40 t/h循环流化床锅炉炉内燃烧数值模拟

杨泉

(山西朔州平鲁区茂华白芦煤业有限公司，山西 朔州 036000)

40 t/h循环流化床锅炉炉内燃烧数值模拟

杨泉

(山西朔州平鲁区茂华白芦煤业有限公司，山西 朔州 036000)

数值模拟是研究工程气固两相流中辅助试验方法的一种强有力的工具，采用数值模拟方法对40 t/h循环流化床锅炉的燃烧进行了研究，计算分析了炉内的速度场分布情况。针对气流流场分析结果提出了布风板不均匀进风的措施，并对二次风进口进行了改进。

循环流化床锅炉；燃烧；数值计算；布风板

0 引言

为了寻找最佳运行工况，保证煤粒能够高效燃烧，本文通过数值模拟对实际问题进行分析。煤粒在循环流化床锅炉内的燃烧较为复杂[1-5]，需要对炉内颗粒和气相流动、煤粒与氧气的反应以及各种换热过程有深刻的理解和认识[6-8]。随着科学技术的进步、计算机技术的不断成熟以及理论知识的不断完善和巩固，关于燃烧方面的数值模拟也在快速发展[9-12]，本文选取40 t/h循环流化床锅炉作为对象进行炉内燃烧的数值模拟研究。

1 计算模型及数值方法

为了快速有效地研究循环流化床锅炉内的燃烧状况，将40 t/h循环流化床锅炉进行了简化，去掉旋风分离器和回料装置等部分，换成从底部平面均匀进一次风，仅研究炉膛的主体部分。为保证物料循环，计算过程中将出口处的颗粒返送至回料口，使用Solidworks建立几何模型，如图1所示。

图1 锅炉炉膛主体结构 图2 一、二次风入口墙面划分细节

1.1 网格划分

本文使用Gambit划分体网格，选择划分混合网格。本文网格划分方法为Tet/Hybrid(指定该网格主要包括四面体网格单元，但在适当的位置也可以包含六面体楔体网格)，划分类型为Tgrid。使用Tgrid划分网格时，不分解几何模型直接划分网格，在四面体网格和六面体网格之间自动采用金字塔网格过渡，划分结果如图2所示。

1.2 网格的无关性验证

本文取底部一次风进口风速为5.6 m/s，二次风进口风速为30.0 m/s，将出口的平均速度作为验证条件，分别对不同网格数进行验证，结果如图3所示。

图3 不同网格数下出口平均风速

由图3可知，网格数为79×104时出口风速已经趋于平缓。在实际使用中，既要保证网格准确度，又要尽量减少计算量[13-16]，为了方便计算，本文取网格数为79×104的网格进行模拟。

1.3 3个工况下冷态求解的速度场

不同工况的参数见表1。在X=0.750 m的锅炉中心横截面Y方向的速度场分布如图4所示。

先分析3个工况下沿Y方向速度场共有的性质：从图4可以看出，一次风从炉膛底部进入后，在低位二次风进口处与二次风混合，速度得到快速提升，随着炉膛高度的增加，速度先增大后减小；然后与高位二次风相遇，速度又得到快速提升，也经历了先增大后减小的过程；在炉膛顶部，由于炉膛出口的影响(截面积变小)，空气开始回流(速度为负值，表示方向沿着Y轴负方向)，随着与炉膛出口距离的减小，速度逐渐增大。

表1 不同工况的参数

图4 X=0.750 m的锅炉中心横截面Y方向的速度场

3种工况下速度场的分布也有差异：在一次风与低位二次风混合的区域，速度发生急剧变化，这有利于燃烧过程中燃料与氧气的充分接触，而相比于工况1和工况2，工况3下等速度线的分布更为密集，证明该区域的速度变化更为频繁，意味着工况3下燃料和氧气的混合最为剧烈；在靠近二次风进口处速度最大，说明密相区空气的混合强度大，有利于燃烧，而工况3下，靠近二次风进口处的速度最大；在稀相区，工况3的速度变化逐渐趋于平缓，速度分布较为均匀，而工况1和工况2下，速度在炉膛上部还在发生变化。

图5 Z=-2.090 m的锅炉中心纵截面Y方向的速度场

Z=-2.090 m的锅炉中心纵截面Y方向的速度场如图5所示。从图5可以看出，一次风从底部均匀进入，在与低位二次风相遇后速度发生剧烈变化，先持续增大，并且炉膛中心速度大于靠近墙壁处的速度，随着炉膛高度的上升，速度逐渐减小；在与高位二次风混合后，速度又经历先增大后减小的过程，随着炉膛高度的上升，速度分布逐渐趋于均匀；在炉膛出口处，由于截面积突然减小，速度迅速增大；受炉膛出口的影响，炉膛顶部空气回流，出现了低速涡流现象[17-20]。与工况1相比，在密相区和二次风进口处，工况2的速度变化更为频繁，说明其扰动也更为强烈；工况2和工况3在二次风进口处的混合都比较剧烈，但从中心的最大速度来看，工况3最大速度为10 m/s，工况2最大为8 m/s，所以工况3的混合程度要大于工况2。

在Y=2.535 m截面处，也就是低位二次风进口处，对比3种工况下沿X轴方向的速度场，如图6所示。除了由于不同一、二次风配比导致的进口处速度不同，其他基本没有太大的区别。

图6 Y=2.535 m截面处沿X轴方向的速度场

根据以上分析可以看出，工况3的气流组织较优，但也存在一些问题：从图4的速度场分布看，靠近墙壁两侧的风速要高于炉膛中心的速度，会造成炉膛中心区域严重缺氧；气流对水冷壁的冲刷较为严重，会加大水冷壁的磨损，使水冷壁受热不均匀，影响水循环，严重时可能导致爆管事故；同时，气流在向两侧偏斜时，高位二次风经切向射入，并没有对其产生干扰，因此可以推断，高位二次风对上升气流的干扰度不够，需要针对气流组织的分析结果做出改进。

2 改进措施

2.1 布风板不均匀进风

从布风板中心区域向周界区域的进风量逐级递减，这样可以提高中心区域一次风的穿透能力，增强炉膛中心的气流强度和气流量，改善由于侧墙附近气流速度过大而对水冷壁管壁的冲刷磨损问题和炉膛中心的缺氧问题[21-23]。

2.2 对二次风进口进行改进

从气流组织的模拟结果来看，应加强二次风对上升气流的干扰效果，具体措施如图7所示。

图7 复合型旋流供风管道

通过改进流化床锅炉供风装置，设计复合型供风管道和旋流叶片，实现供风的穿透性，扰动炉膛中心位置的一次风，强化与底部供风的混合。

3 结论

本文介绍了模型的简化假设，展示了所使用的物理模型以及网格划分的细节，而且对其做了网格无关性验证。通过求解冷态流场并对其进行简要分析，找到问题的可能原因并进行了改进。

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(本文责编：刘芳)

杨泉(1989—)，男，山西朔州人，工程师，从事煤电装备技术管理工作(E-mail:476242306@qq.com)。

TK 229.6+6

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1674-1951(2017)11-0010-03

2017-10-10；

2017-10-22