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摘要：本文介绍了220吨高温高压自然循环煤粉锅炉数值模拟的部分结果。采用专门开发的综合数学模型进行了仿真。该模型的主要特点是三维几何、气体湍流模型、颗粒-湍流相互作用、颗粒扩散扩散模型，基于全局粒子动力学和实验获得动力学参数的六通量辐射模型和煤粉燃烧模型。
关键词：煤粉细度；锅炉运行特性；影响
引言：对220吨高温高压自然循环煤粉锅炉在不同磨煤细度和煤质条件下的5种运行工况进行了模拟计算。该模型成功地预测了烟气温度、炉壁辐射通量等参数对炉内过程和运行特性的影响。预测的火焰温度和底灰中可燃物含量与实测值吻合较好。该模型在研究和实践中都有不同的应用。煤粉切圆燃烧炉在世界各地的发电中有着广泛的应用，因为它们的优点是：炉壁热流均匀，无热流，排放比其它烧结机低。实验和模拟都需要对炉膛进行进一步的研究。虽然大规模测量受到限制，但数值模拟提供了一个成本效益高、工程能力强的工具，补充了实验研究。
1.炉膛结构及操作条件的个案研究。
案例研究的锅炉单元是小机组，具有220吨高温高压自然循环煤粉锅炉炉底。该机组额定蒸汽容量650 t/h，电气输出210 MW.该案例研究炉有六个喷射器，每个连接到一个磨煤机。磨煤机在165℃处的煤粉-空气混合物通过8个矩形管道进入炉膛，而270℃处的二次空气则通过上述管道、中间和下方的管道注入。全燃烧器入口处的烟道截面分别为(0.51x1.23)m和(6.5x1.23)m。在固定条件下，考虑了案例炉的运行情况.预测了不同磨矿细度和煤质的五种运行工况。对于煤田，RGO=48.4%，60%。考虑了15%和73.85%的磨矿细度，R9o=73.85%。R9o表示筛网间距为90μm的筛上残留率。煤粒密度为1300 kg/m，对研究煤进行了近、极限分析，并给出了受热值和动力学参数，并对14%的含水率进行了煤粉成分的计算。[1]
2.数学模型与数值方法
所建立的综合模型充分描述了现有几何中的三维流动、燃烧和传热，详细模拟了湍流与颗粒之间的相互作用，包括考虑的湍流和颗粒的化学动力学以及煤颗粒的实际粒径分布。多组分气相的湍流流动采用时均欧拉偏差守恒方程描述，气体组分的质量、动量、能量、浓度以及涡旋动能及其耗散率的守恒方程描述了多组分气相的湍流流动。将标准k-e气体湍流模型推广到三维情形，对于相耦合，采用PSI单元法，附加粒子的来源。以k和e为附加源，模拟了局部湍流对气体湍流的影响。离散相由拉格朗日场中的运动、能量和质量变化微分方程和湍流粒子扩散模型描述。局部速度是对流和扩散速度之和：通过粒子沿等粒子数密度的轨迹跟踪，由运动方程得到对流速度。离散是通过引入粒子扩散速度来模拟的，粒子间的碰撞被忽略，墙对粒子的碰撞被认为是弹性的。在综合粒子动力学的基础上，将复杂燃烧过程中的各个过程有机地结合在一起，得到煤的动力学参数。煤颗粒质量的变化，等于反应速率，给出了混合动力-双杂散状态下的反应速率：其中k为动力学状态下的Arrhenius反应速率和传质的Kdis扩散参数。用高温燃烧产物的经验表达式给出了分子扩散系数。总粒子质量随反应的变化是单个过程引起的变化之和。碳和氢的完全氧化反应由相应的反应速率来考虑，而硫则通过等量的碳含量来考虑。煤的水分蒸发速率和耗氧率与碳氧化速率成正比。在守恒方程中，附加源考虑燃烧引起的质量和热量。采用椭圆偏微分方程的初值和边界条件，由问题的性质来定义入口的边界条件，用连通性的条件定义出口的边界条件。墙壁附近的情况由“壁面功能”描述。假定炉壁热流改变了龙河炉的炉壁温度，采用了壁面温度恒定的边界条件。[2]
根据状态方程、半经验关系和回归式确定了气相性质。
粒子的比热是由经验性的表示法给出的：采用简单的计算算法对连续方程和动量方程进行耦合。采用控制体积法和混合差分格式]将微分方程化为一个线性代数方程组。为了解决该系统，采用了SIP方法的形式化方法。通过过松弛，实现了Itera-tion过程的稳定.应用了75x34x41=104550网格节点的主网格，并根据流动特性对5个燃烧器进行了数值跟踪，得到了5个粒度级的80个粒子轨迹，共计算出200个粒子轨迹。[3]
3.结果和讨论
该模型在优化燃烧器关闭方案中的应用，在一个简化的情况下，在入口完成燃烧，产生热气进入炉膛。端面温度场的对称性(有利于燃烧和减少表面污垢)，最好是关闭相反的燃烧器，而不是邻近的燃烧器。
3.1参数计算
预测了不同磨矿细度和煤质的典型炉的五种运行工况，并考察了参数对炉内工艺的影响。2种煤粉粒度级和RGO=73.85%磨矿细度对煤粉粒径的影响。煤粉燃烧的持续程度对炉膛壁面的火焰垂直位置和热负荷有一定的影响。当燃烧发生时，粒子会改变直径.较小颗粒的燃烧速度更快，颗粒以飞灰的形式进入毛皮-NACE出口。预计大颗粒燃烧持续时间较长。磨矿越细的煤，颗粒越小，小粒度的煤在燃烧过程中的转化就会占主导地位。这两种煤的燃烧水平较高。[4]
3.2平均质量浓度
沿炉膛更精细的磨矿，有更多的小粒度的颗粒会迅速燃烧，在所有的水平上都会产生更高的浓度。另外，没有那么多的大颗粒进入料斗，而是有许多颗粒向上移动，在中心区域产生更高的浓度，燃烧产物的含量增加到接近完成燃烧的水平。采用104550个网格节点的三维数值网格，在满足计算时间限制的同时，保证了算法的收敛性和精度。采用特殊的网格细化和COM-计算程序来处理邻近的燃烧器区域。数值网格效应分析表明，所有应用的网格都具有较好的收敛性：炉内有37100个节点，炉内有70490个节点，炉内有80256个节点和交叉通道。[5]
结束语：本文介绍了220吨高温高压自然循环煤粉锅炉数值模拟的选择结果。该模型通过描述现有几何中的全三维流动、燃烧和传热，通过考虑煤的化学动力学，对颗粒-湍流相互作用进行了详细的建模，并模拟了煤的不同磨矿细度和煤质的五种工况。该模型成功地预测了各参数对炉内过程的影响。选择的预测值与实测值进行了比较，取得了满意的一致性.网格应用为解决方案提供了很好的收敛性。通过对模型的准度量计算和比较，验证了该模型的有效性，并证明了该模型的适用性。该模型可应用于研究、辅助试验、全面测量和工程计算、炉况预测和电厂开发与控制等方面。
参考文献：
[1]韩升利,宋纯龙.中速磨煤机直吹式制粉系统特性对锅炉运行的影响分析[J].锅炉制造,2016,(5):16-18.
[2]郑国.结构和运行参数对670T/H锅炉细粉分离器性能影响的研究[D].黑龙江:哈尔滨工业大学,2003. DOI:10.7666/d.Y577139.
[3]邹磊,岳峻峰,管诗骈, 等.超临界四角切圆燃烧锅炉运行方式对水冷壁高温腐蚀影响的试验研究[J].动力工程学报,2017,37(11):861-869. DOI:10.3969/j.issn.1674-7607.2017.11.001.
[4]徐义书.煤中矿物质定向调配对超细颗粒物生成的影响规律和现场研究[D].湖北:华中科技大学,2017. DOI:10.7666/d.D01313568.
[5]李志清,杨建慧,屠竞毅, 等.磨煤机动态分离器改造对准东煤燃烧经济性及结渣特性的影响研究[J].工业加热,2018,47(1):21-23. DOI:10.3969/j.issn.1002-1639.2018.01.006.