链条炉内气流场试验研究与模拟

2018-03-21上海市质量监督检验技术研究院

上海计量测试 2018年1期

上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

目前我国北方很多地方燃煤工业锅炉主要仍然以链条锅炉为主[1]，然而随着国家环保要求的提高，原炉型很大程度上已不能满足环保要求，所以急需对其进行改造。现常见方法是对链条锅炉通过增拱提高燃烧效率以减少排放[2][3]。本文介绍通过模拟和试验研究了炉内增拱后，不同负荷下65 t/h链条炉的炉内气流的影响。

1 原理分析

链条炉炉内增加了前拱，炉膛形成半开式结构，提高炉膛燃烧温度，增加燃烧强度，使烟气流形成S形，延长小煤粒子在炉内的停留时间，小煤粒子得到充分燃尽。同时把原来的前墙二次风布置于前后拱形成的喉口处，此处细煤屑浓度、烟气温度都比较高，有利于细煤屑的迅速着火和燃尽。另外，适当调整前后二次风喷射角度，使其在炉拱下部形成回流区，以强化主燃烧区的燃烧，同时延长烟气炉内运动的轨迹[4]。

为了判断炉膛空气动力工况是否良好，就需要直接进行速度场测量和气流状况观察。所谓速度场，就是炉内气流流动的方向和速度值的分布。这在锅炉运行情况下很难全面观测到，所以通常在冷态下，进行炉内空气动力场的试验测定。炉膛内动力场和温度场相互影响和耦合，炉膛燃烧空气动力场的监测对于炉膛燃烧优化调整和控制有十分重要的意义[5]。炉内冷态空气动力场试验通常用飘带与风速仪测量相结合的方法进行：用飘带网来观察某一截面的全面气流状况，用风速仪在炉内测量炉内选定点的速度大小。应用质轻易飘的飘带来显示炉膛内气流流动方向是一种常用的炉膛冷态空气动力场测定方法[6]。该方法简单易行，一般以纱布作飘带，在需要观察的测定区域中拉线并将一系列飘带按一定间距扎在拉线上，根据通风后各飘带的飘动方向即可用描绘记录或摄影等方法得出该区域的空气流动方向图。

2 试验

本次实验是在江苏某集团热电分厂链条炉（图1）内用热球风速仪与飘带结合的方法测得了炉内一系列点的一次风速度分布，并对前后墙二次风、抛煤风进行了测量与研究。由于炉内工质流动状况比较复杂，因此测点的布置是根据网格法的原理，选择一些具有代表性的测点来反映整个炉内空气速度的分布规律。

图1 65 t/h链条锅炉

按照70%、100%负荷工况下各风门的开度，分别对一次风门、前拱二次风、后墙二次风的速度场进行测量。

3 CFD模拟结果分析

锅炉内部流场基本为紊流，故计算应用的数学模型采用紊流模型。分别采用标准K-ε双方程模型计算，近壁面处采用壁面函数法进行处理[7]。

三维直角坐标中标准的K-ε模型的控制方程

在定常条件下，三维直角坐标中K-ε模型的控制方程形式如下：

S——源项

计算采用固定的三维直角坐标系统，由于计算区域比较简单，可以直接划分为立方体网格。利用均分网格（18×20×60）进行模拟定常流动的速度场。

在数值计算求解器中根据边界的不同设定不同的边界类型，然后在各个边界的属性（Attributes）对话框中根据边界条件设定不同的流量或各个方向上的流速以及该边界上的压强等参数。由于是链条炉的冷态模拟，取空气是20 ℃的情况计算。20 ℃时，空气的物性参数：流体的密度为1.205 kg/m3；动力粘度为1.506×10-5Pa·s。对该65 t/h链条炉 70%、100%两个负荷下炉内流场进行CFD模拟，并且每个工况取了炉膛四个截面，并与实验实测数据进行对比。

炉内气流速度场数值模拟与实测速度对比图，如图2所示。

图2 炉内气流速度分布

图2显示了65 t/h链条炉，随着锅炉从70%负荷变化到100%负荷时，4个炉膛截面的炉内空气流场，图2中的数字为实炉测试数据。实际测得炉膛中各截面风速一般在0.2 m/s到7.0 m/s之间变化，炉膛前拱下中部风速最高可达7.0 m/s，炉膛前拱下靠墙位置风速最低达0.2 m/s。从图2中明显看出：实炉冷态测试的结果和数值模拟的结果吻合较好，并且变化规律也趋于一致。随着锅炉负荷从70%提升到100%，对应的是炉排上一次风速的提高，前拱上方产生了一个明显的回流区；根据流速线可以看出回流区的速度明显小于其周围的速度。由以上的数值模拟和实验实测速度场的对比图和理论实验值对比图，可以看出回流区中心离前墙的距离约为拱在水平面射影长度的1/2的距离处，回流区域的中心高度随锅炉负荷的增加而降低。