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摘 要：煤粉催化燃烧技术能够有效转变煤粉燃烧反应中的动力学特征，以此提高煤粉燃烧效率，本文就主要分析了燃煤锅炉催化燃烧的数值模拟，以供借鉴。
关键词：燃煤锅炉;催化燃烧;数值模拟
煤炭是我国的重要能源，我国能源生产消费中7成左右为煤炭资源。现阶段，能源生产结构转型升级明显，受到气候变化等因素的影响，我国能源结构更为合理，煤炭在总能源使用中的占比有所减少。但煤炭资源消耗速度明显快于其发展速度，相关部门需增大煤炭资源利用率。
1 建立双切圆锅炉燃烧模型
本文以某热电厂的双切圆锅炉为例，建立双切圆锅炉的三维立体空间几何模型与二维平面数字模型，具体内容如下所述。
1.1建立模型
1.1.1三维立体空间几何模型
主燃烧器是双切圆锅炉的重要组成部分，是为锅炉提供燃烧反应场所和热力储备的。与普通锅炉相比，双切圆锅炉的主燃烧器的尺寸规格更小，但是内部结构十分复杂。若想建立单独且完整的主燃烧器模型，必定会增加模型网格数量，进一步加大模型网格划分难度。由于双切圆锅炉的内外部结构具有一定的对称性，为简化锅炉结构，减少模型网格数量。在绘制锅炉的主燃烧器时，结合主燃烧器的结构特点，使用水力直径相同的长方形替代锅炉的一次风进口和二次风进口，以便更容易的识别。根据图1（锅炉的区域划分图）可知，将整个双切圆锅炉的炉膛区域划分为炉膛下部、炉膛中部、炉膛上部三个重要组成部分。图2是锅炉内部立体空间方位图，其中X+、Y+与Z+分别代表水平方向、平面垂直方向和立体垂直方向三个维度。
1.1.2数学模型
本文采用的数学模型如下：
（1）基本控制方程组
连续性方程：
式中：代表气流密度;代表煤粉中水分蒸发量;S代表脱挥发引起的质量变化。
动量守恒方程：
式中：p代表炉膛静压力;μ代表动力粘度，τij 代表应力张量;ρgi代表重力体积力;Fi代表两相之间体积力。
能量守恒方程
式中：E代表流体微团总能;K1代表湍流导热系数;Keff代表有效导热系数;Jf代表组分，J1的扩散通量;（τij）sff代表热剪切应力;Sh代表能量源项;h代表静态焓值;mf代表组分，J1的质量分数，Tref=298.15k。
（2）湍流流动模型
锅炉内的流畅流动是一个复杂程度较大的过程。为此，建立湍流流动模型至关重要。根据湍流流动数值求解，提出k-ε双方程模型。双方程模型中，在保證单方程模型精确性的基础上，引入湍流流耗散率的ε方程。
（3）气固两相流模型
锅炉内的气相与固相之间的运动是相对的。本文采用欧拉法与DPM模型，在充分考虑流固耦合作用的前提条件下，进行动态跟踪与精准计算。
2.烟煤和无烟煤工况下的流场特性分析
2.1炉膛水平截面的速度场分析
从图3和图4中可知，气流在燃烧器喷口喷入炉膛的气流初始速度较快，射程较远，刚度大，气流喷入后会出现扩散现象。如气流抵达邻近燃烧器喷口位置，气流会向炉膛一侧中心弯曲，于炉膛左右两侧形成两个切圆，炉膛截面高度升高的过程中，切圆也随之变大。高速区域集中于左右两个切圆的圆周上，圆周气流速度为10m/s-20m/s。同时，两个切圆的中心区域速度较慢，形成了两个较为完整的低速区域，且二者的中间区域依然是低速区域。
2.2 炉膛纵向和横向截面速度场分析
锅炉燃烧器喷口附近的速度呈现大梯度特征，气流从喷口喷出后会受到相邻气流的影响，在锅炉左右两侧形成两股螺旋上升气流。在燃烧器上部，受到气流惯性的影响，炉膛内两股螺旋上升的气流始终处于原始流动方式，但是螺旋气流经过折焰角后，二者的低速区域合并，螺旋气流也随之消失，截面中的速度梯度也逐渐减小。
3烟煤和无烟煤工况下的温度场分析
3.1不同截面的上的温度分布
（1）不同煤种水平截面上的温度分布
两种工况下，炉膛不同高度截面生成的温度云图轮廓为双切圆，同时，截面高度与切圆直径成正相关。但是高度超过33.32m时，切圆呈不规则状态，云图中高速区域明显重合，且最高温相同，但是两种工况中切圆圆心位置的温度要低于切圆圆周上的温度。其余煤粉颗粒自燃烧器喷口喷出后，煤粉在炉膛内受热分解，生成挥发成分及焦炭，与上升气流共同螺旋上升，与氧气反应释放大量热，所以高温区域集中于双切圆圆周上。
无烟煤计算工况中，两个切圆在高温区出现合并现象，随着截面Y坐标的提升而有所增加。烟煤合并现象出现在高温区。其余无烟煤的挥发成分要少于烟煤，固定碳较多。煤粉受热分解后生成挥发成分及焦炭。挥发砌体可与锅炉中螺旋上升的气流共同流动，焦炭因自身重力和离心作用于切圆中心远离。所以无烟煤工况下出现了炉膛分布不均的问题。炉膛中部高温区可能出现水冷壁爆管问题，故而烟煤可形成规则的双切圆，在炉膛中部出现高温区域。
（2）不同煤种纵向和横向截面上的温度分布
比较X=8m截面的两种工况温度云图后发现，两个云图中的锅炉燃烧器下方折焰角区域，等温线为倒“V”型。可延伸至锅炉燃烧区域螺旋上升气流的中心处。主要原因是燃烧器喷出的一次风和二次风在燃烧器内形成了方向上升螺旋气流，螺旋上升的气流中心内也形成了低压区，而在冷灰斗区域则出现了高压区。受压力影响，冷灰斗区域的低温气流流入螺旋上升气流的中心区，从而出现了低温区。
两种计算工况在燃烧器上方区域的等温线为“M”型，如水平高度超过55m，烟煤工况及无烟煤工况的温度云图存在差异，烟煤工况等温线上端合并趋势明显，随着高度发生变化，无烟煤工况的变化并不明显。Y=55m时为炉膛折焰角下边缘，如螺旋上升至折焰角，则流场发生明显变化。此外，烟煤中的挥发成分较多，固定碳含量随之减少。因此，流场运动中惯性作用较弱，更易受炉膛内气流的影响。 3.2炉膛高度方向平均温度及沿程温度变化分析
烟煤和无烟煤工况的截面平均温度沿炉膛高度方向变化趋势基本一致。炉膛高度为8m-15m，处于锅炉冷灰斗区域，烟煤的温度较无烟煤温度高。炉膛高度为15m-22m时。两种工况平均温度大体相同，升温速度较快。炉膛高度为22m-25m时，两种工况温度升高速度明显降低。此时，截面的平均温度接近最高温度，螺旋上升的气流中心形成了低压区，受压力影响，冷灰斗区域低温气流流入螺旋上升气流中心，抑制了温度上升趋势。炉膛高度为25m-40m时是锅炉燃烧器所在区域，两种工况的平均温度均为最高温度，燃烧器煤粉喷口及二次风喷口相间分布，截面平均溫度也会频繁变化。如炉膛高度超过40m，则二者温度均有所下降，但是烟煤截面的平均温度依然高于无烟煤截面。
炉膛高度为20m-43m，无烟煤在燃烧器区域出现高温区合并，所以无烟煤在炉膛中心线位置的温度高于烟煤的温度，且无烟煤沿程温度较烟煤低。当炉膛高度在20-40m之间时，烟煤工况及无烟煤工况炉膛的截面平均温差明显，结合图4可推测无烟煤工况在炉膛中心位置生成高温区域，且温度不均。
4不同煤粉工况下的浓度场分析
一次风雨煤粉共同喷入到炉膛当中，一次缝中的氧气与煤粉反应便可生成CO2，二次风中的O2可与气流共同流动。于二次风喷口截面出呈双切圆分布，两个水平截面中双切圆外部区域的氧气浓度处于较低水平。这是因为煤粉与氧气反应后生成二氧化碳，故而水平截面双切圆外部区域二氧化碳浓度较高。处于切圆圆周上的氧气会随着气流螺旋上升，可与燃料继续反应，降低了浓度。所以炉膛上部的氧气浓度较低，二氧化碳浓度随之升高，反应中也可生成CO，但是炉膛中的CO浓度较低，这是因为氧气中的煤粉含量较少。下图为CO的分布区域图。
5结语
煤炭资源是社会发展和经济建设中的重要资源，而我国的煤炭资源现状不容乐观，需要发挥出煤炭资源最大利用价值。而燃煤锅炉催化燃烧是促使煤炭充分燃烧，增大煤炭资源利用率的有效措施。因此，研究燃煤锅炉催化燃烧数值模拟具有重要意义。
参考文献：
[1]王东风，李应保.1000MW燃煤锅炉低氮燃烧的数值模拟与分析[J].华北电力大学学报（自然科学版），2018，45（2）.
[2]苏家庆.煤炭催化燃烧新技术调研报告[J].中国井矿盐，2020（2）.
（华润电力徐州华鑫发电有限公司，江苏 徐州 221166）
关键词：燃煤锅炉;催化燃烧;数值模拟
煤炭是我国的重要能源，我国能源生产消费中7成左右为煤炭资源。现阶段，能源生产结构转型升级明显，受到气候变化等因素的影响，我国能源结构更为合理，煤炭在总能源使用中的占比有所减少。但煤炭资源消耗速度明显快于其发展速度，相关部门需增大煤炭资源利用率。
1 建立双切圆锅炉燃烧模型
本文以某热电厂的双切圆锅炉为例，建立双切圆锅炉的三维立体空间几何模型与二维平面数字模型，具体内容如下所述。
1.1建立模型
1.1.1三维立体空间几何模型
主燃烧器是双切圆锅炉的重要组成部分，是为锅炉提供燃烧反应场所和热力储备的。与普通锅炉相比，双切圆锅炉的主燃烧器的尺寸规格更小，但是内部结构十分复杂。若想建立单独且完整的主燃烧器模型，必定会增加模型网格数量，进一步加大模型网格划分难度。由于双切圆锅炉的内外部结构具有一定的对称性，为简化锅炉结构，减少模型网格数量。在绘制锅炉的主燃烧器时，结合主燃烧器的结构特点，使用水力直径相同的长方形替代锅炉的一次风进口和二次风进口，以便更容易的识别。根据图1（锅炉的区域划分图）可知，将整个双切圆锅炉的炉膛区域划分为炉膛下部、炉膛中部、炉膛上部三个重要组成部分。图2是锅炉内部立体空间方位图，其中X+、Y+与Z+分别代表水平方向、平面垂直方向和立体垂直方向三个维度。
1.1.2数学模型
本文采用的数学模型如下：
（1）基本控制方程组
连续性方程：
式中：代表气流密度;代表煤粉中水分蒸发量;S代表脱挥发引起的质量变化。
动量守恒方程：
式中：p代表炉膛静压力;μ代表动力粘度，τij 代表应力张量;ρgi代表重力体积力;Fi代表两相之间体积力。
能量守恒方程
式中：E代表流体微团总能;K1代表湍流导热系数;Keff代表有效导热系数;Jf代表组分，J1的扩散通量;（τij）sff代表热剪切应力;Sh代表能量源项;h代表静态焓值;mf代表组分，J1的质量分数，Tref=298.15k。
（2）湍流流动模型
锅炉内的流畅流动是一个复杂程度较大的过程。为此，建立湍流流动模型至关重要。根据湍流流动数值求解，提出k-ε双方程模型。双方程模型中，在保證单方程模型精确性的基础上，引入湍流流耗散率的ε方程。
（3）气固两相流模型
锅炉内的气相与固相之间的运动是相对的。本文采用欧拉法与DPM模型，在充分考虑流固耦合作用的前提条件下，进行动态跟踪与精准计算。
2.烟煤和无烟煤工况下的流场特性分析
2.1炉膛水平截面的速度场分析
从图3和图4中可知，气流在燃烧器喷口喷入炉膛的气流初始速度较快，射程较远，刚度大，气流喷入后会出现扩散现象。如气流抵达邻近燃烧器喷口位置，气流会向炉膛一侧中心弯曲，于炉膛左右两侧形成两个切圆，炉膛截面高度升高的过程中，切圆也随之变大。高速区域集中于左右两个切圆的圆周上，圆周气流速度为10m/s-20m/s。同时，两个切圆的中心区域速度较慢，形成了两个较为完整的低速区域，且二者的中间区域依然是低速区域。
2.2 炉膛纵向和横向截面速度场分析
锅炉燃烧器喷口附近的速度呈现大梯度特征，气流从喷口喷出后会受到相邻气流的影响，在锅炉左右两侧形成两股螺旋上升气流。在燃烧器上部，受到气流惯性的影响，炉膛内两股螺旋上升的气流始终处于原始流动方式，但是螺旋气流经过折焰角后，二者的低速区域合并，螺旋气流也随之消失，截面中的速度梯度也逐渐减小。
3烟煤和无烟煤工况下的温度场分析
3.1不同截面的上的温度分布
（1）不同煤种水平截面上的温度分布
两种工况下，炉膛不同高度截面生成的温度云图轮廓为双切圆，同时，截面高度与切圆直径成正相关。但是高度超过33.32m时，切圆呈不规则状态，云图中高速区域明显重合，且最高温相同，但是两种工况中切圆圆心位置的温度要低于切圆圆周上的温度。其余煤粉颗粒自燃烧器喷口喷出后，煤粉在炉膛内受热分解，生成挥发成分及焦炭，与上升气流共同螺旋上升，与氧气反应释放大量热，所以高温区域集中于双切圆圆周上。
无烟煤计算工况中，两个切圆在高温区出现合并现象，随着截面Y坐标的提升而有所增加。烟煤合并现象出现在高温区。其余无烟煤的挥发成分要少于烟煤，固定碳较多。煤粉受热分解后生成挥发成分及焦炭。挥发砌体可与锅炉中螺旋上升的气流共同流动，焦炭因自身重力和离心作用于切圆中心远离。所以无烟煤工况下出现了炉膛分布不均的问题。炉膛中部高温区可能出现水冷壁爆管问题，故而烟煤可形成规则的双切圆，在炉膛中部出现高温区域。
（2）不同煤种纵向和横向截面上的温度分布
比较X=8m截面的两种工况温度云图后发现，两个云图中的锅炉燃烧器下方折焰角区域，等温线为倒“V”型。可延伸至锅炉燃烧区域螺旋上升气流的中心处。主要原因是燃烧器喷出的一次风和二次风在燃烧器内形成了方向上升螺旋气流，螺旋上升的气流中心内也形成了低压区，而在冷灰斗区域则出现了高压区。受压力影响，冷灰斗区域的低温气流流入螺旋上升气流的中心区，从而出现了低温区。
两种计算工况在燃烧器上方区域的等温线为“M”型，如水平高度超过55m，烟煤工况及无烟煤工况的温度云图存在差异，烟煤工况等温线上端合并趋势明显，随着高度发生变化，无烟煤工况的变化并不明显。Y=55m时为炉膛折焰角下边缘，如螺旋上升至折焰角，则流场发生明显变化。此外，烟煤中的挥发成分较多，固定碳含量随之减少。因此，流场运动中惯性作用较弱，更易受炉膛内气流的影响。 3.2炉膛高度方向平均温度及沿程温度变化分析
烟煤和无烟煤工况的截面平均温度沿炉膛高度方向变化趋势基本一致。炉膛高度为8m-15m，处于锅炉冷灰斗区域，烟煤的温度较无烟煤温度高。炉膛高度为15m-22m时。两种工况平均温度大体相同，升温速度较快。炉膛高度为22m-25m时，两种工况温度升高速度明显降低。此时，截面的平均温度接近最高温度，螺旋上升的气流中心形成了低压区，受压力影响，冷灰斗区域低温气流流入螺旋上升气流中心，抑制了温度上升趋势。炉膛高度为25m-40m时是锅炉燃烧器所在区域，两种工况的平均温度均为最高温度，燃烧器煤粉喷口及二次风喷口相间分布，截面平均溫度也会频繁变化。如炉膛高度超过40m，则二者温度均有所下降，但是烟煤截面的平均温度依然高于无烟煤截面。
炉膛高度为20m-43m，无烟煤在燃烧器区域出现高温区合并，所以无烟煤在炉膛中心线位置的温度高于烟煤的温度，且无烟煤沿程温度较烟煤低。当炉膛高度在20-40m之间时，烟煤工况及无烟煤工况炉膛的截面平均温差明显，结合图4可推测无烟煤工况在炉膛中心位置生成高温区域，且温度不均。
4不同煤粉工况下的浓度场分析
一次风雨煤粉共同喷入到炉膛当中，一次缝中的氧气与煤粉反应便可生成CO2，二次风中的O2可与气流共同流动。于二次风喷口截面出呈双切圆分布，两个水平截面中双切圆外部区域的氧气浓度处于较低水平。这是因为煤粉与氧气反应后生成二氧化碳，故而水平截面双切圆外部区域二氧化碳浓度较高。处于切圆圆周上的氧气会随着气流螺旋上升，可与燃料继续反应，降低了浓度。所以炉膛上部的氧气浓度较低，二氧化碳浓度随之升高，反应中也可生成CO，但是炉膛中的CO浓度较低，这是因为氧气中的煤粉含量较少。下图为CO的分布区域图。
5结语
煤炭资源是社会发展和经济建设中的重要资源，而我国的煤炭资源现状不容乐观，需要发挥出煤炭资源最大利用价值。而燃煤锅炉催化燃烧是促使煤炭充分燃烧，增大煤炭资源利用率的有效措施。因此，研究燃煤锅炉催化燃烧数值模拟具有重要意义。
参考文献：
[1]王东风，李应保.1000MW燃煤锅炉低氮燃烧的数值模拟与分析[J].华北电力大学学报（自然科学版），2018，45（2）.
[2]苏家庆.煤炭催化燃烧新技术调研报告[J].中国井矿盐，2020（2）.
（华润电力徐州华鑫发电有限公司，江苏 徐州 221166）