170 t／h锅炉三种煤气混烧的燃烧特性研究.pdf

42 冶 金 能 源 ENERGY F0R METAL LURGI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 3 4 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 1 7 0 t ／ h锅炉 三种煤气混烧 的燃烧特性研 究 刘 彤 刘 亚庞森 华北 电力大学能源动力与机械工程学院 摘 要利用 F L U E N T软件，对某钢厂 1 7 0 t ／ h高炉煤气、焦炉煤气 、转炉煤气掺烧的燃气锅 炉的燃烧特性进行三维数值模拟，气体湍流燃烧采用通用有限化学反应速率涡耗散模型。计 算结果与锅炉实际运行、热力计算结果相差不大 ，说明了模拟的正确性。将数值模拟与热力 计算结果相结合，分析了三种煤气不同的掺烧 比，不同的过量空气系数，不同的空气、燃气 的预热温度等因素对燃气锅炉性能的影响，提出了最佳的煤气掺烧比、最佳过量空气系数和 最佳的空气煤气预热温度，为燃气锅炉的运行优化提供了参考。 关键词 燃气锅炉 数值模拟 煤气掺烧运行优化 Co mbu s t i o n c ha r a c t e r i s t i c s t ud y o f a 1 7 0t ／h t h r e e g a s e s c o fir e d b o i l e r Li u To n g Li u Ya P a n g Se n N o r t h C h i n a E l e c t r i c P o w e r U n i v e r s i t y Ab s t r a c t B y u s i n g F L UE NT s o f t wa r e ．t h r e e d i me n s i o n a l n u me r i c a l s i mu l a t i o n wa s u s e d o n t h e c o n b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c o f a 1 7 0 t ／ h b l a s t f u r n a c e g a s ，c o k e o v e n g a s ，c o n v e r t e r g a s C Ofi r e d g a s b o i l e r ． E d d y d i s s i p a t i o n mo d e l w a s u s e d i n t h e c a l c u l a t i o n o f t h e g a s t u r b u l e n t c o mb u s t i o n ．C a l c u l a t i o n r e s u h s w e r e s i mi l a r w i t h t h e r e s u h s o f t h e b o i l e r o p e r a t i o n a n d t h e t h e r mo d y n a mi c c a l c u l a t i o n，a n d s h o we d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e s i mu l a t i o n ．C o mb i n e d t h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s w i t h t h e t h e rm o d y n a mi c c a l c u l a t i o n r e s u h s ，a n a l y z e d t h e e f f e c t o f t h e t h r e e g a s e s i n d i f f e r e n t b l e n d i n g r a t i o，d i f f e r e n t g a s e x c e s s a i r c o e ffic i e n t，d i f f e r e n t p r e he a t i ng t e mpe r a t u r e o f t he a i r ，g a s a n d o t he r f a c t o r s o n t he p e r f o r ma n c e o f t h e g a s b o i l e r ． I n t h i s w a y，p u t f o r wa r d t h e b e s t g a s of b l e n d i n g r a t i o ，o p t i mu m e x c e s s a i r c o e ffi c i e n t a n d t h e b e s t a i r g a s p r e h e a t i n g t e mp e r a t u r e t h a t c a n p r o v i d e r e f e r e n c e f o r g a s b o i l e r o p e r a t i o n o p t i mi z a t i on ． Ke y wo r d s g a s b o i l e r n u me r i c a l s i mu l a t i o n C O fi r e d g a s o p e r a t i o n o p t i mi z a t i o n 近年来 ，随着钢铁工业的迅猛发展 ，生产中 的副产煤气如高炉煤气、焦炉煤气、转炉煤气产 量大量增加 。随着整体煤气化联合循环 I G C C 和余热发电技术的迅速发展，钢厂需要改造现有 的燃气锅炉，因此对燃气锅炉燃烧特性 的研究是 非常必要的。 高炉煤气属低热值煤气 ，只能在企业内部转 收稿 日期 2 0 1 4 0 61 9 刘彤 1 9 6 3一 ， 教授 ； 1 0 2 2 0 6 北京市 昌平 区。 换利用 ，高炉煤气 的回收利用率低 ，大量高炉煤 气只能对空排放 ，不仅污染大气环境 ，而且浪费 了可利用 的二次能源。因此 ，高炉煤气的有效利 用是钢铁企业清洁生产和节能的重要环节。高炉 煤气与其他高热值气体燃料和固体燃煤的燃烧特 性区别显著 ，高炉煤气热值低不易稳燃 ，所以钢 厂常采取三种副产煤气混烧或者高炉煤气与煤炭 混烧来稳定燃烧。国内常采取高炉煤气与煤掺烧 的方法 ，但 是钢铁厂三种煤气 混烧更能节 约能 Vo 1 ． 3 4 No ．1 J a n ． 2 0 1 5 冶金能源 ENERCY F0R METALL URGI CAL I NDUS TRY 43 奎 曼 此 研 究 三 种 煤 气 混 烧 2数 值 计 算 方 法 及 网 格 划 分 炉 内 燃 烧 特 性 是 很 有 必 要 的 。 一一 一 一一 一 “ 1 锅炉概况 以某钢厂 1 7 0 t ／ h高炉 煤气 、 焦 炉煤气 、 转炉 煤气混燃锅炉为研究对象 ， 该锅炉为 自然循环汽 包炉 ， 采用四角切 圆燃烧方式 。燃料分析见表 1 。 表 1 燃料分析 该锅炉按 自然循环设计 ，正方形炉膛 ，燃烧 器为四角布置的摆动式燃烧器 ，切向燃烧。燃烧 器上下摆动的最大角度为 3 0 。 ，燃料 出 口中心 线与水冷壁的夹角分 别为 4 2 。 和 4 8 。 。炉膛 宽度 和深度为 7 5 8 4 m m，高度为 3 0 2 6 4 m m。锅炉共 布 置 6层燃烧器喷 口，喷 口从上到下布置为转炉 一 高炉 一高炉 一高炉 一焦炉 一焦炉 ，假象切圆直径 5 6 1 m m。炉膛结构和燃烧器布置见图 1 。 a ． 1 9 3 4 0 转炉煤气 6 ． 1 8 5 0 0 高炉煤气 a 1 7 6 6 0 高炉煤气 1 6 8 2 0 高炉煤气 矗l 5 9 8 0 焦炉煤气 ／ 1 5 1 4 0 焦炉煤气 单位衄 2 ． 1 数学模型 数值模拟采用 F l u e n t 软件 ，采用 S I MP L E算 法求解速度 、压力的耦合 问题 ，用标准的离散方 法来求解压力方程 ，采用一阶迎风差分格式求解 连续性方程 、NS方程 、湍动能及其耗散率 等 方程。燃气锅炉在炉 内的燃烧过程主要包括气相 湍流流动、辐射换热、气相湍流燃烧。该文数值 计算中湍流流动采用 k 双方程模 型，辐射传 热采用 P一1辐射模型 ，气体湍流燃烧采用通用 有限化学反应速率涡耗散模型 。 有限速率化学反应模型的原理是求解反应物 和生成物输运组分方程 ，并 由用户定义化学反应 机理 口反应率作为源项在组分运输方程 中通过涡 耗散模型来描述。该模型可以模拟大多数气相燃 烧问题 ，在燃烧计算 中有广泛的应用。 2 ． 2 网格划分 炉膛 网格采用分段划分方法 ，从冷灰斗至炉 膛 出 口共划分 7部分。燃烧器 区域采取 网格加 密。整个炉膛 网格总数为 1 0 2万 ，网格质量均为 良好 。 2 ． 3 边界条件 选择燃烧器 出口截面作 为模型 的人 口边界 ， 选取速度入 口边界条件。高炉煤气人 口速度为 3 9 ． 3 m ／ s ，温度 为 4 5 0 K；焦炉煤 气入 口速度 为 4 0 m ／ s ，温 度 为 4 5 0 K；转 炉 煤 气 入 口 速 度 为 6 0 ． 1 m／ s ，温 度 为 4 5 0 K；空 气 入 口 速 度 为 1 0 m ／ s ， 温度 为 3 0 0 K；过量 空气系数 为 1 ． 1 。人 口处的湍流动能耗散率 占由入 口处 的湍流动能 k 和人 口特征长度 Z 导出。三种煤气 的进 口各组 的 质量分数分别设置。炉膛出口界面为压力出口边 界条件 ，取烟气出 口压力为 一 3 0 P a 。壁面为温度 边界条件 ，壁面为非滑移无物质渗透，近壁处采 用壁面函数法进行处理。 3 计算结果及分析 3 ． 1 三种煤 气混燃 的温度分布 炉膛宽度方 向、竖直 中心截面温度场如 图 2 图 1 锅炉炉膛结构和燃烧器布置示意图 所示 。 Vo 1 ． 3 4 No ． 1 J a n ． 2 0 1 5 冶金能源 E NERG Y F OR ME I 1AL L URG I C AL I NDU S T RY 4 5 通过模拟分析可得，随着高炉煤气掺烧比例 的增大，炉膛的平均温度和炉膛出口烟温都会降 低。从图 3可以看出，在高炉煤气的掺烧率为 3 0 ％ 、4 0 ％和 5 0 ％ 时，炉 内温度 随炉膛高 度 的 变化趋势非常的相似，炉内最高温度均出现在焦 炉煤气燃烧器区域。在高炉煤气的掺烧率为 6 0 ％后，炉内温度急剧下降，主要原因就是高炉 煤气的热值低，而且炉内温度低使水冷壁的吸热 量减小 ，因此随着炉膛高度升高 ，炉膛平均温度 变化不大 。 在三种煤气掺烧比为 5 3 2 时，可以很好的 组织燃烧，炉内平均温度水平高，掺烧了5 0 ％ 的高炉煤气，经济性好。因此对于该燃烧锅炉推 荐使用这个掺烧比。 3 ． 3 过量空气系数对燃烧的影响 煤气燃烧所需的理论空气量计算公式为 I ， o 1 ／ 2 1 [ 0 ． 5 C 0 0 ． 5 H 2 2 C H 4 mn ／ 4 c H 1 ． 5 H 2 S 一 0 2 ] 1 对于高炉煤气理论空气量 v o 0 ． 6 6 1 1 6 m ， 焦炉煤气理论空气量 1 ． 6 2 0 7 8 m ，转炉煤气 理论空气量 1 ． 3 9 2 3 m 。 由于燃料 量不 变 ， 过量空气系数的改变直接影响炉膛 内的温度分布 以及炉膛 内最高温度的高低。空气量的多少既要 平衡燃烧时所需要的氧气量 ，也要考虑不能因空 气剩余过多反而将炉内的热量带走，为了具体探 讨过量空气系数对炉内温度的影响，给定五个不 同的过量空气系数 ，分别为 0 ． 9、 1 ． 0、 1 ． 1 、 1 ． 2、 1 ． 3 。将模拟的炉膛 出 口烟 气参数引入热力计算中，对锅炉的其他受热面进 行热力计算从而得到排烟温度，分析锅炉的最佳 过量空气系数。图 4中的炉膛最高温度 、炉膛 出 口平均烟温由数值模拟得到，排烟温度 由热力计 算得到 。 经模拟计算后可以分析得 ，在相同燃气条件 下，不同的过量空气系数会直接影响空气和燃气 的混合速度，截面上的平均温度的变化趋势总体 上是一致的。 1 时，随 着过量空气系数增加 ，送到炉膛的空气被加热到 燃烧温度，所吸收的热量大于炉膛内烟气的辐射 图4 炉膛主要温度与过量空气系数的关系 换热量 ，导致炉膛出 口烟温下降。 随着过量空气系数的增大 ，高温区出现的位 置离燃烧器越来越远 ，界面高温区的最高温度也 逐渐降低。由于空气过量系数的增加使气体扰动 更加剧烈，燃烧器之间的高温区域面积逐渐增 大 ，同时温度场也变得更加均匀。 1 ． 1时，排烟温度最低为 1 6 0 o C，排烟热 损失最小 ，锅炉效率最高。综合考虑炉膛内温度 场分布和各项热损失，该锅炉的最佳过量空气系 数为 1 ． 1 。 3 ． 4 空气、燃气预热对燃烧的影响 煤气燃烧时理论温度的计算表达式 ‘ 理 Q D Q 空Q 煤 ／ ’ c 产 2 式中 Q 。 为煤气低位发热量； Q 空 、 Q 煤为空气、 煤 气带入的热量； 为每燃烧 l k g 煤气产生的烟气 量 ； C 声为烟气的比热。 从式 2 中可以看出煤气的理论燃烧温度 与煤气的发热量，空气、煤气带人的热量之间的 关系。空气与燃气的预热温度不 同，带入的热量 也会不同，引起煤气燃烧理论温度的变化。对不 同的煤气、空气预热温度下的燃烧过程进行数值 模拟，在燃气温度 4 5 0 K时，对空气温度分别为 3 0 0 K、4 0 0 K、5 0 0 K的预热情况进行模拟计算 比 较。空气温度与炉膛温度 的关系见 图5 。 空气温度为 3 0 0 K ，当煤气预热为 4 5 0 K 、 5 5 0 K和6 5 0 K时，分别进行模拟，分析燃气在不 同预热温度下的燃烧效果。煤气预热温度与炉膛 温度关系见图 6 。 冶 金能源． ENERGY F0R METAL LURGI CAL I NDUS TRY Vo 1 ． 3 4 NO ． 1 J a n ． 2 0 1 5 图 5 空气温度与炉膛温度的关系 图6煤气预热温度与炉膛温度的关 系 从 图 5可 以看 出空气 温度从 3 0 0 K提 高到 5 0 0 K，炉膛最高温度上升 了 1 0 5 K，平均温度上 升了 1 7 9 K。充分说 明了预热空气温度对提高炉 膛的温度起到了非常重要和有效 的作用。从 图 6 可以看出燃气温度从 4 5 0 K提高到了6 5 0 K，炉膛 最高温度上升 了 1 4 0 K，平均温度上升 了 2 2 1 K。 分析结果可知 ，预热燃气温度 比预热空气温度更 能增加燃烧反应的速度，这主要是由于提高燃气 的温度有利于燃气的燃烧扩散 ，加强了空气与燃 气的混合 ；而预热空气则会使空气体积增加 ，缩 小燃气 的扩展空间，不利于煤气的扩散 。 对于燃气锅炉来讲，预热空气和燃气的温度 是非常必要 的。在满足燃烧要求 以及预热温度不 难实现 的情 况下 ，选 取空气 预热温 度为 5 0 0 K， 燃气预热温度为 6 5 0 K ，作为该燃气锅炉推荐的 空气和燃气温度。 4结 论 1 F L U E N T计算选取湍流流动采用双方程 模型，辐射传热采用 P一 1辐射模型，气体湍流 燃烧采用通用有限化学反应速率涡耗散模型可以 较好的模拟燃气锅炉的炉内燃烧过程。 2 高炉煤气、 焦炉煤气、 转炉煤气掺烧时， 燃烧器区域最高温度区出现在焦炉煤气燃烧器区 域， 最低温度区出现在高炉煤气区域。煤气掺烧 可以提高炉内温度 ， 促进高炉煤气稳定燃烧 。 3 焦炉 、转炉煤气掺烧 比例影 响燃烧 稳 定性 ，高炉煤气掺烧 比例影响经济性，考虑燃烧 稳定性与经济性 ，掺烧热值 比最佳为 5 3 2 。 4 综合数值模 拟和热力计算 的结 果得 出 该燃气锅炉的最佳过量空气系数为 1 ． 1 。 5 预热燃气温度 比预热空气温度更 能增 加燃烧反应的速度并满足燃烧 。要求预热温度不 难实现 的情 况下 ，选 取空气 预热温度 为 5 0 0 K， 燃气预热温度为 6 5 0 K ，作为该燃气锅炉推荐的 空气和燃气温度。 参考文献 [ 1 ]庄正宁，曹子栋 ，唐桂华等 ．5 0 MW 高压锅炉全燃 高炉煤气的研究 [ J ] ．热能动力工程，2 0 0 1 ， 3 2 7 12 7 4， 3 4 83 4 9 ． [ 2 ]王春波，李伟 ．3 0 0 MW烟煤／ 高炉煤气} 昆燃锅炉 掺烧褐煤燃烧特性的数值模拟及经济性分析 [ J ] ． 动力工程学报，2 0 1 3 ， 6 4 1 3 4 1 8 ． [ 3 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0 m m 时， 出气压强最大正偏差率相 同，为 1 ． 9 ％ ，水位处 于6 0 0 m m时的出气压强最大正偏差率为 3 ． 8 ％， 因此 6 0 0 m m水位下 ，该调压器对进气压强增大 的稳压效果最差。 3 水位处 于 8 0 0 mm时 ， 进气压 强偏差 达 到 2 0 ％时 ， 出气压强偏差刚开始 出现 ， 而 7 0 0 m m 与 5 0 0 m m 水 位 下 出 气 压 强 偏 差 的 出 现 早 于 8 0 0 mm水位 ，因此 8 0 0 m m水位下 ，该调压器对 进气压强增大的稳压效果最好。 4结论 1 针对某 钢铁公 司加 热炉所用 的燃气 热 值仪 出现 的问题 ，设计 出一 种洗涤式燃气调 压 器，能够在清洁燃气的同时对燃气的进气产生调 压稳压作用。 2 该调压器在各水位下 的稳压精度在 5 ％ 左右，在能够维持悬浮罐浮到顶端的进气压强范 围内，该调压器 的稳 压精度可 以达到 2 ％ 以下 。 故洗涤式调压器的稳压精度优于 目前的薄膜式调 压器 。 3 该调压器在水位处于 8 0 0 m m时 ，对进 气压强增 大 的稳 压效果 较好 ；处 于 7 0 0 m m 时， 对进气压强减小的稳压效果较好 。 参考文献 [ 1 ]张德坤，周谦，卓丹 ．热值仪检测误差的分析 [ J ] ．煤气与热力，2 0 0 3 ，2 3 1 2 7 5 1 7 5 2 ． [ 2 ]段常贵 ．燃气输配 [ M] ．北京中国建筑工业出 版社 ，2 0 0 1 ． [ 3 ]呼志强 ．燃气调压器流量系数及静态特性的研究 [ D] ．天津天津大学，2 0 1 0 ． [ 4 ]安徽工业大学 ．一种用于燃气预处理的调压装置 [ P ] ．中国1 0 2 8 4 1 1 9 0 A，2 0 1 2 ． 1 2 ． [ 5 ]c J 2 7 4 2 0 0 8 ，城镇燃气调压器 [ s ]． [ 6 ]薛润林 ．热值仪的改进及应用 [ J ] ．城市煤气， 1 9 9 6 ， 4 91 0 ． 万雪编辑 上接第 4 6页 [ 8 ]O l i v i e r G i c q u e l ，L u c V e r v i s c h ，G u i l l a u m e J o n c q u e t ， B e r n a r d L a b e g o r r e ，Na s s e r D a r a b i h a ．Co mb u s t i o n o f r e s i d u al s t e e l g a s e s l a mi n a r fl a me a n a l y s i s a n d t u r b u l e n t fla me l e t mo d e l i n g ． F u e l ， Vo l u me 8 2， I s s u e 8 ， Ma y 2 0 0 3，P a g e s 9 8 39 9 1 ． [ 9 ]魏建国．3 0 0 M W 高炉煤气煤粉混燃锅炉燃烧特性 研究 与数 值模 拟 [ D] ．保定 华 北 电 力大 学， 2 0 1 2 ． [ 1 0 ]张焕强 ，王宏军，胡泽云等 ．7 5 t ／ h锅炉高炉煤气 掺烧转炉煤气的实践 [ J ] ．节能 ，2 0 1 0 ， 1 0 5 O一5 2 ． [ 1 1 ]张健 ．低热值煤气燃烧过程的数值模拟与实验 研究 [ D] ．北京 北京交通大学，2 0 1 0 ． [ 1 2 ]欧俭平 ，马爱纯 ，赖朝彬等 ．内置稳燃热岛燃气 锅炉内流动与传热数值模拟 [ J ] ．热能动力工程 ， 2 0 0 6 ， 3 2 9 1 2 9 4 ． [ 1 3 ]张琦 ，蔡九菊，王建军 ．冶金工业副产煤气的 高效利用 [ J ] ．中国冶金， 2 0 0 6 ， 3 4 4 4 7 ． 万雪编辑