基礎(chǔ)研究亻水煤漿燃燒過程的數(shù)值模擬陳力,趙翔,孟德潤,楊曉剛(浙江大學(xué),浙江杭州310027)摘要]為深入研究水煤漿旳燃燒特性,對南海電廠Ⅰ臺2σ?Mw四角切圓燃燒鍋爐在全燒水煤漿滿負(fù)荷運(yùn)行狀況下的爐內(nèi)流場、溫度分布及各組分場進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明:整個(gè)爐膛空間存在1個(gè)明顯的旋轉(zhuǎn)流場;爐內(nèi)最髙溫度岀現(xiàn)在燃燒器區(qū)域,隨著爐膛髙度旳増加,溫度逐漸降低;溫度場與各組分場有著對應(yīng)關(guān)系高溫區(qū)對應(yīng)CO2高濃度區(qū)和O2的低濃度區(qū);水分在燃燒器段爐膛壁面附近含量較多,中心含量較少,隨著高度的增加,這種差別逐漸減小匚關(guān)鍵詞]鍋爐;燃燒;水煤漿;數(shù)值模擬;流場;溫度;組分場[中圖分類號]TK224.1-1[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1002-3364(2006)10-0020-04模擬對象燃盡風(fēng)上上二次風(fēng)模擬對象為南海電廠1臺WGZ670/13.7-5型○十再燃風(fēng)燃煤鍋爐,擬將其改造為全水煤漿燃燒,一次風(fēng)和二次上上中次風(fēng)風(fēng)雙切圓布置,其中一次風(fēng)和二次風(fēng)切圓直徑分別為上上一次風(fēng)d800mm和dl000mm,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。燃燒器最上層上下中一次風(fēng)布置了燃盡風(fēng)(OFA)并采用反切,其切圓直徑為d800上下一次風(fēng)mm。燃燒器組結(jié)構(gòu)見圖1,燃燒器設(shè)計(jì)配風(fēng)參數(shù)見表上下二次風(fēng)1。鍋爐擬燃用山東兗日水煤漿,煤粉顆粒平均粒度為下上二次風(fēng)75mm(80%~85%),最大粒徑200m,水煤漿元素O下上-次風(fēng)分析和工業(yè)分析見表2下中次風(fēng)表1燃燒器設(shè)計(jì)配風(fēng)參數(shù)O下-次風(fēng)風(fēng)速/m·s風(fēng)率/%風(fēng)溫/℃下下:次風(fēng)風(fēng)20.6圖1燃燒器組中二次風(fēng)次風(fēng)2網(wǎng)格劃分和計(jì)算方法表2水煤漿的元素分析和工業(yè)分析元素分析發(fā)熱量Q叫,x工業(yè)分析旋轉(zhuǎn)流場是四角切圓燃燒鍋爐爐膛的主要特征/M·kg-1對于所Car Har Or Nar SM A中國煤化工規(guī)的網(wǎng)格劃分和差分水煤漿518286220980219988222離方CNMHG積面的多維流動處理成局部的一維流動,從而產(chǎn)生流動偽擴(kuò)散。減少偽擴(kuò)作者簡介:陳力(1980-)男,碩士,主要從事水煤漿燃燒研究2據(jù)力建糖,2006(10)基礎(chǔ)研究散的一個(gè)有效手段就是改進(jìn)網(wǎng)格體系,使網(wǎng)格線與流較大速度射入爐膛后迅速受熱膨脹,在浮力的作用下動方向的夾角偏離45°。為此,將爐膛分為燃燒器區(qū)向上運(yùn)動,水平方向上的動量減小,旋轉(zhuǎn)運(yùn)動減弱,在域、燃燒器上部區(qū)域、燃燒器下部區(qū)域3個(gè)區(qū),并把燃爐膛中心不足以形成與冷態(tài)流場相當(dāng)?shù)拇筘?fù)壓區(qū)。相燒器區(qū)域再進(jìn)一步細(xì)分,盡量使從燃燒器岀來的氣流應(yīng)地,燃燒器段以上沒有形成較大回流區(qū),氣流向上運(yùn)方向與網(wǎng)格線垂直。圖2為某一層燃燒器區(qū)域的水平動。在爐膛冷灰斗區(qū)域存在明顯的回流區(qū),這是由于截面網(wǎng)格分布圖,可以看岀,燃燒器噴嘴附近的節(jié)距較中心歴力低,并且從燃燒器噴岀的氣流冋下流動所致。小,并呈輻射狀,以適應(yīng)燃燒器射流的發(fā)展。圖3上下二次風(fēng)平面切速度向量圖2燃燒器區(qū)域水平截面網(wǎng)格分布本文通過試算比較,采用了使用廣泛的 Standardk-ε紊流模型模擬氣相湍流輸運(yùn),用有限速率渦團(tuán)耗散模擬氣相(揮發(fā)分)湍流燃燒.用P-1輻射模型計(jì)算輻射傳熱;對煤粉揮發(fā)分的釋放采用雙匹配速率模型焦炭燃燒采用動力/擴(kuò)散控制燃燒模型,煤粉顆粒的跟蹤采用隨杋軌道模型,水分的蒸發(fā)采用濕燃燒法。把氣相作為連續(xù)性介質(zhì),在歐拉坐標(biāo)系中描述;把煤漿霧矩中的煤粉顆?？醋麟x散相物質(zhì),在拉格朗日坐標(biāo)系中描述,并考慮兩相間的質(zhì)量、動量和能量的相互作用。對于方程的離散,動量方程、能量方程、組分方程k方程、ε方程均采用二階迎風(fēng)差分格式3模擬結(jié)果分析3.1流場圖3為某層燃燒器噴口水平截面速度矢量分布(上下二次風(fēng)噴口)。從圖3可以看出,爐內(nèi)氣流是個(gè)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的氣流,在中心形成切圓;二次風(fēng)無貼壁現(xiàn)象,減少了鍋爐運(yùn)行時(shí)壁面結(jié)渣的發(fā)生。圖4為爐膛=nm1亞而YZ速度向量左右墻中心平面(Y=0)速度矢量分布。由圖4可見,中國煤化工熱態(tài)流場分布與冷態(tài)時(shí)有明顯不同,從上段燃燒器起3.2CNMHG氣流以較大速度向上運(yùn)動,爐膛中心沒有明顯的中心從圖5可以看岀,爐內(nèi)燃燒器區(qū)域截面上的溫度近似同心圓分布,向火側(cè)溫度比背火側(cè)溫度高。在實(shí)回流區(qū)。形成這種流態(tài)的原因是,由于熱態(tài)時(shí)氣流以熱力發(fā)電·2006(10基礎(chǔ)研究際切圓附近,燃燒最為強(qiáng)烈,溫度最高,而爐膛四壁附煤粉貼壁并引起爐膛水冷壁結(jié)渣及高溫腐蝕等問題近由于氣流速度較低沒有足夠的氧氣,導(dǎo)致燃料不能研究表明,由于一、二次風(fēng)剛性不同,在受到鄰角氣流很快地著火燃燒,因此相對溫度較低。燃燒器區(qū)域是擠壓后,剛性差的一次風(fēng)偏斜較大,貼冋水冷壁,而剛整個(gè)爐膛溫度最高的地方,上下二次風(fēng)平面溫度最高性較強(qiáng)的二次風(fēng),偏斜較小,會造成一、二次風(fēng)分離,使約為1650K,隨著爐膛高度的增加,溫度水平不斷下水冷壁附近區(qū)域缺氧,從而引起結(jié)渣。降(圖6)。與670t/h燃煤鍋爐相比,爐膛溫度明顯從圖7可以看出,在爐膛的上下一次風(fēng)區(qū)域,周邊偏低,這是因?yàn)樗簼{含有大量的水分,水分蒸發(fā)后形靠近水冷壁的區(qū)域O2濃度較高,這是由于爐內(nèi)采用成多孔結(jié)構(gòu)的干煤粒,比表面積很大,致使析出揮發(fā)分了一次風(fēng)和二次風(fēng)雙切圓布置,空氣動力場組織良好的速度和數(shù)量要比干煤粒大,因此更容易著火2造成一次風(fēng)射流的風(fēng)包粉效果,而靠近邊壁處流動性很差,氣流湍混不好,加之著火初期也沒有消耗大量的O2,因此該區(qū)域的CO2濃度較低,從而有效地避免了結(jié)渣。水分在水煤漿著火燃燒的過程中,迅速蒸發(fā)因而在上下一次風(fēng)噴口附近含量最多,在爐膛中央含量較小。當(dāng)水煤漿水分蒸發(fā)后,便形成含有多顆煤粉且具有多孔結(jié)構(gòu)的干煤粒,其溫度受加熱而逐漸升高,同時(shí)揮發(fā)分開始析出。揮發(fā)分析出過程是復(fù)雜的物理化學(xué)過程,它的燃燒主要集中在燃燒器區(qū)域,水煤漿在著火階段揮發(fā)分迅速析出,因而在噴口附近揮發(fā)分含量較多。揮發(fā)分析岀后迅速燃燒,因此在爐膛中央揮發(fā)分含量很低。圖5上下二次風(fēng)平面溫度等高線(K)aH()體積分?jǐn)?shù)(h)O)緯積分?jǐn)?shù)圖6Y=0(m)平面溫度等高線(K)3.3組分場中國煤化工在四角切圓燃燒鍋爐中,由于四角煤粉氣流相互CNMHGd)C(體積分?jǐn)?shù)撞擊,特別是整組射流兩側(cè)補(bǔ)氣條件的差異以及多重圖7上卜一次風(fēng)平面組分場復(fù)雜組合射流等影響,常常因一次風(fēng)煤粉射流剛性不足而岀現(xiàn)粉在外風(fēng)在里的兩相流燃燒場,導(dǎo)致未燃盡從圖8可以看出,在爐膛中心切圓附近的CO2體2[熱力:20060基礎(chǔ)研究積分?jǐn)?shù)較高,相應(yīng)的O3體積分?jǐn)?shù)較低,這是因?yàn)樵谠撦^少,隨著高度的增加,這種差別逐漸減小。燃燒器上部區(qū)域,隨著高度的增加,水分分布已經(jīng)較為均勻,總體而言略有減小,這主要是水分在爐膛中受對流和擴(kuò)散的影響。結(jié)論(1)燃燒器段以上沒有形成較大回流區(qū),氣流向上運(yùn)動,但在爐膛冷灰斗區(qū)域存在明顯的回流區(qū)。(2)爐內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域,其中上下次風(fēng)平面溫度最高,隨著爐膛高度的增加,溫度逐漸降低。3)溫度場與各組分濃度分布有著對應(yīng)關(guān)系,高溫區(qū)對應(yīng)CO2高濃度區(qū)和O3的低濃度區(qū);水煤漿噴入爐膛后,水分迅速析岀,在燃燒器段爐膛壁面附近含量較多,中心含量較少,隨著高度的增加,這種差別逐(a)HO)體積分?jǐn)?shù)(b)O體積分?jǐn)?shù)漸減小;爐內(nèi)揮發(fā)分燃燒速度很快,基本在燃燒器區(qū)域就全部燃燒掉。[參考文獻(xiàn)]1]王保文,王擎,孫鍵.四角切圓煤粉爐內(nèi)溫度分布的數(shù)值預(yù)測[J.東北電力技術(shù),2004,25(4):1-42]岑可法,姚強(qiáng),等.煤漿燃燒、流動、傳熱和氣化的理論與應(yīng)用技術(shù)[M].杭州:浙江大學(xué)出版社,1999.η]秦裕琨,張澤,等.切圓燃燒流場中不同高寬比矩形噴嘴射流特性的試驗(yàn)研究[J].熱能動力工程.2000.15(2)4]王康健,張丹婭,等.75t/h電站循環(huán)流化床鍋爐燃燒和非放的數(shù)值模擬[].能源工程,2004,36(7):36-5]安恩科,周洪權(quán).電站鍋爐燃燒特性的數(shù)值模擬匚].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,32(8):1042-1046]潘維,池作和,李戈,等.四角切圓燃燒鍋爐燃燒和污染物(c)揮發(fā)分體積分?jǐn)?shù)(dCO體積分?jǐn)?shù)排放數(shù)值模擬[J.浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2004,38(6):圖8Y=0(m)平面組分場761-764區(qū)域的燃燒反應(yīng)要比其它區(qū)域迅速,揮發(fā)分與固定碳在過量空氣參與反應(yīng)下生成大量的CO2,從而導(dǎo)致中心處較高的CO2濃度和較低的O2濃度。在燃燒器附歡迎電子郵件投稿近,由于水煤漿開始著火燃燒,消耗了大量的氧氣,因(minxi此該處氧氣濃度變化非常劇烈。爐內(nèi)揮發(fā)分燃燒速度中國煤化工com. cn很快,基本在燃燒器區(qū)域就全部燃燒掉,在燃燒器上部THCNMHG至爐膛岀口處幾乎為零。水煤漿噴入爐膛后,水分迅速析岀,在燃燒器段爐膛壁面附近含量較多,中心含量熱力發(fā)電·200610)8