基于有限元的電力鍋爐熱力特性應用研究

宋順鑫，趙 敏，孫森

（杭州海康威視數字技術股份有限公司，浙江杭州 310018）

我國的工業鍋爐大部分是鏈條爐排鍋爐[1-4]，鏈條爐現已發展成機械化程度高、運行穩定的一種燃燒設備。但與煤粉爐及循環流化床鍋爐相比，鏈條爐的排煙熱損失與固體未完全燃燒熱損失嚴重，它的熱效率較低，這就增加了機組運行成本，致使經濟性較差。

對鏈條爐的研究工作，國內外已有較多報道，如丁大偉等對鏈條爐配風優化開展了數值模擬研究[5-9]，李景明等對工業鏈條爐開展了熱態數值模擬研究工作[10-16]。

該文研究采用了一種能將鏈條爐床層與爐膛一體化耦合的方法，進一步提高了計算結果的準確性。通過該次模擬研究，能為鏈條爐的工業應用提供一定的參考價值。

1 模擬對象介紹

該爐型為雙鍋筒橫置式鏈條爐排鍋爐，鍋爐高8 421 mm，最大寬度6 355 mm，深度2 700 mm，鏈條爐結構示意如圖1所示。對應的三維實體采用GAMBIT軟件進行網格劃分，網格總數為820 000 個。鍋爐基本參數如表1 所示，煤質特性參數中元素分析及工業分析數值分別如表2、表3 所示，其中該煤質低位發熱量是24.42 MJ/kg。

圖1 鏈條爐結構示意

表1 鍋爐基本參數

表2 煤質特性參數

表3 煤質工業分析參數

2 數值模型與計算條件

該計算為三維穩態數值模擬。湍流計算為標準k-ε雙方程模型，輻射換熱為P1 模型，運用了混合分數-概率密度函數模擬湍流燃燒過程，揮發分的析出與焦炭的燃燒分別采用了雙步競爭速率模型與動力/擴散控制模型。

初始條件：給煤溫度為25 ℃，給煤量為0.4 kg/s，煤粒徑服從rosin-rammler 分布，其中燃煤最小粒徑為6 mm，最大粒徑為30 mm，平均粒徑為16 mm。床層燃煤厚度為150 mm，編寫UDF 函數實現煤質顆粒軌跡控制，燃煤在爐排上停留時間為60 min。

邊界條件：一次風室為進風入口，一次風溫為403 K；煤入口與出口為壁面熱流邊界，發射率為0.8；前后拱設為絕熱壁面；前后墻及左右墻壁溫為393 K，發射率為0.9；爐膛出口為壓力出口。一次風計算參數如表4 所示。

表4 一次風計算參數

從表3 可以看出，后側風室的供風量較少，供氧較多位置主要是在鏈條爐排的前段，這由鏈條爐的燃燒方式及該爐型結構共同決定的。該計算對象由5 個一次風室構成，從工程實際出發，風室的數量對合理配風有重要作用，進而影響燃燒結果。

3 計算結果

3.1 溫度場與氣相組分場

100%負荷下，對其進行了熱態燃燒計算模擬，得到了溫度場與氣相組分場。對于氣相，該文分析了O2在爐內分布的情況（單位：體積分數）。

圖2 是溫度分布等值線圖，最高溫度值出現在第二個風室上方的爐排面上，溫度值是1 300 ℃，該處是主燃燒區域，其余兩側爐排面上溫度逐步變小，沿爐膛高度方向煙氣溫度也是逐漸變低，爐膛出口煙溫約為905 ℃。

圖2 溫度分布等值線

由圖2 可知，第一個風室上方爐排面的溫度較低，這是由于給煤的溫度偏低，在點燃前要吸收一定的熱量，且該爐燃用煤質的揮發分含量低，燃料引燃也會推遲，再加上該處是水分的蒸發區域，也要吸收一定的熱量，故溫度不高。第4-第5個風室上方爐排面的溫度也相對偏低，這是因為可燃物到達該位置時已基本燃盡，該處的溫度主要是剩余少量焦炭的燃燒與灰渣物理熱共同作用的結果。上述結果符合典型鏈條爐的燃燒進程，說明該模擬方法準確、可靠。

O2分布等值線如圖3 所示，該圖與溫度分布結果相對應，從圖中可看出，主燃燒區的O2濃度較低，水分析出處與焦炭燃盡處的O2濃度相對較高，爐排下的一次風室由于不參與燃燒過程，因而不耗氧。由于氣體可燃物在爐膛空間的燃燒，沿爐膛高度方向O2濃度不斷變小。

圖3 O2分布等值線

3.2 負荷變化對燃燒過程的影響

分別對鍋爐負荷為50%、75%、100%時的燃燒特性進行了研究，并將得出的結果加以對比分析。

圖4 為不同負荷下的燃煤顆粒溫度沿爐排長度方向的變化規律，計算條件：取床層高度100 mm 處的煤質且粒徑為14 mm。

圖4 不同負荷下的燃煤溫度變化曲線

結果可見，在爐排面長度為0～0.5 m 處，負荷變化對燃煤顆粒溫度的影響不明顯，此時煤質處于燃燒準備階段。但在長度為0.5 m 以后，不同負荷間的溫度差異變得顯著，尤其在主燃燒區，不同負荷間的溫度差值較大。在爐排后段，隨著煤不斷的燃盡，溫度差值逐漸變小。

表5 是負荷變化對爐膛出口煙氣溫度、燃盡率、CO2、O2、CO 濃度的影響。可以發現，隨著鍋爐負荷的變大，CO 與O2的濃度在降低，而CO2的濃度和爐膛出口煙氣溫度在增加，煤質的燃盡率也隨著變大。

表5 負荷變化對燃燒結果的影響

3.3 床層燃煤顆粒溫度與質量的變化

計算條件：選取床高分別為65 mm、85 mm、103 mm位置處的3 種燃煤顆粒，直徑為22 mm。圖5 為爐排方向上不同床層高度的燃煤溫度變化曲線。可以看出，床層高度由高變低時，床層顆粒的溫度也是逐步降低的，說明了鏈條爐的燃燒是從煤層表面向床層底部逐漸擴展的，也即鏈條爐具有單面引火特性。在爐排面長度為0.0～1.2 m 處，床層高度對顆粒溫度的影響差別較小，這是由于該段是水分蒸發與揮發分析出區域，此時的燃燒進程還很緩慢。從總體分布來看，不同床層高度的顆粒溫度差異較大，在爐排面長度為3.5 m 處時，以65 mm 與103 mm 的床高為例，兩者的溫度差值為148 ℃左右。

圖5 不同床層高度下的燃煤溫度變化曲線

以床層高度103 mm 為基準，分別統計了燃煤粒徑是6 mm、9 mm、12 mm、14 mm 時，單顆粒燃煤質量隨爐排面長度的變化規律，如圖6 所示。

由圖6 可知，當長度小于0.5 m 時，煤質質量變化很小，之后燃煤質量不斷變小，但在長度為4～6 m時，顆粒質量已不再發生變化。粒徑越小，燃盡時間越短。

圖6 不同粒徑下的單顆粒燃煤質量變化曲線

3.4 總體燃盡率計算

揮發分析出溫度與著火溫度均較低，在鏈條爐排的前端即會燃盡，且可燃成分中焦炭的比重遠高于揮發分，因此，燃煤顆粒的燃盡主要指的是焦炭的燃盡狀況，表征煤燃盡情況的參數可用燃盡率表示，燃盡率ηrj的表達式如下：

式中，Ml為可燃質燃燒損失的質量，Mt為可燃質的總質量。

由于燃煤中的可燃質為揮發分與焦炭，因此可按式（2）來表示其含量。

式中，Vdaf為干燥無灰基揮發分質量百分比，Cdaf為干燥無灰基焦炭質量百分比。

可燃質的燃燒損失質量可表示為：

式中，ηv表示揮發分的燃盡率，ηc表示焦炭的燃盡率。由以上各式，可得出燃盡率的計算公式為：

式（2）中的Vdaf與Cdaf根據燃煤特性即可得知，該計算中其分別是7.85%與92.15%。ηv與ηc通過對燃煤顆粒的數據統計便可知曉，數值如表6 所示，依次是揮發分燃盡率100%與焦炭燃盡率92.71%（燃盡率=燃燒前后含量差值與燃燒前含量的百分比），代入式（4）可得燃盡率為93.28%，該值較高，說明燃盡效果好。

表6 揮發分與焦炭參數統計

3.5 沿程燃盡率計算

計算出沿爐排方向的沿程燃盡率，便可掌握燃煤在床層上的燃盡情況，再通過合理調整運行參數，優化鏈條爐的燃燒過程，進而獲得一定的經濟效益。沿程燃盡率的變化曲線如圖7 所示，其中的可燃質包含揮發分與焦炭兩種成分。

圖7 沿程燃盡率變化曲線

爐排面長度為0～0.5 m 時，揮發分的燃盡率快速增長，而焦炭與可燃質的燃盡率變化緩慢且燃盡率很低。在0.5 m 時，揮發分已經燃燒完全，而焦炭與可燃質的燃盡率則繼續增長，到5 m 時，焦炭與可燃質燃盡率增長趨勢已變緩慢。

揮發分很快燃盡是因為它的析出過程在爐排前段就已幾乎完成，且其著火溫度低。焦炭的燃盡伴隨著整個燃燒過程，在爐排長度為6 m 時，燃盡率是89.88%。由圖可見，焦炭與可燃質的燃盡率變化曲線近乎重合，這是因為燃煤可燃成分的揮發分含量低，大部分由焦炭構成。

4 結論

通過該數值計算，得到以下結論：

1）該10 t/h 鏈條爐熱態模擬后得出的溫度場、氣相組分場符合典型鏈條爐的燃燒特點，證實該一體化耦合計算方法準確、可靠；100%負荷時，爐內最高溫度約是1 300 ℃，爐膛出口氧量為5%左右，燃燒較充分。

2）高負荷時，爐膛出口處的CO 與O2濃度相對低些，而排煙溫度與CO2濃度偏高，此時的燃盡率也較高。

3）床層高度不斷降低時，燃煤顆粒溫度逐漸下降，驗證了鏈條爐的單面引火特性；顆粒質量越大，越不利于燃料的燃盡，實際運行時應合理調整燃煤粒徑。

4）鏈條爐的燃盡率較高，為93.28%，對鏈條爐爐型而言，燃燒效率較高；沿程燃盡率的計算表明，揮發分很快消耗殆盡，而焦炭燃燒伴隨整個燃燒過程。