呂薇 韓晴 陳偉鋒 齊國利 張松松

摘 要：為了達到國家節(jié)能減排約束性目標及能源的高效利用，根據(jù)CFD原理選取某型號的58MW煤粉爐為研究對象，對燃燒器及爐膛進行三維物理建模，根據(jù)合理的假設和邊界條件設置，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種工況的計算結果對比得知當鍋爐負荷是100%和80%時，隨著風量比的增大，流場的擾動效果越好，當負荷是60%時，風量比的大小對于流場的影響很小，基本趨于相同;當風量比相同時，對流場的擾動作用會隨著負荷的降低而減弱。

關鍵詞：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

文獻標志碼： 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)境是國家社會經(jīng)濟長久健康發(fā)展的重要基礎，尤其近些年來突出的環(huán)境問題引發(fā)了一系列的社會矛盾，極不利于社會經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。為此，在“十一五”時期，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)濟和社會發(fā)展的約束性指標，“十二五”規(guī)劃中進一步提出了節(jié)能減排的具體目標，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50億噸標準煤以內(nèi)?！边M一步優(yōu)化產(chǎn)業(yè)和能源結構。

在我國的能源結構中煤炭占據(jù)著主要地位，雖然這些年國內(nèi)核能、風能、水利以及其他可再生能源蓬勃發(fā)展[3-4]，但在現(xiàn)行的能源結構中中煤仍然具有近70%的份額，由此可預見，煤碳在未來較長的一段時間內(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)達國家已經(jīng)采用煤粉全室式燃燒技術，將其應用于工業(yè)鍋爐領域了，其鍋爐熱效率遠高于傳統(tǒng)燃煤鍋爐，特別是工業(yè)鏈條鍋爐，同時全室燃燒技術還具有環(huán)保排放、經(jīng)濟效益高等優(yōu)點[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，對此鍋爐爐膛進行三維物理建模及數(shù)學建模，根據(jù)合理的假設和邊界條件設置，利用Fluent軟件對六種工況下爐膛內(nèi)的速度場進行模擬計算。通過以上模擬所得結果數(shù)值對比分析，探討此類鍋爐的最佳運行工況[12]，為以后提高中小型燃煤鍋爐能效的相關研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 煤粉燃燒的數(shù)學模型

爐內(nèi)煤粉燃燒是一個極其復雜的物理化學過程，其中包含了湍流流動、傳質(zhì)傳熱、化學燃燒等一系列的變化?；谶@些復雜的變化，在計算流體力學的基礎上，嚴格依據(jù)質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律、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。鍋爐結構與尺寸如下圖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量控制鍋爐負荷溫度，鍋爐送粉系統(tǒng)是采用帶有熱風送風系統(tǒng)的球磨機，將煤粉輸送到風粉混合器中，在一次風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。

實際運行中的煤粉鍋爐還需要包括噴油槍、安全閥等輔助設備，并且燃燒器內(nèi)部結構以及爐膛內(nèi)水冷壁布置都較為復雜，因此在進行數(shù)值模擬物理建模時需要作出一定的簡化，其簡化與假設如下：

1）不對輔助設備進行物理建模;

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

3）將燃燒器做適當?shù)暮喕幚?，省略一些次要結構，保留影響燃燒器內(nèi)部流場的主要結構，對整個燃燒器進行兩部分的拆分，只建立內(nèi)、外二次風通道計算域的物理模型。

鍋爐內(nèi)運行主要分為煤粉與空氣混合物經(jīng)燃燒器進入爐膛和燃料在爐膛內(nèi)燃燒兩部分。在進行物理建模以及網(wǎng)格劃分時，由于燃燒器內(nèi)部結構的復雜性，考慮到數(shù)值計算的準確性，燃燒器的網(wǎng)格質(zhì)量要求要高于爐膛網(wǎng)格質(zhì)量，進而導致總網(wǎng)格數(shù)很大，對計算機硬件的要求提高，加長了計算時間。在鍋爐運行過程中，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反應，因此為了方便計算依據(jù)燃燒器實際尺寸結構將燃燒器二次風通道單獨建立物理模型，然后進行網(wǎng)格劃分，對燃燒器內(nèi)的各個工況流動情況進行單獨的冷態(tài)模擬計算，進而將各個工況出口速度數(shù)據(jù)用profile文件導出，作為后續(xù)爐膛計算的基礎，內(nèi)外二次風通道模型網(wǎng)格劃分如圖2。

對簡化后的爐膛根據(jù)結構尺寸進行物理建模，結合爐膛結構特點，采用分塊劃分爐膛網(wǎng)格的方式將爐膛分為5個區(qū)進行網(wǎng)格劃分。對于爐膛內(nèi)流場變化比較大區(qū)域，為確保模擬的準確性，要做相應的加密處理，考慮到Gambit的非一致網(wǎng)格劃分原則及結構性網(wǎng)格的網(wǎng)格質(zhì)量好、計算量小、收斂等特點，因此對燃燒器所在的分塊部分的某些復雜結構有部分四面體結構網(wǎng)格，然后采用Cooper方法進行劃分，其它的分塊都是六面體結構網(wǎng)格。各個的分塊區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)約200萬，同時各個分塊區(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，每個噴口都有中心直流風口面、一次直流風口面、內(nèi)二次旋流風口面、外二次旋流風口面四個入口。在進行仿真模擬前，需要對各個入口設置參數(shù)，本文爐膛入口面設定為速度入口邊界條件，中心風風速、一次風風速及煤粉顆粒流量根據(jù)運行設計的工況參數(shù)直接設定，而內(nèi)、外二次風風速要由相對應工況燃燒器冷態(tài)模擬輸出的速度矢量profile文件導入設定;其中各個工況的具體參數(shù)見表2。

對于顆粒相的設定方式，在進口處的條件：

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

2）煤粉顆粒進口質(zhì)量、密度等其他物理特征依據(jù)各個不同的計算條件實時設定。

3）煤粉顆粒以一次風速度的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定，由于在實際的過程中，出口界面上各種信息很難測量，不能預先知道，因此在數(shù)值計算中，出口邊界條件要做簡化處理，假定爐膛出口平面流動邊界條件Outflow條件，即所有的變量在流動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，流體的輸運特性變化較大，為保證計算的精度，流體近壁處區(qū)域選用Standard wall function。

4 結果與分析

針對以上6個工況的爐內(nèi)燃燒結果的數(shù)值模擬進行分析，工況12、工況3和4、工況5和6是分為三組不同運行負荷條件下，鍋爐運行燃燒的數(shù)值模擬，而每組同一運行負荷條件下，內(nèi)外二次風風量配比不同，這將會對爐膛內(nèi)的流場產(chǎn)生一定的影響，以下將是分析相同負荷、不同風量配比條件下的3組速度流場之間的差異，以及不同負荷、風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)外二次風通過內(nèi)部有導向旋流葉片的內(nèi)外二次風道進入爐膛內(nèi)，同時一次風和中心風包裹在內(nèi)外二次風內(nèi)部進入爐膛，這樣從燃燒器噴入爐膛氣流在內(nèi)外二次風旋流的作用下，爐膛內(nèi)逐漸的擴散形成漩渦，氣流速度方向有回流有擴充;同時又由于四個燃燒器是兩兩相對，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，進而氣流進入爐膛上部和底部，當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入下一環(huán)節(jié)。

對比圖4中兩個工況發(fā)現(xiàn)，由于這兩個工況的差異在于內(nèi)外二次風配比不同，工況2氣流從燃燒器噴口擴散到爐膛內(nèi)，形成回流和擴充的效果，同時，對爐膛燃燒器以下部分區(qū)域氣流有擾動作用，形成旋流;在爐膛上部區(qū)域，氣流擾動效果也很明顯，氣流擾動形成漩渦的效果更加明顯。工況2相對于工況1而言，說明當風量比為4：1時，爐內(nèi)的空氣動力場明顯要好，爐膛內(nèi)氣流的擾動作用明顯要好，利于煤粉顆粒進入爐膛的預熱和燃燒，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都形成旋流流動狀態(tài)，主要產(chǎn)生這樣的效果取決于二次風的作用，使得在噴口外附近將會產(chǎn)生回流擴充、渦旋。

對比圖5中兩個工況發(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，說明當風量配比為5∶1時，對于流場的擾動作用大;但相對于圖4而言，處于相同風量比4∶1時，工況3與工況2情況基本相同但也有所減弱，說明在此種運行負荷條件下，風量比為5∶1時，流場的擾動效果佳。

對比圖6中兩個工況發(fā)現(xiàn)，風量配比對于爐膛內(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，同時工況5沒有等風量比的工況4好，說明隨著風量配比的增加，對爐內(nèi)的流場影響較小。

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

5 結 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)合理的假設和邊界條件設置，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果比對得出如下下結論：

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

參 考 文 獻：

[1] 黎玫旸， 龔立賢. 國家對電力工業(yè)“十二五”節(jié)能減排的要求和做好節(jié)能減排采取的措施[C]// 第二屆熱電聯(lián)產(chǎn)節(jié)能降耗新技術研討會論文集， 2013.

[2] 潘自強. 我國可持續(xù)能源發(fā)展的現(xiàn)實途徑[J]. 適用技術市場， 2001（2）：15.

[3] 余旻. 選擇性非催化還原脫硝技術的實驗研究[D]. 浙江大學， 2013.

[4] 梁興， 王乃繼. 煤粉工業(yè)鍋爐及其污染物聯(lián)合控制現(xiàn)狀[J]. 區(qū)域供熱， 2014（6）：56.

[5] 車得福， 張西民， 惠世恩. 降低工業(yè)鍋爐NO_x排放量的措施[J]. 環(huán)境保護， 1994（1）：21.

[6] 趙欽新. 我國工業(yè)鍋爐發(fā)展回顧與“十二五”展望[J].工業(yè)鍋爐，2011（6）：1.

[7] 余潔.中國燃煤工業(yè)鍋爐現(xiàn)狀[J].潔凈煤技術，2012，18（3）：89.

[8] 牛蓮靜.大型發(fā)電機定子流場及溫度場數(shù)值計算與分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2013.

[9] 王芳，郭瑞倩，安志華，等.空冷發(fā)電機定子三維溫度場分布與試驗對比[J].電機與控制學報，2013，17（12）：46.

[10]王福軍.計算流體力學分析[M].北京：清華大學出版社，2004：24.

[11]孫銘陽， 朱學帥， 韋魯濱. 細粒煤粒度分布特性的研究[J]. 太原理工大學學報， 2016， 47（4）：436.

[12]劉麗萍. 四角切圓煤粉爐爐內(nèi)燃燒及配風的數(shù)值模擬[D].大連：大連理工大學，2009：35.

（編輯：溫澤宇）