水煤浆燃烧过程的数值模拟

匚基础研究1水煤浆燃烧过程的数值模拟陈力,赵翔,孟德润,杨晓刚(浙江大学,浙江杭州310027)[摘要]为深入研究水煤浆的燃烧特性,对南海电厂1台200MW四角切圆燃烧锅炉在全烧水煤浆满负荷运行状况下的炉內流场、温度分布及各组分场进行了数值模拟。结果表明:整个炉膛空间存在1个明显的旋转流场;炉內最髙温度岀现在燃烧器区域,随着炉膛髙度的増加,温度逐渐降低;温度场与各组分场有着对应关系,高温区对应CO高浓度区和O2的低浓度区;水分在燃烧器段炉膛壁面附近含量较多,中心含量较少,随着高度的增加,这种差别逐渐减小。关键词]锅炉;燃烧;水煤浆;数值模拟;流场;温度;组分场[中图分类号]TK224.1文献标识码]A文章编号]1002-3364(2006)10-0020-04模拟对象燃尽风上上二次风模拟对象为南海电厂1台WGZ670/13.7-5型○再燃风燃煤锅炉,拟将其改造为全水煤浆燃烧,-次风和二次上上中二次风风双切圆布置,其中一次风和二次风切圆直径分别为O上上一次风d800mm和d1000mm,逆时针旋转。燃烧器最上层上下中二次风布置了燃尽风(OFA)并采用反切.其切圆直径为d800O十上下-次风mm。燃烧器组结构见图1,燃烧器设计配风参数见表上下二次风1。锅炉拟燃用山东兖日水煤浆,煤粉颗粒平均粒度为下上二次风75m(80%~85%),最大粒径200m,水煤浆元素下上一次风分析和工业分析见表2。下中¨次风表1燃烧器设计配风参数O下-次风项目风速/m风率/%风温/℃O一下下次风次风图1燃烧器组中二次风23.79OFA2网格划分和计算方法表2水煤浆的元素分析和工业分析元素分析发热量Qm工业分析旋转流场是四角切圆燃烧锅炉炉膛的主要特征,项目/MJ·kg对于所计算的炉膛,如果采用正规的网格划分和差分水煤奖51.82.86.230.98ω.2919.933258374324.74离散方法,会把流过每一控制容积面的多维流动处理成局部的一维流动,从而产生流动伪扩散。減少伪扩作者简介:陈力(1980-),男,硕土,主要从事水煤浆燃烧研究基础研究散的一个有效手段就是改进网格体系,使网格线与流较大速度射入炉膛后迅速受热膨胀,在浮力的作用下动方向的夹角偏离45°。为此,将炉膛分为燃烧器区向上运动,水平方向上的动量减小,旋转运动减弱,在域、燃烧器上部区域、燃烧器下部区域3个区,并把燃炉膛中心不足以形成与冷态流场相当的大负压区。相烧器区域再进一步细分,尽量使从燃烧器岀来的气流应地燃烧器段以上没有形成较大回流区,气流向上运方向与网格线垂直。图2为某一层燃烧器区域的水平动。在炉膛冷灰斗区域存在明显的回流区,这是由于截面网格分布图,可以看岀燃烧器喷嘴附近的节距较中心压力低,并且从燃烧器喷岀的气流向下流动所致小,并呈辐射状,以适应燃烧器射流的发展。图3上下二次风平面切速度向量图2燃烧器区域水平截面网格分布本文通过试算比较,采用了使用广泛的 Standardk-ε紊流模型模拟气相湍流输运,用有限速率涡团耗FR/IINNEA散模拟气相(挥发分)湍流燃烧,用P-1辐射模型计算辐射传热;对煤粉挥发分的释放采用双匹配速率模型焦炭燃烧采用动力/扩散控制燃烧模型,煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型,水分的蒸发采用湿燃烧法。把气相作为连续性介质,在欧拉坐标系中描述;把煤浆雾矩中的煤粉颗粒看作离散相物质,在拉格朗日坐标系中描述,并考虑两相间的质量、动量和能量的相互作用。对于方程的离散,动量方程、能量方程、组分方程k方程、ε方程均采用二阶迎风差分格式。3模拟结果分析流场图3为某层燃烧器喷口水平截面速度矢量分布L(上下二次风喷口)。从图3可以看出,炉内气流是个强烈旋转的气流,在中心形成切圆;二次风无贴壁现I'n象减少了锅炉运行时壁面结渣的发生。图4为炉膛图4Y=0(m)平面XZ速度向量左右墙中心平面(Y=0)速度矢量分布。由图4可见,热态流场分布与冷态时有明显不同,从上段燃烧器起,3.2温度场气流以较大速度向上运动,炉膛中心没有明显的中心从图5可以看岀,炉内燃烧器区域截面上的温度回流区。形成这种流态的原因是,由于热态时气流以近似同心圆分布,向火侧温度比背火侧温度高。在实匚基础研究1际切圆附近,燃烧最为强烈温度最高而炉膛四壁附煤粉贴壁并引起炉膛水冷壁结渣及高温腐蚀等问题。近由于气流速度较低没有足够的氧气,导致燃料不能研究表明,由于一、二次风刚性不同在受到邻角气流很快地着火燃烧,因此相对温度较低。燃烧器区域是挤压后,刚性差的一次风偏斜较大,贴向水冷壁,而刚整个炉膛温度最高的地方,上下二次风平面温度最高性较强的二次风,偏斜较小,会造成一、二次风分离,使约为1650K,随着炉膛高度的增加,温度水平不断下水冷壁附近区域缺氧,从而引起结渣。降(图6)。与670t/h燃煤锅炉相比,炉膛温度明显从图7可以看出,在炉膛的上下一次风区域,周边偏低,这是因为水煤浆含有大量的水分,水分蒸发后形靠近水冷壁的区域O2浓度较高,这是由于炉内采用成多孔结构的干煤粒,比表面积很大,致使析出挥发分了一次风和二次风双切圆布置,空气动力场组织良好,的速度和数量要比干煤粒大,因此更容易着火2造成一次风射流的风包粉效果.而靠近边壁处流动性很差,气流湍混不好,加之着火初期也没有消耗大量的O2,因此该区域的CO2浓度较低,从而有效地避免了结渣。水分在水煤浆着火燃烧的过程中,迅速蒸发因而在上下一次风喷口附近含量最多,在炉膛中央含量较小。当水煤浆水分蒸发后,便形成含有多颗煤粉且具有多孔结构的干煤粒,其温度受加热而逐渐升高,13934同时挥发分开始析出。挥发分析出过程是复杂的物理化学过程,它的燃烧主要集中在燃烧器区域,水煤浆在着火阶段挥发分迅速析出,因而在喷口附近挥发分含fRO量较多。挥发分析岀后迅速燃烧,因此在炉膛中央挥发分含量很低。图5上下二次风平面温度等高线(K)aH()体积分数h)()体积分数图6Y=0(m)平面温度等高线(K3.3组分场在四角切圆燃烧锅炉中,由于四角煤粉气流相互cH发分体积分数d)(体积分数撞击特别是整组射流两侧补气条件的差异以及多重图7上下一次风平面组分场复杂组合射流等影响,常常因一次风煤粉射流刚性不足而岀现粉在外风在里的两相流燃烧场,导致未燃尽从图8可以看出,在炉膛中心切圆附近的CO2体基础研究积分数较高,相应的O2体积分数较低,这是因为在该较少,随着高度的增加,这种差别逐渐减小。燃烧器上部区域,随着高度的增加.水分分布已经较为均匀.总体而言略有减小,这主要是水分在炉膛中受对流和扩散的影响4结论(1)燃烧器段以上没有形成较大回流区,气流向上运动,但在炉膛冷灰斗区域存在明显的回流区(2)炉内最高温度出现在燃烧器区域,其中上下二次风平面温度最高随着炉膛高度的增加,温度逐渐降低(3)温度场与各组分浓度分布有着对应关系,高温区对应CO2高浓度区和O2的低浓度区;水煤浆喷入炉膛后,水分迅速析出,在燃烧器段炉膛壁面附近含量较多,中心含量较少,随着高度的增加,这种差别逐HO)体积分数(b)O体积分数渐减小;炉内挥发分燃烧速度很快,基本在燃烧器区域就全部燃烧掉。参考文献]1]王保文,王擎,孙键.四角切圆煤粉炉内温度分布的数值预测[J.东北电力技术,2004,25(4):1-42]岑可法,姚强,等.煤浆燃烧、流动、传热和气化的理论与用技术[M].杭州:浙江大学出版社,19993]秦裕琨,张泽,等.切圆燃烧流场中不同高宽比矩形喷嘴射流特性的试验研究[].热能动力工程.200015(2)4]王康健,张丹娅.等.75t/h电站循环流化床锅炉燃烧和染物排放的数值模拟「].能源工程.2004,36(7):36「5]安恩科,周洪权.电站锅炉燃烧特性的数值模拟[J].同济⊥LLLAuLy大学学报(自然科学版),2004,32(8):1042-1045.S/It6]潘维,池作和,李戈,等.四角切圆燃烧锅炉燃烧和污染物(c)发分体积分数(dCO体积分数排放数值模拟[.浙江大学学报(工学版),2004,38(6):图8Y=0(m)平面组分场761-764区域的燃烧反应要比其它区域迅速,挥发分与固定碳在过量空气参与反应下生成大量的CO2,从而导致中心处较高的CO2浓度和较低的O2浓度。在燃烧器附欢迎电子邮件投稿近,由于水煤浆开始着火燃烧,消耗了大量的氧气,因此该处氧气浓度变化非常剧烈。炉內挥发分燃烧速度rlfdzzs a tpri. com.cn很快,基本在燃烧器区域就全部燃烧掉,在燃烧器上部至炉膛出口处几乎为零。水煤浆喷入炉膛后,水分迅速析出,在燃烧器段炉膛壁面附近含量较多,中心含量