鍋爐燃燒器高寬比對燃燒影響的數值模擬

摘 要

摘要：以蒸發量為670t/h的四角切圓布置煤粉鍋爐為研究對象，在不同燃燒器高寬比下，模擬了燃燒器平面溫度場、射流中心兩側靜壓差。燃燒器高寬比大于9時，爐內氣流切圓直徑達到最大，
摘要：以蒸發量為670t/h的四角切圓布置煤粉鍋爐為研究對象，在不同燃燒器高寬比下，模擬了燃燒器平面溫度場、射流中心兩側靜壓差。燃燒器高寬比大于9時，爐內氣流切圓直徑達到最大，高溫區域均到達壁面附近，易引起結渣或高溫腐蝕等；在4～9時，氣流切圓大小適中，燃燒組織合理；小于4時，爐內氣流充滿程度相對較差，爐膛中部火焰過于集中，不能發揮切圓燃燒組織的優勢。燃燒器出口射流兩側靜壓差隨著燃燒器高寬比的增大呈非線性增大。
關鍵詞：四角切圓鍋爐；數值模擬；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]，但仍存在一些技術難題，尤其是在我國電廠鍋爐中與煤種相關的燃燒問題突出，如低灰熔點煙煤的嚴重結焦、貧煤鍋爐的高溫腐蝕、劣質煙煤的燃燒不穩定性等[2]。這些問題的長期存在，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手段尤其是燃燒數值模擬工作的滯后有關系。
   在爐膛燃燒動力工況表征方面，一二次風燃燒器射流軌跡及爐膛截面實際最大速度形成的實際切圓的大小成為爐內動力場優劣的評判準則。其主要影響因素有爐膛截面長寬比、一二次風噴口軸線與爐膛對角線的夾角、燃燒器高寬比及燃燒器之間的間距、燃燒器層數、一二次風風速、風溫等。這些因素通過影響燃燒器射流之間的相互作用強度改變著爐膛的燃燒動力特征——燃燒器區域截面溫度分布。在這些因素中，一二次風噴口軸線與爐膛對角線的夾角，即合理的假想切圓大小的問題經過長期的生產實踐，已基本形成共識。而燃燒器高寬比的選用，也同樣是四角切圓布置燃燒器設計中的一個重要問題。燃燒器高寬比指將同一角上的燃燒器視作是一個組合，將這一組燃燒器視為一個整體，其高寬比即為這個整體的高度與寬度之比。
    在燃燒器高寬比對爐膛實際切圓的影響方面，長期以來存在著不同的認識，甚至分歧較大。20世紀50年代，部分學者從冷態實驗得到燃燒器高寬比不得大于4的結論，多年來一直被奉為直流燃燒器設計的一條戒律。但朱珍錦的冷態實驗結果表明：燃燒器高寬比取5～9時，機組能安全經濟運行[3]。而關于燃燒器高寬比對爐內燃燒動力工況的數值模擬尚未見專門的報道。本文以計算流體動力學軟件為基礎，通過改進網格系統來減小偽擴散的影響，以5種燃燒器高寬比條件下蒸發量為670t/h的四角切圓鍋爐為研究對象，對鍋爐燃燒器高寬比對燃燒的影響進行數值模擬。
2 模擬條件
    ① 計算鍋爐簡介及網格劃分
    以某電廠的670t/h四角切圓鍋爐為原型進行燃燒數值模擬，爐膛結構見圖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。一二次風噴口布置見圖2，一次風噴口從下向上編號依次為A、B、C、D、E，二次風噴口從下向上編號依次為F、G、H、I、J、K、L，一二次風噴口截面尺寸為0.45m×0.45m。一二次風噴口的中心距為636.25mm，燃燒器組高度為7.635m，一二次風布置及配風方式為相間布置、均等配風。燃燒器不同高寬比工況采用改變燃燒器投運層數來實現。在這里F～L層的高度與F層的寬度之比為燃燒器高寬比。

    燃燒器切圓布置見圖3，從左下角逆時針旋轉，燃燒器編號依次為1～4號角，1～4號角射流方向與前墻夾角均為42.5°，圖中虛線MN為計算結果分析時的輔助線。由于四角切圓鍋爐幾何區域的復雜性，采用直角坐標系進行數值計算時，其每個角上的一二次風的入口方向與直角坐標的網格邊界的夾角約為45°，這就容易產生數值偽擴散[4]，影響計算的準確性。為減小偽擴散，本文采用平面網格體系(見圖4)。爐內計算區域采用了六面體網格，由圖4可知，燃燒器噴口附近的節距較小，并呈輻射狀，以適應燃燒器射流的發展，盡可能使流體流動方向與網格邊界的夾角遠離45°，最大限度地以垂直于網格邊界的方向進入計算微元體。
 

   ② 計算方法
   對于四角切圓鍋爐，氣流從四角噴口噴入，在爐膛內形成了旋渦，爐內流動已接近強旋流動的范圍，采用常用的標準κ-ε方程模擬爐內流動存在困難[5，6]。本文采用重整化群κ-ε模型[7]進行數值模擬。壓力場的耦合采用SIMPLE方法，煤粉顆粒的跟蹤采用了隨機軌道(Stochastic Tracking)方法，煤揮發分的析出采用雙匹配速率模型(Two Competing Rates Model)，固定碳的燃燒按擴散動力反應模型(Kinetics Diffusion-Limited Combustion Model)，輻射換熱按P-1(P-1 Radiation Model)模型。開始計算時，先求解等溫流場，待動量方程收斂后，再耦合顆粒場、燃燒和輻射換熱，然后進行循環迭代；當連續性方程和能量方程的殘差都不再減小時，各計算參數不再隨迭代次數變化，燃燒過程計算即告收斂。5種工況下的燃燒器高寬比見表1。工況4中的燃燒器上下不連續，故不存在統一的高寬比。
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 計算結果及分析
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圖5～14，圖中數值的單位為℃。由圖5～14可知：
    ① 工況1的燃燒器高寬比為3.83，此時所形成的切圓直徑相當于爐膛寬度的30%～40%。因此，燃燒器高寬比較小時，爐內氣流充滿程度較差，爐膛中部火焰過于集中，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于爐膛寬度的50%～60%，爐內氣流充滿程度較好，燃燒器平面的高溫區域在切圓附近，而爐壁溫度水平較低，是較為理想的燃燒工況。
    ③ 工況3是實際運行可能采用的方式，這種工況下燃燒器的高寬比達到9.48，由圖9、10可知，切圓直徑與工況5氣流緊貼壁面的計算結果相比有了一定程度的減小，但是仍然接近爐膛的寬度，致使高溫區緊貼壁面。
    ④ 將工況3中的G層二次風噴口關掉，就是工況4，這種情況相當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，并且爐內氣流充滿程度較好，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，氣流會卷吸更多的煙氣，使得切圓的直徑會隨著高度的增加而變大。這種模擬結果也給實際運行帶來了啟示，當電廠鍋爐設計不合理，并沒有對燃燒器進行分組時，運行人員可以人為停掉一層噴口，也會起到對燃燒器進行分組的作用。
    ⑤ 工況5中所有噴口全開，這時燃燒器的高寬比達到16.55。計算結果顯示，實際切圓直徑過大，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域均在壁面附近，這樣會在爐壁附近形成還原性氣氛，降低了灰熔點，運行中容易造成爐壁的結渣。
 

3.2 各工況動壓、靜壓
    由于噴口布置角度偏離對角線，特別是射流進入爐膛后相互作用，導致射流向一側墻偏轉，從而形成射流兩側較大的補氣條件差別。兩側也必然形成靜壓差，有靜壓差就會發生射流的偏轉。射流兩側靜壓差的大小成為射流偏轉強度傾向大小的判據，燃燒器射流中心兩側的靜壓差越大，射流偏轉越嚴重，爐內的切圓也就越大。
    工況1中B層2號角的動壓分布見圖15，在輔助線MN方向上的長度為5.4m時，動壓達到最大，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號角的靜壓分布見圖16，在輔助線MN方向上的長度為5.4m的兩側，靜壓分別有兩個高峰值，這兩個峰值之差即為燃燒器噴口噴出的射流中心兩側的靜壓差，約32Pa。通過此種方法，可以計算出所有燃燒器射流中心兩側的靜壓差。各工況燃燒器射流中心兩側靜壓差平均值見表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靜壓差的算術平均值。由表2可知隨著高寬比的增加，燃燒器射流中心兩側平均靜壓差逐漸增大。
燃燒器高寬比與射流兩側平均靜壓差的關系見圖17。

表2 各工況燃燒器射流中心兩側靜壓差平均值
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，當燃燒器高寬比小于4時，射流兩側的平均靜壓差相對較小，而當燃燒器高寬比介于4～9時，射流兩側的平均靜壓差會隨著燃燒器組高寬比的增加快速增加，當燃燒器高寬比大于9后，射流兩側的平均靜壓差的增長趨于平緩。但結合前面溫度分布模擬的結果，事實上，當燃燒器高寬比大于9后，燃燒器區域熱態切圓已接近爐膛邊壁，故此后再增大高寬比，無論對切圓大小還是熱態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，從模擬結果看出，燃燒器出口射流兩側平均靜壓差隨著燃燒器高寬比的增大而增大，但其增加幅度會隨著燃燒器高寬比的不同發生階段性變化。
② 當燃燒器的高寬比大于9時，燃燒器射流組實際切圓達到最大，并基本不再增大，燃燒器平面的高溫區域均到達壁面附近，這是引起燃用不同煤種引起結渣或高溫腐蝕等的實質原因。燃燒器高寬比在4～9時，鍋爐切圓大小適中，燃燒組織合理。當燃燒器高寬比小于4時，爐內氣流充滿程度相對較差，爐膛中部火焰過于集中，盡管四周溫度水平較低，但不能發揮切圓燃燒組織的優勢，將引起煤種適應性變差、爐膛出口煙溫升高等不良后果。
參考文獻：
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(本文作者：王次成1 郝永剛2 王瑞平2 史忠權2 1.上海交通大學機械與動力工程學院 上海200240；2.內蒙古包頭第二熱電廠 內蒙古包頭 014030)