一次風(fēng)速對預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器性能的影響

張 旭 芳

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013；3.國家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤粉工業(yè)鍋爐承擔(dān)著我國大部分地區(qū)工業(yè)用蒸汽及居民采暖的重任。據(jù)統(tǒng)計，我國目前使用的工業(yè)鍋爐數(shù)量約60余萬臺，其中80%以上均為燃煤鍋爐。煤粉工業(yè)鍋爐具有燃燒效率高、污染物排放水平低的優(yōu)勢，逐漸淘汰了落后的燃煤鏈條爐，成為工業(yè)鍋爐的“主力軍”[1-2]。煤粉燃燒器是煤粉工業(yè)鍋爐燃燒組織的核心設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計及運行參數(shù)對于煤粉穩(wěn)定燃燒和高效燃盡具有重要的意義[3-4]。

由于煤質(zhì)及運行負荷的變化，煤粉工業(yè)鍋爐易出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)定的問題。為了強化煤粉燃燒火焰穩(wěn)定性，預(yù)燃室式煤粉燃燒器被廣泛研究并投入生產(chǎn)實踐中，目前已取得良好的穩(wěn)燃效果。由煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司研發(fā)的雙錐逆噴旋流煤粉燃燒器具有濃相供粉、點火迅速、燃燒效率高的特點，已經(jīng)成功應(yīng)用于多種容量的煤粉工業(yè)鍋爐，獲得了較好的經(jīng)濟效益[5-6]；雙錐逆噴旋流煤粉燃燒器由一次風(fēng)管、點火器、回流帽、穩(wěn)燃腔以及加速腔構(gòu)成[7-8]。清華大學(xué)開發(fā)了1款煤粉濃縮預(yù)熱低NOx燃燒器(簡稱PRP)，通過卷吸爐內(nèi)高溫?zé)煔馐節(jié)饷悍蹥饬鬟M入爐膛前被加熱至接近著火點的高溫狀態(tài)，同時保證燃燒前期處于還原性氣氛，實現(xiàn)了與傳統(tǒng)高溫空氣燃燒同等的氮氧化物排放水平。預(yù)熱室是PRP燃燒器的關(guān)鍵部件，由于偏心的高速濃粉氣流引射作用，預(yù)熱室上部空間壓力小于爐膛，造成爐內(nèi)熱煙氣回流至預(yù)熱室內(nèi)，使得流經(jīng)預(yù)熱室的濃相煤粉氣流與熱煙氣強烈混合后迅速升溫，實現(xiàn)煤粉的迅速升溫及穩(wěn)定著火。張海等[9]在12 MW試驗鍋爐上研究了旋流式PRP燃燒器的穩(wěn)燃性能，燃燒器燃煤量為1 310 kg/h，一次風(fēng)溫90 ℃～175 ℃，研究結(jié)果表明，一次風(fēng)速為20 m/s時則預(yù)熱室內(nèi)升溫速率約為24 000 ℃/s，很好地實現(xiàn)了煤粉氣流的快速升溫，大幅改善低揮發(fā)煤著火穩(wěn)燃特性。朱霖等[10]提出了1種適用于煤粉工業(yè)鍋爐的預(yù)燃室式燃燒器，該燃燒器預(yù)燃室結(jié)構(gòu)與上述清華大學(xué)開發(fā)的燃燒器較為相似，不同點在于該燃燒器一次風(fēng)采用直流，且在一次風(fēng)管口設(shè)置有1個圓錐形鈍體用于穩(wěn)定火焰，冷態(tài)實驗及熱態(tài)工業(yè)試驗均驗證了該燃燒器良好的火焰穩(wěn)定特性。王進卿等[11]采用數(shù)值計算軟件對1種新開發(fā)的采用鈍體的預(yù)燃室燃燒器進行數(shù)值計算，針對一次風(fēng)速、二次風(fēng)速以及二次風(fēng)旋流強度等對回流強度的影響進行研究。煤粉工業(yè)鍋爐大多采用中儲式煤粉供料系統(tǒng)，一次風(fēng)中煤粉濃度可調(diào)，對于縮短著火時間、適應(yīng)不同煤種的穩(wěn)定燃燒具有重要的作用。煤粉濃度越高煤粉著火所需的點火熱低，但風(fēng)粉混合以及燃盡性能會變差，因此存在1個較佳的一次風(fēng)速，其對于煤粉工業(yè)鍋爐的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行至關(guān)重要[12-14]。一次風(fēng)動量過大或過小都不利于煤粉在預(yù)燃室內(nèi)穩(wěn)定著火及高效燃燒；另外，一次風(fēng)動量過大還可能破壞預(yù)燃室內(nèi)形成的回流區(qū)，降低旋流火焰穩(wěn)定性。

以下詳細介紹以預(yù)燃室式煤粉燃燒器為基礎(chǔ)而新設(shè)計的1款預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器，并針對其相應(yīng)的數(shù)值計算進行分析，通過改變一次風(fēng)速以分析預(yù)燃室內(nèi)流場、溫度及組分濃度場，探究一次風(fēng)動量對預(yù)燃室式燃燒器內(nèi)流場以及燃燒特性的影響，對于揭示中心給粉預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器一次風(fēng)風(fēng)速對空氣動力場和燃燒性能的影響具有一定的積極意義。

1 燃燒器結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分

預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒器的工作原理簡述如下：煤粉空氣混合物由一次風(fēng)管1進入；二次風(fēng)由風(fēng)道2進入，經(jīng)過軸向葉片3進入圓錐形預(yù)燃室前腔4；三次風(fēng)由三次風(fēng)入口5處進入圓筒形預(yù)燃室6，燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣由預(yù)燃室出口7噴入爐膛。

圖1 預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器結(jié)構(gòu)

預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器的設(shè)計思路：二次風(fēng)進口處圓錐形進口端蓋的存在，使得受限的旋流二次風(fēng)被引向圓筒形預(yù)燃室邊壁，從而在預(yù)燃室中央形成1個較大的回流區(qū)；同時，合理的一次風(fēng)粉噴射速度確保了煤粉在預(yù)燃室內(nèi)受熱著火階段的停留時間，同時，大量的高溫?zé)煔庥肯蛞淮物L(fēng)粉的根部，一次風(fēng)粉直接進入回流區(qū)核心區(qū)域與高溫?zé)煔饣旌?，使得煤粉著火穩(wěn)定性大幅增強。

為了探究一次風(fēng)速對該燃燒器預(yù)燃室內(nèi)氣流動力場特性及燃燒性能的影響，建立了1∶1燃燒器結(jié)構(gòu)模型，并采用ICEM軟件對其進行網(wǎng)格劃分。預(yù)燃室式煤粉旋流燃燒器的物理結(jié)構(gòu)模型及對應(yīng)的計算域網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 燃燒器的物理結(jié)構(gòu)模型及計算域網(wǎng)格劃分示意

2 煤粉燃燒計算模型及網(wǎng)格無關(guān)性驗證

煤粉燃燒過程伴隨著強烈的質(zhì)量傳遞、能量傳遞、動量傳遞及復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)。數(shù)值計算作為1種重要的研究煤粉燃燒的方法，已得到廣泛的應(yīng)用。煤粉燃燒數(shù)值計算需要確定合適的計算模型，主要包括煤粉燃燒數(shù)學(xué)模型和煤粉燃燒化學(xué)反應(yīng)模型。

2.1 煤粉燃燒數(shù)學(xué)模型

流體流動過程在歐拉坐標(biāo)系下進行求解。連續(xù)相方程為質(zhì)量、動量、能量的連續(xù)性方程和時間均值的納維斯托克斯方程。同時，在連續(xù)相方程中添加組分輸運方程以求解反應(yīng)流。

湍流數(shù)值模擬可以分為直接數(shù)值模擬和非直接數(shù)值模擬，其中直接數(shù)值模擬對計算機要求很高，且運算量大、成本高，很少被采用。非直接數(shù)值模擬方法被廣泛使用，其中以大渦模擬方法和雷諾平均模擬方法為典型代表[15]。此次研究采用Realizablek-ε雙方程湍流模型。

基于FLUENT模擬軟件，當(dāng)光學(xué)深度>1，可選用P1和Rossland模型。P1模型被證明適合用于顆粒燃料燃燒時遠離火焰周邊的研究，計算效率較高。因此筆者選擇P1輻射模型，煤粉顆粒使用隨機顆粒軌道模型進行模擬。

2.2 煤粉燃燒化學(xué)反應(yīng)模型

煤粉燃燒均相反應(yīng)在高溫、高速的湍流化學(xué)反應(yīng)條件下，此次選擇組分輸運模型(Species Transport Model)研究燃燒器及爐膛內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過程。組分輸運模型主要包括渦耗散模型(Eddy-dissipation model)、有限速率模型(Finite Rate Kinetic Model)、有限速率/渦耗散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation Model)3種化學(xué)反應(yīng)模型。其中，渦耗散模型假設(shè)氣相化學(xué)反應(yīng)時間尺度遠小于湍流作用下氣相物質(zhì)之間的混合時間尺度，認為氣相化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)控制步驟為擴散；有限速率模型考慮溫度對化學(xué)反應(yīng)的影響，但忽略湍流對化學(xué)反應(yīng)的影響；有限速率/渦耗散模型分別基于層流有限速率模型和渦耗散模型發(fā)展而來。該模型按實際情況，對比分別由有限速率和渦耗散計算而得的2個反應(yīng)速率，選用小者作為反應(yīng)速率。基于此，此次研究采用組分輸運模型計算化學(xué)反應(yīng)過程，揮發(fā)份析出時為雙反應(yīng)競爭模型，揮發(fā)份燃燒時的氣相反應(yīng)采用有限速率/渦耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation Model)。

2.3 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對計算結(jié)果的影響，須開展網(wǎng)格無關(guān)性驗證，將網(wǎng)格數(shù)量劃分為10萬、30萬以及60萬3種網(wǎng)格。開展冷態(tài)數(shù)值計算檢驗的方法，得到不同網(wǎng)格數(shù)量下燃燒器中心軸線上20個監(jiān)測點上的速度分布結(jié)果，如圖3所示。結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)量大于30萬后，燃燒器中心軸線上速度分布趨勢保持不變。因此，同時兼顧計算精度和計算效率，選用數(shù)量為30萬的網(wǎng)格開展數(shù)值計算。

記憶中，在我4歲那年，由中國國際電視總公司出品了一部41集古裝神話劇——改編自明代小說家吳承恩同名文學(xué)古典名著《西游記》。1986年春節(jié)一經(jīng)播出便轟動全國，可謂老少皆宜，獲得了極高評價。至今仍是寒暑假期間被重播最多的電視劇之一，百看不厭，成為一部公認的、無法超越的經(jīng)典。該劇講述的是孫悟空、豬八戒、沙僧輔保大唐高僧玄奘(唐僧)去西天取經(jīng)的故事，師徒四人一路搶灘涉險，降妖伏怪，歷經(jīng)九九八十一難，取回真經(jīng)，終修成正果的故事。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)計算結(jié)果對比

3 數(shù)值模擬工況與煤質(zhì)參數(shù)

筆者數(shù)值模擬所采用的煤種與模型準確性驗證試驗中所使用的相同，所有模擬工況均在煤粉供料量為 700 kg/h的條件下。為了探究一次風(fēng)動量的影響，保持二次風(fēng)風(fēng)量、三次風(fēng)風(fēng)量以及二次風(fēng)旋流數(shù)不變，開展3個工況下的數(shù)值計算，工況主要參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬工況主要參數(shù)

筆者研究所使用的煤種為神木煙煤，其工業(yè)及元素分析等煤質(zhì)參數(shù)見表2。

表2 神木煙煤的煤質(zhì)分析結(jié)果

4 結(jié)果與討論

4.1 速度場分析

預(yù)燃室中心截面軸向速度(u)分布云圖如圖4所示，可知該燃燒器的流場特點如下：

圖4 當(dāng)一次風(fēng)速v=12.43 m/s時中心截面軸向速度分布云圖

(1)一次風(fēng)粉以直流形式噴入預(yù)燃室內(nèi)，在預(yù)燃室中心形成具有一定剛性的直流氣流；二次風(fēng)為旋轉(zhuǎn)氣流，旋流數(shù)為2.16，該值大于0.6，因此二次風(fēng)屬強旋流，在預(yù)燃室內(nèi)形成明顯的回流區(qū)。

(2)當(dāng)一次風(fēng)速v=12.43 m/s時，預(yù)燃室內(nèi)形成了1個較大的且為整體的中心回流區(qū)，當(dāng)一次風(fēng)速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，一次風(fēng)穿透原中心回流區(qū)，形成2個對稱的環(huán)形回流區(qū)，且一次風(fēng)速越大，將2個環(huán)形回流區(qū)“擠壓”的越?。?/p>

(3)三次風(fēng)以直流風(fēng)的形式緊貼預(yù)燃室壁面進入，在圓柱段預(yù)燃室壁面附近形成了1個高速的冷卻空氣層，可有效避免預(yù)燃室壁面高溫、沾污以及腐蝕的發(fā)生。

中心軸線上的軸向速度分布對比曲線如圖5所示。

圖5 中心軸線上的軸向速度分布

分析圖5可知，一次風(fēng)速v=12.43 m/s時，中心軸線上速度先基本保持不變，隨后逐漸下降，直至軸向距離為0.33 m時，軸向速度衰減為0，此時預(yù)燃室中心均為由旋流產(chǎn)生的“逆流”氣流，即進入回流區(qū)。而當(dāng)一次風(fēng)速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，在預(yù)燃室中心軸線上未出現(xiàn)軸向速度小于0的情況，即中心回流區(qū)被一次風(fēng)穿透而消逝。

預(yù)燃室中心截面的軸向速度矢量圖如圖6所示。對比預(yù)燃室內(nèi)不同一次風(fēng)速下的流場分布可知，一次風(fēng)速較小而未穿透中心回流區(qū)時，預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)的面積顯著大于其他2種情況，即隨著一次風(fēng)速增大，環(huán)形回流區(qū)向壁面附近有所移動；由于一次風(fēng)的風(fēng)速高、風(fēng)量大，導(dǎo)致一次風(fēng)粉的動量顯著增大，對環(huán)形回流區(qū)造成明顯的“擠壓”現(xiàn)象。

4.2 溫度場分析

預(yù)燃室中心截面上溫度分布云圖如圖7所示。由圖7可知，一次風(fēng)粉以常溫(300 K)噴入燃燒器中，其在預(yù)燃室內(nèi)經(jīng)歷了預(yù)熱、燃燒的過程，隨一次風(fēng)速增大至v=24.86 m/s時，預(yù)燃室內(nèi)中心高溫區(qū)徹底被一次風(fēng)穿透，形成了中心低、外側(cè)高的分布，且高溫區(qū)有向前移動的趨勢。

圖7 中心截面溫度分布云圖

中心軸線上溫度分布如圖8所示。

圖8 中心軸線上的溫度分布

分析圖8中心軸線上溫度分布曲線可知：v=12.43 m/s、中心軸線上x≤0.23 m時，溫度基本保持不變，隨后溫度迅速上升直至x=0.42 m時達到最高并基本保持不變。一次風(fēng)速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，隨著風(fēng)速增大，中心軸線上溫升更慢，且溫升速率也較低，最終預(yù)燃室燃燒器出口中心點上一次風(fēng)速越大溫度越低。主要由于隨著中心回流區(qū)的破壞，靠近中心軸線上的高溫回流煙氣占比降低，且一次風(fēng)粉動量越強，氣流剛性越大，極大地限制了一次風(fēng)粉與周圍煙氣的混合與對流傳熱，因此溫升速率低，溫度相對較低。

考察預(yù)燃室燃燒器出口平均溫度以及焦炭質(zhì)量流率，可以判斷煤粉在預(yù)燃室內(nèi)著火以及燃盡情況，數(shù)值計算結(jié)果見表3。由表3可知，3種不同的一次風(fēng)速下，預(yù)燃室出口截面平均溫度均大于1 200 K，可實現(xiàn)煤粉的穩(wěn)定著火。煤粉進入預(yù)燃室初始質(zhì)量流率是700 kg/h(即0.194 kg/s)，根據(jù)預(yù)燃室出口截面焦炭質(zhì)量流率推算焦炭轉(zhuǎn)化率，3種情況下焦炭的轉(zhuǎn)率均高于99.99%，煤粉在該預(yù)燃室式燃燒器內(nèi)可以實現(xiàn)高效燃燒。

表3 預(yù)燃室燃燒器的數(shù)值計算結(jié)果

4.3 組分場分析

預(yù)燃室內(nèi)組分分布可直觀地反映燃燒特性，通過對關(guān)鍵組分的分析對整體燃燒情況進行預(yù)測。預(yù)燃室中心截面揮發(fā)分質(zhì)量分數(shù)分布如圖9所示。

圖9 中心截面揮發(fā)分濃度分布圖(體積分數(shù)/%)

由圖9可知，隨一次風(fēng)速的增加，揮發(fā)分在預(yù)燃室內(nèi)分布區(qū)域出現(xiàn)逐漸后移，且高濃度區(qū)域面積逐漸增大的趨勢。一次風(fēng)速增大，一次風(fēng)與煤粉的預(yù)熱速度變緩，煤粉受熱析出的揮發(fā)分推遲是導(dǎo)致后移以及后區(qū)濃度較高的主要原因。因此，一次風(fēng)速增大不利于煤粉與周圍高溫?zé)煔獾幕旌?，降低煤粉溫升速度、延遲揮發(fā)分的析出可能會造成煤粉整體燃盡效果變差。

由預(yù)燃室內(nèi)氧氣濃度分布可直觀地判斷預(yù)燃室內(nèi)貧燃以及富燃區(qū)域，此舉對于控制污染物NO的排放具有重要的意義。在貧燃區(qū)域，過量空氣系數(shù)高于1，揮發(fā)分氮以及焦炭氮容易通過氧化反應(yīng)生成大量的NO，導(dǎo)致較高的NO排放。而合理地控制預(yù)燃室內(nèi)過量空氣系數(shù)，利于創(chuàng)造適宜的還原性氣氛，揮發(fā)分中NO的前驅(qū)物HCN和NH3等更傾向于發(fā)生還原反應(yīng)并生成N2，進而降低NO的生成。同時，在強還原性氣氛下，焦炭表面還存在較強的活性位點，通過非均相還原反應(yīng)將已生成的NO也可還原成N2，對于降低NO排放均具有重要的意義。預(yù)燃室中心軸線上O2體積分數(shù)分布曲線如圖10所示。

圖10 中心軸線上氧氣體積分數(shù)分布

由圖10可知，隨一次風(fēng)速的增加，中心軸線上氧氣開始顯著下降的位置顯著地向后平移，且氧氣濃度衰減的速率也逐漸放緩，一次風(fēng)速v=12.43 m/s時在預(yù)燃室內(nèi)形成了最大的低氧氛圍，其較強的還原性氣氛對于控制NO的生成具有重要意義。

4 結(jié) 論

(1)一次風(fēng)速過高則會穿透預(yù)燃室內(nèi)的中心回流區(qū)，從而形成2個對稱的環(huán)形回流區(qū)，且一次風(fēng)速越大，其將2個環(huán)形回流區(qū)“擠壓”得越小。

(2)隨一次風(fēng)速的增大，中心軸線上溫升速率越小，一次風(fēng)粉氣流與旋流二次風(fēng)的混合過程被削弱，限制了其與周圍高溫?zé)煔獾膫鳠?。一次風(fēng)速過大，預(yù)燃室內(nèi)中心高溫區(qū)被穿透，形成了中心低、外側(cè)高的分布，且高溫區(qū)有向前移動的趨勢。

(3)一次風(fēng)速增大，煤粉溫升速率顯著降低，揮發(fā)分的析出存在明顯的延遲，可能會造成煤粉整體燃盡效果變差；隨一次風(fēng)速的增加，中心軸線上氧氣開始顯著下降的位置明顯地向后平移，且氧氣濃度衰減的速率也逐漸放緩，預(yù)燃室內(nèi)較強的還原性氣氛區(qū)域減小，不利于控制NO的生成。