循環(huán)流化床爐膛燃燒的數(shù)值分析與試驗(yàn)

孫通，辛凱，張全厚

（1.神華（福建）能源有限責(zé)任公司 神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司，福建 泉州 362712；2. 哈爾濱電站設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究所有限公司，黑龍江 哈爾濱 150046；3.北方重工集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110141）

循環(huán)流化床鍋爐是在沸騰爐的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，采用循環(huán)流化床的燃燒方式運(yùn)行，簡(jiǎn)稱CFB 鍋爐，由于其具有燃料適用性廣、煙氣中的污染物排放量低、爐膛內(nèi)燃燒效率高等顯著的優(yōu)點(diǎn)，目前已被廣泛投入使用，未來將向著幾十萬千瓦級(jí)的大型化發(fā)展[1]，這方面的研究、開發(fā)和運(yùn)行優(yōu)化方面也日益受到相關(guān)專家學(xué)者的重視。

爐膛的燃燒工況對(duì)鍋爐壽命和電廠整體運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、安全性等有較大程度的影響，由于流化床鍋爐的燃料是顆粒較大的劣質(zhì)煤，這構(gòu)成了鍋爐受熱面磨損的主要因素，另外爐膛上部的受熱面長(zhǎng)期處在高溫高壓的狀態(tài)下，這更加劇了爐膛受熱面的磨損程度。現(xiàn)如今電廠趨向大機(jī)組大型化，由于設(shè)備龐大而復(fù)雜，運(yùn)行中可調(diào)節(jié)的參數(shù)較多，試驗(yàn)不能應(yīng)對(duì)需要而隨時(shí)進(jìn)行，加之參數(shù)對(duì)與之有關(guān)的工況影響已不能憑想象和經(jīng)驗(yàn)做出判斷[2]，因此本文采用數(shù)值分析與試驗(yàn)的方法，對(duì)循環(huán)流化床爐膛燃燒進(jìn)行分析計(jì)算。

近年來已有多位學(xué)者對(duì)爐膛燃燒進(jìn)行了相關(guān)研究，宋景慧、汪濤等[3]對(duì)50 MW 生物質(zhì)循環(huán)流化床爐膛進(jìn)行過二維模擬；張景憲[4]對(duì)300 MW 循環(huán)流化床鍋爐燃燒調(diào)整及參數(shù)控制進(jìn)行過分析；曹艷華、涂淑穎[5]對(duì)480 t/h 循環(huán)流化床鍋爐爐膛燃燒溫度場(chǎng)進(jìn)行過分析。由于現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)條件有限、試驗(yàn)耗費(fèi)的周期較長(zhǎng)等不利因素的影響，循環(huán)流化床鍋爐的爐膛燃燒工況很難得到實(shí)時(shí)的分析，本文運(yùn)用大型商用CFD 軟件FLUENT，基于Simple 算法，運(yùn)用RNG k-ε 湍流方程，結(jié)合有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，在一次風(fēng)速為25 m/s不變的情況下，針對(duì)二次風(fēng)速分別為40 m/s、50 m/s 工況下的爐膛燃燒進(jìn)行仿真模擬，并將兩種工況下的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，適時(shí)通過試驗(yàn)來驗(yàn)證，為循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際燃燒運(yùn)行調(diào)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1 模型的建立

1.1 物理模型

循環(huán)流化床鍋爐的物理模型、結(jié)構(gòu)尺寸及一次風(fēng)、二次風(fēng)流動(dòng)方向如圖1 所示，采用solidworks 軟件生成。

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用FLUENT 6.3 研究爐膛燃燒，利用gambit 軟件建立三維模型和劃分網(wǎng)格，根據(jù)模型的特點(diǎn)，選擇六面體網(wǎng)格，數(shù)目為76 萬，增加兩次網(wǎng)格數(shù)目進(jìn)行無關(guān)性檢驗(yàn)，得出的誤差在合理范圍內(nèi)，最終計(jì)算結(jié)果的精確性可得到保證。爐膛內(nèi)的空氣流動(dòng)采用RNG k-ε湍流方程求解，壓力速度耦合采用Simple 二階迎風(fēng)的離散化算法，將迭代計(jì)算的殘差精度設(shè)置為10-5。

RNG k-ε 模型是由Yakhot 及Orzag 提出的，通過大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響，而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除，所得到的k 方程和ε 方程，與標(biāo)準(zhǔn)k-ε 模型非常相似。

圖1 循環(huán)流化床鍋爐的物理模型

Gk是由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（1）介紹了計(jì)算方法；Gb是由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能，公式（2）介紹了計(jì)算方法；YM是由于在可壓縮湍流中，過渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)；C1ε、C2ε、C3ε是常量，αk和αε是k 方程和ε 方程的湍流Prandtl 數(shù)；Sk和Sε是用戶定義的。

與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型比較發(fā)現(xiàn)，RNG k-ε 模型的主要變化是：

（1）通過修正湍流粘度，考慮了平均流動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)及旋流流動(dòng)情況。

（2）在ε方程中增加了一項(xiàng)，從而反映了主流的時(shí)均應(yīng)變率eff，這樣，RNG k-ε模型中產(chǎn)生項(xiàng)不僅與流動(dòng)情況有關(guān)，而且在同一問題中也還是空間坐標(biāo)的函數(shù)。

從而，RNG k-ε 模型可以更好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動(dòng)[6]。

1.3 邊界條件

一次風(fēng)和二次風(fēng)的邊界條件均設(shè)置為速度入口，其余設(shè)置為壁面邊界條件，出口設(shè)置為自由出口[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)分析

迭代計(jì)算收斂后，在z=7.5 m 處建立切片，并進(jìn)行兩種工況的對(duì)比性能分析，圖2 為針對(duì)二次風(fēng)速分別為40 m/s、50 m/s 情況下的爐膛溫度場(chǎng)等值線圖。

圖2 不同二次風(fēng)速下的爐膛溫度場(chǎng)等值線圖

由圖2 的模擬結(jié)果可以看出，在二次風(fēng)速為40 m/s 和50 m/s 的工況下，爐膛溫度場(chǎng)的整體燃燒效果都較為均勻，但在爐膛高度為7 m 時(shí)，溫度達(dá)到最大值，這是因?yàn)樵诖颂幍娜剂陷^為密集，氧量較大，隨著爐膛高度的增大，溫度場(chǎng)更加趨近平穩(wěn)，這是由于氧量和燃料在爐膛中的流動(dòng)趨近順暢，二次風(fēng)速為50 m/s時(shí)效果更佳，體現(xiàn)了二次風(fēng)的助燃作用。

2.2 組分濃度場(chǎng)分析

圖3 不同二次風(fēng)速下的爐膛CO2 分布等值線圖

圖4 不同二次風(fēng)速下的爐膛CO 分布等值線圖

爐膛內(nèi)的CO2和CO 含量是反映爐膛內(nèi)燃燒狀況的重要參考依據(jù)。由圖3 可以看出，當(dāng)二次風(fēng)速為40 m/s 時(shí)，燃料進(jìn)入爐膛后與爐膛內(nèi)的氧氣迅速發(fā)生燃燒反應(yīng)，整體CO2的組分分布較為均勻，爐膛中間部分低，向兩側(cè)延伸逐漸增高，隨著二次風(fēng)的加大，氧量得到補(bǔ)充，但燃料有向爐膛出口一側(cè)流動(dòng)的趨勢(shì)。同理，由圖4 可看出，爐膛兩側(cè)靠近避免部位發(fā)生的燃燒反應(yīng)較為劇烈，隨著二次風(fēng)的增大，化學(xué)反應(yīng)劇烈，區(qū)域偏移。

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證模擬的精確性，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溫度場(chǎng)試驗(yàn)分析[8]，在爐膛中取10 個(gè)測(cè)點(diǎn)，同樣保持一次風(fēng)速恒定不變，二次風(fēng)速分別設(shè)置為40 m/s、50 m/s，每個(gè)測(cè)點(diǎn)間隔3 min 后，取一組數(shù)據(jù)，接連取5 組，計(jì)算平均值，與FLUENT 中的計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，擬合出曲線圖5。

圖5 溫度場(chǎng)的模擬與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由圖5可以看出，F(xiàn)LUENT 的模擬計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的擬合曲線分布趨勢(shì)較為吻合，誤差在允許范圍內(nèi)，尤其是臨近爐膛空氣出口處，其誤差主要是由于測(cè)量系統(tǒng)偏差、人為操作、模型的簡(jiǎn)化處理等不可避免的原因引起的[9]。

4 結(jié)束語

（1）本文根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行工況和循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際尺寸，建立出模型，采用FLUENT 軟件對(duì)調(diào)整二次風(fēng)速后的流場(chǎng)變化進(jìn)行了分析，解決了試驗(yàn)條件有限、不能適時(shí)進(jìn)行的問題。

（2）通過試驗(yàn)對(duì)比分析，可見模擬結(jié)果的精確性可靠，可作為循環(huán)流化床鍋爐的實(shí)際燃燒調(diào)整和爐膛優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

（3）一次風(fēng)速恒定不變，隨著二次風(fēng)速的增大，爐壁的燃燒劇烈情況趨近平穩(wěn)，但綜合考慮爐膛實(shí)際燃燒運(yùn)行調(diào)解和一二次風(fēng)配比等因素，在運(yùn)行和爐膛實(shí)際時(shí)應(yīng)酌情考慮。

[1] Yue G X，Yang H R，Lu J F，et al. Latest development of CFB boilers in China[C]//Proceedings of the 20th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Springer, 2010.

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