摘要：锅炉燃烧时，其内部的化学反应过程十分复杂，锅炉实际运行中进行热态实验存在很多的局限性，比如工作量大、测量方法复杂、工况调整比较困难等，因此数值模拟己经成为国内外研究者常用的研究手段。本论文通过对某电厂正在运行的超高压自然循环汽包锅炉进行数值模拟，分析炉内空气动力场、温度场、烟气组分浓度、ＮＯｘ浓度以及煤颗粒运动轨迹。再改变锅炉运行条件进行模拟分析，总结锅炉的最佳运行条件。这对工程应用具有重要价值，对我国建设资源节约型、环境友好型社会目标的实现具有重要意义。
关键词：自然循环；汽包锅炉；燃烧模拟；运行优化
1锅炉的燃烧介绍
目前全世界降低电厂锅炉ＮＯｘ排放最有效的方法主要有四种。首先适用于大型燃煤锅炉，控制锅炉燃烧过程中氮氧化物的转化，称为低氮燃烧技术；其次采用催化还原技术来控制氮氧化物的产生，同样也适用于大型燃煤锅炉：再次为适用于中、小型锅炉，采用的是非催化还原技术；最后适用于老旧锅炉改造，采用催化还原技术与选择非催化还原技术相结合在这四种方法中，第一种方法最经济，要想在燃烧过程中控制氮氧化物的生成，必须要改善炉内燃烧方式。虽然国内外己经对电厂锅炉燃烧进行了许多模拟研究，也给出了一些优化后的运行参数，但是针对锅炉模拟的范围还不够广，对某一电厂的锅炉进行模拟优化非常有必要。面对我国煤燃烧过程中效率低、污染严重两大难题，积极开展提高煤炭资源的利用效率、减轻环境污染两方面研究，对于提离人民生活的环境质量，促进我国可持续发展，均有十分重要的意义。
2锅炉燃烧过程数值模拟
2.1锅炉概况
为超高压自然循环汽包炉，单炉膛，π型布置，百叶窗式水平浓淡燃烧器，一次中间再热，平衡通风，紧身封闭，固态排渣，受热面采用全悬吊方式，炉架采用全钢结构、双排布置，锅炉的主要设计尺寸及参数为下表所示。
本锅炉水循环系统主要由汽包、集中下降管和下水连接管、水冷壁上升管、汽水引出管及各循环回路的水冷壁集箱组成，整台锅炉的水循环系统共分为16个回路；BMCR负荷下整台锅炉循环倍率约为5.2，各循环回路中最低循环倍率约为4.23 7，最低循环水速不低于1.285m/s。
本锅炉过热器系统采用辐射、对流型，过热器系统按蒸汽流程共分为四级：顶棚及包墙过热器、全大屏过热器、屏式过热器、一级（高温）过热器。各级过热器重量通过吊杆悬吊在顶板梁上。全大屏过热器出口至屏式过热器进口间布置一级喷水减温器，屏式过热器出口至一级（高温）过热器进口间布置有二级喷水减温器，水源取自高加前的给水。过热汽温的调节方式：采用两级喷水减温，一级喷水为粗调，二级喷水为细调。
锅炉燃烧设备包括煤粉燃烧器、燃油装置、大风箱、等离子点火系统和炉前燃油系统等。煤粉燃烧器为四角布置，切向燃烧、喷嘴固定、百叶窗式水平浓淡燃烧器。切圆直径为641 mm，气流入射角=20，每角燃烧器共布置有10层喷口，风粉间隔布置，燃烧器上部还布置一层顶二次风喷口（OFA），有利于煤粉燃尽及降低NOx排放。
2.2锅炉计算区域的选择
锅炉炉膛内的工质流动和燃烧过程是本文的研究重点，经磨煤机磨好的煤粉与空预器里的助燃空气从燃烧器一次风喷口喷入炉膛混合燃烧，产生的高温烟气依次流经过热器、再热器、省煤器、空气预热器后，烟温逐渐降低，然后通过脱硫和除尘系统除去污染物排入大气，排烟温度为130℃。以一次风为例，实际燃烧过程中，空气和煤粉进入炉膛前在燃烧器内部的混合流动也是非常复杂的，将每一个燃烧器和炉膛作为整体的研究对象能够得到更加符合实际燃烧过程的结果，但是这样的话无疑会增加网格划分的难度，因为燃烧器的结构本身就非常复杂，网格必须加密处理，炉膛和燃烧器整体的网格数量相加十分巨大，计算耗时长。针对这种情况，本文将燃烧器喷口截面作为入口边界，过热器出口之后的截面作为出口边界。
2.3边界条件确定
第一，出口边界条件的确定。在锅炉实际运行中，炉膛出口截面的物理量，如温度、压力、速度等很难测量，因此在锅炉燃烧模拟设置炉膛出口边界条件时，出口温度、压力值都是假定的，所以模拟出来的结果会存在一定的偏差。本文假定炉膛出口截面处的流动是充分发展湍流，将炉膛再热器后的截面出口设置为压力出口边界Pressureoutlet boundary condition，出口温度1000K，水力直径7782mm。
第二，壁面边界条件的确定。由于本文重点研究炉内煤粉燃烧情况，分析炉内的速度场、温度场、烟气组分浓度以及氮氧化物生成情况，所以在对壁面边界条件设置时假设冷灰斗的温度为500K，燃烧器温度为6OOK，燃烧器以上区域壁面温度为700K，三个区域壁面与水的换热系数为200W/M2.K
3数值模拟结果与分析
3.1炉内速度分布
锅炉内的动力场对燃烧的优劣有很大的影响，一个好的动力场能够确保锅炉内的煤粉充分燃烧，提高锅炉燃烧效率；动力场不好，煤粉燃烧不充分，不仅浪费煤炭资源，炉内温度也达不到要求，降低换热设备中水蒸气的品质，电厂运行效率不高。
图3 炉内流线图
3.3炉内温度分布
对于锅炉燃烧模拟来说，温度场是考虑的关键问题之一。火焰中心位置过低，燃烧情况不好，煤粉燃烬率低，锅炉效率低，温度达不到要求，影响蒸汽的品质；火焰中心位置过高，锅炉内的换热设备超温、结渣，容易引起爆管，严重影响锅炉的安全运行。
炉内最高温度在燃烧器区域，燃烧器区域各个截面的温度随着炉膛高度的增加温度升高，上组燃烧器要比下组燃烧器温度高一些。
4展望
由于计算机方面以及时间的原因，本文对锅炉做了一定程度的简化，没有考虑水冷壁、过热器、再热器等换热设备的换热过程，也没有考虑锅炉壁面的散热问题，只计对炉内燃烧做了模拟计算，分析炉内流场变化，温度场、烟气分级、ＮＯｘ浓度以及煤颗粒的运动，并对锅炉的不工况进行数值模拟，对比分析不同工况锅炉燃烧情况，运行参数进行了优化。在总结了本文所做的工作后，认为对以下几点有待研究和完善：
（１）水冷壁及房区的处理：在锅炉运行过程中水冷壁、过热器及再热器因为结渣而不能及时吸收炉内的热量而引起超温爆管的问题十分频繁，严重影响电厂的安全运运，造成极大的经济损失。所后若有机会再研究锅炉的燃烧问题，一定要将水冷壁、过热器及再热器的换热问题考虑进去。
（２）壁面散热的处理：锅炉的热损失包含了锅炉的散热损失，所壁面的散热损失对锅炉的热经济有一定的影响，研究锅炉的散热损失情况并找到一种绝热材料，减少锅炉的散热损失也是很重要的。
（３）顶二次风细分问题：由于时间关系，本文只对不同顶二次风做了Ｈ组模拟，在速度増加梯度上还不够，希望以后再多做几组不同二次风的模拟，得到更加合理的结果。
参考文献：
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[2]杜磊. 68QMW超临界墙式切圆锅炉燃烧数值模拟[D].武汉：华中科技大学，2014.
[3]刘炯天.关于我国煤炭能源低碳发展的思考明，中国矿业大学学报（社会科学版），2011 t01）：5-12
论文作者:杨青永
论文发表刊物:《电力设备》2017年第30期
论文发表时间:2018/3/13
标签：锅炉论文; 炉膛论文; 燃烧器论文; 温度论文; 汽包论文; 过热器论文; 边界论文; 《电力设备》2017年第30期论文;