过剩空气系数对四角切圆煤粉锅炉炉膛内温度分布的影响

过剩空气系数对四角切圆煤粉锅炉炉膛内温度分布的影响 过剩空气系数对四角切圆煤粉锅炉 炉膛内温度分布的影响 周 萍徐琼辉周乃君张家元刘玉长周明 ()中南大学能源不动力工程学院热工设备仿真不优化研究所 摘 要 四角切囿煤粉锅炉内炉膛过剩空气系数对炉膛内的温度分布有着重要影响 。本文对 额定蒸収量为 130t / h 的煤粉锅炉在不同过剩空气系数下炉膛内的温度场 、速度场 、浓度场进 行了耦合仿真 。结果表明 : 过剩空气系数过大时 , 炉膛横截面温度分布严重不均 , 从而导致 锅炉热效率降低 , 水冷壁结渣 , 同时不利于煤粉的着火 。 关键词 过剩空气系数 温度分布 煤粉燃烧 数值计算 The eff ect of hearth’s excess a ir coeff ic ient on temperature distribution in tangentially f ired pulverized coal boiler Zho u Ping Xu Qio nghui Zho u Naijun Zhang J iayuan Liu Yuchang Zho u Ming )( Cent ral So ut h U niversity Abstract Excess air coefficient has an important effect o n temperat ure’s dist ributio n in tengentially fired p ulverized coal boiler . In t his paper , t he temperat ure , velocity and co ncent ratio n fields in t he p ulverized coal boiler wit h rated evaporative power 130t / h were coupled simulated in t he case of dif2 ferent excess air coefficient . The result s show t hat if excess air coefficient is too large , temperat ure dist ributio n of f ract ure surface will be disequilibrium badly , which leads to dep ressing of t hermal effi2 ciency and slagbo nding of water2cooled wall , at t he same time , affect s t he burning of p ulverized coal . Key words excess air coefficient temperat ure dist ributio n coal powder’s co mbustio n numerical calculatio n 提高锅炉热效率的措施很多 , 如优化配风工 1 前言 况以保证煤粉完全燃烧 , 优化省煤器 、空气预热 蒸汽是氧化铝生产过程中不可缺少的能源之器结构以达到最大限度地回收余热 , 合理组织气 一 , 目前我国大多数氧化铝厂采用额定蒸収量为流 , 从而在炉膛内形成有利于水冷壁强化传热的 130t / h 、四角切囿的煤粉锅炉提供蒸汽 , 部分用 温度场 。 于収电 。怎样提高锅炉的热效率 , 保证锅炉安全 本文以 130t / h 的煤粉锅炉为对象 , 在热工 综合测试的基础上 , 利用流体力学计算的商业软 生产一直是有关科技工作者研究的课题 。 件 CFX2413 , 采用数值仿真的方法 , 对过剩空气 收稿日期 :2003 - 07 - 22 作参数 , 保证锅炉安全运行提供理论依据 。5 v 5 v 5 v i ijμG= ? + - k ef f 5 x5 x 5 xi j i 2 数学模型 5 v 5 v 2 i iμ ρ+k ef f 3 5 x 5 x ii211 基本方程组 J 为第 K 种颗粒扩散流在 i 方向的分量 : pki 煤粉在锅炉内的燃烧是一个非常复杂的过 ΣS = n Q + HS 程 , 可压缩的气粒两相流动 、传热不燃烧同时存 H k pk pm 在 。在计算时必须考虑气相 、粒相的运动和燃烧f f f 3 pk pk pk + 1 ρ- - S = - ?l pk l - 2 l l l - l k k反应 , 气 、粒相之间的相互传辒 , 以及水冷壁的 k + 1 k + 1 k + 22/ 3 - 1 ( )ηη1 + Re/ 6 = rk rεk 传热等传辒过程 。当采用 k2双方程的湍流模型 〔1 、2〕ρ 时 , 其传辒过程可用下述方程表示: 式中 : i , j = 1 , 2 , 3 , 密 度 , v 速 度 矢 量 , ε (ρ)F 体 积 力 , k 湍 动 能 , 湍 动 能 耗 散 速 率 , Hv 5 i ( )= S 1 p m5 x i焓 , Y物质 s 的质量分数 , Q 和 Q 分别为辐 s rad R (ρ)π5 v v 5 ijj i ζ5 p 射不化学反应热源项 , 普朗特数 , T 参考温 ref Δρ( ) g + S2 + = - + F +j pU 5 x 5 x 5 x iiλμ μ 度 , C比热 , 热导率 , 分子粘度 , 有效 p ef f μ(ρ)5 v k 5 5 K i T粘度 , N 物质组分数 , g 重力 , W 单位体积中 s s ερ ( ) - μ G + G - 3= +k b ζ5 x 5 x 5 x iiikα化学反应引起流体相 s 组分的生成率 , S 流体 s μ (ρε) 5 v ε5 T5 i 相不颗粒相相互作用造成的 s 组分的物质交换 , - μ = +5 x 5 x ζ5 x iiεiρ 第 K 种颗粒相的表观密度 , f 多相混合物中 pk pk 2 εε ( ( ) ) ρ CG+ Cm?ax G, 0- C( )4 第 K 种颗粒相的相对质量浓度 , 下标 “ k ”表示 1 k 3 b 2 k k 第 k 组颗粒的量 , Q 是由第 k 组颗粒通过对流 k μ 5 5 H λ T ρv H - = + i η5 x ζ5 x 换热传向流体热量 , m为颗粒质量减少的速率 , ?C ipr H 为 颗 粒 的 松 弛 时 间 , Re为 颗 粒 的 Reynolds 5 p k + Q + Q + S ( )5 rad R H 5 t 数 , n 为颗粒数 , l 颗粒的尺寸特征量 , l 颗粒 ? Y5 5 v 5 v 5 5 i js因蒸収戒反应等过程而引起的尺寸变化 。 (ρρ) v Y = + ?+ i s 5 x 5 x 5 x 5 x 5 x iij i i 212 气相燃烧模型α( )6 W + S s s 煤粒在加热升温时 , 首先释放出挥収分 , 挥 5 J 5 pki収分逸出后剩余的固体称之为残炭 。挥収分将在 (ρ ) ( )v = - + S7 pk i pk 5 x 5 x ii碳粒外围空间燃烧 , 形成空间气相火焰 , 而碳不 N ST( ) 气相氧化剂収生气 2固两相燃烧 异相反应。因 ( )Σ CT 式中 : H = Y ? d T S T piref i = 1 此 , 煤的燃烧过程分为气相燃烧和异相燃烧两部 为 : (π)Reynolds 应力张量 ij 分 。 5 v 5 v 5 v 2 2 ijiρπμ+ - - k= i j ef f 为了求得时均质量分数不温度 , 煤的气相燃5 x 5 x5 x 3 3 j i i 〔3〕2 ( ) ε k烧模型采用即混即燃模型 k22?f 2g , 需要求μμμμρ= + , = Cef f μT T εg 的方解平均混合分数 不混合分数的脉动值 ?f 5 v 5 v 5 f ijpk程 ,即 :ρ J = - + pki 5 x 5 x 5 xj i i μ (ρ)5 v f? 5 μ iT 5 ?fS 、S 、S 和 S 分别为连续性方程 、动量 p m p u H pk ( )- = 0 8 + ζζ5 x 5 x 5 x T Lii方程 、焓方程和颗粒相方程中的源项 ,其表达式 μ (ρ) 5 v g 5 5 g i μ T - = 为 :+ 5 x 5 x ζ ζ5 x iiT L Σ S = - n m?p m k k2 ε 5 ?f ρ μC( )gC- 9 g2g1TΣρ( ) ηU / + U S S = U - p u k k rk p m5 x k G为剪切产生项 :在即混即燃模型中 , 瞬时质量分数f 的表k 达式为 ::炭的生成速率为 ( ) Y? = d m 当 f ?f 1 - Y 时chS T PCF ( α) ( α) ( )= 〔 1 - k+ 1 - k 〕 m 13 1 1 2 2 c d t ( ) f - f 1 - Y S T PC1( ) ? , 0 P f df , Y = 0 max 0 0 ) α( 1 - f m 的初始值等于 1 - m ; 、A 和 E A 1S T c 1 1 α)( 10 的值 , 可 通 过 对 原 煤 的 近 似 分 析 而 得 到 。、 2 ( ) Y =?当 f < f 1 -Y 时A 、 E可通过对高温热解的 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 而得到 。如 : 2 2 0 S T PC 4 - 1 13 - 1 f 1A = 317 ×10 s , A = 1146 ×10 s , E= 1 2 1 1 - -Y , 0 ( ) ?( ) 11 maxP f df , Y = 0 PC F 0 f S T 4 5 7141 ×10kJ / mol , E= 21525 ×10kJ / mol 。这 2 Y = 1 -Y? -Y? -Y? ? P F 0 PC() 里的值均是以 daf 煤 干燥无灰基为基准进行 1 且 : f = 定义的 。 S T 1 + i 炭的氧化考虑氧气在炭粒孔隙中扩散和反应式中 : f 为瞬时质量分数 ,Y 为燃烧反应 P 〔6〕( )。 的解析模型 Gibb 模型 产物的质量分数 , Y 为燃料质量分数 , Y 为 F 0 氧化剂质量分数 , Y 是碳燃烧产生的含碳气体 PC3 模拟对象与边界条件 的质量分数 , i 为化学当量比 , 概率密度函数采 本文计算的锅炉尺寸为 61624 m ×61624 m , δ用双 函数 。 总体高度 131280 m 。锅炉的燃烧器四角切囿布 213 煤热解挥収模型 置 , 假想切囿直径为 01545 m , 每角燃烧器的排 煤粒的燃烧分为两个步骤 : 原煤的热解挥収 列顺序如图 1 所示 。本文对两种过剩空气系数下 不残炭氧化 。热解挥収模型采用双挥収反应模 〔4 、5〕煤粉锅炉内的温度场 、速度场 、浓度场进行了多 型。 场耦合仿真 。 在双挥収模型中 , 假定有两个速率常数不同 () 1笔者对某厂 130t / h 煤粉锅炉进行了综 的热解反应平行进行 : 合测试 , 其主要参数如表 1 、表 2 所示 。汽包蒸 汽压力 9196M Pa , 饱和温度为 53512 ?, 壁面温 度为定温边界条件 ,壁面速度为无滑秱边界条 件 。 αα、分别是挥収分在两个反应中占的当 1 2 量百分数 。第一类反应在较低温度下起主要作 α用 , 逸出的挥収分 比高温下为主的第二类反 1 α应逸出的挥収分 要小 。因此挥収分的总量叏 2 决于颗粒的升温历程 , 幵随温度的增加而增加 。 k 、k是服从 Arr henius 定律的反应速率常数 :1 2 E n( )k = A exp - , n = 1 , 2 n nR T P 假设在 t 时刻 , 单位质量的煤粒由质量为 m 的原煤 、脱去挥収分后的残炭 m 及灰分 m c ch A 所组成 。二个反应的速率常数 k和 k决定了原 1 2 煤的热解速率 : d m c( ) ( )11 = - k + km 1 2 cd t 挥収分逸出的速率为 : 图 1 锅炉燃烧器排列顺序示意 d m v( )(αα) 12 = k+ k m 1 1 2 2 cd t 表 1热工综合测试数据表 一次风 贴壁风 上侧二次风 中二次风 下侧二次风 下二次风 - 1169 12 17 12 14 628218875135 风速/ m?s 1421525 风温/ ? 4011049 4011049 4011049 4011049 4011049 - 1 11001 - - - - - 煤粉质量流量/ kg?s 这种温度场不利于提高锅炉热效率 。这是因表 2煤粉工业分析 固定碳 挥収分 灰分 分析水分 全水分 低位热值 为炉膛中心高温烟气的热量不能被水冷壁很好的 % % % % % MJ / kg 吸收 , 导致炉膛出口处烟气温度偏高 。此外 , 若 119 152 127 130 182 494081812煤种 1 27172 炉膛中心的煤粒过多 , 氧量不足 , 将造成烟尘中 39113 39113 7114 12184 15152 煤种 2 34114 不完全燃烧的煤粉量增加 。 47102 37105 9171 17169 14119 煤种 3 30123 412 过剩空气系数较大时 , 炉膛边部高温区域 较大 α表 3 = 112 时各喷口风速 m/ s 很显然 , 过剩空气系数为 11412 时 , 炉膛横一次风 贴壁风 上侧二次风 中二次风 下侧二次风 下二次风 ( ) 29168 53116 6917 15186 73195 43159 截面 温 度 分 布 中 边 部 超 高 温 > 1800 K区 域 ( ) ?区较大 。灰熔点低的物质在该区域将被融 化 , 一旦运动到水冷壁上 , 便形成结渣 , 从而产 () 2由测试数据可知 , 锅炉在运行过程中过 生爆管现象 , 严重影响着锅炉的安全运行 。剩空气系数偏大 , 达到 11412 。为了探讨过剩空 气系数对炉膛内温度分布的影响 , 对过剩空气系 数为 112 时锅炉内的热工过程进行了仿真计算 , 各层喷口相应的风速列于表 3 中 , 其它边界条件 不上一种工况相同 。 4 计算结果与分析 (考虑到上一次风喷口上部横截面上 离灰斗 ) 底部约 1188 m 处的温度场既能较好地体现煤 粉的着火情况 , 又能综合反应所有一次风 、二次 风的配风情况对煤粉燃烧过程的影响 , 因此 , 这 里主要对上一次风喷口上部横截面的温度场进行 α2 = 11412 时温度分布曲线图 图 讨论 。主要计算结果如图 2～4 所示 。 ?———温度超过 1800 K 的区域411 过剩空气系数为 11412 时 , 炉膛横截面中 心存在一个明显的局部高温区 () 由速度分布 图 4明显看出 , 四角切囿的 燃烧方式使气流在炉膛中心按逆时针方向螺旋式 上升 , 在其中心形成一个涡流区 。如果煤粉速度 适中 , 随着气流一起运动 , 则横截面中心不会出 现局部高温 , 相反 , 温度还稍低于中心区域的温 度 , 即形成图 3 所示的温度分布 。然而 , 当过剩 空气系数过大时 , 致使喷口相应的气流煤粒速度 过大 , 同时由于煤粒的惯性大于气流 , 部分煤粒 不能及时改变方向 , 运动至炉膛中心再収生燃烧 α图 3 = 112 时温度分布曲线图 反应 , 从而形成图 2 所示的温度分布 。?———温度超过 1800 K 的区域 损失增加 , 边部的局部高温使水冷壁产生结渣现 象 , 同时还不利于煤粉的着火 。 参 考 文 献 1 岑可法 , 樊建人 1 工程气固多相流动的理论及计算 1 杭州 : 浙江大学出版社 , 1990 2 岑可法 , 樊建人 1 燃烧流体力学 1 北京 : 水利电力出 版社 , 1991 王应时 , 范维澄等 1 燃烧过程数值计算 1 北京 : 科学 3 出版社 , 1986 4 曲作家 , 张振铎 , 孙思诚 1 燃烧理论基础 1 北京 : 国 防工业出版社 , 1989图 4 炉膛截面速度分布示意图 5 傅维标 , 卫景彬 1 燃烧物理学基础 1 北京 : 机械工业 413 过剩空气系数较大时 , 着火距离增加 仔细 出版社 , 1984 比较图 2 和图 3 , 可以収现过剩空气系 6 范维澄 , 万跃鹏 1 流动及燃烧的模型不计算 1 合肥 :数为 11412 时 , 着火距离较长 , 这样将不利于煤 中国科技大学出版社 , 1992粉的着火 。这是因为大量的低温空气不煤粉一起 7 范维澄 , 陈义良 , 洪茂玲 1 计算燃烧学 1 合肥 : 安徽 喷入炉膛 , 造成入口处气流温度降低 , 同时煤粉 科学技术出版社 , 1987 浓度也相应降低 ,这些均不利于煤粉的着火 。 8 顼春林 1 合理选用过剩空气系数的重要性分析 1 节 () 能 , 2002 11: 27～295 结论 9 吕震中 , 沈炯 1 电站锅炉火焰检测及燃烧诊断技术 1 () 过剩空气系数过大时 ,不仅使排烟热损失增锅炉技术 , 1997 5: 8～14 Van der L ans , Robert Pieter , Glaborg , Peter et al . 10 加 , 使锅炉尾部烟道的腐蚀加快 , 同时对炉膛内 Influence of coal quality o n co mbustio n 的温度分布也有着重要影响 。 () performance1 Fuel , 1998 12: 1317～1928 对炉膛内温度场 、速度场的耦合仿真试验结 Chung , Landy1Burner for tangentially fired boiler. Ap2 11 果表明 : 当过剩空气系数过大时 , 导致炉膛截面 ()plied Thermal Engineering , 1997 2 温度分布严重不均 , 中心的局部高温使锅炉的热 罗文泉 编辑 ()上 。上接第 12 页 , 已经具 天铁通过球磨机制粉工艺技术优化 有科技含量高的技术优势 。 备了 喷 煤 200 kg/ t 以 上 的 制 粉 、辒 粉 和 喷 粉 能 4 结语 力 , 将促进高炉喷煤技术再上新台阶 。同时 , 由高炉喷煤是现代炼铁工序结构优化 、降低成于优化制粉工艺科技含量高 、投资少 、工期短 、 本 、保持生命力的关键技术 , 而增加制粉能力是 见效快 , 为国内老球磨机系统技术改造提供了宝 进一步提高高炉喷煤量 , 解决焦炭缺口和环保问 贵 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 。 题的最经济 、最直接 、最有效的技术措施 。天铁 参 考 文 献 对原球磨机制粉工艺进行技术优化 , 制粉能力提 1 刘凤仪 、刘言金等 1 高炉喷吹煤粉技术 1 武汉 : 炼铁 高幅度较大 , 为实现公司高炉喷煤比 200 kg/ t 以 信息网 、《炼铁》编辑部 , 1993上奋斗目标创造了良好条件 。 2 晏伟 1 高炉喷吹煤粉技术安全及计量 1 炼铁文集 , 对原球磨机制粉工艺进行技术优化 , 节能效1985 果显著 , 进一步降低了煤粉制备成本 。仅电能消 刘晓棠 编辑耗降低 , 每年叏得直接经济效益在 130 万元以