燃煤鍋爐催化燃燒的數(shù)值模擬

崔響

摘 要：煤粉催化燃燒技術(shù)能夠有效轉(zhuǎn)變煤粉燃燒反應(yīng)中的動(dòng)力學(xué)特征，以此提高煤粉燃燒效率，本文就主要分析了燃煤鍋爐催化燃燒的數(shù)值模擬，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐;催化燃燒;數(shù)值模擬

煤炭是我國的重要能源，我國能源生產(chǎn)消費(fèi)中7成左右為煤炭資源。現(xiàn)階段，能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型升級明顯，受到氣候變化等因素的影響，我國能源結(jié)構(gòu)更為合理，煤炭在總能源使用中的占比有所減少。但煤炭資源消耗速度明顯快于其發(fā)展速度，相關(guān)部門需增大煤炭資源利用率。

1 建立雙切圓鍋爐燃燒模型

本文以某熱電廠的雙切圓鍋爐為例，建立雙切圓鍋爐的三維立體空間幾何模型與二維平面數(shù)字模型，具體內(nèi)容如下所述。

1.1建立模型

1.1.1三維立體空間幾何模型

主燃燒器是雙切圓鍋爐的重要組成部分，是為鍋爐提供燃燒反應(yīng)場所和熱力儲(chǔ)備的。與普通鍋爐相比，雙切圓鍋爐的主燃燒器的尺寸規(guī)格更小，但是內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。若想建立單獨(dú)且完整的主燃燒器模型，必定會(huì)增加模型網(wǎng)格數(shù)量，進(jìn)一步加大模型網(wǎng)格劃分難度。由于雙切圓鍋爐的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)具有一定的對稱性，為簡化鍋爐結(jié)構(gòu)，減少模型網(wǎng)格數(shù)量。在繪制鍋爐的主燃燒器時(shí)，結(jié)合主燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使用水力直徑相同的長方形替代鍋爐的一次風(fēng)進(jìn)口和二次風(fēng)進(jìn)口，以便更容易的識別。根據(jù)圖1（鍋爐的區(qū)域劃分圖）可知，將整個(gè)雙切圓鍋爐的爐膛區(qū)域劃分為爐膛下部、爐膛中部、爐膛上部三個(gè)重要組成部分。圖2是鍋爐內(nèi)部立體空間方位圖，其中X+、Y+與Z+分別代表水平方向、平面垂直方向和立體垂直方向三個(gè)維度。

1.1.2數(shù)學(xué)模型

本文采用的數(shù)學(xué)模型如下：

（1）基本控制方程組

連續(xù)性方程：

式中：代表氣流密度;代表煤粉中水分蒸發(fā)量;S代表脫揮發(fā)引起的質(zhì)量變化。

動(dòng)量守恒方程：

式中：p代表爐膛靜壓力;μ代表動(dòng)力粘度，τij 代表應(yīng)力張量;ρgi代表重力體積力;Fi代表兩相之間體積力。

能量守恒方程

式中：E代表流體微團(tuán)總能;K1代表湍流導(dǎo)熱系數(shù);Keff代表有效導(dǎo)熱系數(shù);Jf代表組分，J1的擴(kuò)散通量;（τij）sff代表熱剪切應(yīng)力;Sh代表能量源項(xiàng);h代表靜態(tài)焓值;mf代表組分，J1的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，Tref=298.15k。

（2）湍流流動(dòng)模型

鍋爐內(nèi)的流暢流動(dòng)是一個(gè)復(fù)雜程度較大的過程。為此，建立湍流流動(dòng)模型至關(guān)重要。根據(jù)湍流流動(dòng)數(shù)值求解，提出k-ε雙方程模型。雙方程模型中，在保證單方程模型精確性的基礎(chǔ)上，引入湍流流耗散率的ε方程。

（3）氣固兩相流模型

鍋爐內(nèi)的氣相與固相之間的運(yùn)動(dòng)是相對的。本文采用歐拉法與DPM模型，在充分考慮流固耦合作用的前提條件下，進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤與精準(zhǔn)計(jì)算。

2.煙煤和無煙煤工況下的流場特性分析

2.1爐膛水平截面的速度場分析

從圖3和圖4中可知，氣流在燃燒器噴口噴入爐膛的氣流初始速度較快，射程較遠(yuǎn)，剛度大，氣流噴入后會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)散現(xiàn)象。如氣流抵達(dá)鄰近燃燒器噴口位置，氣流會(huì)向爐膛一側(cè)中心彎曲，于爐膛左右兩側(cè)形成兩個(gè)切圓，爐膛截面高度升高的過程中，切圓也隨之變大。高速區(qū)域集中于左右兩個(gè)切圓的圓周上，圓周氣流速度為10m/s-20m/s。同時(shí)，兩個(gè)切圓的中心區(qū)域速度較慢，形成了兩個(gè)較為完整的低速區(qū)域，且二者的中間區(qū)域依然是低速區(qū)域。

2.2 爐膛縱向和橫向截面速度場分析

鍋爐燃燒器噴口附近的速度呈現(xiàn)大梯度特征，氣流從噴口噴出后會(huì)受到相鄰氣流的影響，在鍋爐左右兩側(cè)形成兩股螺旋上升氣流。在燃燒器上部，受到氣流慣性的影響，爐膛內(nèi)兩股螺旋上升的氣流始終處于原始流動(dòng)方式，但是螺旋氣流經(jīng)過折焰角后，二者的低速區(qū)域合并，螺旋氣流也隨之消失，截面中的速度梯度也逐漸減小。

3煙煤和無煙煤工況下的溫度場分析

3.1不同截面的上的溫度分布

（1）不同煤種水平截面上的溫度分布

兩種工況下，爐膛不同高度截面生成的溫度云圖輪廓為雙切圓，同時(shí)，截面高度與切圓直徑成正相關(guān)。但是高度超過33.32m時(shí)，切圓呈不規(guī)則狀態(tài)，云圖中高速區(qū)域明顯重合，且最高溫相同，但是兩種工況中切圓圓心位置的溫度要低于切圓圓周上的溫度。其余煤粉顆粒自燃燒器噴口噴出后，煤粉在爐膛內(nèi)受熱分解，生成揮發(fā)成分及焦炭，與上升氣流共同螺旋上升，與氧氣反應(yīng)釋放大量熱，所以高溫區(qū)域集中于雙切圓圓周上。

無煙煤計(jì)算工況中，兩個(gè)切圓在高溫區(qū)出現(xiàn)合并現(xiàn)象，隨著截面Y坐標(biāo)的提升而有所增加。煙煤合并現(xiàn)象出現(xiàn)在高溫區(qū)。其余無煙煤的揮發(fā)成分要少于煙煤，固定碳較多。煤粉受熱分解后生成揮發(fā)成分及焦炭。揮發(fā)砌體可與鍋爐中螺旋上升的氣流共同流動(dòng)，焦炭因自身重力和離心作用于切圓中心遠(yuǎn)離。所以無煙煤工況下出現(xiàn)了爐膛分布不均的問題。爐膛中部高溫區(qū)可能出現(xiàn)水冷壁爆管問題，故而煙煤可形成規(guī)則的雙切圓，在爐膛中部出現(xiàn)高溫區(qū)域。

（2）不同煤種縱向和橫向截面上的溫度分布

比較X=8m截面的兩種工況溫度云圖后發(fā)現(xiàn)，兩個(gè)云圖中的鍋爐燃燒器下方折焰角區(qū)域，等溫線為倒“V”型?？裳由熘铃仩t燃燒區(qū)域螺旋上升氣流的中心處。主要原因是燃燒器噴出的一次風(fēng)和二次風(fēng)在燃燒器內(nèi)形成了方向上升螺旋氣流，螺旋上升的氣流中心內(nèi)也形成了低壓區(qū)，而在冷灰斗區(qū)域則出現(xiàn)了高壓區(qū)。受壓力影響，冷灰斗區(qū)域的低溫氣流流入螺旋上升氣流的中心區(qū)，從而出現(xiàn)了低溫區(qū)。

兩種計(jì)算工況在燃燒器上方區(qū)域的等溫線為“M”型，如水平高度超過55m，煙煤工況及無煙煤工況的溫度云圖存在差異，煙煤工況等溫線上端合并趨勢明顯，隨著高度發(fā)生變化，無煙煤工況的變化并不明顯。Y=55m時(shí)為爐膛折焰角下邊緣，如螺旋上升至折焰角，則流場發(fā)生明顯變化。此外，煙煤中的揮發(fā)成分較多，固定碳含量隨之減少。因此，流場運(yùn)動(dòng)中慣性作用較弱，更易受爐膛內(nèi)氣流的影響。

3.2爐膛高度方向平均溫度及沿程溫度變化分析

煙煤和無煙煤工況的截面平均溫度沿爐膛高度方向變化趨勢基本一致。爐膛高度為8m-15m，處于鍋爐冷灰斗區(qū)域，煙煤的溫度較無煙煤溫度高。爐膛高度為15m-22m時(shí)。兩種工況平均溫度大體相同，升溫速度較快。爐膛高度為22m-25m時(shí)，兩種工況溫度升高速度明顯降低。此時(shí)，截面的平均溫度接近最高溫度，螺旋上升的氣流中心形成了低壓區(qū)，受壓力影響，冷灰斗區(qū)域低溫氣流流入螺旋上升氣流中心，抑制了溫度上升趨勢。爐膛高度為25m-40m時(shí)是鍋爐燃燒器所在區(qū)域，兩種工況的平均溫度均為最高溫度，燃燒器煤粉噴口及二次風(fēng)噴口相間分布，截面平均溫度也會(huì)頻繁變化。如爐膛高度超過40m，則二者溫度均有所下降，但是煙煤截面的平均溫度依然高于無煙煤截面。

爐膛高度為20m-43m，無煙煤在燃燒器區(qū)域出現(xiàn)高溫區(qū)合并，所以無煙煤在爐膛中心線位置的溫度高于煙煤的溫度，且無煙煤沿程溫度較煙煤低。當(dāng)爐膛高度在20-40m之間時(shí)，煙煤工況及無煙煤工況爐膛的截面平均溫差明顯，結(jié)合圖4可推測無煙煤工況在爐膛中心位置生成高溫區(qū)域，且溫度不均。

4不同煤粉工況下的濃度場分析

一次風(fēng)雨煤粉共同噴入到爐膛當(dāng)中，一次縫中的氧氣與煤粉反應(yīng)便可生成CO2，二次風(fēng)中的O2可與氣流共同流動(dòng)。于二次風(fēng)噴口截面出呈雙切圓分布，兩個(gè)水平截面中雙切圓外部區(qū)域的氧氣濃度處于較低水平。這是因?yàn)槊悍叟c氧氣反應(yīng)后生成二氧化碳，故而水平截面雙切圓外部區(qū)域二氧化碳濃度較高。處于切圓圓周上的氧氣會(huì)隨著氣流螺旋上升，可與燃料繼續(xù)反應(yīng)，降低了濃度。所以爐膛上部的氧氣濃度較低，二氧化碳濃度隨之升高，反應(yīng)中也可生成CO，但是爐膛中的CO濃度較低，這是因?yàn)檠鯕庵械拿悍酆枯^少。下圖為CO的分布區(qū)域圖。

5結(jié)語

煤炭資源是社會(huì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的重要資源，而我國的煤炭資源現(xiàn)狀不容樂觀，需要發(fā)揮出煤炭資源最大利用價(jià)值。而燃煤鍋爐催化燃燒是促使煤炭充分燃燒，增大煤炭資源利用率的有效措施。因此，研究燃煤鍋爐催化燃燒數(shù)值模擬具有重要意義。

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