煤粉锅炉炉膛内速度场模拟

吕薇 韩晴 陈伟锋 齐国利 张松松

摘 要：为了达到国家节能减排约束性目标及能源的高效利用，根据CFD原理选取某型号的58MW煤粉炉为研究对象，对燃烧器及炉膛进行三维物理建模，根据合理的假设和边界条件设置，模拟在6种工况下锅炉炉内速度场，探讨其变化规律。通过6种工况的计算结果对比得知当锅炉负荷是100%和80%时，随着风量比的增大，流场的扰动效果越好，当负荷是60%时，风量比的大小对于流场的影响很小，基本趋于相同;当风量比相同时，对流场的扰动作用会随着负荷的降低而减弱。

關键词：煤粉炉;建模;数值模拟;流场

DOI：10.15938/j.jhust.2019.05.011

中图分类号： TK223

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2019）05-0059-05

Abstract：In order to meet the national obligatory targets for energy conservation and emissions reduction and energy efficient utilization， this article according to the principle of CFD to choose a type of 58 mw pulverized coal furnace as research object， the burners and the furnace for three dimensional physical modeling， according to the reasonable assumptions and boundary conditions are set up， simulation in 6 kinds of boiler furnace under the condition of velocity field， its change law.By comparing the calculation results of 6 working conditions， it is found that when the boiler load is 100% and 80%， the better the disturbance effect of the flow field is with the increase of the air volume ratio. When the load is 60%， the air volume ratio has little influence on the flow field， and basically tends to be the same.When the air volume ratio is the same， the disturbance of the flow field will weaken with the decrease of the load.

0 引 言

能源与环境是国家社会经济长久健康发展的重要基础，尤其近些年来突出的环境问题引发了一系列的社会矛盾，极不利于社会经济的可持续发展。为此，在“十一五”时期，国家将降低能源消耗以及减少主要污染物排放总量确定为国民经济和社会发展的约束性指标，“十二五”规划中进一步提出了节能减排的具体目标，并在在过去的十年中取得了显著的成绩，能效水平大幅度提高[1-2]。在最新的的“十三五”节能减排综合工作方案中，国家明确提出了“到2020年，全国国内生产总值能耗比2015年下降15%，能源消耗总量控制在50亿吨标准煤以内。”进一步优化产业和能源结构。

在我国的能源结构中煤炭占据着主要地位，虽然这些年国内核能、风能、水利以及其他可再生能源蓬勃发展[3-4]，但在现行的能源结构中中煤仍然具有近70%的份额，由此可预见，煤碳在未来较长的一段时间内仍是我国的主要能源来源[3]。

中小型工业燃煤锅炉是目前国内除电站锅炉外主要的用煤设备，目前我国工业锅炉至少59万多台，而工业燃煤锅炉大概50万台[5]，年耗煤量在7亿t左右，大概占全国年耗煤量的20%，我国燃煤工业锅炉中，大多数是层燃炉，约占70%以上，其中以固定炉排锅炉和链条炉排为主，小于等于20t/h层燃锅炉加权平均热效率只有68.72%，低于国际同类水平15%～20%[6-7]。究其原因我国煤炭资源在锅炉上利用率低、污染物排放高，主要由于煤炭的低效燃烧。然而在发达国家已经采用煤粉全室式燃烧技术，将其应用于工业锅炉领域了，其锅炉热效率远高于传统燃煤锅炉，特别是工业链条锅炉，同时全室燃烧技术还具有环保排放、经济效益高等优点[8-9]。

本文根据CFD原理[10-11]选取某型号的58MW煤粉炉为研究对象，对此锅炉炉膛进行三维物理建模及数学建模，根据合理的假设和边界条件设置，利用Fluent软件对六种工况下炉膛内的速度场进行模拟计算。通过以上模拟所得结果数值对比分析，探讨此类锅炉的最佳运行工况[12]，为以后提高中小型燃煤锅炉能效的相关研究提供数据参考。

1 煤粉燃烧的数学模型

炉内煤粉燃烧是一个极其复杂的物理化学过程，其中包含了湍流流动、传质传热、化学燃烧等一系列的变化。基于这些复杂的变化，在计算流体力学的基础上，严格依据质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律列出基本控制方程，选取气相流动模型——Realize k-ε模型，方程式通式为[5]：

2 物理建模及网格划分

本文的主要研究对象为配备了四台型号为LTXL-15/-20/265-C2旋流燃烧器的58MW热水煤粉锅炉。锅炉结构与尺寸如下图1。图1中所示燃烧器编号分别是1#、2#、3#、4#，其中1#与3#相对、2#与4#相对。

此锅炉采用膜式水冷壁以及循环水泵系统，通过控制煤粉量以及一二次风量控制锅炉负荷温度，锅炉送粉系统是采用带有热风送风系统的球磨机，将煤粉输送到风粉混合器中，在一次风的作用下将煤粉送入燃烧器中。此次研究选用的是三类烟煤，某煤质的工业分析如下表1。

实际运行中的煤粉锅炉还需要包括喷油枪、安全阀等辅助设备，并且燃烧器内部结构以及炉膛内水冷壁布置都较为复杂，因此在进行数值模拟物理建模时需要作出一定的简化，其简化与假设如下：

1）不對辅助设备进行物理建模;

2）由炉膛壁代替水冷壁。本文中只对锅炉膛内的流场进行模拟研究，因而可以忽略水冷壁的结构进行简化。

3）将燃烧器做适当的简化处理，省略一些次要结构，保留影响燃烧器内部流场的主要结构，对整个燃烧器进行两部分的拆分，只建立内、外二次风通道计算域的物理模型。

锅炉内运行主要分为煤粉与空气混合物经燃烧器进入炉膛和燃料在炉膛内燃烧两部分。在进行物理建模以及网格划分时，由于燃烧器内部结构的复杂性，考虑到数值计算的准确性，燃烧器的网格质量要求要高于炉膛网格质量，进而导致总网格数很大，对计算机硬件的要求提高，加长了计算时间。在锅炉运行过程中，燃烧器起到将煤粉与空气混合并送入炉膛内，在此过程中并没有化学反应，因此为了方便计算依据燃烧器实际尺寸结构将燃烧器二次风通道单独建立物理模型，然后进行网格划分，对燃烧器内的各个工况流动情况进行单独的冷态模拟计算，进而将各个工况出口速度数据用profile文件导出，作为后续炉膛计算的基础，内外二次风通道模型网格划分如图2。

对简化后的炉膛根据结构尺寸进行物理建模，结合炉膛结构特点，采用分块划分炉膛网格的方式将炉膛分为5个区进行网格划分。对于炉膛内流场变化比较大区域，为确保模拟的准确性，要做相应的加密处理，考虑到Gambit的非一致网格划分原则及结构性网格的网格质量好、计算量小、收敛等特点，因此对燃烧器所在的分块部分的某些复杂结构有部分四面体结构网格，然后采用Cooper方法进行划分，其它的分块都是六面体结构网格。各个的分块区域的网格总数约200万，同时各个分块区域的网格扭曲度都小于0.8，扭曲度在不超过0.97的前提下越小越好。炉膛计算区域的网格划分如下图3所示。

3 边界条件

3.1 入口边界条件

本文所研究的煤粉锅炉炉膛的模型有4只燃烧器喷口，每个喷口都有中心直流风口面、一次直流风口面、内二次旋流风口面、外二次旋流风口面四个入口。在进行仿真模拟前，需要对各个入口设置参数，本文炉膛入口面设定为速度入口边界条件，中心风风速、一次风风速及煤粉颗粒流量根据运行设计的工况参数直接设定，而内、外二次风风速要由相对应工况燃烧器冷态模拟输出的速度矢量profile文件导入设定;其中各个工况的具体参数见表2。

对于颗粒相的设定方式，在进口处的条件：

1）煤粉颗粒直径依据Rosin-Rammler规律分布[6]。

2）煤粉颗粒进口质量、密度等其他物理特征依据各个不同的计算条件实时设定。

3）煤粉颗粒以一次风速度的0.8倍为起始速度大小[7]。

3.2 出口边界条件

对于炉膛出口边界条件的设定，由于在实际的过程中，出口界面上各种信息很难测量，不能预先知道，因此在数值计算中，出口边界条件要做简化处理，假定炉膛出口平面流动边界条件Outflow条件，即所有的变量在流动方向上的变化率是零，给定出口压力为大气压。

3.3 壁面边界条件

壁面边界附近粘性层中，流体的输运特性变化较大，为保证计算的精度，流体近壁处区域选用Standard wall function。

4 结果与分析

针对以上6个工况的炉内燃烧结果的数值模拟进行分析，工况12、工况3和4、工况5和6是分为三组不同运行负荷条件下，锅炉运行燃烧的数值模拟，而每组同一运行负荷条件下，内外二次风风量配比不同，这将会对炉膛内的流场产生一定的影响，以下将是分析相同负荷、不同风量配比条件下的3组速度流场之间的差异，以及不同负荷、风量配比相同条件下炉内流场之间的差异。

如图4所示，所截平面是靠近燃烧器喷口位置，内外二次风通过内部有导向旋流叶片的内外二次风道进入炉膛内，同时一次风和中心风包裹在内外二次风内部进入炉膛，这样从燃烧器喷入炉膛气流在内外二次风旋流的作用下，炉膛内逐渐的扩散形成漩涡，气流速度方向有回流有扩充;同时又由于四个燃烧器是两两相对，使得气流在炉膛的产生对冲现象，使得气流形成沿炉膛上行和下行的气流，进而气流进入炉膛上部和底部，当气流在折焰角的作用下，产生气流旋转，然后烟气通过炉膛出口进入下一环节。

对比图4中两个工况发现，由于这两个工况的差异在于内外二次风配比不同，工况2气流从燃烧器喷口扩散到炉膛内，形成回流和扩充的效果，同时，对炉膛燃烧器以下部分区域气流有扰动作用，形成旋流;在炉膛上部区域，气流扰动效果也很明显，气流扰动形成漩涡的效果更加明显。工况2相对于工况1而言，说明当风量比为4：1时，炉内的空气动力场明显要好，炉膛内气流的扰动作用明显要好，利于煤粉颗粒进入炉膛的预热和燃烧，使得其燃烧更加充分。

如图5所示，在接近燃烧器喷口位置的炉膛纵向截面上，工况3和工况4都形成旋流流动状态，主要产生这样的效果取决于二次风的作用，使得在喷口外附近将会产生回流扩充、涡旋。

对比图5中两个工况发现，在燃烧器喷口附近产生的旋流效果基本相同，在炉膛上部和下部位置的流场，工况4的效果很明显，说明当风量配比为5∶1时，对于流场的扰动作用大;但相对于图4而言，处于相同风量比4∶1时，工况3与工况2情况基本相同但也有所减弱，说明在此种运行负荷条件下，风量比为5∶1时，流场的扰动效果佳。

对比图6中两个工况发现，风量配比对于炉膛内部流场的影响相比于前面的工况没有那么明显，工况6与工况5的效果基本相同，同时工况5没有等风量比的工况4好，说明随着风量配比的增加，对炉内的流场影响较小。

综上所述，通过以上6个工况对比发现，旋流燃烧器中内、外二次风的喷入炉膛内，对于炉内流场有扰动作用。内外二次风的风量配比的不同，使得扰动的辐射范围有所不同，满负荷运行时，风量比4∶1时明显好于风量比3∶1，负荷变为80%时，工况4也明显好于工况3，工况3相比于工况2效果基本相同但也有所减弱，负荷60%时，风量比的大小对于流场的影响几乎很小，对于同样大小的风量比5∶1时，工况4明显扰动效果好于工况5，由此可以得出，当负荷是100%和80%时，随着风量比的增大，流场的扰动效果越好，但同时在相同风量比的条件下，随着负荷的降低，对流场也有一定的影响;当负荷是60%時，风量比的大小对于流场的影响很小，基本趋于相同，但对于相同的风量比的工况4和工况5而言，负荷的下降，对于流场的扰动影响很大。

5 结 论

本文以装配有LTXL-15/-20/265-C2型号的旋流燃烧器的58MW煤粉锅炉为研究对象，依据锅炉炉膛比例1：1建立模型，根据合理的假设和边界条件设置，模拟在6种不同工况下锅炉炉内流场。通过上述工况的模拟结果比对得出如下下结论：

旋流燃烧器中内、外二次风喷入炉膛内，对于炉内流场的扰动作用是十分明显的。内外二次风的风量配比不同，使得扰动的辐射范围有所不同，当负荷是100%和80%时，随着风量比的增大，流场的扰动效果越好，当负荷是60%时，风量比的大小对于流场的影响很小，基本趋于相同;当风量比相同时，对流场的扰动作用会随着负荷的降低而减弱。

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（编辑：温泽宇）