水平濃度油點火煤粉燃燒過程數(shù)值模擬

水平濃度油點火煤粉燃燒過程數(shù)值模擬

0微油點火技術(shù)微油燃燒技術(shù)是一種先進有效的鍋爐燃燒技術(shù)。油槍的中心溫度為1500.2000c。作為高溫燃燒的第一個爆發(fā)點，它可以直接在煤粉爐中燃燒。微油點火技術(shù)與百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器成功結(jié)合,在華電淄博熱電有限公司1號410t/h燃貧煤鍋爐上成功投運,實現(xiàn)了大幅節(jié)能,同時保持了水平濃淡煤粉燃燒器低負(fù)荷穩(wěn)燃和低氮氧化物排放的性能。本文針對燃燒器入口煤粉濃度和入口風(fēng)速等關(guān)鍵運行參數(shù)對燃燒器點火過程的影響,通過數(shù)值模擬方法,進一步了解燃燒器在不同運行參數(shù)條件下的性能指標(biāo),為水平濃淡微油點火燃燒器的實際工程應(yīng)用和推廣提供更為完善的指導(dǎo)性數(shù)據(jù)。1燃燒特性分析以NG-410/9.8-M4自然循環(huán)燃貧煤鍋爐上所采用的微油點火百葉窗水平濃淡煤粉燃燒器為對象,對其特性進行研究,燃燒器結(jié)構(gòu)布置方式如圖1。設(shè)計、模擬計算采用的燃料分析和微量油槍的主要技術(shù)參數(shù)分別如表1和表2。2計算區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)劃分根據(jù)燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計,對燃燒器整體進行三維計算網(wǎng)格劃分,采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,燃燒器整體計算區(qū)域及網(wǎng)格劃分如圖2所示。3流場動力學(xué)方程模擬的過程在Fluent計算流體動力學(xué)軟件平臺上完成,采用拉格朗日隨機軌道模型模擬煤粉顆粒的運動,煤粉顆粒沿著軌跡的揮發(fā)份熱解采用單步反應(yīng)速率模型,模型固定碳的異相反應(yīng)采用動力燃燒與擴散燃燒共同控制,輻射傳熱模型采用P1法,燃油噴射采用霧化模型,壓力-速度的耦合計算采用SIMPLE法求解。采用k-ε-f-g模型模擬氣相的流動、燃燒過程,其控制方程表達式為:式中φ——分別為直角坐標(biāo)系中3個坐標(biāo)軸方向的速度分量、湍流動能k、湍動能耗散率ε、總焓h、時均混合分?jǐn)?shù)f及其脈動均方值g,φ=1時為連續(xù)方ρ——氣相密度;Γφ——變量φ的擴散系數(shù);Sφ——氣相引起的源項;Sρφ——由于顆粒引起的源項,反映了顆粒對氣相流場的作用。式(1)中源項、擴散系數(shù)具體形式及方程的解法見參考文獻。對氣相燃燒的模擬采用了快速化學(xué)反應(yīng)混合分?jǐn)?shù)方法,混合分?jǐn)?shù)f可根據(jù)原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)寫為:式中Zi——元素i的元素質(zhì)量分?jǐn)?shù);Zi,ox——氧化劑流入口處的值;Zi,fuel——表示燃料流入口處的值。本研究系統(tǒng)中含有煤粉和燃油2種不同的燃料,需要用2個混合分?jǐn)?shù)來分別跟蹤2種燃料的各自組分。在所有組分?jǐn)U散系數(shù)相同的條件下,組分方程可以被簡化為關(guān)于混合分?jǐn)?shù)的方程,應(yīng)用方程(1)計算二混合分?jǐn)?shù)及其變化量,根據(jù)平衡化學(xué)反應(yīng)法和幾率密度函數(shù)法,利用得到的混合分?jǐn)?shù)計算各種組分的摩爾分?jǐn)?shù)、密度和溫度等。此外,2種燃料粒子利用各自的噴射源面板進行輸入,從而在程序運行中跟蹤2種燃料粒子,粒子的材料屬性和初始條件可以預(yù)先設(shè)定。4只油槍的配氣確定的設(shè)計工況入口條件為:入口煤粉濃度0.455kg/kg,入口一次風(fēng)速22m/s,入口風(fēng)溫150℃,單只油槍出力40kg/h,單只油槍的輔助空氣量1000m3/h以上,2只油槍均投入。在以下模擬計算工況中,除所要計算的運行參數(shù)外,無特殊說明情況下,燃燒器的其他運行參數(shù)均以設(shè)計工況參數(shù)為準(zhǔn)。4.1燃盡速率和氧量分布為說明燃燒器內(nèi)整個點火進程和燃燒發(fā)展?fàn)顟B(tài),以設(shè)計工況為例,沿燃燒器軸線X方向取不同截面,比較不同截面上的溫度分布,如圖3、4所示。從圖3和圖4可以看出,燃燒火焰由中部高溫區(qū)沿著行進方向逐漸均勻擴散至四周,各截面溫度的整體水平不斷上升,高溫區(qū)域的面積不斷增大。說明在點火過程中,不斷有煤粉進入高溫區(qū)域被點燃,并放出熱量,從而使高溫區(qū)域不斷增加,并保持在較高的溫度水平。在燃燒器噴口的中心區(qū)域,最高溫度達到1800K,整體溫度水平完全滿足煤粉點火要求。但同時也看到,燃燒器噴口處的火焰充滿度欠佳,尤其在淡相煤粉區(qū)域較為明顯,考慮到煤粉主要集中在濃相煤粉區(qū)域,煤粉整體的點火效果可以滿足燃燒器的實際點火要求。分析燃料中焦炭燃盡速率的變化和燃燒器內(nèi)的耗氧量情況,可以反映燃料在燃燒器內(nèi)的燃燒劇烈程度,下面仍以設(shè)計工況為例,分析不同截面上相對應(yīng)的燃盡速率和氧量分布,如圖5所示。從圖5可知,燃料燃盡速率主要集中在擴散火焰與外側(cè)氣流相接觸的邊緣,主要原因是在此處提供了燃燒所需的更多氧量,促進了燃料的后期燃燒。相反,在火焰的內(nèi)部區(qū)域,燃盡速率很低,幾乎為0,為缺少氧量所至。雖然燃燒器內(nèi)整體燃盡速率很低,但由于燃燒器的一次風(fēng)率僅為20%,只能提供燃料前期點火燃燒所需的部分氧量,所以燃燒器內(nèi)燃料的低燃盡速率是正常的。在實際點火燃燒過程中,高的燃盡速率并不是所追求的目標(biāo),只要在燃燒器噴口處的煤粉粒子達到足夠高的著火溫度,當(dāng)煤粉粒子進入爐膛后遇到二次風(fēng)配風(fēng)供入氧量,便會立即著火燃燒,燃料的燃盡速率就會大幅提高。4.2入口煤粉濃度對燃燒效果的影響由煤粉以往的燃燒經(jīng)驗可知,煤粉濃度的變化對煤粉的點火燃燒過程有很大影響,本文取4種入口煤粉濃度進行模擬研究,來確定合理的燃燒器入口煤粉濃度,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看出,隨著煤粉濃度的提高,燃燒器的噴口溫度總體水平逐漸升高,說明入口煤粉濃度的提高對煤粉點火是有利的。同時可以看出,煤粉濃度需大于0.4kg/kg,如果濃度過小,燃燒區(qū)域火焰溫度水平較低,燃燒器噴口處的火焰充滿度較差。但同時考慮到燃燒器內(nèi)的一次風(fēng)風(fēng)量是有限的,煤粉濃度也不宜過高,否則會有更多的未燃煤粉進入爐膛,出現(xiàn)鍋爐運行中所謂的“黑龍”現(xiàn)象,如模擬結(jié)果中所示。0.6kg/kg可以取為燃燒器入口煤粉濃度上限參考值,符合電廠實際鍋爐給粉的運行條件。4.3火炬入口風(fēng)速合理的燃燒器入口風(fēng)速對煤粉的點火燃燒也有較大的影響,風(fēng)速過高,煤粉點火加熱時間變短,點火距離變長,不易被點燃,適當(dāng)降低風(fēng)速可以相對延長煤粉的點火加熱時間,利于煤粉點火燃燒。圖7是4種入口風(fēng)速下的模擬結(jié)果,其中22m/s為燃燒器設(shè)計運行風(fēng)速,除入口風(fēng)速外,其他入口參數(shù)與設(shè)計工況相同。從圖7可以看出,在20,22,24m/s3種燃燒器入口風(fēng)速條件下,燃燒器噴口的溫度水平和燃燒效果相差不大。當(dāng)入口風(fēng)速提高到26m/s時,燃燒效果急劇下降,說明此風(fēng)速已經(jīng)過高,對煤粉點火造成困難,可能出現(xiàn)脫火現(xiàn)象,可以選擇模擬結(jié)果中比設(shè)計風(fēng)速略低的20m/s作為入口風(fēng)速參考值。由煤粉點火經(jīng)驗可知,略低的煤粉氣流速度對煤粉的點火過程較為有利,但入口風(fēng)速也不能過低,否則可能在一次風(fēng)管中出現(xiàn)積粉現(xiàn)象,對鍋爐的安全運行不利。5燃燒溫度結(jié)果與對比分析根據(jù)模擬計算結(jié)果和微油點火技術(shù)實際應(yīng)用經(jīng)驗,在華電淄博熱電有限公司1號NG-410/9.8-M4型進行了燃貧煤鍋爐水平濃淡煤粉燃燒器節(jié)油技術(shù)改造,鍋爐一次點火成功,實現(xiàn)了微油點火技術(shù)與水平濃淡煤粉燃燒器的優(yōu)化結(jié)合。燃燒器出口火焰明亮,剛性較強,燃燒狀態(tài)穩(wěn)定。為進一步確定燃燒器的工作狀態(tài),利用K型鎧裝熱電偶對燃燒器噴口附近火焰溫度分布進行測量,熱電偶在燃燒器噴口前沿Z=0的直線方向逐漸插入爐膛,方向由燃燒器濃側(cè)煤粉燃燒區(qū)垂直指向淡側(cè)煤粉燃燒區(qū),以10cm為測量間隔,測量范圍在1.5m左右,大于燃燒器噴口寬度,分別在僅有燃油和油煤混燒2種情況下進行測量,結(jié)果如圖8、9。通過圖8和圖9的對比分析可知,2種燃燒情況下,計算和測量結(jié)果有類似的溫度分布趨勢,均是由濃側(cè)煤粉燃燒區(qū)域,火焰溫度迅速升高,然后向淡側(cè)煤粉區(qū)域擴展,火焰溫度逐漸降低,說明計算結(jié)果定性準(zhǔn)確。在投入煤粉燃燒的工況中,計算結(jié)果和測量結(jié)果的整體溫度水平均較僅投燃油工況有所提高,這是煤粉燃燒釋放的熱量所致。同時可以看到,該工況條件下,計算結(jié)果與測量結(jié)果有些差別,主要是由于計算過程中假定所有化學(xué)反應(yīng)是在化學(xué)平衡條件下進行,而實際燃燒過程非常復(fù)雜,計算模擬與實際的燃燒狀況存在一定差異。另外,測量手段也存在一定的誤差。因為煤粉的點火燃燒過程發(fā)生在燃燒器內(nèi)部,為了確保燃燒器的安全穩(wěn)定運行,對改造后的4只燃燒器進行風(fēng)膜冷卻,并對燃燒器高溫區(qū)壁面溫度進行不間斷監(jiān)控。在燃燒器穩(wěn)態(tài)運行時,壁面冷卻風(fēng)膜風(fēng)門全開,查看燃燒器壁溫監(jiān)控結(jié)果,得到鍋爐1、2、3、4號角的燃燒器壁面溫度分別為328,316,346,284℃,接近二次風(fēng)熱風(fēng)溫度,滿足燃燒器設(shè)計運行壁面溫度的要求。在現(xiàn)場進行了關(guān)閉燃燒器壁面冷卻風(fēng)膜風(fēng)門試驗,在燃燒器正常運行下,壁面溫度會快速上升,很快超過壁溫報警值,監(jiān)控系統(tǒng)開始報警,隨即全開冷卻風(fēng)膜風(fēng)門,壁面溫度逐漸下降,回落到安全壁溫以下。由此可知,冷卻風(fēng)膜對控制燃燒器壁面溫度具有很好效果,適當(dāng)調(diào)節(jié)冷卻風(fēng)膜風(fēng)門的開度,可有效控制燃燒器的運行壁溫。對點火燃油量進行了計算分析,整個冷爐點火過程大約持續(xù)6h,無需投入大油槍,鍋爐升溫升壓曲線穩(wěn)定,點火用油量約3t,相比改造前該鍋爐的點火耗油量12t以上有較大降幅。隨著運行操作的逐漸熟練和相關(guān)的熱態(tài)調(diào)整,可以將冷態(tài)點火燃油量進一步降低。由工業(yè)試驗得知燃燒器運行狀態(tài)良好,但同時也發(fā)現(xiàn)在點火過程中,燃燒器的淡側(cè)煤粉點燃率不是很高,即由濃側(cè)煤粉向淡側(cè)煤粉的火焰擴散效果有待提高,但其對燃燒器的點火運行影響有限。因此,目前的燃燒器結(jié)構(gòu)完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用要求。6火炬總劑量設(shè)計6.1從數(shù)值模擬和實際應(yīng)用效果可見,微油點火技術(shù)能夠很好地與水平濃淡煤粉燃燒器相結(jié)合,實現(xiàn)煤粉氣流逐級被點燃,著火能量逐級放大,實現(xiàn)冷爐微油油槍點火啟動,取得良好的節(jié)油效果。6.2燃燒器的入口煤粉濃度應(yīng)該適當(dāng),如果濃度過低或過高,燃燒火焰溫度均較低,同時考慮到在燃燒器內(nèi)一次風(fēng)風(fēng)量有限,煤粉濃度不宜采用過高值。6.3燃燒器入口風(fēng)速不宜過高