本文借助COALFIRE軟件平臺，以某電廠300 MW四角切圓煤粉鍋爐為研究對象，根據其結構參數、設計參數和運行參數，利用數值計算程序對爐膛內的湍流氣固兩相流動、傳熱和燃燒等進行了三維數值模擬。計算結果描繪出了爐內的溫度場、顆粒場、各組分濃度場和NO。濃度場等，為了解和掌握四角切圓燃燒煤粉鍋爐爐內過程及其規律，提高同類型鍋爐的設計、運行與改造水平提供了有益的參考。
1、模擬對象
本文所模擬的對象是某電廠由東方鍋爐廠生產的DG1025/18.2-Ⅳ型亞臨界、中間再熱、自然循環、燃煤汽包鍋爐。該鍋爐為單爐膛Ⅱ型布置，配有中儲式制粉系統，采用四角切圓燃燒，直流擺動式燃燒器，固態除渣。其結構示意圖見圖1。整組燃燒器設5層一次風噴口，9層二次風噴口和1層三次風噴口，二次風和一次風間隔布置，如圖2所示。燃燒器配風方式見表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。鍋爐燃用的設計煤種的煤質分析如表2所示。富通新能源生產銷售生物質鍋爐，生物質鍋爐主要燃燒顆粒機、木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料，同時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、計算網格和數值方法
由于爐膛的幾何結構不規則，為了計算簡便，選取從爐膛下部的冷灰斗到爐膛上部的折焰角之間的區域作為計算域。在四角切圓燃燒鍋爐的爐內流動計算中，爐膛4個角上的燃燒器的風口速度方向一般與直角坐標的網格邊界成約45°夾角，容易產生偽擴散，從而影響計算的準確性。在進行三維的數值計算之前，首先要對計算域進行網格劃分，COALFIRE軟件采用非結構化的四面體網格，其好處是可以減少偽擴散。網格如圖3所示，共劃分了48多萬網格。
數值模擬采用三維穩態計算。采用標準k-a雙方程模型模擬湍流氣相流動；對固體顆粒相的求解采用隨機的顆粒軌道模型；對輻射傳熱采用Pl輻射模型；對煤粉揮發分的釋放采用單步反應模型；對于焦炭的燃燒采用了擴散動力模型；采用守恒標量的PDF模型模擬非預混燃燒；對氣相流場則采用非交錯網格的SIMPLE方法來求解。
根據殘差判斷收斂，以所有計算量（如：u、v、w、￡等）的相對誤差都必須小于1.0×10-4作為收斂準則。在迭代了658步后方程收斂，模擬完成。
3、計算結果與討論
3.1溫度場
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，達到1800K左右，而整個爐膛溫度最高的地方出現在燃燒器區域。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分布，在4個角隅處容易出現低溫區。在燃燒器區域，由于煤粉氣流在射出噴口時，4股射流相互撞擊在爐膛中央形成一個強烈旋轉的旋渦并呈螺旋式上升，故在爐膛中心出現了低溫區。在一次風噴口附近，由于揮發分的強烈析出和反應，使得噴口附近出現了局部高溫區。模擬結果符合四角切圓煤粉鍋爐的燃燒規律。
3.2組分場
由于氧化劑02和中間還原性產物CO對氣氛的影響很顯著，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02和CO的濃度分布與溫度分布有很大關系，高溫區對應著高的CO濃度和低的0：濃度，在爐膛高溫區煤粉與0，發生劇烈燃燒反應，消耗大量的0，而主要生成CO;然后在低溫區CO再與過剩的02反應，消耗高溫區生成的CO，故低溫區對應著低的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
圖7、圖8是爐膛中心縱、橫截面上的NOx體積濃度分布圖。從氮的生成機理可知，NO。體積濃度主要與02濃度和反應溫度有關。NO。的生成主要在爐膛的燃燒器區域，其最高濃度在爐內高溫區且0，濃度梯度最大處出現，而爐壁附近則較低。主要原因是燃料的揮發分中氮的化合物被進口的大量氧氣氧化，生成HCN等中間產物，然后進一步轉化為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。濃度開始消減，在接近折焰角處NO。的濃度達到300 ppm左右。
3.4壁面熱負荷分布
圖9是爐內的壁面熱負荷分布圖。爐膛內的傳熱絕大部分為輻射換熱，燃燒中心區由于溫度較高，熱負荷明顯高于其它區域，爐膛底部熱負荷最低。燃燒器附近局部熱負荷較高，切圓的存在使火焰發生偏轉而靠近爐墻，所以火焰偏向一側的壁面局部熱負荷最高，最大值高達511kW／m2，而爐膛內的平均凈壁面熱負荷約為185 kW/m2左右。由此可見，燃燒器一次風口設有周界風還是很有必要的，因為周界風的速度較一次風高，可以增加一次風的剛度，防止火焰貼墻。在爐膛上部，前、后墻熱負荷沿爐寬方向趨于均勻，峰值在中心線附近出現；左、右墻熱負荷由于折焰角的影響，分布并不均勻。
3.5顆粒軌跡
圖10是爐內煤粉顆粒的運動軌跡分布圖。煤粉的著火主要是由揮發分先著火，提高了煙氣溫度，然后焦炭燃燒，釋放出大量的熱量。而煤粉的燃盡過程主要取決于焦炭的燃燒速度，而它與溫度有著密切的關系。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溫度來定義的。在燃燒器以下的爐膛區域，溫度水平很低，煤粉顆粒運動緩慢，在燃燒器附近速度急劇升高，在爐膛中心形成了一個旋渦；在燃燒器區域剛噴入時含碳量很高，經過劇烈燃燒，從燃燒器區域向上，含碳量已經很少。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、結論
本文以大型四角切圓燃煤鍋爐爐膛的數值模擬計算軟件COALFIRE為基礎，選用合適的數學物理模型與幾何結構模型，對一臺四角切圓燃燒煤粉爐進行數值計算，自動生成細密網格，且可較好地模擬四角切圓煤粉爐爐內溫度場、顆粒場、各組分濃度場和NO。濃度場等。通過研究得出了一些有參考價值的數據和結論。富通新能源生產銷售的生物質鍋爐以及木屑顆粒機壓制的生物質顆粒燃料是客戶們不錯的選擇。
