鏈條爐改造為噴粉燃燒方式的燃燒特性模擬

韓莉　武利利　鐘曉暉

摘 要：以16t/h鏈條式鍋爐為研究對象，改造為噴粉燃燒方式，并對爐膛結構進行優化，利用FLUENT軟件，對改造后鍋爐的燃燒特性及爐膛內部溫度場和流場進行了模擬，結果表明，采用噴粉燃燒方式可以大幅度提高鍋爐燃燒效率，鏈條爐升級為噴粉燃燒方式是可行的，研究結果可為鏈條爐升級改造和運行操控提供一定的參考。

關鍵詞：煤粉爐；旋流燃燒；氣固兩相流；數值模擬

引言

煤炭是我國的主體能源，在一次能源結構中占70%左右，在未來相當長時期內，煤炭作為主體能源的地位不會改變。燃煤工業鍋爐數量多，單機容量仍然較小，容量≤35t/h的鍋爐數量約占工業鍋爐總臺數的96%，其中容量≤10t/h的占80%，大多數鍋爐為鏈條爐，總體工藝水平較差[1]。文章利用FLUENT軟件對改造后的鏈條爐燃用煤粉時的運行特性進行數值模擬，以期為鍋爐的優化升級和運行操控提供有益的參考。

1 模擬工況

1.1 運行煤種

為了考察燃燒室內的溫度分布和多相流動特性，選取了典型煙煤作為熱態實驗煤種，其煤質工業分析、元素分析和低位發熱量分析如表 1 所示。

1.2 邊界條件

根據實際運行參數，模擬工況見表2。

2 模型

燃燒過程包括煤粉燃燒、湍流流動、傳熱傳質等多個過程，是一個非常復雜的物理、化學過程，模型選擇見表3。基本守恒方程包括質量守恒方程、能量守恒方程、動量守恒方程、化學組分方程、連續方程。首先進行單相流場的計算，等空氣單相計算穩定之后，再加入煤粉顆粒Dpm模型進行煤粉的燃燒計算。

3 網格劃分

三維網格劃分，因為爐膛上部為圓柱形，為提高精確度，整體采用六面體網格劃分，網格總數量為4127915個，如圖 1 所示。

使用三維建模軟件完成了對燃燒器的幾何建模。建立的模型包括煤粉濃縮器、內二次風旋流器、煤粉分配器、切向蝸殼、各個風管等。如圖2所示。

4模擬結果與分析

4.1 溫度場

圖3可以看出：煤粉在旋流燃燒器中高速噴出，進入爐膛后，受到爐內的高溫煙氣對流換熱以及爐膛壁面的輻射換熱而被點燃，發生劇烈的燃燒傳熱反應。爐膛整體溫度在800-900℃之間，燃燒發生在前半個爐膛區域，在煤粉噴口一段距離后出現局部高溫區，是因為火焰在內回流區的邊緣開始向外回流區擴散，顆粒燃盡速度快，爐膛內部溫度均勻，降低爐內溫度水平，該溫度下不易在爐膛壁面結渣。由于旋流燃燒器中存在軸向二次風，增強了外回流區顆粒與空氣的混合作用，使煤粉燃盡率提高，同時降低了煤耗。

由于爐型的特殊情況，在火焰發展過程中，下部空間不能得到延伸，火焰沿爐底向爐膛深處延伸，并在慣性力作用下在爐膛尾部形成中溫區域。爐膛底部和尾部可以布置受熱面來吸收高溫對流熱。

4.2 速度場

帶有二次風的旋流燃燒，雖然火焰處軸向速度不高，但切向動量與軸向動量的比值較大，燃燒器的旋流卷吸能力增強，尤其是旋轉射流的外邊界對周圍高溫煙氣的卷吸能力增強，從圖4速度場的模擬結果可以看出，主要高速區發生在氣流中心，在內回流及外回流作用下，主要速度區并未向爐膛深處延伸，而呈現扇形收斂，爐膛深處為低速區。

由于爐膛的特殊結構，在外回流區下部受爐底的阻力作用，速度場向爐膛深處延伸了一段距離，與圖3中火焰的形狀走向形成對應。

4.3 顆粒軌跡

對煤粉粒子的運動軌跡進行模擬研究，模擬結果如圖5所示。從模擬結果看出，由于爐型的原因顆粒容易在爐膛內部循環，循環位置分為兩部分，一部分是燃燒器出口，一部分是主爐膛。停留時間大部分在30-50s之間，部分顆粒在60min左右。少量顆粒隨煙氣進入煙道排出，大部分沉降在爐膛內部低速區。顆粒軌跡密集部位有利于對流換熱，可以作為對流受熱面主要布置區。

5 結束語

（1）鏈條爐改造后，由于爐膛深度較長，不容易滿足空氣與顆粒的良好混合，帶有二次風的旋流燃燒器能較好地滿足顆粒的燃盡效果。（2）設計工況下的模擬結果得到了均勻的溫度場分布，明晰了高速區、低速區及顆粒軌跡，為進一步受熱面改造提供了參考依據。

參考文獻

[1]余潔.中國燃煤工業鍋爐現狀[J].節能減排，2012，3（18）：89-91.

作者簡介：韓莉，華北理工大學在讀碩士研究生。

作者簡介：鐘曉暉（1977-），男，漢族，河北邢臺人，博士，教授/碩士生導師，主要研究方向為可再生能源利用、制冷空調系統節能、潔凈煤技術等。