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10t/h抛煤机链条炉的节能改造数值模拟分析
发布时间：2013-07-07 07:54 来源：未知
引言
抛煤机锅炉具有煤种适应性好，符合调节范围大，调节灵活等优点…，一直被广泛地应用于我国的工业和民用的各种领域。但是，目前国内生产的抛煤机锅炉由于大多采用开式炉膛结构，在设计时炉膛容积热负荷取值偏小，炉膛水冷度大，使实际运行的锅炉炉膛温度水平偏低，加之煤质变化较大，燃料中细煤颗粒份额大，导致该型锅炉的运行状况并不良好，存在飞灰含碳量可高达50%以上；q4热损失在20%一30%以上，热效率低；烟尘浓度大，烟囱冒黑烟严重，污染环境等问题。同时，该型锅炉燃烧不稳定，出力变化幅度可高达50%左右，煤种适应性差等。
2004年，国家发改委出台的《节能中长期专项规划》中将燃煤锅炉列为十大重点改造项目之首，使得目前在用抛煤机链条炉的生存空间越来越小，其改造优化设计已成为一项十分紧迫的任务，富通新能源销售生物质锅炉，生物质锅炉主要燃烧木屑颗粒机压制的木屑生物质颗粒燃料。
近年来，国内外的学者对于抛煤机链条炉的技术改造升级进行了很多研究和有成果的尝试。国外方面，G.P．Starley、D.M．Slaughter等分别对抛煤机链条炉的NO和SO，生成规律和控制方法做了深入的研究；Mason.H．B等在165000Lb/h抛煤机链条炉加装了天然气燃烧器，实现煤一天然气混燃，结果表明锅炉效率增加2%—3%，飞灰含碳量降低35% ~40%，过量氧气降低2%．3%；Scon Q．TLIm等对46. 5t/h抛煤机链条炉燃烧煤、石油及甘蔗渣和高纤维藤茎等生物质三种燃料的对比研究，得出了有用的数据和结论。国内方面，分别对抛煤机链条炉的配风系统、燃烧室、飞灰回收系统等做了改造；郭召胜、常少卿、谌玉良等主要从改造燃烧方式人手，直接改变锅炉的层燃方式为悬浮燃烧方式甚至是循环流化方式。
综合国内外抛煤机链条炉改造技术的研究，从技术改造成本的角度出发，认为不改变层燃燃烧方式的改造方案是最经济的。但是，从相关文献和报道来看，各种改造升级技术或者只是局部改造，或者基于燃烧机理、经验数据等，都没有对改造后的锅炉进行速度场和温度场等分析，缺乏普遍的指导作用。
本文利用CFD软件对10t/h反转抛煤机链条炉在不改变层燃燃烧方式基础上的全面改造前后的速度场和稳定场进行模拟计算，直观地考察分析所采用的改造技术对炉子气体动力场、温度场的影响，并以改造前后的运行参数作比较，希望能对以后的抛煤机链条炉改造起到一定的参考作用。110t/h SZDIO - 13 -AⅡ型倒转炉排抛煤机锅炉的运行概况
根据某公司能源部动力科提供的资料，该锅炉房的1#锅炉SZD10 - 13 -AⅡ倒转炉排抛煤机链条炉是由济南锅炉厂于1980年按照20世纪80年代的技术生产，燃用淮南烟煤2号。
该锅炉的结构如图1所示。
现对存在的问题，分析如下。
(1)燃用的煤种粒径过细，以至于悬浮燃烧无法完全燃尽。该炉子长期燃烧粒径1mm左右的煤种，在现有的开式炉膛空间内很难完全正常燃尽。
(2)由于采用了开式炉膛，没有前后拱，使得炉膛内的过量空气系统过大，但煤粒与空气却没有充分混合，着火性能和化学燃烧反应进程都很差，有不完全燃烧现象。若人工操作稍有不慎，即有未燃烧的大量细煤飞出炉膛，飞灰含碳量高，对燃料不利，对环境造成严重影响。
(3)没有二次风，使得烟气在炉膛内得不到充分混合，煤粒在炉膛的停留时间短，水冷度高，炉膛温度低，q3损失增大。
(4)飞灰回收装置存在严重问题，该装置在烟道上分离中温飞灰，分离器下部连接灰斗收集飞灰到炉排后部进行“复燃”。此时的中温灰，称之为“死灰”，其物理特性以及炉排后部的低温区都无法实现复燃的要求，只是随着煤渣排走。
2、改造技术及数值模拟分析
针对以上问题，本文提出了以下几点改造措施，并以Fluent软件对改造方案做出数值模拟分析。数值模拟在近20年来得到了飞速发展，在给定参数下做数值模拟计算相当于做了一次数值试验，而近年的研究表明，数值模拟计算是可以比较准确地模拟和预测实际工程现象的。
2.1改造炉膛结构，强化炉内燃烧
2.1.1理论分析
炉膛改造采用前后拱组合的半开式炉膛形式。形成q形火焰燃烧．高温火焰的冲刷、灼热碳粒的分离与新煤三者之间进行着强烈的动量、质量和热量的交换，因此能形成极为有利的着火条件。
同时a形火焰的回流对细灰的带出有封锁作用，增长加碳粒在炉内的路径，增加停留时间，改善了充满度，而增加的折焰拱也就是进一步延长了未燃尽颗粒的停留时间与其跟热流的接触时间，因此能很好地增强燃烧。
2.1.2数值模拟分析
增加了拱组后的温度分布如图2所示。可见气流开始向后墙偏转，出现了扰动，但随着偏转程度的增加，前墙的充满度在下降，高温区被很好地压缩在炉排面与炉拱之间的空间，这将有利于煤层的引燃和悬浮细煤颗粒的燃烧。
图3描述了点( lOO，100，o)到点(lOO，100，4492)之间的速度变化曲线。可见，改造前的炉膛速度变化缓慢，只在烟气出口处的速度有波动，这表明烟气在开式炉膛中产生的扰动很少，气流直接冲出出口。而改造后的半开式炉膛，在(100，100，1500)左右处有一速度零点，此处正是炉拱的安装位置，这表明炉拱组合能有效地封锁烟气的直线运动行程，极大地增加了气流的扰动。
2.2增加二次风扰流，强化悬浮燃烧
2.2.1理论分析
炉内烟气流场组织也是影响抛煤机链条炉的燃烧优劣的关键，因此在炉膛中引入二次风。如图4所示，使用二次风与前炉拱的组合能使炉膛空间分隔为燃烧室和燃尽室两部分，从而使炉膛辐射传热的格局发生变化。燃烧室中，体积小、受热面少，炉温明显提高，这对引燃和燃烧十分有利；燃尽室中，虽然系统黑度有所减少，但温度提高了，传热并未减弱，而总的受热面未变，因此总的传热量有所增加。
其中，根据西安交通大学的冷模试验，采用二次风与一次风的动量流率比m=5，前后墙对冲布置，角度为水平±50可调。为了配合原8 -18 -101型二次风机，经计算，采用∮200mm的风管，单面送风，简化管道系统结构。二次风管道如图5所示。
2.2.2数值模拟分析
由图6所示速度矢量可以看到，二次风对燃烧室往上升的气流产生十分明显封锁的作用，把整个炉膛分成了燃烧室和燃尽室两部分，且两者的速度比较均匀，由此影响了整个炉膛的燃烧过程。从图7的温度分布可看出，复合改造技术的使用，使得整个炉膛即燃烧室及燃尽室的温度水平趋向均匀，烟气充满度也更加均匀化，这都十分地有利于传热。图8描述的是点(0，1500，1500)到点(3650，1500 ,1500)之间的速度曲线图，可以看出，改造前的炉膛内气流变化不大，炉排的猛烈燃烧区(x=1000—2500)基本上是斜率很小的线性曲线，表明改造前该区域的气流扰动很小，烟气直接由炉膛排出；经过改造后的炉膛，烟气的速度曲线很明显地出现了“S”型曲线，这表明气流在炉膛内受到了很大的扰动，往上流动时，xy截面上的速度分布很不均匀；这种变化可以从图9迹线分布中看出，烟气迹线从煤层面往上明显地走了一个“之”字形的轨迹后，再从烟气出口排出，此流动特性十分有利于保持煤粉在炉膛内的悬浮状态，增加其在炉膛内的行程，可以很好地强化煤末的燃烧。
2.3增加高温飞灰复燃装置，加强飞灰燃尽，减少飞灰损失
本次改造采用的是西安交通大学赵钦新教授提出的一种高温飞灰分离及流化复燃技术，该技术已申请了国家发明专利。此技术发明首次实现了在炉膛出口水冷凝渣管束受热面设置高温分离器的禁区设置组合式水冷分离器以实现高温飞灰分离（见图10），可以全面实现温度、时间和扰动混合等三个燃尽的基本条件，高温飞灰经过组合式水冷分离器分离后以重力自然回送到炉膛高温区循环流化燃尽。高温飞灰分离可使50%一60%的飞灰在气流中分离开来，减少飞灰不完全燃烧损失2.5%一3. 5%，最大程度地降低飞灰含碳量，提高了煤的燃烧效率和锅炉热效率。
2.4改造方案的确定
根据SZD10 - 13 -AⅡ倒转炉排抛煤机链条炉的实际运行参数及理论研究，将本次的改造方案归纳为以下6条，炉膛的改造结构如图11所示。
(1)采用较短的前拱与二次风组合，延长前拱的实际效果：
(2)增加炉膛出口前的折焰拱，避免烟气形成短路；
(3)后拱采用锐角出口，防止烟气过早进入燃尽室；
(4)后拱上部布置二次风，封锁烟气出口，延长飞灰停留时间；
(5)采用前后墙二次风交叉气流混合方式，提高燃尽效率；
(6)在炉膛出口的凝渣管束上布置百页窗式高温飞灰分离器。
3、经济性分析
从一次性投资成本来看，本次SZDIO - 13 -AⅡ倒转炉排抛煤机链条炉的改造计划，主要包括材料费、材料加工费以及现场安装费，总共花费为7万余元，相比于购买并安装l台新的lOt/h层燃锅炉所需的价钱起码要低50%以上。并且通过改造时新部件的安装、旧部件的刷新，其改造后的安全可运行时间不会比新炉子短。
从燃料节省上看，该型抛煤机锅炉的煤耗量为1541kg/h；改造后，若按平均热效率提高5%计算，改造后锅炉运行每小时可节约用煤77. 05kg，按采暖期为4个月，每天平均12h，则每年供暖期节约用煤量可达110952kg。
烟煤的价格按400元／t计算，结合节约用煤量，改造后运行一个采暖期可节约燃料消耗费为44380元。
综上两方面，采暖期前完成工程改造，运行第一个采暖期可综合节约的费用P按两方面计算：一是改造比新购置所节约的费用；二是运行周期所节约的费用。则P =114380元。
该技术改造要比购置新锅炉所需成本要低，也比掺燃、循环流化床等燃烧方式改造要低。而改造所需成本，在锅炉运行一个采暖期即可实现回收。
改造前后的参数对比如表l所示。
4、结语
(1)理论上，运用上述技术进行改造，从燃烧学和气体动力学上来说是可行的，同时使用了Fluent软件进行了数值计算，实践证明这是行之有效的方法；
(2)经济上，对于锅炉用户来说，改造的成本比较低，投资回报期较短。对于老式抛煤机锅炉，技术改造能有效地延长锅炉的使用寿命，使其的经济效益能得到最大化的实现；
(3)除了文中所述的改造技术以外，还有其他的技术也可以达到提高锅炉效率等作用。比如使用机器铸造的炉排以减少漏煤率；采用复合燃烧技术提高燃烧状态以及增加或改进尾部烟道的省煤器和空预器等以提高烟气利用降低烟气温度等，这些技术都切实可行，可根据锅炉用户的要求，具体问题具体分析。
