呂薇 韓晴 陳偉鋒 齊國利 張松松

摘 要：為了達(dá)到國家節(jié)能減排約束性目標(biāo)及能源的高效利用，根據(jù)CFD原理選取某型號的58MW煤粉爐為研究對象，對燃燒器及爐膛進(jìn)行三維物理建模，根據(jù)合理的假設(shè)和邊界條件設(shè)置，模擬在6種工況下鍋爐爐內(nèi)速度場，探討其變化規(guī)律。通過6種工況的計(jì)算結(jié)果對比得知當(dāng)鍋爐負(fù)荷是100%和80%時(shí)，隨著風(fēng)量比的增大，流場的擾動(dòng)效果越好，當(dāng)負(fù)荷是60%時(shí)，風(fēng)量比的大小對于流場的影響很小，基本趨于相同;當(dāng)風(fēng)量比相同時(shí)，對流場的擾動(dòng)作用會(huì)隨著負(fù)荷的降低而減弱。

關(guān)鍵詞：煤粉爐;建模;數(shù)值模擬;流場

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.011

中圖分類號： TK223

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）05-0059-05

Abstract：In order to meet the national obligatory targets for energy conservation and emissions reduction and energy efficient utilization， this article according to the principle of CFD to choose a type of 58 mw pulverized coal furnace as research object， the burners and the furnace for three dimensional physical modeling， according to the reasonable assumptions and boundary conditions are set up， simulation in 6 kinds of boiler furnace under the condition of velocity field， its change law.By comparing the calculation results of 6 working conditions， it is found that when the boiler load is 100% and 80%， the better the disturbance effect of the flow field is with the increase of the air volume ratio. When the load is 60%， the air volume ratio has little influence on the flow field， and basically tends to be the same.When the air volume ratio is the same， the disturbance of the flow field will weaken with the decrease of the load.

0 引 言

能源與環(huán)境是國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)長久健康發(fā)展的重要基礎(chǔ)，尤其近些年來突出的環(huán)境問題引發(fā)了一系列的社會(huì)矛盾，極不利于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。為此，在“十一五”時(shí)期，國家將降低能源消耗以及減少主要污染物排放總量確定為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的約束性指標(biāo)，“十二五”規(guī)劃中進(jìn)一步提出了節(jié)能減排的具體目標(biāo)，并在在過去的十年中取得了顯著的成績，能效水平大幅度提高[1-2]。在最新的的“十三五”節(jié)能減排綜合工作方案中，國家明確提出了“到2020年，全國國內(nèi)生產(chǎn)總值能耗比2015年下降15%，能源消耗總量控制在50億噸標(biāo)準(zhǔn)煤以內(nèi)。”進(jìn)一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結(jié)構(gòu)。

在我國的能源結(jié)構(gòu)中煤炭占據(jù)著主要地位，雖然這些年國內(nèi)核能、風(fēng)能、水利以及其他可再生能源蓬勃發(fā)展[3-4]，但在現(xiàn)行的能源結(jié)構(gòu)中中煤仍然具有近70%的份額，由此可預(yù)見，煤碳在未來較長的一段時(shí)間內(nèi)仍是我國的主要能源來源[3]。

中小型工業(yè)燃煤鍋爐是目前國內(nèi)除電站鍋爐外主要的用煤設(shè)備，目前我國工業(yè)鍋爐至少59萬多臺，而工業(yè)燃煤鍋爐大概50萬臺[5]，年耗煤量在7億t左右，大概占全國年耗煤量的20%，我國燃煤工業(yè)鍋爐中，大多數(shù)是層燃爐，約占70%以上，其中以固定爐排鍋爐和鏈條爐排為主，小于等于20t/h層燃鍋爐加權(quán)平均熱效率只有68.72%，低于國際同類水平15%～20%[6-7]。究其原因我國煤炭資源在鍋爐上利用率低、污染物排放高，主要由于煤炭的低效燃燒。然而在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)采用煤粉全室式燃燒技術(shù)，將其應(yīng)用于工業(yè)鍋爐領(lǐng)域了，其鍋爐熱效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，特別是工業(yè)鏈條鍋爐，同時(shí)全室燃燒技術(shù)還具有環(huán)保排放、經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)[8-9]。

本文根據(jù)CFD原理[10-11]選取某型號的58MW煤粉爐為研究對象，對此鍋爐爐膛進(jìn)行三維物理建模及數(shù)學(xué)建模，根據(jù)合理的假設(shè)和邊界條件設(shè)置，利用Fluent軟件對六種工況下爐膛內(nèi)的速度場進(jìn)行模擬計(jì)算。通過以上模擬所得結(jié)果數(shù)值對比分析，探討此類鍋爐的最佳運(yùn)行工況[12]，為以后提高中小型燃煤鍋爐能效的相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 煤粉燃燒的數(shù)學(xué)模型

爐內(nèi)煤粉燃燒是一個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過程，其中包含了湍流流動(dòng)、傳質(zhì)傳熱、化學(xué)燃燒等一系列的變化。基于這些復(fù)雜的變化，在計(jì)算流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格依據(jù)質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律列出基本控制方程，選取氣相流動(dòng)模型——Realize k-ε模型，方程式通式為[5]：

2 物理建模及網(wǎng)格劃分

本文的主要研究對象為配備了四臺型號為LTXL-15/-20/265-C2旋流燃燒器的58MW熱水煤粉鍋爐。鍋爐結(jié)構(gòu)與尺寸如下圖1。圖1中所示燃燒器編號分別是1#、2#、3#、4#，其中1#與3#相對、2#與4#相對。

此鍋爐采用膜式水冷壁以及循環(huán)水泵系統(tǒng)，通過控制煤粉量以及一二次風(fēng)量控制鍋爐負(fù)荷溫度，鍋爐送粉系統(tǒng)是采用帶有熱風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)的球磨機(jī)，將煤粉輸送到風(fēng)粉混合器中，在一次風(fēng)的作用下將煤粉送入燃燒器中。此次研究選用的是三類煙煤，某煤質(zhì)的工業(yè)分析如下表1。

實(shí)際運(yùn)行中的煤粉鍋爐還需要包括噴油槍、安全閥等輔助設(shè)備，并且燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及爐膛內(nèi)水冷壁布置都較為復(fù)雜，因此在進(jìn)行數(shù)值模擬物理建模時(shí)需要作出一定的簡化，其簡化與假設(shè)如下：

1）不對輔助設(shè)備進(jìn)行物理建模;

2）由爐膛壁代替水冷壁。本文中只對鍋爐膛內(nèi)的流場進(jìn)行模擬研究，因而可以忽略水冷壁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化。

3）將燃燒器做適當(dāng)?shù)暮喕幚恚÷砸恍┐我Y(jié)構(gòu)，保留影響燃燒器內(nèi)部流場的主要結(jié)構(gòu)，對整個(gè)燃燒器進(jìn)行兩部分的拆分，只建立內(nèi)、外二次風(fēng)通道計(jì)算域的物理模型。

鍋爐內(nèi)運(yùn)行主要分為煤粉與空氣混合物經(jīng)燃燒器進(jìn)入爐膛和燃料在爐膛內(nèi)燃燒兩部分。在進(jìn)行物理建模以及網(wǎng)格劃分時(shí)，由于燃燒器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，考慮到數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性，燃燒器的網(wǎng)格質(zhì)量要求要高于爐膛網(wǎng)格質(zhì)量，進(jìn)而導(dǎo)致總網(wǎng)格數(shù)很大，對計(jì)算機(jī)硬件的要求提高，加長了計(jì)算時(shí)間。在鍋爐運(yùn)行過程中，燃燒器起到將煤粉與空氣混合并送入爐膛內(nèi)，在此過程中并沒有化學(xué)反應(yīng)，因此為了方便計(jì)算依據(jù)燃燒器實(shí)際尺寸結(jié)構(gòu)將燃燒器二次風(fēng)通道單獨(dú)建立物理模型，然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對燃燒器內(nèi)的各個(gè)工況流動(dòng)情況進(jìn)行單獨(dú)的冷態(tài)模擬計(jì)算，進(jìn)而將各個(gè)工況出口速度數(shù)據(jù)用profile文件導(dǎo)出，作為后續(xù)爐膛計(jì)算的基礎(chǔ)，內(nèi)外二次風(fēng)通道模型網(wǎng)格劃分如圖2。

對簡化后的爐膛根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行物理建模，結(jié)合爐膛結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用分塊劃分爐膛網(wǎng)格的方式將爐膛分為5個(gè)區(qū)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對于爐膛內(nèi)流場變化比較大區(qū)域，為確保模擬的準(zhǔn)確性，要做相應(yīng)的加密處理，考慮到Gambit的非一致網(wǎng)格劃分原則及結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量好、計(jì)算量小、收斂等特點(diǎn)，因此對燃燒器所在的分塊部分的某些復(fù)雜結(jié)構(gòu)有部分四面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，然后采用Cooper方法進(jìn)行劃分，其它的分塊都是六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。各個(gè)的分塊區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)約200萬，同時(shí)各個(gè)分塊區(qū)域的網(wǎng)格扭曲度都小于0.8，扭曲度在不超過0.97的前提下越小越好。爐膛計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分如下圖3所示。

3 邊界條件

3.1 入口邊界條件

本文所研究的煤粉鍋爐爐膛的模型有4只燃燒器噴口，每個(gè)噴口都有中心直流風(fēng)口面、一次直流風(fēng)口面、內(nèi)二次旋流風(fēng)口面、外二次旋流風(fēng)口面四個(gè)入口。在進(jìn)行仿真模擬前，需要對各個(gè)入口設(shè)置參數(shù)，本文爐膛入口面設(shè)定為速度入口邊界條件，中心風(fēng)風(fēng)速、一次風(fēng)風(fēng)速及煤粉顆粒流量根據(jù)運(yùn)行設(shè)計(jì)的工況參數(shù)直接設(shè)定，而內(nèi)、外二次風(fēng)風(fēng)速要由相對應(yīng)工況燃燒器冷態(tài)模擬輸出的速度矢量profile文件導(dǎo)入設(shè)定;其中各個(gè)工況的具體參數(shù)見表2。

對于顆粒相的設(shè)定方式，在進(jìn)口處的條件：

1）煤粉顆粒直徑依據(jù)Rosin-Rammler規(guī)律分布[6]。

2）煤粉顆粒進(jìn)口質(zhì)量、密度等其他物理特征依據(jù)各個(gè)不同的計(jì)算條件實(shí)時(shí)設(shè)定。

3）煤粉顆粒以一次風(fēng)速度的0.8倍為起始速度大小[7]。

3.2 出口邊界條件

對于爐膛出口邊界條件的設(shè)定，由于在實(shí)際的過程中，出口界面上各種信息很難測量，不能預(yù)先知道，因此在數(shù)值計(jì)算中，出口邊界條件要做簡化處理，假定爐膛出口平面流動(dòng)邊界條件Outflow條件，即所有的變量在流動(dòng)方向上的變化率是零，給定出口壓力為大氣壓。

3.3 壁面邊界條件

壁面邊界附近粘性層中，流體的輸運(yùn)特性變化較大，為保證計(jì)算的精度，流體近壁處區(qū)域選用Standard wall function。

4 結(jié)果與分析

針對以上6個(gè)工況的爐內(nèi)燃燒結(jié)果的數(shù)值模擬進(jìn)行分析，工況12、工況3和4、工況5和6是分為三組不同運(yùn)行負(fù)荷條件下，鍋爐運(yùn)行燃燒的數(shù)值模擬，而每組同一運(yùn)行負(fù)荷條件下，內(nèi)外二次風(fēng)風(fēng)量配比不同，這將會(huì)對爐膛內(nèi)的流場產(chǎn)生一定的影響，以下將是分析相同負(fù)荷、不同風(fēng)量配比條件下的3組速度流場之間的差異，以及不同負(fù)荷、風(fēng)量配比相同條件下爐內(nèi)流場之間的差異。

如圖4所示，所截平面是靠近燃燒器噴口位置，內(nèi)外二次風(fēng)通過內(nèi)部有導(dǎo)向旋流葉片的內(nèi)外二次風(fēng)道進(jìn)入爐膛內(nèi)，同時(shí)一次風(fēng)和中心風(fēng)包裹在內(nèi)外二次風(fēng)內(nèi)部進(jìn)入爐膛，這樣從燃燒器噴入爐膛氣流在內(nèi)外二次風(fēng)旋流的作用下，爐膛內(nèi)逐漸的擴(kuò)散形成漩渦，氣流速度方向有回流有擴(kuò)充;同時(shí)又由于四個(gè)燃燒器是兩兩相對，使得氣流在爐膛的產(chǎn)生對沖現(xiàn)象，使得氣流形成沿爐膛上行和下行的氣流，進(jìn)而氣流進(jìn)入爐膛上部和底部，當(dāng)氣流在折焰角的作用下，產(chǎn)生氣流旋轉(zhuǎn)，然后煙氣通過爐膛出口進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。

對比圖4中兩個(gè)工況發(fā)現(xiàn)，由于這兩個(gè)工況的差異在于內(nèi)外二次風(fēng)配比不同，工況2氣流從燃燒器噴口擴(kuò)散到爐膛內(nèi)，形成回流和擴(kuò)充的效果，同時(shí)，對爐膛燃燒器以下部分區(qū)域氣流有擾動(dòng)作用，形成旋流;在爐膛上部區(qū)域，氣流擾動(dòng)效果也很明顯，氣流擾動(dòng)形成漩渦的效果更加明顯。工況2相對于工況1而言，說明當(dāng)風(fēng)量比為4：1時(shí)，爐內(nèi)的空氣動(dòng)力場明顯要好，爐膛內(nèi)氣流的擾動(dòng)作用明顯要好，利于煤粉顆粒進(jìn)入爐膛的預(yù)熱和燃燒，使得其燃燒更加充分。

如圖5所示，在接近燃燒器噴口位置的爐膛縱向截面上，工況3和工況4都形成旋流流動(dòng)狀態(tài)，主要產(chǎn)生這樣的效果取決于二次風(fēng)的作用，使得在噴口外附近將會(huì)產(chǎn)生回流擴(kuò)充、渦旋。

對比圖5中兩個(gè)工況發(fā)現(xiàn)，在燃燒器噴口附近產(chǎn)生的旋流效果基本相同，在爐膛上部和下部位置的流場，工況4的效果很明顯，說明當(dāng)風(fēng)量配比為5∶1時(shí)，對于流場的擾動(dòng)作用大;但相對于圖4而言，處于相同風(fēng)量比4∶1時(shí)，工況3與工況2情況基本相同但也有所減弱，說明在此種運(yùn)行負(fù)荷條件下，風(fēng)量比為5∶1時(shí)，流場的擾動(dòng)效果佳。

對比圖6中兩個(gè)工況發(fā)現(xiàn)，風(fēng)量配比對于爐膛內(nèi)部流場的影響相比于前面的工況沒有那么明顯，工況6與工況5的效果基本相同，同時(shí)工況5沒有等風(fēng)量比的工況4好，說明隨著風(fēng)量配比的增加，對爐內(nèi)的流場影響較小。

綜上所述，通過以上6個(gè)工況對比發(fā)現(xiàn)，旋流燃燒器中內(nèi)、外二次風(fēng)的噴入爐膛內(nèi)，對于爐內(nèi)流場有擾動(dòng)作用。內(nèi)外二次風(fēng)的風(fēng)量配比的不同，使得擾動(dòng)的輻射范圍有所不同，滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，風(fēng)量比4∶1時(shí)明顯好于風(fēng)量比3∶1，負(fù)荷變?yōu)?0%時(shí)，工況4也明顯好于工況3，工況3相比于工況2效果基本相同但也有所減弱，負(fù)荷60%時(shí)，風(fēng)量比的大小對于流場的影響幾乎很小，對于同樣大小的風(fēng)量比5∶1時(shí)，工況4明顯擾動(dòng)效果好于工況5，由此可以得出，當(dāng)負(fù)荷是100%和80%時(shí)，隨著風(fēng)量比的增大，流場的擾動(dòng)效果越好，但同時(shí)在相同風(fēng)量比的條件下，隨著負(fù)荷的降低，對流場也有一定的影響;當(dāng)負(fù)荷是60%時(shí)，風(fēng)量比的大小對于流場的影響很小，基本趨于相同，但對于相同的風(fēng)量比的工況4和工況5而言，負(fù)荷的下降，對于流場的擾動(dòng)影響很大。

5 結(jié) 論

本文以裝配有LTXL-15/-20/265-C2型號的旋流燃燒器的58MW煤粉鍋爐為研究對象，依據(jù)鍋爐爐膛比例1：1建立模型，根據(jù)合理的假設(shè)和邊界條件設(shè)置，模擬在6種不同工況下鍋爐爐內(nèi)流場。通過上述工況的模擬結(jié)果比對得出如下下結(jié)論：

旋流燃燒器中內(nèi)、外二次風(fēng)噴入爐膛內(nèi)，對于爐內(nèi)流場的擾動(dòng)作用是十分明顯的。內(nèi)外二次風(fēng)的風(fēng)量配比不同，使得擾動(dòng)的輻射范圍有所不同，當(dāng)負(fù)荷是100%和80%時(shí)，隨著風(fēng)量比的增大，流場的擾動(dòng)效果越好，當(dāng)負(fù)荷是60%時(shí)，風(fēng)量比的大小對于流場的影響很小，基本趨于相同;當(dāng)風(fēng)量比相同時(shí)，對流場的擾動(dòng)作用會(huì)隨著負(fù)荷的降低而減弱。

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（編輯：溫澤宇）