鍋爐燃燒器高寬比對(duì)燃燒影響的數(shù)值模擬

摘 要

摘要：以蒸發(fā)量為670t/h的四角切圓布置煤粉鍋爐為研究對(duì)象，在不同燃燒器高寬比下，模擬了燃燒器平面溫度場(chǎng)、射流中心兩側(cè)靜壓差。燃燒器高寬比大于9時(shí)，爐內(nèi)氣流切圓直徑達(dá)到最大，
摘要：以蒸發(fā)量為670t/h的四角切圓布置煤粉鍋爐為研究對(duì)象，在不同燃燒器高寬比下，模擬了燃燒器平面溫度場(chǎng)、射流中心兩側(cè)靜壓差。燃燒器高寬比大于9時(shí)，爐內(nèi)氣流切圓直徑達(dá)到最大，高溫區(qū)域均到達(dá)壁面附近，易引起結(jié)渣或高溫腐蝕等；在4～9時(shí)，氣流切圓大小適中，燃燒組織合理；小于4時(shí)，爐內(nèi)氣流充滿(mǎn)程度相對(duì)較差，爐膛中部火焰過(guò)于集中，不能發(fā)揮切圓燃燒組織的優(yōu)勢(shì)。燃燒器出口射流兩側(cè)靜壓差隨著燃燒器高寬比的增大呈非線性增大。
關(guān)鍵詞：四角切圓鍋爐；數(shù)值模擬；燃燒器高寬比
Numerical Simulation of Influence of Depth-width Ratio for Boiler Burner on Combustion
WANG Ci-cheng，HAO Yong-gang，WANG Rui-ping，SHI Zhong-quan
Abstract：Taking four corner tangentially fired pulverized coal boiler with evaporation capacity of 670t/h as research object，the plane temperature field of burner and the static pressure difference on both sides of jet flow center are simulated at different depth-width ratios of burner. When the depth-width ratio of burner is more than 9，the diameter of airflow tangential circle is maximum，and the high temperature area is close to the wall，which easily leads to slagging and high temperature corrosion. When the depth-width ratios of burner is in the range of 4 to 9，the size of airflow tangential circle is moderate，and the combustion organization is reasonable. When the depth-width ratios of burner is less than 4，the fullness of air in the boiler is relatively bad，and the flame in the center of combustion chamber is too concentrated，which can not exert the advantages of tangential combustion organization. The static pressure difference on both sides of jet flow outlet of burner is non-linearly increased with increase in depth-width ratio of burner.
Key words：four corner tangential boiler；numerical simulation；depth-width ratio of burner
1 概述
四角切圓燃燒布置已成為世界上電廠鍋爐廣泛采用的型式[1]，但仍存在一些技術(shù)難題，尤其是在我國(guó)電廠鍋爐中與煤種相關(guān)的燃燒問(wèn)題突出，如低灰熔點(diǎn)煙煤的嚴(yán)重結(jié)焦、貧煤鍋爐的高溫腐蝕、劣質(zhì)煙煤的燃燒不穩(wěn)定性等[2]。這些問(wèn)題的長(zhǎng)期存在，一方面有煤種與燃燒組織之間的矛盾，另一方面也與燃燒研究的技術(shù)手段尤其是燃燒數(shù)值模擬工作的滯后有關(guān)系。
   在爐膛燃燒動(dòng)力工況表征方面，一二次風(fēng)燃燒器射流軌跡及爐膛截面實(shí)際最大速度形成的實(shí)際切圓的大小成為爐內(nèi)動(dòng)力場(chǎng)優(yōu)劣的評(píng)判準(zhǔn)則。其主要影響因素有爐膛截面長(zhǎng)寬比、一二次風(fēng)噴口軸線與爐膛對(duì)角線的夾角、燃燒器高寬比及燃燒器之間的間距、燃燒器層數(shù)、一二次風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)溫等。這些因素通過(guò)影響燃燒器射流之間的相互作用強(qiáng)度改變著爐膛的燃燒動(dòng)力特征——燃燒器區(qū)域截面溫度分布。在這些因素中，一二次風(fēng)噴口軸線與爐膛對(duì)角線的夾角，即合理的假想切圓大小的問(wèn)題經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐，已基本形成共識(shí)。而燃燒器高寬比的選用，也同樣是四角切圓布置燃燒器設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。燃燒器高寬比指將同一角上的燃燒器視作是一個(gè)組合，將這一組燃燒器視為一個(gè)整體，其高寬比即為這個(gè)整體的高度與寬度之比。
    在燃燒器高寬比對(duì)爐膛實(shí)際切圓的影響方面，長(zhǎng)期以來(lái)存在著不同的認(rèn)識(shí)，甚至分歧較大。20世紀(jì)50年代，部分學(xué)者從冷態(tài)實(shí)驗(yàn)得到燃燒器高寬比不得大于4的結(jié)論，多年來(lái)一直被奉為直流燃燒器設(shè)計(jì)的一條戒律。但朱珍錦的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：燃燒器高寬比取5～9時(shí)，機(jī)組能安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。而關(guān)于燃燒器高寬比對(duì)爐內(nèi)燃燒動(dòng)力工況的數(shù)值模擬尚未見(jiàn)專(zhuān)門(mén)的報(bào)道。本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)改進(jìn)網(wǎng)格系統(tǒng)來(lái)減小偽擴(kuò)散的影響，以5種燃燒器高寬比條件下蒸發(fā)量為670t/h的四角切圓鍋爐為研究對(duì)象，對(duì)鍋爐燃燒器高寬比對(duì)燃燒的影響進(jìn)行數(shù)值模擬。
2 模擬條件
    ① 計(jì)算鍋爐簡(jiǎn)介及網(wǎng)格劃分
    以某電廠的670t/h四角切圓鍋爐為原型進(jìn)行燃燒數(shù)值模擬，爐膛結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其寬度×深度×高度=12.2m×12.2m×52.1m；煙窗尺寸為12.2m×10.6m，折煙角的傾角為30°，仰角為38.8°，深度為2.8m。一二次風(fēng)噴口布置見(jiàn)圖2，一次風(fēng)噴口從下向上編號(hào)依次為A、B、C、D、E，二次風(fēng)噴口從下向上編號(hào)依次為F、G、H、I、J、K、L，一二次風(fēng)噴口截面尺寸為0.45m×0.45m。一二次風(fēng)噴口的中心距為636.25mm，燃燒器組高度為7.635m，一二次風(fēng)布置及配風(fēng)方式為相間布置、均等配風(fēng)。燃燒器不同高寬比工況采用改變?nèi)紵魍哆\(yùn)層數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這里F～L層的高度與F層的寬度之比為燃燒器高寬比。

    燃燒器切圓布置見(jiàn)圖3，從左下角逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，燃燒器編號(hào)依次為1～4號(hào)角，1～4號(hào)角射流方向與前墻夾角均為42.5°，圖中虛線MN為計(jì)算結(jié)果分析時(shí)的輔助線。由于四角切圓鍋爐幾何區(qū)域的復(fù)雜性，采用直角坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，其每個(gè)角上的一二次風(fēng)的入口方向與直角坐標(biāo)的網(wǎng)格邊界的夾角約為45°，這就容易產(chǎn)生數(shù)值偽擴(kuò)散[4]，影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。為減小偽擴(kuò)散，本文采用平面網(wǎng)格體系(見(jiàn)圖4)。爐內(nèi)計(jì)算區(qū)域采用了六面體網(wǎng)格，由圖4可知，燃燒器噴口附近的節(jié)距較小，并呈輻射狀，以適應(yīng)燃燒器射流的發(fā)展，盡可能使流體流動(dòng)方向與網(wǎng)格邊界的夾角遠(yuǎn)離45°，最大限度地以垂直于網(wǎng)格邊界的方向進(jìn)入計(jì)算微元體。
 

   ② 計(jì)算方法
   對(duì)于四角切圓鍋爐，氣流從四角噴口噴入，在爐膛內(nèi)形成了旋渦，爐內(nèi)流動(dòng)已接近強(qiáng)旋流動(dòng)的范圍，采用常用的標(biāo)準(zhǔn)κ-ε方程模擬爐內(nèi)流動(dòng)存在困難[5，6]。本文采用重整化群κ-ε模型[7]進(jìn)行數(shù)值模擬。壓力場(chǎng)的耦合采用SIMPLE方法，煤粉顆粒的跟蹤采用了隨機(jī)軌道(Stochastic Tracking)方法，煤揮發(fā)分的析出采用雙匹配速率模型(Two Competing Rates Model)，固定碳的燃燒按擴(kuò)散動(dòng)力反應(yīng)模型(Kinetics Diffusion-Limited Combustion Model)，輻射換熱按P-1(P-1 Radiation Model)模型。開(kāi)始計(jì)算時(shí)，先求解等溫流場(chǎng)，待動(dòng)量方程收斂后，再耦合顆粒場(chǎng)、燃燒和輻射換熱，然后進(jìn)行循環(huán)迭代；當(dāng)連續(xù)性方程和能量方程的殘差都不再減小時(shí)，各計(jì)算參數(shù)不再隨迭代次數(shù)變化，燃燒過(guò)程計(jì)算即告收斂。5種工況下的燃燒器高寬比見(jiàn)表1。工況4中的燃燒器上下不連續(xù)，故不存在統(tǒng)一的高寬比。
表1 5種工況下的燃燒器高寬比
工況
工作噴口
燃燒器高寬比
1
B、G、H
3.83
2
A、B、F、G、H
6.66
3
A、B、C、F、G、H、I
9.48
4
A、B、C、F、H、I
—
5
A～L
16.55
3 計(jì)算結(jié)果及分析
3.1 燃燒器各層溫度分布
    各工況下，燃燒器各層的溫度分布見(jiàn)圖5～14，圖中數(shù)值的單位為℃。由圖5～14可知：
    ① 工況1的燃燒器高寬比為3.83，此時(shí)所形成的切圓直徑相當(dāng)于爐膛寬度的30%～40%。因此，燃燒器高寬比較小時(shí)，爐內(nèi)氣流充滿(mǎn)程度較差，爐膛中部火焰過(guò)于集中，而四周溫度水平較低，這種工況將不利于煤粉的著火。
    ② 工況2的燃燒器高寬比為6.66，所形成的切圓直徑相當(dāng)于爐膛寬度的50%～60%，爐內(nèi)氣流充滿(mǎn)程度較好，燃燒器平面的高溫區(qū)域在切圓附近，而爐壁溫度水平較低，是較為理想的燃燒工況。
    ③ 工況3是實(shí)際運(yùn)行可能采用的方式，這種工況下燃燒器的高寬比達(dá)到9.48，由圖9、10可知，切圓直徑與工況5氣流緊貼壁面的計(jì)算結(jié)果相比有了一定程度的減小，但是仍然接近爐膛的寬度，致使高溫區(qū)緊貼壁面。
    ④ 將工況3中的G層二次風(fēng)噴口關(guān)掉，就是工況4，這種情況相當(dāng)于把燃燒器分成了上下兩組，下組由A、F層組成，上組由B、C、H、I層組成，上下兩組燃燒器的高寬比分別為5.24、2.41。由圖11、12可知，與工況3相比，工況4的切圓明顯減小，并且爐內(nèi)氣流充滿(mǎn)程度較好，是較為理想的燃燒工況。圖11中B層切圓大于圖12中F層切圓，這是由于B層噴口在F層噴口上方，隨著爐膛高度的增加，氣流會(huì)卷吸更多的煙氣，使得切圓的直徑會(huì)隨著高度的增加而變大。這種模擬結(jié)果也給實(shí)際運(yùn)行帶來(lái)了啟示，當(dāng)電廠鍋爐設(shè)計(jì)不合理，并沒(méi)有對(duì)燃燒器進(jìn)行分組時(shí)，運(yùn)行人員可以人為停掉一層噴口，也會(huì)起到對(duì)燃燒器進(jìn)行分組的作用。
    ⑤ 工況5中所有噴口全開(kāi)，這時(shí)燃燒器的高寬比達(dá)到16.55。計(jì)算結(jié)果顯示，實(shí)際切圓直徑過(guò)大，氣流從燃燒器噴出后直接沖刷爐壁，由圖13、14可知，燃燒器平面的高溫區(qū)域均在壁面附近，這樣會(huì)在爐壁附近形成還原性氣氛，降低了灰熔點(diǎn)，運(yùn)行中容易造成爐壁的結(jié)渣。
 

3.2 各工況動(dòng)壓、靜壓
    由于噴口布置角度偏離對(duì)角線，特別是射流進(jìn)入爐膛后相互作用，導(dǎo)致射流向一側(cè)墻偏轉(zhuǎn)，從而形成射流兩側(cè)較大的補(bǔ)氣條件差別。兩側(cè)也必然形成靜壓差，有靜壓差就會(huì)發(fā)生射流的偏轉(zhuǎn)。射流兩側(cè)靜壓差的大小成為射流偏轉(zhuǎn)強(qiáng)度傾向大小的判據(jù)，燃燒器射流中心兩側(cè)的靜壓差越大，射流偏轉(zhuǎn)越嚴(yán)重，爐內(nèi)的切圓也就越大。
    工況1中B層2號(hào)角的動(dòng)壓分布見(jiàn)圖15，在輔助線MN方向上的長(zhǎng)度為5.4m時(shí)，動(dòng)壓達(dá)到最大，可以判斷這是燃燒器噴口噴出的射流中心所在的位置。工況1中B層2號(hào)角的靜壓分布見(jiàn)圖16，在輔助線MN方向上的長(zhǎng)度為5.4m的兩側(cè)，靜壓分別有兩個(gè)高峰值，這兩個(gè)峰值之差即為燃燒器噴口噴出的射流中心兩側(cè)的靜壓差，約32Pa。通過(guò)此種方法，可以計(jì)算出所有燃燒器射流中心兩側(cè)的靜壓差。各工況燃燒器射流中心兩側(cè)靜壓差平均值見(jiàn)表2，這里的平均靜壓差為各工況下所有燃燒器射流中心兩側(cè)靜壓差的算術(shù)平均值。由表2可知隨著高寬比的增加，燃燒器射流中心兩側(cè)平均靜壓差逐漸增大。
燃燒器高寬比與射流兩側(cè)平均靜壓差的關(guān)系見(jiàn)圖17。

表2 各工況燃燒器射流中心兩側(cè)靜壓差平均值
工況
平均靜壓差/Pa
高寬比
1
13.72
3.83
2
24.70
6.66
3
43.39
9.48
4
28.42
—
5
52.62
16.55
由圖17可知，當(dāng)燃燒器高寬比小于4時(shí)，射流兩側(cè)的平均靜壓差相對(duì)較小，而當(dāng)燃燒器高寬比介于4～9時(shí)，射流兩側(cè)的平均靜壓差會(huì)隨著燃燒器組高寬比的增加快速增加，當(dāng)燃燒器高寬比大于9后，射流兩側(cè)的平均靜壓差的增長(zhǎng)趨于平緩。但結(jié)合前面溫度分布模擬的結(jié)果，事實(shí)上，當(dāng)燃燒器高寬比大于9后，燃燒器區(qū)域熱態(tài)切圓已接近爐膛邊壁，故此后再增大高寬比，無(wú)論對(duì)切圓大小還是熱態(tài)溫度分布的影響均逐漸減小。故燃燒器高寬比為9，基本上可以作為燃燒器噴口不分組的極限值，若大于9，就要將燃燒器進(jìn)行分組，組與組之間留有足夠的間隙，以使每一組的燃燒器高寬比小于9。
4 結(jié)論
① 本文模擬了670t/h四角切圓鍋爐不同高寬比下燃燒器平面溫度場(chǎng)，從模擬結(jié)果看出，燃燒器出口射流兩側(cè)平均靜壓差隨著燃燒器高寬比的增大而增大，但其增加幅度會(huì)隨著燃燒器高寬比的不同發(fā)生階段性變化。
② 當(dāng)燃燒器的高寬比大于9時(shí)，燃燒器射流組實(shí)際切圓達(dá)到最大，并基本不再增大，燃燒器平面的高溫區(qū)域均到達(dá)壁面附近，這是引起燃用不同煤種引起結(jié)渣或高溫腐蝕等的實(shí)質(zhì)原因。燃燒器高寬比在4～9時(shí)，鍋爐切圓大小適中，燃燒組織合理。當(dāng)燃燒器高寬比小于4時(shí)，爐內(nèi)氣流充滿(mǎn)程度相對(duì)較差，爐膛中部火焰過(guò)于集中，盡管四周溫度水平較低，但不能發(fā)揮切圓燃燒組織的優(yōu)勢(shì)，將引起煤種適應(yīng)性變差、爐膛出口煙溫升高等不良后果。
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(本文作者：王次成1 郝永剛2 王瑞平2 史忠權(quán)2 1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 上海200240；2.內(nèi)蒙古包頭第二熱電廠 內(nèi)蒙古包頭 014030)