（中国联合工程公司 浙江杭州 310052）
摘要：利用Fluent软件对国内某热电厂75t/h链条锅炉燃烧时炉膛内部煤粉燃烧和温度分布情况进行数值模拟。首先提出煤的燃烧模型，选择k-ε模型对湍流进行模拟，分析炉膛热烟气流动以及温度分布，为SNCR设计提供理论支持。
关键词：煤粉燃烧；数值模拟；SNCR；温度
1 前言
王春波通过对某钢厂300MW锅炉燃烧过程进行数值模拟，对比发现掺烧高炉煤气时炉内温度水平有明显下降，且随着掺烧量的增加而加剧，掺烧高炉煤气产生烟气量增多，炉膛出口烟速明显增加，煤粉颗粒停留时间减小，煤粉很难燃烧完全[1]。同时NO的生成量随高炉煤气掺烧量的增加而明显减少。朱梅通过数值模拟的方法，设计了炉膛高速喷嘴的结构，并且通过模拟结果的比较，寻找到一种更适合退火炉的结构，使得炉膛内温度分布更加均匀[2]。通过模拟的方法可以合理的调整喷口结构参数，对于喷口的设计更加方便，减少了大量的投资。刘亮通过实际现场的改进，采用一种链条炉粉煤复合燃烧增容节能改造方案，在链条炉前后墙分别布置一次风二次风喷口将煤粉喷入燃烧。通过链条炉炉排的燃烧与炉膛内增加煤粉的复合燃烧方式，将炉排上煤产生的大量热量来加热由煤粉喷口喷出的煤粉。煤粉受热被点燃，释放出大量的热又反过来加热炉排上的煤块，加快煤块的着火速度，提高炉排上煤块的燃尽率。并且通过改进链条炉煤粉的制粉系统的同时，改变了省煤器结构，增加其受热面积，进一步降低了有炉膛排出的烟气的热损失[3]。张海军通过对同一种钝体喷口在不同的湍流模型下的模拟结果，结合 PIV 测量方法下的实验进行验证，通过比较发现在不同湍流模型下的模拟结果存在比较大的差别。通过模拟比较，发现k-ε模型和 RNG k-ε模型模拟的结果与实际过程更加符合[4]。徐榕在数值模拟的基础上分别使用 k-ε，RNG k-ε和代数应力（ASM）三种湍流模型进行模拟环形燃烧室中的三维流场分布图，通过模拟结果的比较，得出了三种湍流模型模拟的结果大致趋势是一致的。其中 RNG k-ε湍流模型比标准k-ε湍流模型的精度更高，没有 ASM 模型计算量大，所以 RNG k-ε模型更适于工程应用[5]。孙公刚通过研究，开发出了一种“十字形”的钝体喷口以解决目前燃用低挥发份、高灰分的劣质煤时造成的燃烧不稳定问题。通过 fluent 数值模拟，比较了没有用“十字形”钝体喷口的模型与使用了“十字形”钝体喷口模型，结果发现使用了“十字形”钝体喷口之后，明显加快了湍流强度，回流区变大，回流区内扰动增加，烟气回流过程中带回了大量高温的烟气，带来了大量的热量，促进了燃烧的稳定。此研究达到了提高燃烧效率的目的[6]。
2 物理模型
选择性非催化还原法在电厂锅炉上应用实例较多，其工艺如图1 所示。在SNCR 反应中，还原剂只有在一定的温度范围（900~1100°C）内才能有效地还原烟气中的NO，这个温度范围称为SNCR反应的温度窗口（Temperature window）。实验中 SNCR 反应在最佳反应温度（约 1000°C）时可以达到约 90%的NOx脱除效率，而在较低反应温度下（< 800°C），喷入的氨基还原剂基本不与烟气中的 NOx 反应，形成较高的氨逃逸；而在较高的反应温度下（>1100°C），喷入的氨基还原剂会被烟气中的O2氧化为 NOx，使 NOx 含量不降反增。
因此，通过CFD模拟分析炉膛内的流场和温度场分布，寻找炉膛内合适的还原剂喷射点，从而为SNCR设计调试提供理论支持是至关重要的。
3 数学模型
整个脱硝装置内的流场数值模拟是通过CFD软件实现。模拟过程中数学模型的选取及边界条件的处理方式主要包括以下几个方面：
1、选用Standard k-ε模型对湍流进行模拟；
2、选用PDF非预混燃烧模型模拟炉膛的燃烧状态；
3、选用DPM模型模拟煤颗粒与炉排的共同运动；
4、边界条件的设定：一次风，二次风入口为质量入口条件，出口为压力出口；
该模型是用有限体积法在离散的网格上进行求解。由于流速较快，求解过程中耦合进湍流求解模块。
4 炉膛燃烧模拟
煤粉进入炉排后与炉排一起以稳定的速度运动，煤粉逐渐被加热干燥，一旦到达煤粉的挥发温度，挥发分会逐渐散逸出来，并着火燃烧，提升炉膛温度并继续加热煤粉颗粒，直到挥发分全部挥发，煤粉开始燃烧固定碳，此时炉膛的温度达到最高、最好，逐渐燃尽的煤移动至炉膛尾部排出，尾部炉膛的温度又开始下降。
图2为煤粉颗粒挥发分的含量示意图，在煤粉刚进入炉膛的一段时间内，由于温度尚未达到挥发分的析出程度，因此挥发分保持原有的程度（红色代表含量最高），当煤粉温度到达挥发分的析出温度时，挥发分很快析出并燃烧，因此挥发分含量很快到达0。图3为煤粉颗粒固定碳含量的示意图，煤粉在挥发分析出且固定碳未引燃的情况下，含量最高。此后，固定碳开始燃烧，并逐渐消耗，直到全部燃尽。此时煤粉颗粒剩余灰分，随着炉排的移动排出炉膛。
图4，5，6分别是炉膛内的CO2、CO、O2浓度分布。挥发分开始产生的时候，O2充分，因此燃烧首先产生CO2，随着炉排的运动，O2含量逐渐降低，产生的CO2又有一部分和固定碳产生还原反应生成CO。产生的CO在二次风的助燃下又重新燃烧并产生大量的CO2。
5 炉膛温度模拟
图7是75t/h链条炉炉膛内的温度分布。刚刚进入炉膛的煤粉在辐射和对流换热的情况下被加热，此时还没有燃烧产生，因此温度较低。随着煤粉温度的上升，煤粉中的挥发分开始析出，并被引燃。此时炉膛温度急剧增加。固定碳开始燃烧，此时炉膛内的温度达到最高点，并持续一段距离。然后随着固定碳燃烧的结束，煤粉只剩下不可燃的灰分，炉膛后段的温度又开始下降。
图8炉膛6m高度截面的温度分布，该截面最大温度为1247℃，平均温度为1057℃，绝大部分面积都在反应温度窗口范围内，因此是比较理想的还原剂喷射平面。
6 结论
利用数值模拟计算方法，采用合适的燃烧模型，模拟分析了75t/h链条炉炉膛内的燃烧情况，得到炉膛内的温度分布，为SNCR的还原剂喷射点设计调试提供了理论支持。
参考文献
[1] 王春波，魏建国，盛金贵，等. 300MW煤粉/高炉煤气混燃锅炉燃烧特性数值模拟[J]. 中国电机工程学报，2012，32（14）：14-18.
[2] 朱梅，刘峰，谢安国，等. 高速烧嘴退火炉炉温均匀性数值研究[J]. 冶金能源，2009，28（3）：27-31.
[3] 刘亮，夏侯国伟，鄢晓忠，等. 一种链条炉粉煤复合燃烧增容节能改造方案[J]. 电站系统工程，2004，20（2）：46-48.
[4] 张海军，郭雪岩，陈永辰，等. 湍流模型对钝体燃烧器流场模拟的影响[J]. 化工学报，2004，61（3）：573-579.
[5] 徐榕. 斜切径向旋流器环形燃烧室整体流场数值模拟[D]. 南京航空航天大学，2009.
[6] 孙公钢. 燃用劣质煤的新型钝体稳燃器及锅炉低污染燃烧改造的数值模拟与试验研究[D].浙江大学，2006.
作者简介：
周骏（1986-），男，工程师，研究生，从事烟气脱硫脱硝除尘输灰工作与研究。
论文作者:周骏,袁瑞龙
论文发表刊物:《电力设备》2017年第2期
论文发表时间:2017/3/28
标签：炉膛论文; 温度论文; 煤粉论文; 模型论文; 湍流论文; 数值论文; 烟气论文; 《电力设备》2017年第2期论文;