中心軸插式等離子體點(diǎn)火特性數(shù)值模擬

閆金山，徐琳淵，張 凱，李俊紅，馬元坤，秦 松，徐榮田，陳 亮

(1.航天神潔(寧夏)環(huán)?？萍加邢薰?，銀川 750011; 2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074; 3.神華國(guó)能寧夏煤電有限公司，銀川 750000)

中心軸插式等離子體點(diǎn)火特性數(shù)值模擬

閆金山1，徐琳淵1，張 凱1，李俊紅2，馬元坤3，秦 松3，徐榮田3，陳 亮3

(1.航天神潔(寧夏)環(huán)保科技有限公司，銀川 750011; 2.中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074; 3.神華國(guó)能寧夏煤電有限公司，銀川 750000)

以Fluent軟件為計(jì)算平臺(tái)，針對(duì)中心軸插式等離子體點(diǎn)火燃燒器內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)及點(diǎn)火特性進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算煤粉混合物在通過(guò)整個(gè)燃燒器時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)、著火過(guò)程成分變化和煤粉的燃盡率等，分析其點(diǎn)火燃燒器內(nèi)部的燃燒特征。分析了在給定來(lái)流條件下，不同等離子體噴槍功率下，點(diǎn)火煤粉燃燒器內(nèi)中心截面溫度分布；分析了點(diǎn)火煤粉燃燒器內(nèi)CO、O2和CO2的質(zhì)量濃度分布與溫度分布的關(guān)系。

等離子體點(diǎn)火；煤粉燃燒器；溫度分布；質(zhì)量濃度分布

0 引 言

我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中石油資源短缺，每年需要進(jìn)口大量石油，而隨著世界性的能源緊張，原油價(jià)格也在不斷上漲。大型工業(yè)煤粉鍋爐的點(diǎn)火和穩(wěn)燃傳統(tǒng)上大都是采用燃燒柴油或者重油來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火及低負(fù)荷穩(wěn)燃用油成為火力發(fā)電廠運(yùn)行的重要組成部分。因此，國(guó)務(wù)院在“十二·五節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃”的通知中明確指出加快推廣等離子體點(diǎn)火技術(shù)來(lái)替代石油的消耗，同時(shí)降低發(fā)電成本。

等離子體點(diǎn)火是借助等離子體發(fā)生器產(chǎn)生的高溫(4 000～10 000 K)等離子體來(lái)點(diǎn)燃煤粉的，屬內(nèi)燃型燃燒器，等離子體燃燒器在煤粉進(jìn)入燃燒器的初始階段就用高溫等離子體將煤粉點(diǎn)燃，煤粉在燃燒器內(nèi)分級(jí)點(diǎn)燃、火焰逐級(jí)放大，可在燃燒器噴嘴處形成3～10 m長(zhǎng)的火焰。由于煤粉在燃燒器內(nèi)部的燃燒是一個(gè)很復(fù)雜的物理、化學(xué)過(guò)程，必須掌握影響煤燃燒效率的諸因素，如顆粒尺寸分布、爐內(nèi)氣體和顆粒溫度、局部釋熱率與氧濃度、煤熱解與煤焦氧化反應(yīng)的化學(xué)動(dòng)力學(xué)參數(shù)以及煤本身的特性參數(shù)等。很顯然，完全依靠實(shí)驗(yàn)研究的方法不可能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述因素的全面掌握。解決問(wèn)題的有效途徑之一是將實(shí)驗(yàn)技術(shù)與近二、三十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的CFD技術(shù)和燃燒過(guò)程模擬技術(shù)相結(jié)合，用數(shù)值模擬的方法來(lái)選擇實(shí)驗(yàn)或者設(shè)計(jì)的最佳方案，可以使目標(biāo)更加明確，節(jié)省大量的人力、物力和財(cái)力。

1 數(shù)值模擬模型選擇與計(jì)算邊界條件

文中用數(shù)值仿真軟件Fluent對(duì)采用濃淡分離燃燒技術(shù)的等離子體點(diǎn)火特性進(jìn)行模擬，分析了內(nèi)燃式等離子體點(diǎn)火的燃燒特性。

等離子體點(diǎn)火燃燒器采用了濃淡分離分級(jí)燃燒結(jié)構(gòu)，將等離子體等效為高溫加熱區(qū)，如圖1所示。

圖1 中心軸插式等離子體點(diǎn)火燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 數(shù)值模擬采用的計(jì)算模型

燃燒器內(nèi)煤粉燃燒是個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題。涉及的主要物理化學(xué)現(xiàn)象包括氣相湍流、固體煤粉顆粒隨機(jī)運(yùn)動(dòng)、氣流和煤粉顆粒的相間耦合作用、顆粒和顆粒之間的相互作用、煤粉顆粒的變化(蒸發(fā)、擴(kuò)散、揮發(fā)分析出、焦炭燃燒、灰渣形成)和爐內(nèi)輻射傳熱等等。

針對(duì)上述各種復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，采用不同的數(shù)學(xué)子模型進(jìn)行模擬。采用非耦合方式求解，壓力對(duì)速度的修正選用SIMPLE半隱格式壓力關(guān)聯(lián)方程算法；氣相湍流流動(dòng)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；揮發(fā)分析出采用雙方程模型；焦炭燃燒為擴(kuò)散-動(dòng)力學(xué)模型；顆粒在燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)采用拉格朗日離散模型；顆粒的湍流擴(kuò)散為隨機(jī)軌道模型；湍流化學(xué)反應(yīng)采用Two-mixture-fraction/PDF模型，輻射傳熱采用P-1模型。

1.2 采用的基本方程

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

能量方程：

(3)

狀態(tài)方程：

(4)

keff=k+kT。

式中：Yj表示組分j的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。粘性系數(shù)μ是隨溫度T的變化而變化的，其取值利用工程上常用的蘇士蘭(Sutherland)公式得到：

1.3 燃燒器內(nèi)氣固兩相湍流流動(dòng)模型

煤粉燃燒過(guò)程是典型的氣固兩相湍流流動(dòng)和燃燒過(guò)程。為了準(zhǔn)確地模擬煤粉顆粒的揮發(fā)分析出、焦炭的燃燒過(guò)程等，必須確定煤粉顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。

燃燒器內(nèi)氣固兩相流為稀疏懸浮流，采用拉格朗日離散相模型(即DPM模型)計(jì)算顆粒在其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。煤粉噴入燃燒器后，經(jīng)過(guò)濃淡分離裝置后，被等離子體區(qū)域的高溫氣流加熱，隨后揮發(fā)分析出，燃燒，接著焦炭著火燃燒。對(duì)煤粉顆粒反應(yīng)過(guò)程的恰當(dāng)描述需要對(duì)煤粉顆粒所經(jīng)歷的每一個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬的同時(shí)考慮湍流脈動(dòng)對(duì)顆粒運(yùn)動(dòng)的影響。

煤粉顆粒質(zhì)量方程：

(7)

利用該方程所得到的質(zhì)量變化M可以直接作為連續(xù)性方程中的源項(xiàng)。即：

煤粉顆粒能量方程：

(8)

[(mphp)out-(mphp)in]

煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)方程：

(9)

式中：FD(ui-upi)為顆粒單位質(zhì)量上的阻力,其中：

(10)

阻力系數(shù)CD采用 Morsi and Alexander給出的形式：

Fxi為附加力，對(duì)于各種不同研究對(duì)象，它可以包括重力、虛假質(zhì)量力、Magnus力、Saffman力、Basset力以及熱泳力、電泳力、光泳力等。文中不考慮上述各種力的影響。因此作為連續(xù)相動(dòng)量方程中源項(xiàng)的表達(dá)式：

1.4 數(shù)值模擬給定的計(jì)算邊界條件

氣相入口：給定氣流速度、溫度和湍流參數(shù)。

氣相出口：壓力邊界條件。

固相：離散相模型(DPM)給定質(zhì)量流量、溫度。進(jìn)口和出口都設(shè)置為逃逸邊界條件，即顆粒如果因回流到達(dá)這個(gè)面，則認(rèn)為顆粒將脫離這個(gè)邊界面，而不再返回計(jì)算域。

2 等離子體點(diǎn)火特性數(shù)值模擬

2.1 等離子體點(diǎn)火燃燒器描述

等離子體點(diǎn)火燃燒器三維計(jì)算域如圖2所示，等離子體點(diǎn)火燃燒器一次風(fēng)管道直徑為420 mm，燃燒器分為內(nèi)層燃燒室和外層燃燒室兩部分，等離子體噴槍外徑為120 mm，內(nèi)層燃燒室直徑為280 mm，等離子體噴槍前端噴口與點(diǎn)火煤粉燃燒器的前端噴口距離為1 350 mm。為了使數(shù)值模擬盡量與實(shí)際情況相符，完全按照實(shí)際燃燒器尺寸建立模型，爐膛則視為一大空間的燃燒室。燃燒器入口處的風(fēng)粉混合物速度均勻分布，速度為U，粉風(fēng)濃度為0.3 kg/kg；在燃燒器入口內(nèi)一段距離處安裝的等離子體加熱裝置，將其設(shè)定為等效加熱區(qū)，加熱功率為1.8E+8J/m3，并且為了提高點(diǎn)火效果，在入口和等離子體噴槍中間設(shè)計(jì)安裝了煤粉濃縮裝置。

入口煤粉風(fēng)速一般為18～25 m/s，文中以25 m/s的風(fēng)速為例，按照實(shí)際情況采用的壁面條件：固壁，無(wú)滑移，內(nèi)腔和燃燒器外壁根據(jù)實(shí)際條件設(shè)定為等壁溫，其他壁面絕熱，取進(jìn)口空氣煤粉混合物的溫度為350 K。

本數(shù)值模擬中所用煤粉的煤質(zhì)分析見(jiàn)表1。

表1 煤粉的煤質(zhì)分析元素分析(%)工業(yè)分析低位發(fā)熱量

假設(shè)煤粉粒子直徑符合羅森分布，給出最小粒子直徑為15 um，最大粒子直徑200 um，平均粒子直徑131 um，分布指數(shù)4.52。

本數(shù)值模擬中所用煤粉的粒徑分布見(jiàn)表2。

表2 煤粉的粒徑分布粒徑分布

燃燒計(jì)算中，爐內(nèi)氣體的輻射吸收系數(shù)和散射系數(shù)分別按wsggm-cell-based和0m-1(認(rèn)為各向同性)計(jì)算。

2.2 數(shù)值模擬網(wǎng)格劃分

利用GAMBIT軟件對(duì)燃燒器及燃燒室進(jìn)行建模，并生成網(wǎng)格，如圖2所示。

圖2 燃燒器及燃燒室網(wǎng)格示意圖

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 煤粉濃縮器模擬結(jié)果分析

根據(jù)邊界條件給定，給出顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡圖，如圖3所示。

圖3 煤粉粒子運(yùn)動(dòng)軌跡圖

圖4 煤粉粒子運(yùn)動(dòng)軌跡局部放大圖

從圖3與圖4可以看出，氣流攜帶煤粉粒子經(jīng)過(guò)濃淡分離器時(shí)，由于密度大的煤粉粒子具有相對(duì)高的動(dòng)量，具有沿直線運(yùn)動(dòng)的特性?？諝饩哂休^低的動(dòng)量，慣性小，通過(guò)煤粉粒子和空氣的動(dòng)量的差異，密度大的煤粉粒子聚向等離子體區(qū)域，經(jīng)過(guò)分離裝置后，在等離子體附近出現(xiàn)明顯的分布峰值區(qū)域，形成高濃度區(qū)域，而在偏離該等效區(qū)的地方，形成低濃度、細(xì)煤粉分布區(qū)域。

根據(jù)燃燒理論分析，采用濃淡分離裝置時(shí)，濃煤粉氣流流向等離子體區(qū)，形成了高溫度、高濃度和煤粉與氧高度混合的有利于著火的“三高區(qū)”，同時(shí)增加了燃燒器內(nèi)火焰的黑度和輻射吸熱量，使所需著火熱減小、著火時(shí)間短并提高了火焰?zhèn)鞑ニ俣?，因而能夠改善火焰的穩(wěn)定性；再則，淡煤粉氣流偏離加熱區(qū)，溫度較低，易形成氧化氣氛，這對(duì)防止燃燒器內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕有利。

3.2 燃燒器內(nèi)燃燒過(guò)程

圖5為燃燒器中心縱截面溫度場(chǎng)整體分布和中心軸線上溫度特性曲線。從圖中可以看出，由于受到等離子體的高溫?zé)峄瘜W(xué)作用，風(fēng)粉混合物溫度逐漸升高。燃燒發(fā)生位置接近等離子體附近，整個(gè)燃燒器內(nèi)部燃燒比較劇烈，密度較高的風(fēng)粉流著火后，迅速將熱量傳遞給周圍環(huán)境。這是由于含粉氣流的顯熱被煤粉水分吸收并氣化，帶走大量熱量；同時(shí)，煤粉揮發(fā)分的析出，以及加熱灰分、固定碳等也都是一個(gè)吸熱過(guò)程。這些因素的綜合作用削弱了混合物溫度增加的趨勢(shì)(如圖5所示)。形成的高溫火焰主要通過(guò)對(duì)流、輻射方式向外圍、徑向四周的大量煤粉空氣混合物釋放熱量；此時(shí)，外圍煤粉著火消耗大量氧氣，等離子體后煤粉形成局部缺氧區(qū)，碳燃燒受到抑制。

為了更詳細(xì)的分析燃燒器內(nèi)的燃燒過(guò)程，圖7給出了給定壁面條件下燃燒器各個(gè)截面組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)特性線。圖中橫坐標(biāo)意義表示截面標(biāo)號(hào)：

圖5 中心縱截面(整體)溫度等值線圖

圖6 燃燒器中心軸線上溫度特性曲線

將燃燒器與燃燒室沿X正向分成20個(gè)截面(Z=613、713、813、913、1 013、1 213、1 413、1 613、1 813、2 103、2 413、2 813、3 213、3 813、4 513、5 513、6 513、7 513、8 513、9 133，單位：mm)。從圖中可以看出，O2量的迅速減少和其它各量的增加說(shuō)明燃燒發(fā)生在等離子體之后不遠(yuǎn)距離處，消耗大量煤粉和氧氣，由于燃燒中心處于缺氧狀態(tài)，所以在開始時(shí)CO含量較高。

圖7 等離子體功率為120 kW時(shí)的組分含量特性線

3.3 點(diǎn)火燃燒過(guò)程中燃燒成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖8～圖11分別為燃燒器中心縱截面上CO2、CO、H2O和O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線分布。

圖8 中心縱截面(整體)CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖

圖9 中心縱截面(整體)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖

圖10 中心縱截面(整體)H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖

圖11 中心縱截面(整體)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線圖

從以上4個(gè)圖中可以看出，對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)條件下，燃燒器內(nèi)各組成成分與溫度具有密切的關(guān)系，溫度高的部分CO2和H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量較高，而CO和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，同時(shí)燃燒器內(nèi)層燃燒室外側(cè)環(huán)路中的二次風(fēng)粉流起到了補(bǔ)燃作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合等離子體點(diǎn)火燃燒器的燃燒特點(diǎn)， 采用CFD商用軟件FLUENT針對(duì)設(shè)計(jì)條件下燃燒器內(nèi)部三維湍流流場(chǎng)進(jìn)行點(diǎn)火特性數(shù)值模擬，計(jì)算了一次風(fēng)粉混合物在通過(guò)整個(gè)燃燒器時(shí)內(nèi)部溫度場(chǎng)、著火過(guò)程成分變化等。結(jié)果表明：

(1)一定數(shù)量的煤粉在燃燒器內(nèi)部受等離子體高溫?zé)峄瘜W(xué)作用后，在離開等離子體點(diǎn)火區(qū)一定距離的部位首先著火。

(2)在設(shè)計(jì)來(lái)流條件和壁面條件下，燃燒器內(nèi)CO2、CO、H2O、O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溫度分布有很大關(guān)系，高溫區(qū)對(duì)應(yīng)著高的CO2和H2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量和低的CO和O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)含量。

通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)等離子體點(diǎn)火煤粉燃燒器的內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行研究，通過(guò)計(jì)算網(wǎng)格劃分、數(shù)值求解模型的選用、數(shù)值求解結(jié)果等方面對(duì)在設(shè)計(jì)條件下中心軸插式等離子體點(diǎn)火特性進(jìn)行了過(guò)程模擬，為中心軸插式等離子體點(diǎn)火在工程過(guò)程中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

[1] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學(xué)[M]. 西安:西安交通大學(xué)出版社，1988.

[2] 周力行，陳文芳，林文漪. 湍流氣粒兩相流動(dòng)和燃燒的理論與數(shù)值模擬[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1994.

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[4] CFD research corporation. CFD-Fluent theory manual-version12.0. 2011.

Numerical Simulation of Center Type Plasma Ignition Characteristics

Yan Jin-shan1, XU Lin-yuan1, ZHANG Kai1, LI Jun-hong2, MA Yuan-kun3, QIN Song3, XU Rong-tian3, CHEN Liang3

(1. HTSJ, Yinchuan 750011, China; 2. CAAA, Beijing 100074, China; 3. SHGN Yinchuan 750000, China)

Taking Fluent software as a calculation platform, according to the center shaft inserted type plasma ignition burner and interior of 3D turbulent flow field numerical simulation of ignition characteristics, calculation of pulverized coal in the burner through the internal temperature field of the ignition process, composition changes and the burnout rate of the coal powder etc., analyzes the characteristics of internal ignition combustion burner. It analyzes in a given flow conditions, different plasma spray gun power, igniting pulverized coal burner in the center section temperature distribution; analysis of the relationship between the distribution of mass concentration of CO, O2and CO2of ignition in pulverized coal burner and temperature distribution.

Plasma ignition; Pulverized coal burner; Temperature distribution; Concentration distribution

2014-09-15

2014-11-09

閆金山(1978-)，男，航天神潔(寧夏)環(huán)?？萍加邢薰?，高級(jí)工程師，主要研究方向煤粉鍋爐氣動(dòng)霧化微油點(diǎn)火，等離子體無(wú)油點(diǎn)火，燃燒過(guò)程數(shù)值模擬與應(yīng)用。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.003

TK229.5

B

1009-3230(2014)12-0008-06