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    四角切圓煤粉鍋爐是目前世界上比較常用的電站鍋爐類(lèi)型之一，其燃燒適應(yīng)性好，風(fēng)粉混合均勻。由于我國(guó)的煤種分布較廣，與四角切圓鍋爐的特性相適應(yīng)。所以，四角切圓燃燒是目前我國(guó)應(yīng)用最廣、最為成熟的燃燒方式。
    本文借助COALFIRE軟件平臺(tái)，以某電廠300 MW四角切圓煤粉鍋爐為研究對(duì)象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，利用數(shù)值計(jì)算程序?qū)�爐膛內(nèi)的湍流氣固兩相流動(dòng)、傳熱和燃燒等進(jìn)行了三維數(shù)值模擬。計(jì)算結(jié)果描繪出了爐內(nèi)的溫度場(chǎng)、顆粒場(chǎng)、各組分濃度場(chǎng)和NO。濃度場(chǎng)等，為了解和掌握四角切圓燃燒煤粉鍋爐爐內(nèi)過(guò)程及其規(guī)律，提高同類(lèi)型鍋爐的設(shè)計(jì)、運(yùn)行與改造水平提供了有益的參考。
1、模擬對(duì)象
    本文所模擬的對(duì)象是某電廠由東方鍋爐廠生產(chǎn)的DG1025/18.2-Ⅳ型亞臨界、中間再熱、自然循環(huán)、燃煤汽包鍋爐。該鍋爐為單爐膛Ⅱ型布置，配有中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)，采用四角切圓燃燒，直流擺動(dòng)式燃燒器，固態(tài)除渣。其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。整組燃燒器設(shè)5層一次風(fēng)噴口，9層二次風(fēng)噴口和1層三次風(fēng)噴口，二次風(fēng)和一次風(fēng)間隔布置，如圖2所示。燃燒器配風(fēng)方式見(jiàn)表1。鍋爐燃用煤粉顆粒的直徑最小為10um．最大為200um，顆粒直徑分布遵循Rosin-Rammler分布律。鍋爐燃用的設(shè)計(jì)煤種的煤質(zhì)分析如表2所示。富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售生物質(zhì)鍋爐，生物質(zhì)鍋爐主要燃燒顆粒機(jī)、木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料，同時(shí)我們還有大量的楊木木屑顆粒燃料和玉米秸稈顆粒燃料出售。
2、計(jì)算網(wǎng)格和數(shù)值方法
    由于爐膛的幾何結(jié)構(gòu)不規(guī)則，為了計(jì)算簡(jiǎn)便，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)域作為計(jì)算域。在四角切圓燃燒鍋爐的爐內(nèi)流動(dòng)計(jì)算中，爐膛4個(gè)角上的燃燒器的風(fēng)口速度方向一般與直角坐標(biāo)的網(wǎng)格邊界成約45°夾角，容易產(chǎn)生偽擴(kuò)散，從而影響計(jì)算的準(zhǔn)確性。在進(jìn)行三維的數(shù)值計(jì)算之前，首先要對(duì)計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，COALFIRE軟件采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格，其好處是可以減少偽擴(kuò)散。網(wǎng)格如圖3所示，共劃分了48多萬(wàn)網(wǎng)格。
    數(shù)值模擬采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算。采用標(biāo)準(zhǔn)k-a雙方程模型模擬湍流氣相流動(dòng)；對(duì)固體顆粒相的求解采用隨機(jī)的顆粒軌道模型；對(duì)輻射傳熱采用Pl輻射模型；對(duì)煤粉揮發(fā)分的釋放采用單步反應(yīng)模型；對(duì)于焦炭的燃燒采用了擴(kuò)散動(dòng)力模型；采用守恒標(biāo)量的PDF模型模擬非預(yù)混燃燒；對(duì)氣相流場(chǎng)則采用非交錯(cuò)網(wǎng)格的SIMPLE方法來(lái)求解。
    根據(jù)殘差判斷收斂，以所有計(jì)算量（如：u、v、w、￡等）的相對(duì)誤差都必須小于1.0×10-4作為收斂準(zhǔn)則。在迭代了658步后方程收斂，模擬完成。
3、計(jì)算結(jié)果與討論
3.1溫度場(chǎng)
    圖4、圖5分別表示爐膛縱截面和橫截面溫度分布，從圖中可以看出，爐膛中心處溫度最高，達(dá)到1800K左右，而整個(gè)爐膛溫度最高的地方出現(xiàn)在燃燒器區(qū)域。隨著爐膛高度的增加，溫度水平逐漸降低，呈中心高四周低趨勢(shì)分布，在4個(gè)角隅處容易出現(xiàn)低溫區(qū)。在燃燒器區(qū)域，由于煤粉氣流在射出噴口時(shí)，4股射流相互撞擊在爐膛中央形成一個(gè)強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)的旋渦并呈螺旋式上升，故在爐膛中心出現(xiàn)了低溫區(qū)。在一次風(fēng)噴口附近，由于揮發(fā)分的強(qiáng)烈析出和反應(yīng)，使得噴口附近出現(xiàn)了局部高溫區(qū)。模擬結(jié)果符合四角切圓煤粉鍋爐的燃燒規(guī)律。
3.2組分場(chǎng)
    由于氧化劑02和中間還原性產(chǎn)物CO對(duì)氣氛的影響很顯著，所以這里只列舉了02和CO的濃度分布，如圖6a、圖6b所示，分別表示爐膛豎直中心截面上02和CO的濃度分布。濃度圖表明，爐內(nèi)02和CO的濃度分布與溫度分布有很大關(guān)系，高溫區(qū)對(duì)應(yīng)著高的CO濃度和低的0：濃度，在爐膛高溫區(qū)煤粉與0，發(fā)生劇烈燃燒反應(yīng)，消耗大量的0，而主要生成CO;然后在低溫區(qū)CO再與過(guò)剩的02反應(yīng)，消耗高溫區(qū)生成的CO，故低溫區(qū)對(duì)應(yīng)著低的CO濃度和高的02濃度。在接近折焰角處CO的濃度已經(jīng)非常低了，而0：濃度還比較高。從圖中可以看出，在爐膛出口處的煙氣中，C0的濃度大約為200 ppm，而出口平均氧量為6.4%左右。
3.3  NO。濃度場(chǎng)
    圖7、圖8是爐膛中心縱、橫截面上的NOx體積濃度分布圖。從氮的生成機(jī)理可知，NO。體積濃度主要與02濃度和反應(yīng)溫度有關(guān)。NO。的生成主要在爐膛的燃燒器區(qū)域，其最高濃度在爐內(nèi)高溫區(qū)且0，濃度梯度最大處出現(xiàn)，而爐壁附近則較低。主要原因是燃料的揮發(fā)分中氮的化合物被進(jìn)口的大量氧氣氧化，生成HCN等中間產(chǎn)物，然后進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為NO。隨著氧氣的消耗和溫度的升高，NO。濃度也逐漸升高，爐膛中心處NO。濃度約為600 ppm。沿著爐膛高度方向，爐膛溫度的降低，NO。濃度開(kāi)始消減，在接近折焰角處NO。的濃度達(dá)到300 ppm左右。
3.4壁面熱負(fù)荷分布
    圖9是爐內(nèi)的壁面熱負(fù)荷分布圖。爐膛內(nèi)的傳熱絕大部分為輻射換熱，燃燒中心區(qū)由于溫度較高，熱負(fù)荷明顯高于其它區(qū)域，爐膛底部熱負(fù)荷最低。燃燒器附近局部熱負(fù)荷較高，切圓的存在使火焰發(fā)生偏轉(zhuǎn)而靠近爐墻，所以火焰偏向一側(cè)的壁面局部熱負(fù)荷最高，最大值高達(dá)511kW／m2，而爐膛內(nèi)的平均凈壁面熱負(fù)荷約為185 kW/m2左右。由此可見(jiàn)，燃燒器一次風(fēng)口設(shè)有周界風(fēng)還是很有必要的，因?yàn)橹芙顼L(fēng)的速度較一次風(fēng)高，可以增加一次風(fēng)的剛度，防止火焰貼墻。在爐膛上部，前、后墻熱負(fù)荷沿爐寬方向趨于均勻，峰值在中心線附近出現(xiàn)；左、右墻熱負(fù)荷由于折焰角的影響，分布并不均勻。
3.5顆粒軌跡
    圖10是爐內(nèi)煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡分布圖。煤粉的著火主要是由揮發(fā)分先著火，提高了煙氣溫度，然后焦炭燃燒，釋放出大量的熱量。而煤粉的燃盡過(guò)程主要取決于焦炭的燃燒速度，而它與溫度有著密切的關(guān)系。圖lOa、圖lOb的顆粒軌跡顏色分別是用顆粒中殘留的含碳量多少和爐內(nèi)溫度來(lái)定義的。在燃燒器以下的爐膛區(qū)域，溫度水平很低，煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)緩慢，在燃燒器附近速度急劇升高，在爐膛中心形成了一個(gè)旋渦；在燃燒器區(qū)域剛噴入時(shí)含碳量很高，經(jīng)過(guò)劇烈燃燒，從燃燒器區(qū)域向上，含碳量已經(jīng)很少。隨著爐膛高度的增加，溫度逐漸降低，焦炭趨于燃盡，只剩灰分，顆粒質(zhì)量不再改變。在爐膛折焰角處含有較多的飛灰含碳量，約為5%左右。
4、結(jié)論
    本文以大型四角切圓燃煤鍋爐爐膛的數(shù)值模擬計(jì)算軟件COALFIRE為基礎(chǔ)，選用合適的數(shù)學(xué)物理模型與幾何結(jié)構(gòu)模型，對(duì)一臺(tái)四角切圓燃燒煤粉爐進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，自動(dòng)生成細(xì)密網(wǎng)格，且可較好地模擬四角切圓煤粉爐爐內(nèi)溫度場(chǎng)、顆粒場(chǎng)、各組分濃度場(chǎng)和NO。濃度場(chǎng)等。通過(guò)研究得出了一些有參考價(jià)值的數(shù)據(jù)和結(jié)論。富通新能源生產(chǎn)銷(xiāo)售的生物質(zhì)鍋爐以及木屑顆粒機(jī)壓制的生物質(zhì)顆粒燃料是客戶們不錯(cuò)的選擇。