摘要：以蒸发量为670t/h的四角切圆布置煤粉锅炉为研究对象，在不同燃烧器高宽比下，模拟了燃烧器平面温度场、射流中心两侧静压差。燃烧器高宽比大于9时，炉内气流切圆直径达到最大，高温区域均到达壁面附近，易引起结渣或高温腐蚀等；在4～9时，气流切圆大小适中，燃烧组织合理；小于4时，炉内气流充满程度相对较差，炉膛中部火焰过于集中，不能发挥切圆燃烧组织的优势。燃烧器出口射流两侧静压差随着燃烧器高宽比的增大呈非线性增大。
关键词：四角切圆锅炉；数值模拟；燃烧器高宽比
Numerical Simulation of Influence of Depth-width Ratio for Boiler Burner on Combustion
WANG Ci-cheng，HAO Yong-gang，WANG Rui-ping，SHI Zhong-quan
Abstract：Taking four corner tangentially fired pulverized coal boiler with evaporation capacity of 670t/h as research object，the plane temperature field of burner and the static pressure difference on both sides of jet flow center are simulated at different depth-width ratios of burner. When the depth-width ratio of burner is more than 9，the diameter of airflow tangential circle is maximum，and the high temperature area is close to the wall，which easily leads to slagging and high temperature corrosion. When the depth-width ratios of burner is in the range of 4 to 9，the size of airflow tangential circle is moderate，and the combustion organization is reasonable. When the depth-width ratios of burner is less than 4，the fullness of air in the boiler is relatively bad，and the flame in the center of combustion chamber is too concentrated，which can not exert the advantages of tangential combustion organization. The static pressure difference on both sides of jet flow outlet of burner is non-linearly increased with increase in depth-width ratio of burner.
Key words：four corner tangential boiler；numerical simulation；depth-width ratio of burner
1 概述
四角切圆燃烧布置已成为世界上电厂锅炉广泛采用的型式[1]，但仍存在一些技术难题，尤其是在我国电厂锅炉中与煤种相关的燃烧问题突出，如低灰熔点烟煤的严重结焦、贫煤锅炉的高温腐蚀、劣质烟煤的燃烧不稳定性等[2]。这些问题的长期存在，一方面有煤种与燃烧组织之间的矛盾，另一方面也与燃烧研究的技术手段尤其是燃烧数值模拟工作的滞后有关系。
在炉膛燃烧动力工况表征方面，一二次风燃烧器射流轨迹及炉膛截面实际最大速度形成的实际切圆的大小成为炉内动力场优劣的评判准则。其主要影响因素有炉膛截面长宽比、一二次风喷口轴线与炉膛对角线的夹角、燃烧器高宽比及燃烧器之间的间距、燃烧器层数、一二次风风速、风温等。这些因素通过影响燃烧器射流之间的相互作用强度改变着炉膛的燃烧动力特征——燃烧器区域截面温度分布。在这些因素中，一二次风喷口轴线与炉膛对角线的夹角，即合理的假想切圆大小的问题经过长期的生产实践，已基本形成共识。而燃烧器高宽比的选用，也同样是四角切圆布置燃烧器设计中的一个重要问题。燃烧器高宽比指将同一角上的燃烧器视作是一个组合，将这一组燃烧器视为一个整体，其高宽比即为这个整体的高度与宽度之比。
在燃烧器高宽比对炉膛实际切圆的影响方面，长期以来存在着不同的认识，甚至分歧较大。20世纪50年代，部分学者从冷态实验得到燃烧器高宽比不得大于4的结论，多年来一直被奉为直流燃烧器设计的一条戒律。但朱珍锦的冷态实验结果表明：燃烧器高宽比取5～9时，机组能安全经济运行[3]。而关于燃烧器高宽比对炉内燃烧动力工况的数值模拟尚未见专门的报道。本文以计算流体动力学软件为基础，通过改进网格系统来减小伪扩散的影响，以5种燃烧器高宽比条件下蒸发量为670t/h的四角切圆锅炉为研究对象，对锅炉燃烧器高宽比对燃烧的影响进行数值模拟。
2 模拟条件
① 计算锅炉简介及网格划分
以某电厂的670t/h四角切圆锅炉为原型进行燃烧数值模拟，炉膛结构见图1。其宽度×深度×高度=12.2m×12.2m×52.1m；烟窗尺寸为12.2m×10.6m，折烟角的倾角为30°，仰角为38.8°，深度为2.8m。一二次风喷口布置见图2，一次风喷口从下向上编号依次为A、B、C、D、E，二次风喷口从下向上编号依次为F、G、H、I、J、K、L，一二次风喷口截面尺寸为0.45m×0.45m。一二次风喷口的中心距为636.25mm，燃烧器组高度为7.635m，一二次风布置及配风方式为相间布置、均等配风。燃烧器不同高宽比工况采用改变燃烧器投运层数来实现。在这里F～L层的高度与F层的宽度之比为燃烧器高宽比。
燃烧器切圆布置见图3，从左下角逆时针旋转，燃烧器编号依次为1～4号角，1～4号角射流方向与前墙夹角均为42.5°，图中虚线MN为计算结果分析时的辅助线。由于四角切圆锅炉几何区域的复杂性，采用直角坐标系进行数值计算时，其每个角上的一二次风的入口方向与直角坐标的网格边界的夹角约为45°，这就容易产生数值伪扩散[4]，影响计算的准确性。为减小伪扩散，本文采用平面网格体系(见图4)。炉内计算区域采用了六面体网格，由图4可知，燃烧器喷口附近的节距较小，并呈辐射状，以适应燃烧器射流的发展，尽可能使流体流动方向与网格边界的夹角远离45°，最大限度地以垂直于网格边界的方向进入计算微元体。
② 计算方法
对于四角切圆锅炉，气流从四角喷口喷入，在炉膛内形成了旋涡，炉内流动已接近强旋流动的范围，采用常用的标准κ-ε方程模拟炉内流动存在困难[5，6]。本文采用重整化群κ-ε模型[7]进行数值模拟。压力场的耦合采用SIMPLE方法，煤粉颗粒的跟踪采用了随机轨道(Stochastic Tracking)方法，煤挥发分的析出采用双匹配速率模型(Two Competing Rates Model)，固定碳的燃烧按扩散动力反应模型(Kinetics Diffusion-Limited Combustion Model)，辐射换热按P-1(P-1 Radiation Model)模型。开始计算时，先求解等温流场，待动量方程收敛后，再耦合颗粒场、燃烧和辐射换热，然后进行循环迭代；当连续性方程和能量方程的残差都不再减小时，各计算参数不再随迭代次数变化，燃烧过程计算即告收敛。5种工况下的燃烧器高宽比见表1。工况4中的燃烧器上下不连续，故不存在统一的高宽比。
表1 5种工况下的燃烧器高宽比
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工况
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工作喷口
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燃烧器高宽比
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1
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B、G、H
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3.83
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2
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A、B、F、G、H
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6.66
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3
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A、B、C、F、G、H、I
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9.48
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4
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A、B、C、F、H、I
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—
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5
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A～L
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16.55
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3 计算结果及分析
3.1 燃烧器各层温度分布
各工况下，燃烧器各层的温度分布见图5～14，图中数值的单位为℃。由图5～14可知：
① 工况1的燃烧器高宽比为3.83，此时所形成的切圆直径相当于炉膛宽度的30%～40%。因此，燃烧器高宽比较小时，炉内气流充满程度较差，炉膛中部火焰过于集中，而四周温度水平较低，这种工况将不利于煤粉的着火。
② 工况2的燃烧器高宽比为6.66，所形成的切圆直径相当于炉膛宽度的50%～60%，炉内气流充满程度较好，燃烧器平面的高温区域在切圆附近，而炉壁温度水平较低，是较为理想的燃烧工况。
③ 工况3是实际运行可能采用的方式，这种工况下燃烧器的高宽比达到9.48，由图9、10可知，切圆直径与工况5气流紧贴壁面的计算结果相比有了一定程度的减小，但是仍然接近炉膛的宽度，致使高温区紧贴壁面。
④ 将工况3中的G层二次风喷口关掉，就是工况4，这种情况相当于把燃烧器分成了上下两组，下组由A、F层组成，上组由B、C、H、I层组成，上下两组燃烧器的高宽比分别为5.24、2.41。由图11、12可知，与工况3相比，工况4的切圆明显减小，并且炉内气流充满程度较好，是较为理想的燃烧工况。图11中B层切圆大于图12中F层切圆，这是由于B层喷口在F层喷口上方，随着炉膛高度的增加，气流会卷吸更多的烟气，使得切圆的直径会随着高度的增加而变大。这种模拟结果也给实际运行带来了启示，当电厂锅炉设计不合理，并没有对燃烧器进行分组时，运行人员可以人为停掉一层喷口，也会起到对燃烧器进行分组的作用。
⑤ 工况5中所有喷口全开，这时燃烧器的高宽比达到16.55。计算结果显示，实际切圆直径过大，气流从燃烧器喷出后直接冲刷炉壁，由图13、14可知，燃烧器平面的高温区域均在壁面附近，这样会在炉壁附近形成还原性气氛，降低了灰熔点，运行中容易造成炉壁的结渣。
3.2 各工况动压、静压
由于喷口布置角度偏离对角线，特别是射流进入炉膛后相互作用，导致射流向一侧墙偏转，从而形成射流两侧较大的补气条件差别。两侧也必然形成静压差，有静压差就会发生射流的偏转。射流两侧静压差的大小成为射流偏转强度倾向大小的判据，燃烧器射流中心两侧的静压差越大，射流偏转越严重，炉内的切圆也就越大。
工况1中B层2号角的动压分布见图15，在辅助线MN方向上的长度为5.4m时，动压达到最大，可以判断这是燃烧器喷口喷出的射流中心所在的位置。工况1中B层2号角的静压分布见图16，在辅助线MN方向上的长度为5.4m的两侧，静压分别有两个高峰值，这两个峰值之差即为燃烧器喷口喷出的射流中心两侧的静压差，约32Pa。通过此种方法，可以计算出所有燃烧器射流中心两侧的静压差。各工况燃烧器射流中心两侧静压差平均值见表2，这里的平均静压差为各工况下所有燃烧器射流中心两侧静压差的算术平均值。由表2可知随着高宽比的增加，燃烧器射流中心两侧平均静压差逐渐增大。
燃烧器高宽比与射流两侧平均静压差的关系见图17。
表2 各工况燃烧器射流中心两侧静压差平均值
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工况
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平均静压差/Pa
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高宽比
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1
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13.72
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3.83
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2
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24.70
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6.66
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|
3
|
43.39
|
9.48
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4
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28.42
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—
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5
|
52.62
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16.55
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由图17可知，当燃烧器高宽比小于4时，射流两侧的平均静压差相对较小，而当燃烧器高宽比介于4～9时，射流两侧的平均静压差会随着燃烧器组高宽比的增加快速增加，当燃烧器高宽比大于9后，射流两侧的平均静压差的增长趋于平缓。但结合前面温度分布模拟的结果，事实上，当燃烧器高宽比大于9后，燃烧器区域热态切圆已接近炉膛边壁，故此后再增大高宽比，无论对切圆大小还是热态温度分布的影响均逐渐减小。故燃烧器高宽比为9，基本上可以作为燃烧器喷口不分组的极限值，若大于9，就要将燃烧器进行分组，组与组之间留有足够的间隙，以使每一组的燃烧器高宽比小于9。
4 结论
① 本文模拟了670t/h四角切圆锅炉不同高宽比下燃烧器平面温度场，从模拟结果看出，燃烧器出口射流两侧平均静压差随着燃烧器高宽比的增大而增大，但其增加幅度会随着燃烧器高宽比的不同发生阶段性变化。
② 当燃烧器的高宽比大于9时，燃烧器射流组实际切圆达到最大，并基本不再增大，燃烧器平面的高温区域均到达壁面附近，这是引起燃用不同煤种引起结渣或高温腐蚀等的实质原因。燃烧器高宽比在4～9时，锅炉切圆大小适中，燃烧组织合理。当燃烧器高宽比小于4时，炉内气流充满程度相对较差，炉膛中部火焰过于集中，尽管四周温度水平较低，但不能发挥切圆燃烧组织的优势，将引起煤种适应性变差、炉膛出口烟温升高等不良后果。
参考文献：
[1] 范从振.锅炉原理[M].北京：中国电力出版社，1997.
[2] 缪正清.组合射流与集管内流动的数学物理模型研究(博士学位论文)[D].西安：西安交通大学，2004.
[3] 朱珍锦，池作和，潘卫国，等.不同燃烧器高宽比下炉内空气动力特性的试验研究[J].上海电力学院学报，1994，(1)：20-27.
[4] 刘向军，徐旭常.不同网格比较伪扩散对四角切圆型炉膛流场计算的影响[J].燃烧科学与技术，1999，(2)：113-119.
[5] 朱彤，孙少增，吴少华，等.燃烧器分组对炉内空气动力场的影响及数值模拟[J].哈尔滨工业大学学报，1997，(1)：37-39.
[6] 徐广强，魏敦崧，石奇光，等.四角切圆煤粉锅炉燃烧温度场的数值模拟[J].上海电力学院学报，2007，(3)：227-230.
[7] 陶文铨.数值传热学(第2版)[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
(本文作者：王次成1 郝永刚2 王瑞平2 史忠权2 1.上海交通大学机械与动力工程学院 上海200240；2.内蒙古包头第二热电厂 内蒙古包头 014030)
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