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1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

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jicopen 发表于 2007-12-10 15:09:51 | 显示全部楼层 |阅读模式
<p align="center"><strong><font size="5">1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟</font></strong></p><p align="center">朱全利<br/>(武汉大学&nbsp; 430072) <br/>曾汉才<br/>(华中科技大学&nbsp; 430074) </p><p>【摘&nbsp; 要】 对一台1925t/h HT-NR3旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程进行了数值模拟。根据数值模拟的结果,研究了该燃烧器的燃烧特性,着重研究了OFA、旋流强度、浓淡比以及燃烧器配风等因素变化时对锅炉燃烧过程的影响。<br/>【关键词】 锅炉;旋流燃烧器;数值模拟;浓淡比<br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp; 当前,我国引进技术生产的600MW超临界机组锅炉的燃烧系统很多采用了高效低NOx旋流燃烧器。为了进一步减少燃煤过程中NOx的生成,这些锅炉均采用了顶部燃尽风(OFA)。本文对一台1925t/h超临界机组锅炉炉内燃烧过程以及主要因素对燃烧的影响进行了全面的数值模拟,所得结果对大型锅炉燃烧系统的设计和运行具有重要的参考价值。<br/></p>
 楼主| jicopen 发表于 2007-12-10 15:10:22 | 显示全部楼层
1 计算模型及方法 <br/>炉内燃烧过程数值模拟方程和模型包括:气体湍流方程、颗粒运动模型、挥发分释放燃烧和焦炭燃烧模型、辐射传热模型等。本文采用k-ε双方程模型来模拟气相湍流输运;颗粒的运动采用随机轨道模型;煤粉颗粒的燃烧分为挥发分在气相的燃烧和焦炭的燃烧,颗粒的热解采用双平行反应模型,焦炭的燃烧采用扩散动力反应模型;使用离散传播法计算辐射传热。<br/>对上述气相通用方程组,采用Spalding,Patankar等建立的数值方法进行计算,其中计算区域的离散化采用正交非均匀交错网格,将其划分为i(深)×j(宽)×k(高)个网格,使用控制容积法推导差分方程,差分格式使用混合格式,差分方程的求解采用SIMPLER方法。颗粒相的计算采用拉氏方法,气相-颗粒相间的耦合采用PSIC算法实现。<br/>程序主要分为两部分:(1)Eulerian计算,包括气相的u,v,w,k,ε,P,h,f,g及辐射传热的计算;(2)Lagranglan计算,包括煤粉颗粒的轨道、温度及燃烧过程的计算。求解过程为:在流动方程迭代20次初步形成流场后,加人煤粉颗粒运动方程,挥发分释放燃烧和焦炭燃烧的计算,以及辐射传热的计算。通过守恒方程之间的源项耦合,修正这些计算的加入引起的流场变化。此后每迭代若干次(本文选取5次)气相湍流输运方程组,就对煤粉颗粒运动方程、挥发分释放燃烧和焦炭燃烧、辐射传热迭代一次,直到程序收敛为止。<br/>
 楼主| jicopen 发表于 2007-12-10 15:14:44 | 显示全部楼层
<p><strong>2 计算对象</strong></p><strong></strong><p>[Post=20]<br/><strong>数值模拟的对象为1台1925t/h超临界锅炉。该炉采用单炉膛前后墙对冲燃烧方式,其燃煤特性为:Car=</strong><strong>64.25</strong><strong>%,Har</strong><strong>=3.55</strong><strong>%,Oar</strong><strong>=2.62</strong><strong>%,Nar</strong><strong>=1.15</strong><strong>%,Sar</strong><strong>=0.33</strong><strong>%,</strong><strong>Aar=22.22%,Vdaf=14.44%,Mad=0.51%,</strong><strong>DT=</strong><strong>1450</strong><strong>℃,</strong><strong>ST</strong><strong>>1500</strong><strong>℃,FT</strong><strong>>1500</strong><strong>℃</strong><strong>,Qar,net</strong><strong> =24360</strong><strong> kJ /kg。</strong><br/><strong>燃烧器布置见图1。24只HT-NR3燃烧器分三层布置在炉膛前后墙上,燃烧器一次风喷口中心线的层间距离为4957.1mm,同层燃烧器之间的水平距离为3657.6mm,上一次风喷口中心线距屏底距离为27322.3mm,下一次风喷口中心线距冷灰斗拐点距离为2397.7mm,最外侧燃烧器与侧墙距离为4223.2mm。燃烧器上方布置有燃烬风(OFA)风口,12只燃烬风风口分别布置在前后墙上。中间4只燃烬风风口距最上层一次风中心线距离为7004.6 mm。两侧靠前后墙2只燃烬风风口距最上层一次风中心线距离为4272.3mm。</strong></p><p><strong></strong>[/Post]<br/><strong>图2为HT-NR3燃烧器示意图。在燃烧器中,空气被分为三股,它们是:直流一次风、直流二次风和旋流三次风。燃烧器的主要设计参数见表1。</strong></p><p align="center">

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟
&nbsp;</p><p align="center"><strong>图1 燃烧器布置示意图</strong><strong>
                </strong><strong>图2 燃烧器结构示意图</strong><strong>
                </strong></p><p><strong>计算网格划分为40(深)× 80(宽)×90(高)个(见图4-3),辐射网格26(深)× 19(宽)× 31(高)个。将煤粉颗粒按初始尺寸划分为6组,各组颗粒直径分别为:20μm,50μm ,70μm ,100μm,150μm,200μm;各组分所占的质量分数分别为:21.9%,41.1%,15.6%,10.3%,5.9%,5.2%。</strong><br/>表1 燃烧器的主要设计参数</p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="1"><tbody><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><br/><strong>负 荷 </strong></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>BMCR</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>BRL</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>75%BMCR</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>50%BMCR</strong></p></td></tr><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><p><strong>一次风率(%)</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>19.3</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>20.1</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>19.1</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>16.6</strong></p></td></tr><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><p align="center"><strong>二次风率(%)</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>80.7</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>79.9</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>80.9</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>83.4</strong></p></td></tr><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><p align="center"><strong>一次风速(m/s)</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>19</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>17.3</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p><strong>15.0</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>17.4</strong></p></td></tr><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><p align="center"><strong>二次风速(m/s)</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>32</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>27.8</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>25.8</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>35.3</strong></p></td></tr><tr><td nowrap="nowrap" width="101"><p align="center"><strong>三次风速(m/s)</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>40</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>34.8</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>32.2</strong></p></td><td nowrap="nowrap" width="91"><p align="center"><strong>44.1</strong></p></td></tr></tbody></table></div><br/>
 楼主| jicopen 发表于 2007-12-10 15:22:54 | 显示全部楼层
<h3>3 计算结果及分析</h3><h3>3.1 OFA对燃烧工况的影响</h3><p>&nbsp;

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟
</p><table cellspacing="0" cellpadding="0" align="left" border="0"><tbody><tr><td valign="top" width="378"><p><strong>图3 不同OFA下炉膛纵剖面氧浓度示意图,%</strong></p></td></tr></tbody></table><p>&nbsp;</p><p><strong>采用OFA的目的主要是为了减少锅炉在燃烧过程中NOx的生成量。是热风的一部分,当OFA增加时,燃烧器的二次风和三次风会响应减少。一般地,随着OFA的增加,分级燃烧程度增加,NOx的生成量会减少。但是,OFA风量的变化也会影响到炉内的燃烧过程。</strong><br/><strong>3.1.1 对炉内氧浓度分布的影响</strong><br/><strong>图3为不同燃烬风风率时炉内氧浓度示意图(第三组燃烧器炉膛剖面处)。</strong><strong>可以看出,随着OFA风率由15%增大到25%,燃烧器区域的风量减少,炉膛中心的氧浓度降低。</strong><br/><strong>3.1.2 对温度场的影响</strong><br/><strong>图4为不同燃烬风风率时的温度场分布情况(最上层燃烧器截面处)。可以看出随着燃烬风风量增大,炉内高温区减少。这是由于随着燃烬风风量的增大,二次风和三次风风量减少,由于旋流三次风风量减少,综合旋流强度变小;同时由于炉膛中心氧浓度降低,导致煤粉燃烧速度降低,因此,燃烧器区域温度水平降低。</strong></p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td valign="top" width="968"><p align="center">

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟
</p><p align="center"><strong>图4 不同OFA风量下燃烧器温度场示意图,K</strong><strong><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>3.1.3 对回流区的影响</strong><br/><strong>图5为前墙左边第一个燃烧器出口(最上层燃烧器截面处)回流区的状况。随着燃烬风风量的增大,单只燃烧器二次风风量降低。从图中可以看到,燃烧器出口回流区减小,回流区卷吸的高温气流量也随之减少。</strong></p><div align="center"> trKGXuKc.jpg </div><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td valign="top" width="830"><p><strong>图5 不同燃烬风风量对回流区的影响</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>3.1.4 对燃烧效率的影响</strong></p><p><strong>表2为改变燃烬风的计算结果。由表可知,而随着OFA风量的增大,主燃烧区分配的氧量减少,燃料燃烧不完全;同时,由于三次风随OFA的增加而减少,燃烧器的旋流强度减少,燃烧器卷吸高温烟气的回流量减少,煤粉气流着火速度下降,从而导致飞灰含碳量增大。</strong><strong><br/>&nbsp;&nbsp;</strong></p><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="56%" align="left" border="1"><tbody><tr><td width="334" colspan="3"><p><strong>表2 改变燃烬风对燃烧工况的影响</strong><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</p></td></tr><tr><td width="96"><p><strong>燃尽风风率 </strong></p></td><td width="120"><p><strong>飞灰含碳量(%) </strong></p></td><td width="118"><p><strong>炉膛出口温(℃) </strong></p></td></tr><tr><td width="96"><p><strong>15%</strong></p></td><td width="120"><p><strong>2.806</strong></p></td><td width="118"><p><strong>1249.3</strong></p></td></tr><tr><td width="96"><p><strong>20%</strong></p></td><td width="120"><p><strong>3.216</strong></p></td><td width="118"><p><strong>1256.5</strong></p></td></tr><tr><td width="96"><p><strong>25%</strong></p></td><td width="120"><p><strong>6.488</strong></p></td><td width="118"><p><strong>1260.7</strong></p></td></tr></tbody></table><p>&nbsp;</p><p>&nbsp;</p><p>&nbsp;</p><p>&nbsp;</p><p></p><h3>3.2 旋流强度对燃烧工况的影响</h3><p><strong>3.2.1对燃烧器回流区的影响</strong><br/><strong>图6为不同<img height="17" alt="" src="file:///E|/my%20doc/未命名站点%201/clip_image022.gif" width="17"/>∑时燃烧器出口回流区的状况。可以看到,随着<img height="17" alt="" src="file:///E|/my%20doc/未命名站点%201/clip_image024.gif" width="17"/>∑的增加,回流区增大,同时射流的扩展角也增大。也就是说,射流将有一个较大的外边界面,会卷吸更多的周围高温烟气,增加煤粉供热量,回流区流动动能转变为湍动能,扰动增强,强化热质交换,有利于强化燃烧。</strong><br/><strong>但旋流强度过大,会导致煤粉气流逼近燃烧器壁面,加剧对水冷壁的冲刷。 </strong></p><p> DaQWjOd8.jpg </p><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td valign="top"><p><strong>图6 旋流强度对回流区的影响</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>3.2.2 对燃烧器附近温度场的影响</strong><br/><strong>图7为不同<img height="17" alt="" src="file:///E|/my%20doc/未命名站点%201/clip_image034.gif" width="17"/>∑时上层燃烧器截面处温度场示意图。由图可知,随着<img height="17" alt="" src="file:///E|/my%20doc/未命名站点%201/clip_image035.gif" width="17"/>∑的增大,回流区增大,高温烟气回流量增加,使煤粉气流着火加快,燃烧器附近的温度也随之由2176K升高到2271K。这说明煤粉气流着火加快。</strong></p><p> j695Ff2m.jpg </p><table cellspacing="0" cellpadding="0" align="left" border="0"><tbody><tr><td valign="top"><p><strong>图7 旋流强度对回流区的影响,K</strong></p></td></tr></tbody></table><p>&nbsp;</p><p><strong>3.2.3 对燃烧效率的影响</strong><br/><strong>表3为几种不同旋流强度时的计算结果。由表可知,随着旋流强度的提高,燃烧得到强化,飞灰含碳量变小,燃烬率提高。</strong><br/><strong>表3 旋流强度对燃烧工况的影响</strong></p><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="605" border="1"><tbody><tr><td width="210"><br/><strong><img height="17" alt="" src="file:///E|/my%20doc/未命名站点%201/clip_image045.gif" width="17"/>∑</strong><br/>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</td><td width="210"><p><strong>飞灰含碳量(%) </strong></p></td><td width="210"><p><strong>炉膛出口温度(℃) </strong></p></td></tr><tr><td width="210"><p><strong>1.29</strong></p></td><td width="210"><p><strong>5.183</strong></p></td><td width="210"><p><strong>1258.1</strong></p></td></tr><tr><td width="210"><p><strong>1.33</strong></p></td><td width="210"><p><strong>3.216</strong></p></td><td width="210"><p><strong>1256.5</strong></p></td></tr><tr><td width="210"><p><strong>1.37</strong></p></td><td width="210"><p><strong>0.788</strong></p></td><td width="210"><p><strong>1250.4</strong></p></td></tr></tbody></table><br/><br/><br/><br/><br/>
[此贴子已经被作者于2007-12-10 15:25:08编辑过]
shbmg 发表于 2007-12-10 15:30:09 | 显示全部楼层
<h3>3.3 浓淡比对燃烧工况的影响</h3><p>
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</p><table cellspacing="0" cellpadding="0" width="605" align="left" border="1"><tbody><tr><td width="100%" colspan="3"><p><strong>表4 浓淡比对燃烧工况的影响</strong></p></td></tr><tr><td width="32%"><p><strong>浓淡比 </strong></p></td><td width="32%"><p><strong>飞灰含碳量(%) </strong></p></td><td width="35%"><p><strong>炉膛出口温度(℃) </strong></p></td></tr><tr><td width="32%"><p><strong>非浓淡偏差燃烧 </strong></p></td><td width="32%"><p><strong>5.829</strong></p></td><td width="35%"><p><strong>1267.6</strong></p></td></tr><tr><td width="32%"><p><strong>外浓内淡,Cr=2</strong></p></td><td width="32%"><p><strong>3.216</strong></p></td><td width="35%"><p><strong>1256.5</strong></p></td></tr><tr><td width="32%"><p><strong>内浓外淡,Cr=2</strong></p></td><td width="32%"><p><strong>6.726</strong></p></td><td width="35%"><p><strong>1287.5</strong></p></td></tr></tbody></table><h3>&nbsp;</h3><p>&nbsp;</p><p>&nbsp;</p><h3>3.4 二次风风率对燃烧工况的影响</h3><p><strong>本文还计算了直流二次风率(直流二次风风量与总的二次风风量的比值)分别为25%、27.5%、30%时炉内的燃烧工况。</strong><br/><strong>3.4.1 二次风风率对回流区的影响</strong><br/><strong>图8为不同直流二次风风率时燃烧器出口回流区示意图。可以看出,随着直流二次风率的增加,燃烧器出口中心回流区明显变小。</strong><strong><br/>&nbsp;&nbsp;</strong></p><div align="center">

1925t/h旋流燃烧器锅炉炉内燃烧过程的数值模拟

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&nbsp;</div><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td width="906"><p><strong>图8 直流二次风率对回流区的影响</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>3.4.3 二次风风率对煤粉颗粒轨迹的影响</strong><br/><strong>图9为不同直流二次风风率时煤粉颗粒轨迹示意图。可以看出靠近燃烧器中心的煤粉颗粒增多,易形成较高的煤粉浓度,在一定程度上可以缓解由于温度下降对稳燃的影响。</strong></p><div align="center">

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&nbsp;</div><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td valign="top" width="906"><p><strong>图9 直流二次风率对煤粉颗粒轨迹的影响</strong></p></td></tr></tbody></table></div><p><strong>3.4.3二次风风率对温度场影响</strong><br/><strong>图10为不同直流二次风风率时温度场(上层燃烧器截面处)示意图。可以看出,随着直流二次风率的增加,燃烧器区域温度下降。这是由于二次风率的增加,燃烧器的旋流强度灰降低,回流区减少,同时,二次风与一次风混合较快的缘故。</strong></p><div align="center">

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&nbsp;</div><div align="center"><table cellspacing="0" cellpadding="0" border="0"><tbody><tr><td valign="top" width="906"><p><strong>图10 直流二次风率对温度场的影响,K</strong></p></td></tr></tbody></table></div><br/><br/><br/>
[此贴子已经被作者于2007-12-10 15:31:56编辑过]
shbmg 发表于 2007-12-10 15:30:35 | 显示全部楼层
<p>4 结论<br/>(1)OFA风量在一定的范围内,对燃烧效率影响不大,但当其过大时,会使得锅炉飞灰含碳量显著增加,从而会影响锅炉效率。因此,锅炉运行中在通过增加OFA风量降低NOx时,应确保锅炉的燃烧效率。<br/>(2)旋流强度的大小会影响煤粉气流的着火速度和燃尽。在锅炉运行中,可通过调整旋流强度的大小来适应锅炉煤种的变化。<br/>(3)一次风浓淡比的大小也会影响锅炉的燃烧效率。研究表明,该燃烧器采用外浓内淡的方式最佳。由于该燃烧器一次风管中的浓缩器的形状是固定的(或者说不可调),所以,影响浓淡比的主要因素是一次风量的大小。因此,运行中应根据燃煤的性质调整一次风量的大小。二次风的大小也会影响一次风与热风的混合速度以及燃烧器回流区的大小。<br/>当然,其他因素的变化(如锅炉负荷、燃煤、煤粉细度、一次风和热风温度、总风量等发生变化时)也会影响锅炉的燃烧过程。在其他因素不变时,调整好OFA、一次风量、二次风量和三次风量是该锅炉燃烧调整的关键。</p><p><br/>参考文献<br/>[1]朱全利.锅炉设备及系统(国产600MW超临界火力发电机组技术丛书),中国电力出版社,2006,2.<br/>[2]韩才元.高浓度煤粉燃烧理论和技术发展现状[J].电站系统工程,1993,9(4).<br/>[3]周力行.湍流气粒两相流动和燃烧的理论与数值模拟.科学出版社,1994,12.<br/></p>
mmdown119 发表于 2010-6-8 14:13:07 | 显示全部楼层
mmdown119 发表于 2010-6-14 11:29:01 | 显示全部楼层
aa
jdliuxin 发表于 2010-9-10 20:57:28 | 显示全部楼层
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