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DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器流场及燃烧特性数值模拟

发布时间:2021-08-03 17:29所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

摘要:为了分析DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器流动及燃烧特性,运用Fluent软件对单只燃烧器流场分布和某单机容量1000MW超超临界机组(采用DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器)燃烧过程进行模拟仿真。研究了一次风风速,内、外二次风风速、旋流强度对一次风刚度、回流区位置和范

  摘要:为了分析DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器流动及燃烧特性,运用Fluent软件对单只燃烧器流场分布和某单机容量1000MW超超临界机组(采用DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器)燃烧过程进行模拟仿真。研究了一次风风速,内、外二次风风速、旋流强度对一次风刚度、回流区位置和范围的影响。结果表明:DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器一次风风速与回流区范围成反比,内、外二次风风速与回流区范围成正比;额定负荷下一次风风速为16m/s时流场分布较好,低负荷下一次风风速不宜低于12m/s;内二次风风速28m/s旋流强度0.75时流场分布较好,内二次风旋流强度不宜高于1.07;炉膛中上层燃烧器区域温度最高,主燃区处于严重缺氧状态,CO与H2S主要集中在燃烧器出口区域。

  关键词DRB-4Z型旋流燃烧器;数值模拟;流场分布;燃烧特性

动力工程学报

  目前我国电力来源主要为燃煤发电,燃煤锅炉的燃烧方式可分为四角切圆与前后墙对冲,前后墙对冲式锅炉所采用的旋流煤粉燃烧器具有稳燃性能好、一二次风混合强烈、炉膛负荷均匀等特点。旋流煤粉燃烧器的燃烧特性很大程度上取决于流场的分布,运用数值模拟方法可以全面分析各因素对流场的影响[1-4]。米翠丽、樊孝华等对DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器的流场进行数值模拟,结果表明适当降低一次风风速可以增加回流区的范围,有利于煤粉着火,但过低的一次风风速会使一次风与二次风后期混合变弱,不利于煤粉燃烧[5]。解以权利用中心给粉旋流燃烧器热态试验台测得燃烧器出口区域温度及组分分布并与模拟值进行比较,结果表明模拟值可以大致反映出炉内温度及组分分布[6]。

  宗晓辉对某新型低NO旋流煤粉燃烧器的流场进行模拟仿真,比较了不同梯度插值格式与压力差值格式对模拟值的影响,结果表明不同梯度插值格式对模拟值影响不大,而采用Standard压力插值格式得到的模拟结果与现场冷态实验观测到的结果相符[7]。李永生等采用现场试验与数值模拟相结合的方法,介绍了不同运行工况下炉膛内O2、CO和H2S分布[8]。尽管上述研究者开展了一些针对旋流煤粉燃烧器的研究,但缺少针对旋流煤粉燃烧器流场及燃烧特性的系统分析,并缺乏针对电厂普遍采用的DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器的研究。

  本文以DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器为研究对象,运用数值模拟方法,分析了一次风风速,内、外二次风风速对流场的影响,模拟某1000MW超超临界机组(采用DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器)燃烧过程,分析了炉膛内的速度场、温度场和组分分布[9-11]。

  1燃烧器及锅炉概况

  DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器是由巴布克尔•威尔科克斯公司设计的第三代旋流煤粉燃烧器,该燃烧器由风粉混合管、二次风管、配风机构、旋流叶片等构成。

  该燃烧器的特点为二次风由三个通道进入炉膛,分别为过度风通道、内二次风通道、外二次风通道,其中内、外二次风通道内均装有固定叶片和动叶片。内、外二次风通道动叶片数量均为15个以保证内、外二次风的旋转。过度风为直流,位置在一次风与内二次风之间起到缓冲作用,推迟一次风与内二次风的混合,强化煤粉分级降低NO生成。

  风粉混合管内加装均流装置和纺锤体,避免煤粉在风粉混合管弯头处因受离心力影响出现分布不均的现象并强化煤粉的分级。以B&WB-3048/26.15-M型超超临界锅炉为研究对象进行燃烧特性的仿真。该锅炉炉膛宽37.1米,深16.3米,高64米,燃烧器分为三层,每层在前后墙各布置8只燃烧器,相邻的燃烧器旋向相反。额定负荷下锅炉配6台磨辊式中速磨煤机,A、B、C、D、E磨煤机出力为78t/h,F磨煤机备用,单只燃烧器瞬时给煤量为2.25kg/s,燃尽风通入量为710t/h,占总风量的21.5%。设计煤种为晋北烟煤,实际运行中煤粉细度R90为20%~30%,燃尽风喷口采用低NO喷口。

  2数值模拟

  2.1燃烧器几何模型及网格划分

  基于DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器的实际尺寸,采用SpaceClaim软件构建模型。鉴于该燃烧器结构复杂且多数机械部件对流场并无影响,因此对燃烧器结构做适当简化,仅保留风粉混合管、过渡风管、内、外二次风管、固定叶片、动叶片和纺锤体。内二次风叶片角度为30°,外二次风叶片角度为50°。为解决燃烧器出口与燃烧室入口之间数据连续的问题,将燃烧器与燃烧室作为一个计算域,其中燃烧器区域采用非结构化网格,燃烧室区域采用结构化网格,以减少伪扩散对模拟结果的影响[12-13],经网格无关性测试后确定网格总数为188万。

  2.2燃烧模型设置

  本文采用Fluent软件对求解区域进行计算,主要涉及烟气的湍流流动,煤粉的燃烧、热解、传质等一系列复杂过程。由于旋流燃烧器的二次风处于强烈扰动的状态,因此采用包含旋流修正的Realiablek-ε方程模拟气相的流动,采用考虑到煤粉辐射与散射的P1辐射方程模拟炉膛内的辐射换热,采用非预混燃烧模型模拟炉膛内气相的燃烧[14],采用双竞争反应速率模型模拟煤粉中挥发分的析出,采用动力/扩散控制反映速率模型模拟煤粉中焦炭的燃烧,采用随机轨道模型模拟煤粉颗粒的运动。

  求解器采用压力和速度耦合的SIMPLE算法,压力项的离散采用PRESTO格式,其他项的离散格式采用二阶迎风。计算过程中先获得稳定的流场再耦合燃烧进行计算。入口边界条件为速度入口,一次风温度为350K,周界风,内、外二次风温度为650K,出口边界条件采用压力出口,炉膛出口压力为-80Pa。

  3DRB-4Z型燃烧器流场分析

  3.1基础工况下流场分析。

  基础工况下煤粉颗粒经纺锤体分流后在燃烧器出口形成外浓内淡的分布,有利于燃料的分级,降低NO的生成。内、外二次风流经旋流叶片会产生径向速度,在燃烧室内形成一股旋转气流。二次风风速高,压力大,一次风与周界风速度低,压力低,在燃烧室内由于压差作用会使得旋转的二次风向燃烧器出口压力较低处流动,形成回流区。回流区的存在有利于卷吸高温烟气,保证煤粉的稳定燃烧。

  3.2一次风风速对于流场的影响

  一次风风速12m/s时,一次风刚度差,射流强度低,回流区在燃烧器出口开始,回流区范围大、回流强度高。二次风卷吸高温烟气在燃烧器出口加热煤粉,有利于煤粉的着火,但由于一次风风速过低,可能导致煤粉着火点距离一次风风口过近,造成回火、燃烧器结焦和损坏。

  一次风风速16m/s时,回流区距离燃烧器出口一小段距离,回流区范围明显减小。一次风风速增加至20m/s时,一次风刚度、射流强度进一步增加,回流区远离燃烧器出口,回流区范围、强度进一步降低。回流区范围与回流强度降低时,二次风卷吸高温烟气能力降低,可能导致煤粉在燃烧初期不能得到足够的热量,不利于煤粉的着火和稳定燃烧。模拟结果显示,回流区的范围和强度与一次风风速成反比。实际运行中应综合考虑煤种及负荷调整一次风风速,对于难燃煤可适当降低一次风风速,保证煤粉稳定燃烧。对于易燃煤可适当增加一次风风速,在保证煤粉稳定燃烧的条件下,防止燃烧器结焦。

  3.3内二次风风速及旋流强度对流场的影响

  与基础工况对比可知:降低内二次风风速时,一次风刚度、射流长度明显增加,回流区范围降低,回流区远离燃烧器出口。增加内二次风风速时,一次风刚度、射流长度降低,回流区范围增加,回流区靠近燃烧器出口。主要原因为内二次风风速增加时,其压力随之增加,内二次风与一次风间的压差增加,内二次风向燃烧器出口回流的强度增加,导致回流区范围增加,回流区距燃烧器出口的距离降低。

  内二次风风速越小,一次风与二次风混合时间越迟,一次风中煤粉颗粒不易扩散到二次风中,使得煤粉在燃烧初期处于缺氧状态降低NO的生成,但煤粉处于缺氧环境不利于煤粉的稳定着火,同时煤粉不完全燃烧生成的CO与H2S增加,形成还原性气氛,降低灰熔点,可能导致燃烧器附近结焦、水冷壁出现高温腐蚀。最佳的内二次风风速应保证在燃烧器出口处形成稳定的回流区,既要保证煤粉稳定燃烧又要保证适当的缺氧环境以降低氮氧化物生成。

  4DRB-4Z燃烧器燃烧特性

  4.1模拟值与现场测量数据的比较

  为了验证模拟结果的准确性,将基础工况下的模拟结果与现场测量结果进行比较。在额定负荷下炉膛出口过量空气系数为1.13。现场测量的结果为炉膛出口烟温1286K、平均O2浓度为2.94%,模拟得到的炉膛出口平均烟气温度为1184K、平均O2浓度为3.11%。炉膛出口烟温模拟值与现场测量结果偏差7.93%,炉膛出口氧气浓度模拟值与现场测量结果偏差5.78%,可认为数值模拟结果可以合理的反映出炉膛内的燃烧特性。

  4.2温度与流场分布

  火焰沿中心面成对称分布,左右两侧温度分布基本相同。二次风卷吸高温烟气在燃烧器出口处加热煤粉,使煤粉及时着火并形成高温区。下层高温烟气受热上升,使得中上层燃烧器区域的温度高于下层燃烧器区域,炉膛最高温度可达1900K。由于炉膛中心处于严重缺氧的状态,造成煤粉在炉膛中心不能充分燃烧,炉膛中心处的温度稍低于两侧。

  烟气在炉膛内可以形成理想流场,下层燃烧器区域温度相对较低,烟气的黏度低,烟气刚度好,可以射流至炉膛中心。上层燃烧器区域的烟气会受到高温的影响,使得烟气的黏性增加,烟气的耗散更加迅速。受下层烟气受热上升及炉膛出口负压的影响,烟气在上层燃烧器区域的速度主要为竖直向上且无明显偏斜。

  科学技术论文投稿刊物:《动力工程学报》(月刊)创刊于1981年,是由中国动力工程学会和上海发电设备成套设计研究所主办的综合性学术期刊,出版宗旨是反映我国动力工程领域内的最新科技研究成果,促进学术交流和学科发展,为加速实现社会主义现代化服务。本刊为工程类核心期刊和中国科技论文统计用刊源之一。

  5结论

  1)DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器回流区范围、强度与一次风风速成反比,与内、外二次风风速、旋流强度成正比,回流区距燃烧器出口距离、一次风刚度与一次风风速成正比,与内、外二次风风速、旋流强度成反比。2)在额定负荷下DRB-4Z型燃烧器一次风风速为16m/s时流场分布较好,当一次风风速超过20m/s时回流强度过低不利于煤粉燃烧。当一次风风速低于12m/s时,一次风射流强度低,煤粉着火点距离燃烧器出口过近,不利于燃烧器安全运行。3)DRB-4Z型燃烧器可通过改变内二次风通道内动叶片角度改变旋流强度,内二次风旋流强度保持在0.75时流场分布较好,此时回流区距燃烧器出口距离为2.5米,最大回流速度2m/s。当内二次风旋流强度超过1.07时,一次风刚度差、一次风与内二次风混合早,NO生成量增加。

  4)采用DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器的锅炉可在炉膛内形成良好的流场及温度场。下层燃烧器区域烟气温度较低,气流刚度较好,上层燃烧器区域受高温烟气上升的影响,烟气温度高,气流刚度差。5)DRB-4Z型旋流煤粉燃烧器采用分级燃烧,粉煤在主燃区处于严重缺氧状态,CO、H2S在燃烧器出口附近大量生成,当CO、H2S与二次风充分混合后会被迅速氧化,体积分数降低。

  参考文献:

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  [2]李兵臣,宋景慧,沈跃良,等.二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究[J].动力工程学报﹐2012,32(12):917-921.LlBingchen,SONGJinghui,SHENYueliang,etal.Numericalstudyonadjustablerangeofsecondardairswirlintensity[J].JournalofPowerEngineering,2012,32(12):917-921.

  [3]徐启,邢嘉芯,张梦竹,等.低NO旋流燃烧器燃烧特性数值模拟[J].科学技术与工程,2020,20(20):8168-8174.XUQi,XingJiaxin,ZhangMengzhu,etal.NumericalsimulationofcombustioncharacteristicsofthelowNOswirlburner[J].ScienceTechnologyandEngineering,2020,20(20):8168-8174.

  [4]徐启,邢嘉芯,张梦竹,等.低NOx旋流煤粉燃烧器气固两相流模拟[J].科学技术与工程,2019,19(20):215-220

  作者:胡耀辉1,彭志敏2,李永华1*

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