鍋爐內(nèi)煤粉燃燒數(shù)值模擬研究

孫竹瑋 劉月軍

(1.山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長治 046021；2.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012100)

鍋爐內(nèi)煤粉燃燒數(shù)值模擬研究

孫竹瑋1劉月軍2

(1.山西漳山發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 長治 046021；2.內(nèi)蒙古京隆發(fā)電有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012100)

首先利用商業(yè)軟件FLUENT建立了高爐內(nèi)回旋區(qū)煤粉燃燒三維數(shù)學(xué)模型，隨后分析了煤粉燃燒過程的速度場、顆粒軌跡，最后從不同煤比和不同富氧率2個方面對煤粉燃燒過程進(jìn)行了研究，對今后高爐運(yùn)行過程中怎樣調(diào)整有十分重要的借鑒意義。

高爐；煤粉；軌跡；速度場

0 引言

總結(jié)前人的工作可以發(fā)現(xiàn)，其注意力大多集中在高爐數(shù)模上，很明顯，建立一個風(fēng)口回旋區(qū)的數(shù)學(xué)模型是很重要的，操作者們用它可直接進(jìn)行有效的操作。但是，由于回旋區(qū)內(nèi)部存在多組分氣體、固體焦炭、液態(tài)爐渣、鐵水之間復(fù)雜的耦合力學(xué)過程和化學(xué)反應(yīng)過程，目前仍沒有形成嚴(yán)格的風(fēng)口回旋區(qū)理論[1]。

煤粉隨著高速、高溫空氣進(jìn)入風(fēng)口，并發(fā)生一系列的物理、化學(xué)變化，對高爐下部的煤氣分布有著極為重要的影響[2]。采用全高爐進(jìn)行實驗不太現(xiàn)實，但是運(yùn)用數(shù)值模擬的方法就可以很方便、較為準(zhǔn)確地反映高爐內(nèi)煤粉運(yùn)動狀況。

1 物理模型的建立

高爐回旋區(qū)內(nèi)部的物理、化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，按照典型的回旋區(qū)理論對回旋區(qū)進(jìn)行簡化：(1) 考慮煤粉在直吹管內(nèi)與高速空氣的動量交換。(2) 對2 200 m3的高爐爐腹和爐腰建模，并按照28個風(fēng)口取其1/28，得到的幾何空間為計算區(qū)域。(3) 回旋區(qū)內(nèi)部認(rèn)為是空腔，出口區(qū)域用多孔介質(zhì)模擬焦炭和爐料組成的邊緣環(huán)境。認(rèn)為多孔介質(zhì)只起阻力作用，并不參加反應(yīng)。(4) 忽略焦炭和爐料下降對回旋區(qū)的影響，僅僅考慮回旋區(qū)內(nèi)煤粉顆粒和高速空氣之間的相互作用。(5) 將煤粉看作離散相，忽略顆粒之間的碰撞、顆粒體積分?jǐn)?shù)對連續(xù)相的影響。同時考慮顆粒之間、顆粒與連續(xù)相之間的輻射。

根據(jù)以上假設(shè)建立物理模型。

2 幾何模型的建立

本研究當(dāng)中考慮直吹管內(nèi)高溫空氣對煤粉燃燒的影響，直吹管采用包鋼四號高爐的直吹管尺寸大小。

近幾年來，人們均采用這樣那樣的經(jīng)驗公式來得到回旋區(qū)深度、高度，有的認(rèn)為根據(jù)回旋區(qū)的深度、高度和寬度得到長方體形的回旋區(qū)形狀，也有的認(rèn)為是由深度和高度為長短軸的橢球，也有的直接認(rèn)為是一個球體等等。同時通過實驗和數(shù)值模擬的方法致力于修正這樣的經(jīng)驗公式，給出新的回旋區(qū)理論。經(jīng)驗公式給出的數(shù)據(jù)僅僅局限于一個回旋區(qū)深度和高度，不能完全描述回旋區(qū)的實際形狀，得到的幾何體會對流場以及燃燒過程產(chǎn)生很大影響，造成對回旋區(qū)反應(yīng)過程的誤解。因此，我們按照實際高爐本體的爐腹和爐腰1∶1建模，按照28個風(fēng)口取其1/28。

回旋區(qū)數(shù)值模擬均與實際生產(chǎn)高爐本體比例為1∶1。通過FLUENT的前處理模塊GAMBIT提供高質(zhì)量網(wǎng)格[3]。網(wǎng)格單元均采用非結(jié)構(gòu)化六面體，網(wǎng)格數(shù)為72 699個，在網(wǎng)格生成后輸出msh文件，即可導(dǎo)入FLUENT進(jìn)行計算。GAMBIT的網(wǎng)格優(yōu)化與自適應(yīng)具有獨(dú)特的自適應(yīng)網(wǎng)格自動劃分模塊，可根據(jù)迭代求解計算狀態(tài)對網(wǎng)格進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，隨時優(yōu)化網(wǎng)格。

3 建立數(shù)學(xué)模型

采用非預(yù)混燃燒模型，用Realizable κ-ε紊流模型模擬氣相湍流運(yùn)動，對固體顆粒相的求解采用隨機(jī)顆粒軌道模型，用P-1輻射模型計算輻射傳熱，對煤粉揮發(fā)分釋放采用雙匹配速率模型，對焦炭的燃燒采用動力學(xué)/有限擴(kuò)散速度模型來模擬。

4 計算工況及邊界條件

4.1 計算工況

工況數(shù)據(jù)采用包鋼四號高爐噴煤參數(shù)：風(fēng)口直徑為0.12 m，風(fēng)壓為0.35 MPa，風(fēng)口數(shù)為28個，富氧率為1%、3%、5%，噴煤量為150 kg/t、送風(fēng)量為4 200 m3/min。

4.2 邊界條件

煤粉顆粒以平面方式從一次風(fēng)口噴入爐膛，速度與一次風(fēng)相同。煤粉顆粒的粒徑范圍為70～200 μm，粒徑分布滿足羅辛—拉姆勒分布公式。各次風(fēng)口的速度邊界條件采用方便定義旋轉(zhuǎn)速度的構(gòu)成方式。水冷壁熱邊界條件定水冷壁面溫度為550 ℃。計算域上邊界采用壁面應(yīng)力為0的壁面邊界條件，熱邊界條件熱流為0。出口采用表壓力為0的壓力邊界條件。

5 分析

為了研究富氧率對回旋區(qū)煤粉運(yùn)動軌跡的影響，在風(fēng)溫為1 200 ℃，煤比為150 kg/t，富氧率分別為1%、3%、5%的情況下，分析回旋區(qū)內(nèi)煤粉運(yùn)動過程，得到的結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 速度場

圖2 粒子軌跡

由圖1、圖2可見，高溫空氣進(jìn)入回旋區(qū)以后，和前面的情況相似，仍然是突擴(kuò)受限射流，由于浮力作用，高溫空氣出現(xiàn)斜向上流動，有一部分如靠近爐膛中心的高速氣流從頂部流出，另一部分則在回旋區(qū)上部形成一個較大的漩渦，漩渦中心的速度非常的小，并且在回旋區(qū)內(nèi)回旋一段時間流出。同時我們發(fā)現(xiàn)在回旋區(qū)下部有一個小的漩渦。

比較速度場圖、粒子軌跡圖可以看出，在230 m/s的高速鼓風(fēng)下，高速氣體沿著風(fēng)口中心線高速運(yùn)動，并在高爐中心區(qū)域迅速向上運(yùn)動，速度均在50 m/s左右。這樣形成一個由風(fēng)口前高速氣體和爐膛中心向上運(yùn)動氣體形成的主流氣體速度。2種工況下氣體的最大速度均出現(xiàn)在鼓風(fēng)入口處，最大速度值分別為：富氧1%時，最大速度為310 m/s；富氧3%時，最大速度為313 m/s；富氧5%時，最大速度為311 m/s。2種情況下形成的大漩渦的速度也比較小，速度值均在30 m/s左右。由此可見，煤粉顆粒運(yùn)動過程中氣體的運(yùn)動速度隨著富氧率的增加而有所增加。

煤粉進(jìn)入回旋區(qū)以后，大部分煤粉仍然是隨著高速氣體向出口處運(yùn)動，在出口處逃逸，這部分煤粉往往由于在回旋區(qū)內(nèi)停留時間短，燃燒不夠充分。只有靠近上下2個漩渦的少數(shù)顆粒才會被卷席進(jìn)入漩渦，并隨著氣流運(yùn)動。

圖1、圖2中煤粉速度場和粒子軌跡也略有些不同，富氧率為1%時，卷入漩渦的煤粉顆粒最多，其次為富氧5%時，富氧3%時最少。

6 結(jié)論

(1) 噴煤量對煤粉顆粒運(yùn)動過程中氣體的運(yùn)動速度影響比較明顯，但是對漩渦內(nèi)的氣體速度影響不是很明顯。

(2) 煤粉顆粒運(yùn)動過程中氣體的運(yùn)動速度隨著富氧率的增加而有所增加，但是卷入漩渦的煤粉顆粒并不是隨著富氧率的增加而增加。卷入漩渦的顆粒越多，越有利于煤粉的燃燒。因此，富氧率對煤粉燃燒過程的有利影響隨著富氧率的增加出現(xiàn)拐點，表明富氧率應(yīng)該維持在一個合適的水平，并不是越高越好。

[1]楊天均，蒼大強(qiáng)，丁玉龍.高爐富氧煤粉噴吹[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996

[2]楊天鈞，徐金梧.高爐冶煉過程控制模型[M].北京：科學(xué)出版社，1995

[3]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數(shù)值模擬[M].北京：清華大學(xué)出版社，1991

2014-06-12

孫竹瑋(1984—)，男，山西神池人，助理工程師，研究方向：鍋爐燃燒調(diào)整、電廠節(jié)能。