燃煤锅炉改烧煤层气燃烧试验与数值模拟

第 3 3卷第 1 期 2 0 1 0年 1月 煤 炭 转 化 C( ) AL C( ) NVERSI ON Vo1 33 No 1 J a n 2 0 1 o 燃煤锅炉改烧煤层气燃烧试验与数值模拟 张代 生 张 力 蒲 舸。 王 炯 摘要将低 效 率的燃煤 锅 炉改烧低 热值煤 层 气是 一项很 好 的 节 能减排 措 施 燃煤 锅 炉 改烧 低 热值煤层 气后 ， 对炉膛 内流 动及燃 烧过程进 行 了燃烧 试验和 三 维数 值模 拟 ， 分析 了燃 煤锅 炉改烧 煤层 气后炉内流动及燃烧特性 ， 并预测了炉膛 内流场、 温度场和甲烷组分的分布规律 结果表明， 燃 煤链 条炉改 烧低热值 煤层 气后 ， 流动和 燃烧状 况 良好 ， 锅 炉效率 比 燃煤 时提 高 了 2 5 5 炉膛上 部 形成 回流 区； 额定 负荷 时， C H 浓度 下降 最慢 ， 整 个炉膛 的 火焰充 满度较好 关 键词低热值 煤层 气 ， 气体 燃烧 ， 燃烧试 验 ， 数值 模拟 中图分类号 TK 2 2 4 1 l 0 引 言 煤 层气 是一种 存在 于煤层及 其 围岩 中的 自储式 天然气 ， 其所含主要可燃成分是 C H _ 1 ， 其余是 N 和 C O ： 等不可燃气体， 是一种清洁燃料 长期以来 ， 我 国的低热值 煤层气 一直被 作为 有害气 体排放 到大 气 中， 造 成极大 的 能源 浪 费 和环 境破 坏 因此 ， 开 展 低热值煤层气转化利用途径的研究具有重要的现实 意义 为 了 回收利 用可燃 低热值 煤层气 ， 解决 环境 污 染 问题 ， 将 煤矿 附近 现有 低 效率 的燃 煤链 条 炉 改烧 煤层 气是一项 很好 的节 能 减排 措施 将燃 煤 锅 炉 改 烧低热 值煤层 气 ， 炉 膛 内流 动和 燃 烧 过程 发 生很 大 的变化 为了研究燃煤锅改烧低热值煤层气后炉 内 流动 和燃 烧特 性 ， 有 必 要 对 炉 内流 动 和燃 烧过 程 进 行研究 笔者对燃煤链条炉改烧低热值煤层气后炉 内流动 和燃 烧 过 程 进 行 了燃 烧 试 验 和 三维 数 值 模 拟 ， 分析 了炉膛 内流场 和温度 场 的分 布情况 1 燃烧试验 与数值模拟 1 1 试 验锅 炉 试验 对象 为一 台型 号 为 D Z L 4 1 2 5 一A型 燃 煤链条 炉 改造 设计 是将锅 炉 的给煤装 置 、 传动 装 置 以及除渣 装置拆 除 ， 在炉排 上铺设 两层耐 火砖 ， 并 且增 加防爆 门 在原 炉膛前 布置 稳燃 室 ， 增加 送风 系 统 、 引风系统 和燃烧 器 自动点火 与火焰 监测 系统 锅 炉前墙对称布置两 台低热值煤层燃烧器( 见 图 1 ) ， 水平间距为 0 8 m 煤层气通过燃烧器中心管进入燃 C lb e d me t h a n e n o bl e s 薯 图 1 燃烧器结构 Fi g 1 St r u c t ur e o f t h e bu r n e r 烧室 ， 空气通过 中心 管周围 1 2根直 管进入燃烧 室 ( 见 图 2 ) 整个 炉膛长 2 0 m， 宽 1 5 m I n kt 0 f g a s 图 2喷嘴 布置 Fi g 2 La yo ut of t he n o z z l e s 试 验所 采 用 的 燃 料 为 甲烷 含 量 3 O 3 6 的 煤层 气 锅炉满 负荷 运行 时 ， 单 台燃烧 器每小 时消耗 煤层气 5 0 0 m。 ， 改 造后 的燃气 锅炉 为负压 燃烧 1 2数值 方法 炉 内燃 气 燃 烧是 一 个复 杂 的物 理 化学 过程 ， 涉 及到流体流动 、 传热传质和燃烧等多个过程 【 2 燃料 为混合燃料 ， 其 中CH 体积 比为 3 5 ， N。 的体积比 * 重庆市重大科技攻关项 目( C S T C， 2 0 0 8 AC 2 0 5 1 ) 1 )硕士生 ； 2 )博士 、 教授 ； 3 )博士、 副教授 ； 4 )博士生 ， 重庆大学动力工程学院 ， 4 0 0 0 3 0 重庆 收稿 日期 ： 2 0 0 9 0 9 2 2 ； 修 回日期 ： 2 0 0 9 1 O 一 2 6 第 l 期 张代生等 燃煤 锅炉改烧煤层气燃烧试验 与数 值模 拟 4 9 为 6 5 9 6 ， 燃气 低 位 热 值 为 1 0 7 7 2 k J m。 湍 流 流 动 模 型采用 标准 的 双 方 程 模 型 “ ， 燃 烧 模 型采 用 有 限速率 化 学 反 应 模 型 ， 选 用 P1模 型 模 拟 辐 射 换热 对燃 烧 的 影 响 L 6 标 准 的 e模 型 常 数 取 值 如 下 ： Cl = 1 4 4， C2 一1 9 2， 志 一1 0， 一1 2 网格是数值计算的基础 ， 网格质量 的好坏直接 影响到数值解的计算精度 为减少计算单元以及 考虑 到计 算 的稳定 性 和 收敛 性 ， 将 整 个 炉膛 分 成 三 个部 分 考虑 到稳燃 室 的结 构较 为 复杂 ， 流 动变 化剧 烈 ， 不规则 结 构较 多 ， 该 部位 的 网格 比较 密 ， 需 要 的 节点数 目较多， 对此区域采用非结构化 四面体网格 炉膛 区域 采 用 结构 化 六 面 体 网格 ， 并 设 定 交接 面 将非 结构 化 网格 和结 构 化 网格 相 连 ， 总 网格 数 约 为 3 9万个 煤层气及空气入 口采用速度入口条件( 见表 1 ) ， 表 1煤层气和空气入 口速 度 Ta bl e 1 I nl e t ve l o c i t y of c oa l b e d me t ha n e a nd ai r He a t l o a d Ga s ( m s 一 ) Ai r ( m s ) 1 00 16 3 409 7 5 1 2 2 3 0 6 5 0 8 2 2 0 5 2 5 4 1 1 0 3 出 口采用 压 力 出 口条 件 ， 出 口表 压 为 一 2 O P a 对 布 置 水冷 壁 的壁 面采 用 无 滑 移 定壁 温 条 件 ， 壁 面 温度 为 5 l 0 K， 前墙 、 挡火 墙 壁面 以及 炉 膛底 面采 用 绝热 壁 面 数 值模 拟 采 用 三 维 稳 态 计 算 ， 压 力一 速 度 耦合采用 S I MP L E方法 1 采用有限体积法来离散 微分 方程 ， 动 量 方程 采 用 QUI C K 格式 ， 其他 方 程均 采用 二 阶迎 风 格 式 1 过 剩 空气 系 数 选 取 为 1 O 5 ， 入 口流体 温 度取 为 3 0 0 K 2 结果 与讨论 2 1 燃 烧试 验分 析 燃 煤链 条 炉 改 烧 低热 值 煤 层 气 后 ， 进 行 了煤 层 气燃 烧试 验 通 过试验 可 知 ， 该 锅 炉燃 烧低 热值 煤层 气 后均 达到 了额 定 工 况 下 的 设计 参 数 炉 膛 内火焰 长 度为 2 3 m， 火 焰 宽 度 为 0 7 5 m， 火 焰 充 满 度 较 好 ， 火焰 最高 温度 为 1 5 3 5 K 燃烧 器 出 口附 近 和侧 墙 观火 孔处 温 度分别 为 1 2 8 6 K 和 1 4 8 1 K， 排 烟 温 度 为 1 3 2。C， 排烟 热 损 失 为 8 0 5 9 6 排 烟 处 C O。和 O 的含 量 分 别 为 8 7 5 和 6 3 6 燃 烧 效 率 为 9 9 4 ， 锅 炉 效 率 为 8 7 5 ， 与 燃 煤 时相 比锅 炉 效 率 提高 了 2 5 5 2 2炉 内流 场 分析 燃煤链条炉改烧低浓度煤层气后 ， 炉膛结构发 生 了 变化 为 了分 析 炉 内流动 特 性 ， 1 0 0 热 负荷 条 件 下对 炉 内速 度场进 行 了分 析 1 0 0 热负 荷下 炉膛 中心截 面速 度矢 量见 图 3 由图 3可知 ， 锅 炉改烧 煤 图 3炉 膛 中心 截 面速 度 矢 量 Fi g 3 Ve c t or v e l o c i t y di s t r i b ut i on of c e n t e r s e c t i o n 层气 后 ， 在炉 膛 的上部 均 形成稳 定 的 回流 区 回流 区 具有较强的卷吸高温烟气的作用 ， 有利 于加快煤层 气和空气的混合， 提高升温速率 ， 保持着火稳定l 3 ， 同时 回流 区卷 吸周 围 高 温 烟气 ， 加热 火 焰 根 部 未 燃 气体 不 同热 负荷 下炉 膛 中心轴 线 上轴 向速 度分布 见 图 4 由 图4 可 知 ， 1 0 0 和 7 5 热 负 荷 下 射 流 速 度 图 4不同热负荷下炉膛轴 向速度 分布 Fi g 4 Di s t r i bu t i o n o f ax i a l v e l oc i t y a t di f f e r e nt he a t l oa d 1 0 0 ； 口 7 5 ； + 5 O ； 2 5 在 2 3 m左 右 衰减 到 l 0 m s ， 5 0 热 负荷 时射 流速 度在 1 2 m 左 右衰 减到 1 0 m s ， 2 5 热负 荷 时射 流 速度 在 0 9 m 左 右 已 经 衰 减 到 了 1 0 m s以 下 1 0 0 和 7 5 热负 荷 时速度 峰值 均 出现 在 0 5 m 处 左 右 ， 速度 峰值 分别 为 5 2 5 6 m s 和 4 O 7 5 m s ； 随 着 负荷 的降低 ， 轴 向速度 的峰值逐 渐 降低 ， 2 5 热负 荷时轴 向速度峰值降至 l 3 3 4 m s 2 3炉 内温度 场分 布 炉 膛 温 度 分 布 能 判 断炉 膛 内煤 层 气 的 燃 烧 状 况 1 0 0 9 6 热 负荷 时 炉膛 中心 截面 温度 场 的分布 见第 5 O页 图 5 由图 5可 知 ， 锅 炉 改 烧煤 层 气 后 ， 整个 炉 膛 高温区集 中在火焰 区即炉膛高度下方1 3 处 ， 即 5 O 煤炭转 化 图 5炉 膛 温 度 场 分 布 ( 单 位 ： K) Fi g 5 Te mpe r a t u r e d i s t r i bu t i on of f u r n a c e( u ni t ： K) 燃烧反应最为剧烈 的区域 ， 火焰 中心温度为 1 5 5 7 K 温度 沿着燃烧 器 出 口轴 向方 向逐 渐 降低 ， 炉 膛 出 口 处烟气 温度 约为 8 5 0 K 炉 膛 上部 存 在 一 个 明显 的 低 温区 ， 这是 因为 此 处 流动 速 度较 低 ， 换 热 比较 弱 与改造 前燃煤 相 比 ， 炉 膛 出 口烟温 提 高 了 约 3 O K 同时 由于煤层 气对 炉膛 换 热 面 的 沾污 系 数 比煤 低 ， 炉膛换 热面 的受 热效 果优 于改造 前 沿燃烧 器 出 口依次 取 2 5个截 面 ， 按质 量加权 平 均求 得每个 截面 的平 均 温 度 ， 得 到不 同热 负荷 炉 膛 温度 沿轴 向的分 布( 见 图 6 ) 由图 6可 知 ， 随着 热负 1 l 1 i l 图 6 不 l司热 负 荷 F炉 膛 轴 向 温 度 分 布 Fi g 6 Di s t r i b ut i o n o f a xi a l t e mp e r a t ur e a t di f f e r e n t h e a t l o a d 一 一 2 5 ； 5 O ； + 7 5 ； 口 1 0 0 荷的降低 ， 炉膛温度的峰值逐渐降低 ， 且温度峰值明 显前移 1 0 0 9 6 热负荷时温度峰值 出现在 1 0 m处， 原 因是此 时的燃烧 方 式 属 于 扩散 燃 烧 ， 燃料 和 空 气 混合 时 间大大超 过化 学反应 时间 ， 燃 烧推 迟 ， 火焰 拉 得较 长 当 热 负 荷 降 到 2 5 时 ， 温 度 峰 值 出 现 在 0 6 m 处 ， 距 离燃烧 器喷 口最短 ， 这是 因为决定 燃 烧 反应 的时 间几乎 只是 化 学反 应 的 速度 ， 在 较 短距 离 就达 到很高 的 燃烧 温 度 【 1 钉四种 热 负 荷 下 ， 在 达 到 温度峰值 前 ， 温度上 升均 十分迅速 相对 于其他 三种 负 荷 ， 1 0 0 热 负 荷 时 温 度 上 升 较 慢 这 是 由 于 1 O 0 热负荷时会造成局部区域甲烷浓度过高， 而甲 烷浓 度高 的 区域 和燃 烧 产 物较 集 中的 区域 ， 混 合 比 热容总是很大， 比热容的增加显 著地减缓 了火焰温 度 的增加 当温度 达到 峰值 以后 ， 炉膛 温度均 缓慢下 降 出 口温 度随热 负荷 的下降 而降低 ， 2 5 热 负荷 时 出口温度最 低 为 9 1 7 K 锅 炉炉膛 出 口烟气 温度是 锅炉设 计 和运 行 中的 一 个重要参数 ， 是炉膛 内辐射传热和对流烟道内烟 气 对 流传热 的分界 为此 进行实 验 ， 测定 炉膛 出 口的 烟 气 温度。 实 验 中 ， 在炉膛 出 口处 布置 温度 测点 ， 利 用热 电偶测 量炉膛 出口的温度值 ， 结果见 图 7 图 7 炉 膛 出 口平 均 温 度 Fi g 7 M e a n o ut l e t t e mpe r a t ur e o f t he f ur n a c e Nu me r i c a 1 s i mu l a t i o n； Ex p e r i me n 由图 7可知 ， 锅炉改烧煤层气后 ， 测量值略低于 模 拟值 热偏差 分别 为 8 K2 3 K 这是 由于数 值模 拟过程中， 忽略了壁面沾污和漏风等因素的影响 ， 而 这 些 因素对炉膛 出 口烟 气温 度 有 很 大 的影 响 随着 负 荷 的增 大 ， 烟气 的流速增 快 ， 漏 风对 出 口烟 温 的影 响 也加大 ； 另外 ， 对 于 高 温烟 气 测 量 ， 由于有 辐 射传 热 的影 响 ， 有 一定 的测量 误差 2 4炉 内 甲烷 组分 分布 燃 料体 积浓度 的降低 预示 着燃烧 反应 的进行程 度 炉膛 结构 优化后 ， 四种 负荷 下 甲烷 沿炉膛 轴 向的 分布情况 见 图 8 图 8不同热负荷下甲烷炉膛轴 向的分布 Fi g 8 Di s t r i b ut i o n o f me t ha n e c o nc e nt r at i o n a t di f f e r e nt h e a t l oa d 1 0 O ； 7 5 ； + 5 O ； 口 2 5 由图 8可知， 随着热负荷 的降低 ， C H 体积浓 度均呈下 降趋 势 1 0 0 负 荷时 ， CH 浓度下 降最 慢 ， 1 9 m 处 下 降 至 0 4 5 9 ， 说 明 1 0 0 负荷 时 火 第 1 期 张代生等燃煤锅 炉改烧煤层气燃烧试验 与数值模拟 5 1 焰燃 尽 距离 较长 ， 整个 炉膛 的火焰 充 满度 较好 2 5 负荷 时 ， C H 浓 度 下 降 最 快 ， 在 1 0 m 处 下 降 至 0 3 7 2 ， 说 明此 时在 燃烧 器 出 口附近 煤层 气 已经 开 始反 应 ， 燃烧 火焰 较短 3 结 论 1 )燃 煤 链 条炉改 烧煤 层 气 ， 四种热 负 荷 下 炉膛 1 E 2 3 4 5 6 7 8 9 I O 1 2 3 4 内流动 和燃 烧状 况 良好 额定 工 况下 ， 锅炉 燃烧 效率 为 9 9 3 60 ， 锅 炉效 率为 8 7 5 O 6o 2 )炉 膛 上部 产 生 回流 区 ， 加 强 了 烟气 的扰 动 随 着热 负荷 的 降低 ， 炉膛 温度 有所 降低 炉膛 最 高温 度逐渐减小 ， 且温度峰值出现的位置逐渐前移 3 )1 0 0 热 负荷 时 ， C H 浓 度下 降 最慢 ， 火焰 燃 尽距 离较 长 ， 整个 炉膛 的火 焰 充满度 较 好 参 考 文 献 张艳 ， 张永发 ， 张国杰 含氧煤层气脱氧过程中硫化物的脱氧特性 J 煤炭转化 ， 2 0 0 9 ， 3 2 ( 1 ) ： 6 8 7 1 吴德飞， 毛羽， 江华 等 复杂结构气体燃烧器三维流场和燃烧状况数值模拟 J 石 油大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 3 ( 2 7 ) ： 9 3 9 7 I i J ， Ch o u SK ， Ya n gW M e t a1 A Nume r i c a l S t u d y o n P r e mi x e dM i c r o c o m b u s t i o n o f CH 4 a i rMi x t u r e ： Ef f e c t s o fC o m b u s t o r S i z e ， Ge o me t r y a n d B o u n d a r y C o n d i t i o n s o i l F l a me Te mp e r a t u r e J C h e m E n g J ， 2 0 0 9 ， 5 4 ： 2 1 3 - 2 2 2 I ， i a k o s H H， F o u n t i M A， Ma r k a t o s N C Mo d e l i n g o f S t r e t c h e d Na t u r a l Ga s Dif f u s i o n F l a me s J Ap p l i e d Ma t h e ma t i c a l M o d e l l i n g， 2 0 0 0( 2 4 )： 4 1 9 4 3 5 C o l l a z o J ， P o r t e i r o J ， P a t i D e t a 1 S i mu l a t i o n a n d E x p e r i me n t a l Va l i d a t i o n o f a Me t h a n o l B u r n e r J F u e l ， 2 0 0 9 ， 8 8 ： 3 2 6 3 3 4 Ko n t og e o r g o s D A Ke r a m i d a E P， Fo u nt i M AAs s e s me n t o f Si mp l i f i e d Th e r ma l Ra d i a t ion M o d e l s f o r En gi n e e r i n g Ca c u l a t i o n s i n N a t u r a l Ga s f i r e d F u r n a c e J He a t a n d Ma s s Tr a n s f e r ， 2 0 0 7 ( 5 0 ) ： 5 2 6 0 5 2 6 8 L i n d s t e d t R P， Va o s E M Tr a n s p o r t e d P DF Mo d e l i n g o f Hi g h r e y n o l d s n u mb e r P r e mi x e d Tu r b u l e n t F l a me s J C o mb u s t i o n a n d Fl a me ， 2 0 06， 1 4 5： 4 9 5 - 51 1 潘维 ， 池作和， 斯东波 2 0 0 Mw 四角切 圆燃烧锅炉改造工况数值模拟口 中国电机工程 学报， 2 0 0 5 ， 2 5 ： 1 1 0 - 1 1 5 潘维 ， 池作和， 斯东波等 四角切圆燃 烧锅炉炉膛网格生成方法的研究 J 动力工程 ， 2 0 0 5 ( 3 ) ： 2 5 9 3 6 3 梁晓宏， 樊建 人 ， 岑可法 w 型火焰煤粉 锅 炉炉 内三维 流动 和燃 烧过 程 的数 值模 拟 刀 中 国电机工程 学报 ， 1 9 9 7 ， 1 7 ( 7 ) ： 2 4 3 2 4 7 潘维 ， 池作和 ， 李戈等 四角切圆燃烧锅炉燃烧和污染物配风数值模拟 J 浙江大学学报 ， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 7 6 2 7 6 4 董小瑞 ， 刘汉涛 1 2 5 Mw 煤粉炉 内分级燃烧 的数值模拟 J 煤炭转化， 2 0 0 8 ， 3 1 ( 1 ) ： 6 6 7 0 陶文铨 数值传热学 M 西安 ： 西安交通大学出版 ， 2 0 0 1 唐强 ， 罗渝东 ， 张力等 低热值煤层气燃烧器的影响因素及优化的数值模拟 J 动力工程 ， 2 0 0 7 ， 2 7 ： 3 4 4 3 4 8 EXPERI M ENTAL S TUDY AND NUM ERI CAL S I M ULATI oN oN CoM BUS TI NG CoAL BED M ETHANE l N CoAL Fl RED BoI LER Zha n g Da i s h e ng Zh a ng Li Pu Ge a n d W a n g Ji o ng ( I n s t i t u t e o f Po we r En gi n e e r i n g，C h o n gq i n g Un i v e r s i t y，4 0 0 0 3 0 C h o n g q i n g) ABS TRACT Th e l o w e f f i c i e nc y c o a l bu r ni n g c ha i n 1 i n k s t o v e c on ve r t e d t o bu r n l o w h e a t v a l ue c oa l be d me t h a ne i s a n e ne r g y s a vi n g a nd e m i s s i on