过程非常复杂[10].为简化整个燃烧过程,本文采用标准k-ɛ双方程湍流模型[11]模拟气相湍流的输送;运用随机轨道模型(Stochastic Tracking Model)跟踪煤粉颗粒;采用混合分数概率密度函数法(PDF)模拟气相湍流的燃烧;采用动力-扩散模型(Kinetic/Diffusion Limited Model)模拟焦炭的燃烧[12];运用双竞争反应模型(The Two Competing Rates Model)进行煤粉挥发分的释放;用于采用P-1辐射模型[13]用于辐射传热.计算时采用Simple算法[14].

模拟时,一次风、二次风和燃尽风入口的边界条件设置为速度入口,烟道出口设置为压力出口边界.炉膛壁面采用标准壁面方程、无滑移边界条件,即温度边界条件,给定壁面温度为600 K.运行参数见表1.

煤粉颗粒采取Rosin-Rammler分布,其最小颗粒为5 μm,最大颗粒为310 μm,平均颗粒为60 μm,分布指数取为1.5.煤质分析见表2.

4计算结果与分析

4.1速度场

图3为各层一次风口的速度分布图.从图3可以看出,各个截面的速度很好地形成了切圆的形式,符合设计要求.煤粉从一次风口进入炉膛以后,在湍流的作用下立即与空气混合.

同时,随着炉膛高度的增加,各个截面所形成的切圆直径逐渐增大.这是因为,随着炉膛高度的增加,炉内旋转强度也逐渐增加,从而使得形成的切圆直径增大.

4.2温度场

图4为不同截面的温度分布示意.从图4可以看出,煤粉从一次风口进入炉膛后被迅速点燃,然后在4股射流的相互干扰影响下,形成稳定的切圆.这也与上述得出的速度分布情况相一致.煤粉在离开壁面一定的距离时,挥发分快速析出并开始燃烧,释放出大量的热量,从而形成局部高温区.因此,高温区主要发生在煤粉的射流轨迹上,不在一次风口处,而是离水冷壁壁面有一定的距离,这符合锅炉的实际运行情况.同时,随着炉膛高度的增加,环状高温区不断增大,这也与炉膛高度增加导致旋流强度逐渐增加以及所形成的切圆直径不断增大有关.

图5为炉膛中心纵截面的温度分布.

从图5可以看出,从燃烧器喷出的煤粉立即与空气混合,燃烧释放大量的热,使得炉膛两侧的温度高于炉膛中心温度,但高温区不在壁面处,也不在炉膛中心处,而是在离水冷壁有一定的距离处.而且随着炉膛高度的增加,炉内温度先升后降,在燃尽风区域,随着温度较低的燃尽风的大量进入,使得燃烧不充分的焦炭充分燃烧,进而使得该区域的温度不断升高.随着炉膛高度的进一步增加,出现了折焰角以后,温度开始降低.

4.3NOx分布

锅炉燃烧中产生的NOx有3种,分别为燃料型NOx,快速型NOx和热力型NOx.由于快速型NOx的量极少,因此锅炉燃烧中所说的NOx指的就是燃料型NOx和热力型NOx两种.而所生成的NOx中,90%以上是NO,故以下以NO浓度代表NOx浓度.图6为z=10中心截面NO浓度分布图.

由图6可以看出,高浓度的NO主要分布在燃烧器区域的两侧靠近水冷壁的壁面处.对于燃料型的NO来说,煤粉颗粒挥发出的含氮的化合物被氧化成HCN,随后被氧化成NO,这部分氧气充足,NO的生成量增加.过了主燃区后,由于氧气被大量消耗,氧气含量大幅下降,部分NO被还原,使得NO浓度也略微开始下降,而燃尽风的加入,使得焦炭开始燃烧,NO的浓度也开始有所回升.过了燃尽风后,此时NO处于还原性气氛,NO浓度开始大幅下降,最终趋于稳定.而对于热力型的NO来说,它是由空气中的N2在高温下直接被氧气氧化而生成的,这与图6中的高NO区域正好相对应.

5结语

本文对墙式切圆锅炉炉内的燃烧过程进行了数值模拟,较为准确地描述了炉内的速度场、温度场和NOx的分布规律,此研究结果可以为该类型锅炉的设计和运行提供一定的理论依据.

参考文献：

[1]吴治永,李文彦.某新型旋流燃烧锅炉的数值模拟[J].现代电力,2004(2):11-16.

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[5]潘维,池作和,斯东波,等.四角切圆燃烧锅炉炉膛网格生成方法的研究[J].动力工程,2005,25(3):359-363.

[6]李彦鹏,张强,徐益谦,等.四角切圆炉三维流动模拟中减小伪扩散的新方法[J].能源研究与利用,2001(2):30-32.

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[14]刘沛奇,韩冰,李壮,等.采用近流线网格对NOx生成过程的数值研究[J].发电与空调,2014(6):1-5.

(编辑胡小萍)

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

中图分类号：TK224.11

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2016)01-0005-04

基金项目：上海发电环保工程技术研究中心项目(11dz2281700); 上海市科学技术委员会科技攻关项目(13dz1202703,14dz1200200).

通讯作者简介：王飞(1990-),男,在读硕士,陕西延安人.主要研究方向为锅炉安全运行.E-mail:sgjlwf@163.com.

收稿日期：2015-07-19

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.002