產(chǎn)品詳情
200MW旋流燃燒方式煤粉爐爐內(nèi)燃燒試驗和數(shù)值研究
搞要：采用計算流體動力學(xué)軟件對電站鍋爐爐內(nèi)實際燃燒過程進行數(shù)值計算并結(jié)合其熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，己成為驗證數(shù)學(xué)模型和指導(dǎo)工程實踐的一種重要研究手段。該文利用PHOENICS軟件，采用IPSA兩相流模型及煤粉燃燒綜合模型，對一臺有16只徑向濃淡旋流燃燒機兩側(cè)墻對沖布置的200MW燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進行了數(shù)值計算，得出了爐內(nèi)燃燒機區(qū)域以及爐膛出口的煙氣溫度場和燃燒產(chǎn)物的組分濃度分布。模擬結(jié)果與鍋爐熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者吻合情況較好。結(jié)果表明：在燃燒機出口處形成了高煤粉濃度和高溫區(qū)，使得煤粉著火及時，燃燒機區(qū)域維持較高溫度，爐內(nèi)煤粉燃燒充分，以而表明了徑向濃淡旋流燃燒機具有高效穩(wěn)燃的性能。
關(guān)鍵詞：煤粉燃燒；兩相流；旋流燃燒機；數(shù)值計算
1 引言
煤粉在爐內(nèi)燃燒是一個非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。國內(nèi)外一些研究機構(gòu)對爐內(nèi)過程的數(shù)值計算作了許多有益的嘗試，并取得了不少成果[1-6]。目前研究多采用顆粒軌道模型模擬氣固兩相流動，雖然其易于給出兩相之間的速度和溫度滑移，但很難給出顆粒的濃度分布H。另外，由于測試手段和測試條件的限制，難以取得詳細全面的試驗數(shù)據(jù)，因而許多研究結(jié)果無法得到試驗數(shù)據(jù)的直接對比驗證。
黃島電廠1臺200M燃煤鍋爐機組的旋流燃燒機，由原有的蝸殼一切向葉片型燃燒機改為徑向濃淡燃燒機。本文利用PHOINICS軟件對其爐內(nèi)的流動、傳熱與燃燒過程進行了數(shù)值計算。計算結(jié)果與鍋爐熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者吻合情況較好。
2 燃燒設(shè)備情況
黃島發(fā)電廠4號鍋爐為雙爐膛T型布置，采用膜式水冷壁。鍋爐設(shè)計燃用晉中貧煤，制粉系統(tǒng)為鋼球磨煤機中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，淡旋流燃燒機分兩層對沖布置在兩側(cè)墻上團。
3 數(shù)學(xué)模型及計算方法
3.1 數(shù)學(xué)模型
煤粉燃燒過程是伴隨有多種熱傳遞現(xiàn)象的有化學(xué)反應(yīng)的湍流氣固兩相流動。煤粉燃燒過程的模擬需要建立很多物理過程的簡化模型，包括氣固兩相流動、氣固熱傳遞、煤粉干燥、揮發(fā)分析出與燃燒、焦炭燃燒以及輻射傳熱等過程。
設(shè)煤粒為單一粒徑的球形顆粒，煤粒由水分、原煤、 焦炭和灰分4部分組成。燃燒過程中煤粒溫度上升導(dǎo)致煤粒中的水分蒸發(fā)，進入氣相變成水蒸氣。揮發(fā)分隨之析出，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發(fā)生異相反應(yīng)而逐漸燃盡。灰分隨著焦炭的燃盡而逐漸趨向于1。設(shè)析出的揮發(fā)分的成分為碳氫化合物(CH；)，并在氣相燃燒反應(yīng)中迅速耗盡。氧量在揮發(fā)分和焦炭的燃燒反應(yīng)中迅速消耗。 對煤粉燃燒的其它分過程分別采用氣相尼一￡雙方程湍流模型、六熱流輻射傳熱模型、煤粉中水分蒸發(fā)的擴散模型以及揮發(fā)分燃燒的EBU-Arrhenius氣相湍流燃燒模型等。
3.2計算方法及網(wǎng)格劃分
采用有限差分法來離散微分方程，對控制方程昀求解采用Simplest算法，在直角坐標系下的非均勻交錯網(wǎng)格系統(tǒng)中求解。
鍋爐為雙爐膛T型布置，兩個爐膛的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，故以其中1個爐膛作為模擬對象，選取從爐膛下部的冷灰斗到爐膛上部的折焰角之間的區(qū)域做為計算區(qū)域，其長、寬、高分別為8.80mx8.88mx32m。燃燒機所在區(qū)域網(wǎng)格劃分得細密一些，保證燃燒機出口處一、二次風(fēng)在不同的網(wǎng)格中，另外將燃燒機出口附近軸向的網(wǎng)格數(shù)增加，這樣不但可以避免偽擴散的影響，而且可以更準確地模擬沿燃燒機出口區(qū)域的煤粉燃燒過程，通過優(yōu)化計算，X、y、Z方向上的網(wǎng)格數(shù)分別選為40x36x50。
3.3邊界條件
3.3.1壁面邊界條件
壁面邊界條件按無滑移條件取值，對于氣相流體近壁區(qū)域，采用壁面函數(shù)近似‘7]。
3.3.2入口條件
選取16只燃燒機全投時的滿負荷工況進行數(shù)值計算，燃燒機的主要參數(shù)見表l[7]。入口條件按進口均勻分布取值，進口處湍流動能K取為進口處平均湍流動能的0.5%，進口處湍流動能耗散率￡按進口處的尼值和進口特征長度k計算。
4數(shù)值計算結(jié)果及與熱態(tài)試驗結(jié)果的對比分析
4.1 爐內(nèi)燃燒機區(qū)域氣固兩相的溫度分布
熱態(tài)條件下爐內(nèi)溫度的測量采用高溫光學(xué)溫度計，測得其觀測方向上的爐內(nèi)最高溫度。測點位置除了各燃燒機中心看火孔外，還有前后墻上與燃燒機位于相同標高處的甲乙兩側(cè)的看火孔。表3為爐內(nèi)溫度的實測結(jié)果。
圖分別給出了下層燃燒機中心線所在橫截面上的氣固兩相溫度分布(X. y分別為爐膛截面長度和寬度，m)昀數(shù)值計算結(jié)果。從圖2、3可看出，上層燃燒機區(qū)域的溫度水平高于下層燃燒機區(qū)域的溫度水平，并且下層燃燒機出口處的溫度梯度大，即溫度變化快；而上層燃燒機出口處溫度梯度較小，即出口處溫度變化更趨平緩一些，說明上層燃燒機的燃燒條件好于下層燃燒機。另外，燃燒機出口一定距離后的爐內(nèi)溫度呈逐漸上升趨勢，其分布較為均勻，表現(xiàn)了各燃燒機的供風(fēng)和給粉已基本均勻。這些都與熱態(tài)試驗時所反映的規(guī)律相同。
從圖2和圖3還可以看出，氣固兩相間存在溫度滑移，氣相溫度高于顆粒相溫度。在燃燒機出口處附近，由于顆粒中的水分蒸發(fā)吸熱以及熱解揮發(fā)吸熱，氣固兩相間的溫度滑移較大，隨著離旋流燃燒機噴口距離的增加，兩相之間的溫度滑移逐漸減小，到達爐膛中心部分時，溫度滑移基本為零。這是由于焦炭的燃燒使得煤粉顆粒溫度不斷升高，到燃燒室后部兩相溫度趨于平衡。但是，由于徑向濃淡旋流煤粉燃燒機出口處氣流混合強烈，熱質(zhì)交換充分，上下層燃燒機出口區(qū)域的溫度滑移都很小。
4 2生物質(zhì)顆粒燃燒機燃燒機出口軸向上煙氣溫度變化和煙氣成分的濃度分布在熱態(tài)試驗過程中，利用水冷槍對上排的某只燃燒機出口軸線上各點的煙氣溫度和煙氣成分進行了測量。測溫的一次元件采用鉑銠鉑熱電偶，測量煙氣成分的儀器為MSI Compact型氣體分析儀，CO濃度的量程為0～4000mg/kg，其儀器分辨率為Img/kg，02濃度的儀器分辨率為0.1%。可以看出，數(shù)值計算結(jié)果和熱態(tài)試驗結(jié)果在定性趨勢上吻合較好，反映了單只燃燒機出口軸線方向上火焰溫度的變化規(guī)律。在距離噴口軸向距離250mm的位置處，煙氣溫度己迅速升1130 0C，濃煤粉氣流所處的環(huán)境己遠超過其著火溫度，處于對其著火非常有利的溫度區(qū)間內(nèi)。在250mm以后，煙氣溫度一直保持在11300C以上，并繼續(xù)升高。燃燒機出口溫度水平較高，使得煤粉氣流著火之后一直處于較高溫度水平的環(huán)境溫度內(nèi)，煤粉顆粒在高溫環(huán)境下停留時間延長，反應(yīng)速度加快，使得煤粉顆粒充分燃盡，保證了煤粉氣流穩(wěn)定著火和充分燃燒。從圖4(b)中可以看出，在50～250mm這段距離內(nèi)氧氣濃度迅速消耗，煙氣中的CO含量急劇升高，表明在此軸向距離內(nèi)煤粉氣流已經(jīng)開始著火在煙氣成分急劇變化的這一段區(qū)域，可以認為是煤粉顆粒析出揮發(fā)分并與煤粉顆粒中焦碳一起著火的主要區(qū)域，這一區(qū)域軸向距離的遠近可以反映煤粉氣流著火距離的遠近。
4.3 爐膛豎直截面上煙氣溫度變化和煙氣成分的濃度分布
圖5給出了爐內(nèi)某燃燒機所在的豎直截面上煙氣溫度變化和煙氣成分濃度分布的數(shù)值計算結(jié)果fZ為爐膛豎直截面高度，m)。從圖5(a)中可見，爐膛中央?yún)^(qū)域的燃燒最為劇烈，最高溫度水平出現(xiàn)在燃燒機區(qū)域，約為1450℃；隨著爐膛高度的增加，溫度水平逐漸降低，到爐膛出口處煙氣平均溫度約為1100℃。從圖5(b)和5(c)中可見，爐膛中心部分燃燒機區(qū)域的CO濃度很高，02濃度很低；隨著爐膛高度的增加，CO濃度逐漸降低，對于02濃度而言，由于三次風(fēng)的影響，爐內(nèi)氧量在三次風(fēng)出口的局部區(qū)域增加較快，但總體趨勢仍表現(xiàn)為02濃度隨爐膛高度的增加而逐漸降低。這是因為爐內(nèi)CO和02的質(zhì)量濃度分布與煙氣溫度分布有很大關(guān)系，高溫區(qū)對應(yīng)著高的CO濃度和低的02濃度‘2]。在爐膛高溫區(qū)煤粉與02發(fā)生劇剽燃燒反應(yīng)，消耗大量的02而主要生成CO，使得02濃度急劇下降，CO濃度迅速上升，然后隨著氣流上升，在低溫區(qū)CO再和煙氣中殘余02及三次風(fēng)攜帶的02發(fā)生反應(yīng)，以消耗高溫區(qū)生成的CO，到爐膛出口處CO濃度已經(jīng)很低。從圖5(d)中可以看出，在燃燒機出口處較短距離內(nèi)，煤粉顆粒中的焦炭迅速燃燒，在燃燒機區(qū)域的上方已基本燃盡，在爐膛上部區(qū)域飛灰可燃物含量一直保持在4%以下。在熱態(tài)試驗期間的飛灰取樣分析中，甲側(cè)飛灰可燃物含量為9.8%，乙側(cè)為8.7%，平均為9.25%。數(shù)值計算結(jié)果和熱態(tài)試驗結(jié)果存在一定差異，主要原因是IPSA氣固兩相流動模型中由于對顆粒相的處理方法使得難于模擬較寬的粒徑分布，只能選取一個平均粒徑，而熱態(tài)試驗中三次風(fēng)為制粉系統(tǒng)產(chǎn)生的乏氣，其攜帶的煤粉顆粒粒徑較大，且煤粉顆粒行程較短，有效燃燒時間短，因而煤粉顆粒燃盡較為困難。
4.4爐膛出口處煙氣成分的濃度分布
在熱態(tài)試驗過程中，利用MSI氣體分析儀對爐膛出口處煙氣成分進行了測量，測點位于高溫空氣預(yù)器之前的尾部煙道內(nèi)，測量結(jié)果如表4所示。雖然該測點和爐膛出口截面處的位置不同，但由于過熱器和再熱器漏風(fēng)量小，并且煙氣中的可燃物已基本燃燒完仝，故兩位置的煙氣成分相差不大。 圖6給出了爐膛出口處CO和02的質(zhì)量濃度分布的數(shù)值計算結(jié)果。從圖6中可以看出，爐膛出口的中心區(qū)域，即主氣流流經(jīng)的區(qū)域，02濃度較高，CO濃度較低，這是由于中心區(qū)域的煙氣溫度較高，爐膛出口的CO會和02進一步反應(yīng)，從而導(dǎo)致CO濃度較低。而在兩側(cè)墻附近區(qū)域，02濃度較低，CO濃度較高。
數(shù)值計算結(jié)果中，爐膛出口的氧量以及CO含量均比熱態(tài)試驗結(jié)果稍高一些。然而，考慮到熱態(tài)試驗中的測量誤差和數(shù)值計算中所產(chǎn)生的各種誤差，該結(jié)果較好地反映了爐膛出口煙氣成分的濃度分布情況，表明爐內(nèi)02供應(yīng)充足，可燃性氣體基本燃盡。
5結(jié)論
本文通過對1臺共16只兩側(cè)墻對沖布置的徑向濃淡旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機燃燒機的200MW燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進行了數(shù)值計算，并將數(shù)值計算結(jié)果與熱態(tài)試驗結(jié)杲進行了對比分析，可得出以下結(jié)論：
(1)兩者在定性上吻合較好，表明利用CFD進行爐內(nèi)燃燒過程的數(shù)值計算是可行的。
(2)上層燃燒機區(qū)域溫度高于下層燃燒機區(qū)域溫度，燃燒機出口一定距離后的爐內(nèi)溫度分布較為均勻。雖然爐內(nèi)氣固兩相間存在溫度滑移，但因氣流混合強烈，熱質(zhì)交換充分，溫度滑移很小。
(3)爐膛中央燃燒機區(qū)域是爐內(nèi)過程的主燃燒區(qū)，CO濃度較高，02濃度較低。爐內(nèi)02供應(yīng)充足，焦炭燃燒良好，爐膛出口處飛灰可燃物和CO基本燃盡。
生物質(zhì)燃燒機，http://www.jiegankeliji.com
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
搞要：采用計算流體動力學(xué)軟件對電站鍋爐爐內(nèi)實際燃燒過程進行數(shù)值計算并結(jié)合其熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行對比分析，己成為驗證數(shù)學(xué)模型和指導(dǎo)工程實踐的一種重要研究手段。該文利用PHOENICS軟件，采用IPSA兩相流模型及煤粉燃燒綜合模型，對一臺有16只徑向濃淡旋流燃燒機兩側(cè)墻對沖布置的200MW燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進行了數(shù)值計算，得出了爐內(nèi)燃燒機區(qū)域以及爐膛出口的煙氣溫度場和燃燒產(chǎn)物的組分濃度分布。模擬結(jié)果與鍋爐熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者吻合情況較好。結(jié)果表明：在燃燒機出口處形成了高煤粉濃度和高溫區(qū)，使得煤粉著火及時，燃燒機區(qū)域維持較高溫度，爐內(nèi)煤粉燃燒充分，以而表明了徑向濃淡旋流燃燒機具有高效穩(wěn)燃的性能。
關(guān)鍵詞：煤粉燃燒；兩相流；旋流燃燒機；數(shù)值計算
1 引言
煤粉在爐內(nèi)燃燒是一個非常復(fù)雜的物理和化學(xué)過程。國內(nèi)外一些研究機構(gòu)對爐內(nèi)過程的數(shù)值計算作了許多有益的嘗試，并取得了不少成果[1-6]。目前研究多采用顆粒軌道模型模擬氣固兩相流動，雖然其易于給出兩相之間的速度和溫度滑移，但很難給出顆粒的濃度分布H。另外，由于測試手段和測試條件的限制，難以取得詳細全面的試驗數(shù)據(jù)，因而許多研究結(jié)果無法得到試驗數(shù)據(jù)的直接對比驗證。
黃島電廠1臺200M燃煤鍋爐機組的旋流燃燒機，由原有的蝸殼一切向葉片型燃燒機改為徑向濃淡燃燒機。本文利用PHOINICS軟件對其爐內(nèi)的流動、傳熱與燃燒過程進行了數(shù)值計算。計算結(jié)果與鍋爐熱態(tài)試驗數(shù)據(jù)進行了比較，兩者吻合情況較好。
2 燃燒設(shè)備情況
黃島發(fā)電廠4號鍋爐為雙爐膛T型布置，采用膜式水冷壁。鍋爐設(shè)計燃用晉中貧煤，制粉系統(tǒng)為鋼球磨煤機中間儲倉式熱風(fēng)送粉系統(tǒng)，淡旋流燃燒機分兩層對沖布置在兩側(cè)墻上團。
3 數(shù)學(xué)模型及計算方法
3.1 數(shù)學(xué)模型
煤粉燃燒過程是伴隨有多種熱傳遞現(xiàn)象的有化學(xué)反應(yīng)的湍流氣固兩相流動。煤粉燃燒過程的模擬需要建立很多物理過程的簡化模型，包括氣固兩相流動、氣固熱傳遞、煤粉干燥、揮發(fā)分析出與燃燒、焦炭燃燒以及輻射傳熱等過程。
設(shè)煤粒為單一粒徑的球形顆粒，煤粒由水分、原煤、 焦炭和灰分4部分組成。燃燒過程中煤粒溫度上升導(dǎo)致煤粒中的水分蒸發(fā)，進入氣相變成水蒸氣。揮發(fā)分隨之析出，剩余的固體可燃物為焦炭，焦炭與氧氣發(fā)生異相反應(yīng)而逐漸燃盡。灰分隨著焦炭的燃盡而逐漸趨向于1。設(shè)析出的揮發(fā)分的成分為碳氫化合物(CH；)，并在氣相燃燒反應(yīng)中迅速耗盡。氧量在揮發(fā)分和焦炭的燃燒反應(yīng)中迅速消耗。 對煤粉燃燒的其它分過程分別采用氣相尼一￡雙方程湍流模型、六熱流輻射傳熱模型、煤粉中水分蒸發(fā)的擴散模型以及揮發(fā)分燃燒的EBU-Arrhenius氣相湍流燃燒模型等。
3.2計算方法及網(wǎng)格劃分
采用有限差分法來離散微分方程，對控制方程昀求解采用Simplest算法，在直角坐標系下的非均勻交錯網(wǎng)格系統(tǒng)中求解。
鍋爐為雙爐膛T型布置，兩個爐膛的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)相同，故以其中1個爐膛作為模擬對象，選取從爐膛下部的冷灰斗到爐膛上部的折焰角之間的區(qū)域做為計算區(qū)域，其長、寬、高分別為8.80mx8.88mx32m。燃燒機所在區(qū)域網(wǎng)格劃分得細密一些，保證燃燒機出口處一、二次風(fēng)在不同的網(wǎng)格中，另外將燃燒機出口附近軸向的網(wǎng)格數(shù)增加，這樣不但可以避免偽擴散的影響，而且可以更準確地模擬沿燃燒機出口區(qū)域的煤粉燃燒過程，通過優(yōu)化計算，X、y、Z方向上的網(wǎng)格數(shù)分別選為40x36x50。
3.3邊界條件
3.3.1壁面邊界條件
壁面邊界條件按無滑移條件取值，對于氣相流體近壁區(qū)域，采用壁面函數(shù)近似‘7]。
3.3.2入口條件
選取16只燃燒機全投時的滿負荷工況進行數(shù)值計算，燃燒機的主要參數(shù)見表l[7]。入口條件按進口均勻分布取值，進口處湍流動能K取為進口處平均湍流動能的0.5%，進口處湍流動能耗散率￡按進口處的尼值和進口特征長度k計算。
4數(shù)值計算結(jié)果及與熱態(tài)試驗結(jié)果的對比分析
4.1 爐內(nèi)燃燒機區(qū)域氣固兩相的溫度分布
熱態(tài)條件下爐內(nèi)溫度的測量采用高溫光學(xué)溫度計，測得其觀測方向上的爐內(nèi)最高溫度。測點位置除了各燃燒機中心看火孔外，還有前后墻上與燃燒機位于相同標高處的甲乙兩側(cè)的看火孔。表3為爐內(nèi)溫度的實測結(jié)果。
圖分別給出了下層燃燒機中心線所在橫截面上的氣固兩相溫度分布(X. y分別為爐膛截面長度和寬度，m)昀數(shù)值計算結(jié)果。從圖2、3可看出，上層燃燒機區(qū)域的溫度水平高于下層燃燒機區(qū)域的溫度水平，并且下層燃燒機出口處的溫度梯度大，即溫度變化快；而上層燃燒機出口處溫度梯度較小，即出口處溫度變化更趨平緩一些，說明上層燃燒機的燃燒條件好于下層燃燒機。另外，燃燒機出口一定距離后的爐內(nèi)溫度呈逐漸上升趨勢，其分布較為均勻，表現(xiàn)了各燃燒機的供風(fēng)和給粉已基本均勻。這些都與熱態(tài)試驗時所反映的規(guī)律相同。
從圖2和圖3還可以看出，氣固兩相間存在溫度滑移，氣相溫度高于顆粒相溫度。在燃燒機出口處附近，由于顆粒中的水分蒸發(fā)吸熱以及熱解揮發(fā)吸熱，氣固兩相間的溫度滑移較大，隨著離旋流燃燒機噴口距離的增加，兩相之間的溫度滑移逐漸減小，到達爐膛中心部分時，溫度滑移基本為零。這是由于焦炭的燃燒使得煤粉顆粒溫度不斷升高，到燃燒室后部兩相溫度趨于平衡。但是，由于徑向濃淡旋流煤粉燃燒機出口處氣流混合強烈，熱質(zhì)交換充分，上下層燃燒機出口區(qū)域的溫度滑移都很小。
4 2生物質(zhì)顆粒燃燒機燃燒機出口軸向上煙氣溫度變化和煙氣成分的濃度分布在熱態(tài)試驗過程中，利用水冷槍對上排的某只燃燒機出口軸線上各點的煙氣溫度和煙氣成分進行了測量。測溫的一次元件采用鉑銠鉑熱電偶，測量煙氣成分的儀器為MSI Compact型氣體分析儀，CO濃度的量程為0～4000mg/kg，其儀器分辨率為Img/kg，02濃度的儀器分辨率為0.1%。可以看出，數(shù)值計算結(jié)果和熱態(tài)試驗結(jié)果在定性趨勢上吻合較好，反映了單只燃燒機出口軸線方向上火焰溫度的變化規(guī)律。在距離噴口軸向距離250mm的位置處，煙氣溫度己迅速升1130 0C，濃煤粉氣流所處的環(huán)境己遠超過其著火溫度，處于對其著火非常有利的溫度區(qū)間內(nèi)。在250mm以后，煙氣溫度一直保持在11300C以上，并繼續(xù)升高。燃燒機出口溫度水平較高，使得煤粉氣流著火之后一直處于較高溫度水平的環(huán)境溫度內(nèi)，煤粉顆粒在高溫環(huán)境下停留時間延長，反應(yīng)速度加快，使得煤粉顆粒充分燃盡，保證了煤粉氣流穩(wěn)定著火和充分燃燒。從圖4(b)中可以看出，在50～250mm這段距離內(nèi)氧氣濃度迅速消耗，煙氣中的CO含量急劇升高，表明在此軸向距離內(nèi)煤粉氣流已經(jīng)開始著火在煙氣成分急劇變化的這一段區(qū)域，可以認為是煤粉顆粒析出揮發(fā)分并與煤粉顆粒中焦碳一起著火的主要區(qū)域，這一區(qū)域軸向距離的遠近可以反映煤粉氣流著火距離的遠近。
4.3 爐膛豎直截面上煙氣溫度變化和煙氣成分的濃度分布
圖5給出了爐內(nèi)某燃燒機所在的豎直截面上煙氣溫度變化和煙氣成分濃度分布的數(shù)值計算結(jié)果fZ為爐膛豎直截面高度，m)。從圖5(a)中可見，爐膛中央?yún)^(qū)域的燃燒最為劇烈，最高溫度水平出現(xiàn)在燃燒機區(qū)域，約為1450℃；隨著爐膛高度的增加，溫度水平逐漸降低，到爐膛出口處煙氣平均溫度約為1100℃。從圖5(b)和5(c)中可見，爐膛中心部分燃燒機區(qū)域的CO濃度很高，02濃度很低；隨著爐膛高度的增加，CO濃度逐漸降低，對于02濃度而言，由于三次風(fēng)的影響，爐內(nèi)氧量在三次風(fēng)出口的局部區(qū)域增加較快，但總體趨勢仍表現(xiàn)為02濃度隨爐膛高度的增加而逐漸降低。這是因為爐內(nèi)CO和02的質(zhì)量濃度分布與煙氣溫度分布有很大關(guān)系，高溫區(qū)對應(yīng)著高的CO濃度和低的02濃度‘2]。在爐膛高溫區(qū)煤粉與02發(fā)生劇剽燃燒反應(yīng)，消耗大量的02而主要生成CO，使得02濃度急劇下降，CO濃度迅速上升，然后隨著氣流上升，在低溫區(qū)CO再和煙氣中殘余02及三次風(fēng)攜帶的02發(fā)生反應(yīng)，以消耗高溫區(qū)生成的CO，到爐膛出口處CO濃度已經(jīng)很低。從圖5(d)中可以看出，在燃燒機出口處較短距離內(nèi)，煤粉顆粒中的焦炭迅速燃燒，在燃燒機區(qū)域的上方已基本燃盡，在爐膛上部區(qū)域飛灰可燃物含量一直保持在4%以下。在熱態(tài)試驗期間的飛灰取樣分析中，甲側(cè)飛灰可燃物含量為9.8%，乙側(cè)為8.7%，平均為9.25%。數(shù)值計算結(jié)果和熱態(tài)試驗結(jié)果存在一定差異，主要原因是IPSA氣固兩相流動模型中由于對顆粒相的處理方法使得難于模擬較寬的粒徑分布，只能選取一個平均粒徑，而熱態(tài)試驗中三次風(fēng)為制粉系統(tǒng)產(chǎn)生的乏氣，其攜帶的煤粉顆粒粒徑較大，且煤粉顆粒行程較短，有效燃燒時間短，因而煤粉顆粒燃盡較為困難。
4.4爐膛出口處煙氣成分的濃度分布
在熱態(tài)試驗過程中，利用MSI氣體分析儀對爐膛出口處煙氣成分進行了測量，測點位于高溫空氣預(yù)器之前的尾部煙道內(nèi)，測量結(jié)果如表4所示。雖然該測點和爐膛出口截面處的位置不同，但由于過熱器和再熱器漏風(fēng)量小，并且煙氣中的可燃物已基本燃燒完仝，故兩位置的煙氣成分相差不大。 圖6給出了爐膛出口處CO和02的質(zhì)量濃度分布的數(shù)值計算結(jié)果。從圖6中可以看出，爐膛出口的中心區(qū)域，即主氣流流經(jīng)的區(qū)域，02濃度較高，CO濃度較低，這是由于中心區(qū)域的煙氣溫度較高，爐膛出口的CO會和02進一步反應(yīng)，從而導(dǎo)致CO濃度較低。而在兩側(cè)墻附近區(qū)域，02濃度較低，CO濃度較高。
數(shù)值計算結(jié)果中，爐膛出口的氧量以及CO含量均比熱態(tài)試驗結(jié)果稍高一些。然而，考慮到熱態(tài)試驗中的測量誤差和數(shù)值計算中所產(chǎn)生的各種誤差，該結(jié)果較好地反映了爐膛出口煙氣成分的濃度分布情況，表明爐內(nèi)02供應(yīng)充足，可燃性氣體基本燃盡。
5結(jié)論
本文通過對1臺共16只兩側(cè)墻對沖布置的徑向濃淡旋流生物質(zhì)顆粒燃燒機燃燒機的200MW燃煤鍋爐爐內(nèi)燃燒過程進行了數(shù)值計算，并將數(shù)值計算結(jié)果與熱態(tài)試驗結(jié)杲進行了對比分析，可得出以下結(jié)論：
(1)兩者在定性上吻合較好，表明利用CFD進行爐內(nèi)燃燒過程的數(shù)值計算是可行的。
(2)上層燃燒機區(qū)域溫度高于下層燃燒機區(qū)域溫度，燃燒機出口一定距離后的爐內(nèi)溫度分布較為均勻。雖然爐內(nèi)氣固兩相間存在溫度滑移，但因氣流混合強烈，熱質(zhì)交換充分，溫度滑移很小。
(3)爐膛中央燃燒機區(qū)域是爐內(nèi)過程的主燃燒區(qū)，CO濃度較高，02濃度較低。爐內(nèi)02供應(yīng)充足，焦炭燃燒良好，爐膛出口處飛灰可燃物和CO基本燃盡。
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