一次風速對預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)能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤粉工業(yè)鍋爐承擔著我國大部分地區(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備，其結構設計及運行參數(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管、點火器、回流帽、穩(wěn)燃腔以及加速腔構成[7-8]。清華大學開發(fā)了1款煤粉濃縮預熱低NOx燃燒器(簡稱PRP)，通過卷吸爐內(nèi)高溫煙氣使?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。預熱室是PRP燃燒器的關鍵部件，由于偏心的高速濃粉氣流引射作用，預熱室上部空間壓力小于爐膛，造成爐內(nèi)熱煙氣回流至預熱室內(nèi)，使得流經(jīng)預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，一次風溫90 ℃～175 ℃，研究結果表明，一次風速為20 m/s時則預熱室內(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)鍋爐的預燃室式燃燒器，該燃燒器預燃室結構與上述清華大學開發(fā)的燃燒器較為相似，不同點在于該燃燒器一次風采用直流，且在一次風管口設置有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)的采用鈍體的預燃室燃燒器進行數(shù)值計算，針對一次風速、二次風速以及二次風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)，一次風中煤粉濃度可調(diào)，對于縮短著火時間、適應不同煤種的穩(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，但風粉混合以及燃盡性能會變差，因此存在1個較佳的一次風速，其對于煤粉工業(yè)鍋爐的安全、經(jīng)濟、穩(wěn)定運行至關重要[12-14]。一次風動量過大或過小都不利于煤粉在預燃室內(nèi)穩(wěn)定著火及高效燃燒；另外，一次風動量過大還可能破壞預燃室內(nèi)形成的回流區(qū)，降低旋流火焰穩(wěn)定性。

以下詳細介紹以預燃室式煤粉燃燒器為基礎而新設計的1款預燃室式煤粉旋流燃燒器，并針對其相應的數(shù)值計算進行分析，通過改變一次風速以分析預燃室內(nèi)流場、溫度及組分濃度場，探究一次風動量對預燃室式燃燒器內(nèi)流場以及燃燒特性的影響，對于揭示中心給粉預燃室式煤粉旋流燃燒器一次風風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 燃燒器結構及網(wǎng)格劃分

預燃室式煤粉旋流燃燒器結構如圖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管1進入；二次風由風道2進入，經(jīng)過軸向葉片3進入圓錐形預燃室前腔4；三次風由三次風入口5處進入圓筒形預燃室6，燃燒后產(chǎn)生的熱煙氣由預燃室出口7噴入爐膛。

圖1 預燃室式煤粉旋流燃燒器結構

預燃室式煤粉旋流燃燒器的設計思路：二次風進口處圓錐形進口端蓋的存在，使得受限的旋流二次風被引向圓筒形預燃室邊壁，從而在預燃室中央形成1個較大的回流區(qū)；同時，合理的一次風粉噴射速度確保了煤粉在預燃室內(nèi)受熱著火階段的停留時間，同時，大量的高溫煙氣涌向一次風粉的根部，一次風粉直接進入回流區(qū)核心區(qū)域與高溫煙氣混合，使得煤粉著火穩(wěn)定性大幅增強。

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

圖2 燃燒器的物理結構模型及計算域網(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、動量傳遞及復雜化學反應。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)學模型和煤粉燃燒化學反應模型。

2.1 煤粉燃燒數(shù)學模型

流體流動過程在歐拉坐標系下進行求解。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，當光學深度>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 煤粉燃燒化學反應模型

煤粉燃燒均相反應在高溫、高速的湍流化學反應條件下，此次選擇組分輸運模型(Species Transport Model)研究燃燒器及爐膛內(nèi)的化學反應過程。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種化學反應模型。其中，渦耗散模型假設氣相化學反應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，認為氣相化學反應動力學控制步驟為擴散；有限速率模型考慮溫度對化學反應的影響，但忽略湍流對化學反應的影響；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個反應速率，選用小者作為反應速率。基于此，此次研究采用組分輸運模型計算化學反應過程，揮發(fā)份析出時為雙反應競爭模型，揮發(fā)份燃燒時的氣相反應采用有限速率/渦耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation Model)。

2.3 網(wǎng)格無關性驗證

為了排除網(wǎng)格數(shù)量對計算結果的影響，須開展網(wǎng)格無關性驗證，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果，如圖3所示。結果表明，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。為了探究一次風動量的影響，保持二次風風量、三次風風量以及二次風旋流數(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)分析結果

4 結果與討論

4.1 速度場分析

預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 當一次風速v=12.43 m/s時中心截面軸向速度分布云圖

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

(2)當一次風速v=12.43 m/s時，預燃室內(nèi)形成了1個較大的且為整體的中心回流區(qū)，當一次風速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，一次風穿透原中心回流區(qū)，形成2個對稱的環(huán)形回流區(qū)，且一次風速越大，將2個環(huán)形回流區(qū)“擠壓”的越?。?/p>

(3)三次風以直流風的形式緊貼預燃室壁面進入，在圓柱段預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)。而當一次風速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，在預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)被一次風穿透而消逝。

預燃室中心截面的軸向速度矢量圖如圖6所示。對比預燃室內(nèi)不同一次風速下的流場分布可知，一次風速較小而未穿透中心回流區(qū)時，預燃室內(nèi)回流區(qū)的面積顯著大于其他2種情況，即隨著一次風速增大，環(huán)形回流區(qū)向壁面附近有所移動；由于一次風的風速高、風量大，導致一次風粉的動量顯著增大，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，一次風粉以常溫(300 K)噴入燃燒器中，其在預燃室內(nèi)經(jīng)歷了預熱、燃燒的過程，隨一次風速增大至v=24.86 m/s時，預燃室內(nèi)中心高溫區(qū)徹底被一次風穿透，形成了中心低、外側高的分布，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。一次風速v=18.64 m/s和24.86 m/s時，隨著風速增大，中心軸線上溫升更慢，且溫升速率也較低，最終預燃室燃燒器出口中心點上一次風速越大溫度越低。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，且一次風粉動量越強，氣流剛性越大，極大地限制了一次風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，可以判斷煤粉在預燃室內(nèi)著火以及燃盡情況，數(shù)值計算結果見表3。由表3可知，3種不同的一次風速下，預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。煤粉進入預燃室初始質(zhì)量流率是700 kg/h(即0.194 kg/s)，根據(jù)預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%，煤粉在該預燃室式燃燒器內(nèi)可以實現(xiàn)高效燃燒。

表3 預燃室燃燒器的數(shù)值計算結果

4.3 組分場分析

預燃室內(nèi)組分分布可直觀地反映燃燒特性，通過對關鍵組分的分析對整體燃燒情況進行預測。預燃室中心截面揮發(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，隨一次風速的增加，揮發(fā)分在預燃室內(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。一次風速增大，一次風與煤粉的預熱速度變緩，煤粉受熱析出的揮發(fā)分推遲是導致后移以及后區(qū)濃度較高的主要原因。因此，一次風速增大不利于煤粉與周圍高溫煙氣的混合，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。

由預燃室內(nèi)氧氣濃度分布可直觀地判斷預燃室內(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生成大量的NO，導致較高的NO排放。而合理地控制預燃室內(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，一次風速v=12.43 m/s時在預燃室內(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 論

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

(2)隨一次風速的增大，中心軸線上溫升速率越小，一次風粉氣流與旋流二次風的混合過程被削弱，限制了其與周圍高溫煙氣的傳熱。一次風速過大，預燃室內(nèi)中心高溫區(qū)被穿透，形成了中心低、外側高的分布，且高溫區(qū)有向前移動的趨勢。

(3)一次風速增大，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。