中心軸插式等離子體點火特性數值模擬

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)環保科技有限公司，銀川 750011; 2.中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074; 3.神華國能寧夏煤電有限公司，銀川 750000)

中心軸插式等離子體點火特性數值模擬

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)環保科技有限公司，銀川 750011; 2.中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074; 3.神華國能寧夏煤電有限公司，銀川 750000)

以Fluent軟件為計算平臺，針對中心軸插式等離子體點火燃燒器內部三維湍流流場及點火特性進行數值模擬，計算煤粉混合物在通過整個燃燒器時內部溫度場、著火過程成分變化和煤粉的燃盡率等，分析其點火燃燒器內部的燃燒特征。分析了在給定來流條件下，不同等離子體噴槍功率下，點火煤粉燃燒器內中心截面溫度分布；分析了點火煤粉燃燒器內CO、O2和CO2的質量濃度分布與溫度分布的關系。

等離子體點火；煤粉燃燒器；溫度分布；質量濃度分布

0 引 言

我國的能源結構中石油資源短缺，每年需要進口大量石油，而隨著世界性的能源緊張，原油價格也在不斷上漲。大型工業煤粉鍋爐的點火和穩燃傳統上大都是采用燃燒柴油或者重油來實現的，因此鍋爐啟動點火及低負荷穩燃用油成為火力發電廠運行的重要組成部分。因此，國務院在“十二·五節能環保產業發展規劃”的通知中明確指出加快推廣等離子體點火技術來替代石油的消耗，同時降低發電成本。

等離子體點火是借助等離子體發生器產生的高溫(4 000～10 000 K)等離子體來點燃煤粉的，屬內燃型燃燒器，等離子體燃燒器在煤粉進入燃燒器的初始階段就用高溫等離子體將煤粉點燃，煤粉在燃燒器內分級點燃、火焰逐級放大，可在燃燒器噴嘴處形成3～10 m長的火焰。由于煤粉在燃燒器內部的燃燒是一個很復雜的物理、化學過程，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的化學動力學參數以及煤本身的特性參數等。很顯然，完全依靠實驗研究的方法不可能實現對上述因素的全面掌握。解決問題的有效途徑之一是將實驗技術與近二、三十年來發展起來的CFD技術和燃燒過程模擬技術相結合，用數值模擬的方法來選擇實驗或者設計的最佳方案，可以使目標更加明確，節省大量的人力、物力和財力。

1 數值模擬模型選擇與計算邊界條件

文中用數值仿真軟件Fluent對采用濃淡分離燃燒技術的等離子體點火特性進行模擬，分析了內燃式等離子體點火的燃燒特性。

等離子體點火燃燒器采用了濃淡分離分級燃燒結構，將等離子體等效為高溫加熱區，如圖1所示。

圖1 中心軸插式等離子體點火燃燒器結構示意圖

1.1 數值模擬采用的計算模型

燃燒器內煤粉燃燒是個非常復雜的問題。涉及的主要物理化學現象包括氣相湍流、固體煤粉顆粒隨機運動、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、擴散、揮發分析出、焦炭燃燒、灰渣形成)和爐內輻射傳熱等等。

針對上述各種復雜的物理化學過程，采用不同的數學子模型進行模擬。采用非耦合方式求解，壓力對速度的修正選用SIMPLE半隱格式壓力關聯方程算法；氣相湍流流動采用標準k-ε模型；揮發分析出采用雙方程模型；焦炭燃燒為擴散-動力學模型；顆粒在燃燒器內的運動采用拉格朗日離散模型；顆粒的湍流擴散為隨機軌道模型；湍流化學反應采用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

連續方程：

(1)

動量方程：

(2)

能量方程：

(3)

狀態方程：

(4)

keff=k+kT。

式中：Yj表示組分j的質量分數。粘性系數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 燃燒器內氣固兩相湍流流動模型

煤粉燃燒過程是典型的氣固兩相湍流流動和燃燒過程。為了準確地模擬煤粉顆粒的揮發分析出、焦炭的燃燒過程等，必須確定煤粉顆粒的運動軌跡。

燃燒器內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)計算顆粒在其內部的運動。煤粉噴入燃燒器后，經過濃淡分離裝置后，被等離子體區域的高溫氣流加熱，隨后揮發分析出，燃燒，接著焦炭著火燃燒。對煤粉顆粒反應過程的恰當描述需要對煤粉顆粒所經歷的每一個過程進行模擬的同時考慮湍流脈動對顆粒運動的影響。

煤粉顆粒質量方程：

(7)

利用該方程所得到的質量變化M可以直接作為連續性方程中的源項。即：

煤粉顆粒能量方程：

(8)

[(mphp)out-(mphp)in]

煤粉顆粒運動方程：

(9)

式中：FD(ui-upi)為顆粒單位質量上的阻力,其中：

(10)

阻力系數CD采用 Morsi and Alexander給出的形式：

Fxi為附加力，對于各種不同研究對象，它可以包括重力、虛假質量力、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。因此作為連續相動量方程中源項的表達式：

1.4 數值模擬給定的計算邊界條件

氣相入口：給定氣流速度、溫度和湍流參數。

氣相出口：壓力邊界條件。

固相：離散相模型(DPM)給定質量流量、溫度。進口和出口都設置為逃逸邊界條件，即顆粒如果因回流到達這個面，則認為顆粒將脫離這個邊界面，而不再返回計算域。

2 等離子體點火特性數值模擬

2.1 等離子體點火燃燒器描述

等離子體點火燃燒器三維計算域如圖2所示，等離子體點火燃燒器一次風管道直徑為420 mm，燃燒器分為內層燃燒室和外層燃燒室兩部分，等離子體噴槍外徑為120 mm，內層燃燒室直徑為280 mm，等離子體噴槍前端噴口與點火煤粉燃燒器的前端噴口距離為1 350 mm。為了使數值模擬盡量與實際情況相符，完全按照實際燃燒器尺寸建立模型，爐膛則視為一大空間的燃燒室。燃燒器入口處的風粉混合物速度均勻分布，速度為U，粉風濃度為0.3 kg/kg；在燃燒器入口內一段距離處安裝的等離子體加熱裝置，將其設定為等效加熱區，加熱功率為1.8E+8J/m3，并且為了提高點火效果，在入口和等離子體噴槍中間設計安裝了煤粉濃縮裝置。

入口煤粉風速一般為18～25 m/s，文中以25 m/s的風速為例，按照實際情況采用的壁面條件：固壁，無滑移，內腔和燃燒器外壁根據實際條件設定為等壁溫，其他壁面絕熱，取進口空氣煤粉混合物的溫度為350 K。

本數值模擬中所用煤粉的煤質分析見表1。

表1 煤粉的煤質分析元素分析(%)工業分析低位發熱量

假設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4.52。

本數值模擬中所用煤粉的粒徑分布見表2。

表2 煤粉的粒徑分布粒徑分布

燃燒計算中，爐內氣體的輻射吸收系數和散射系數分別按wsggm-cell-based和0m-1(認為各向同性)計算。

2.2 數值模擬網格劃分

利用GAMBIT軟件對燃燒器及燃燒室進行建模，并生成網格，如圖2所示。

圖2 燃燒器及燃燒室網格示意圖

3 模擬結果與分析

3.1 煤粉濃縮器模擬結果分析

根據邊界條件給定，給出顆粒運動軌跡圖，如圖3所示。

圖3 煤粉粒子運動軌跡圖

圖4 煤粉粒子運動軌跡局部放大圖

從圖3與圖4可以看出，氣流攜帶煤粉粒子經過濃淡分離器時，由于密度大的煤粉粒子具有相對高的動量，具有沿直線運動的特性。空氣具有較低的動量，慣性小，通過煤粉粒子和空氣的動量的差異，密度大的煤粉粒子聚向等離子體區域，經過分離裝置后，在等離子體附近出現明顯的分布峰值區域，形成高濃度區域，而在偏離該等效區的地方，形成低濃度、細煤粉分布區域。

根據燃燒理論分析，采用濃淡分離裝置時，濃煤粉氣流流向等離子體區，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”，同時增加了燃燒器內火焰的黑度和輻射吸熱量，使所需著火熱減小、著火時間短并提高了火焰傳播速度，因而能夠改善火焰的穩定性；再則，淡煤粉氣流偏離加熱區，溫度較低，易形成氧化氣氛，這對防止燃燒器內結渣和高溫腐蝕有利。

3.2 燃燒器內燃燒過程

圖5為燃燒器中心縱截面溫度場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熱化學作用，風粉混合物溫度逐漸升高。燃燒發生位置接近等離子體附近，整個燃燒器內部燃燒比較劇烈，密度較高的風粉流著火后，迅速將熱量傳遞給周圍環境。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，煤粉揮發分的析出，以及加熱灰分、固定碳等也都是一個吸熱過程。這些因素的綜合作用削弱了混合物溫度增加的趨勢(如圖5所示)。形成的高溫火焰主要通過對流、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，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，碳燃燒受到抑制。

為了更詳細的分析燃燒器內的燃燒過程，圖7給出了給定壁面條件下燃燒器各個截面組分質量分數特性線。圖中橫坐標意義表示截面標號：

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明燃燒發生在等離子體之后不遠距離處，消耗大量煤粉和氧氣，由于燃燒中心處于缺氧狀態，所以在開始時CO含量較高。

圖7 等離子體功率為120 kW時的組分含量特性線

3.3 點火燃燒過程中燃燒成分的質量分數分布

圖8～圖11分別為燃燒器中心縱截面上CO2、CO、H2O和O2的質量分數等值線分布。

圖8 中心縱截面(整體)CO2質量分數等值線圖

圖9 中心縱截面(整體)CO質量分數等值線圖

圖10 中心縱截面(整體)H2O質量分數等值線圖

圖11 中心縱截面(整體)O2質量分數等值線圖

從以上4個圖中可以看出，對應于設計條件下，燃燒器內各組成成分與溫度具有密切的關系，溫度高的部分CO2和H2O質量分數含量較高，而CO和O2質量分數較低，同時燃燒器內層燃燒室外側環路中的二次風粉流起到了補燃作用。

4 結束語

結合等離子體點火燃燒器的燃燒特點， 采用CFD商用軟件FLUENT針對設計條件下燃燒器內部三維湍流流場進行點火特性數值模擬，計算了一次風粉混合物在通過整個燃燒器時內部溫度場、著火過程成分變化等。結果表明：

(1)一定數量的煤粉在燃燒器內部受等離子體高溫熱化學作用后，在離開等離子體點火區一定距離的部位首先著火。

(2)在設計來流條件和壁面條件下，燃燒器內CO2、CO、H2O、O2的質量分數與溫度分布有很大關系，高溫區對應著高的CO2和H2O質量分數含量和低的CO和O2質量分數含量。

通過數值模擬的方法對等離子體點火煤粉燃燒器的內部流場進行研究，通過計算網格劃分、數值求解模型的選用、數值求解結果等方面對在設計條件下中心軸插式等離子體點火特性進行了過程模擬，為中心軸插式等離子體點火在工程過程中的應用提供理論依據。

[1] 陶文銓. 數值傳熱學[M]. 西安:西安交通大學出版社，1988.

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

[3] 傅維鑣. 煤燃燒理論及其宏觀通用規律[M]. 北京:清華大學出版社, 2003.

[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)環保科技有限公司，高級工程師，主要研究方向煤粉鍋爐氣動霧化微油點火，等離子體無油點火，燃燒過程數值模擬與應用。

10.3969/j.issn.1009-3230.2014.12.003

TK229.5

B

1009-3230(2014)12-0008-06