新型高效多縮口分級旋風(fēng)煤粉燃燒器數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

陳作炳，陳 攻，張 迪，歐冶金

(1.武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.蘇州中材建設(shè)有限公司，江蘇 昆山 215300；3.湖北東升天龍節(jié)能環(huán)保科技有限公司，湖北 武漢 430200)

自18世紀(jì)以來煤炭是能源使用領(lǐng)域的主要能源之一，煤炭在我國的能源總消費(fèi)中占有70%以上的份額，煤炭燃燒技術(shù)相對成熟，對于各種類的煤炭相關(guān)設(shè)備使用成熟，而且在相當(dāng)長的一個(gè)時(shí)期內(nèi)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會發(fā)生變化[1]。

傳統(tǒng)的煤粉燃燒器煤粉與旋流助燃風(fēng)混合，在運(yùn)動(dòng)過程中煤粉與助燃?xì)怏w中的氧氣接觸，完成燃燒過程，形成穩(wěn)定的火焰[2-3]。這種燃燒過程在噴煤量較小時(shí)可以完成相對較好的燃燒過程，但當(dāng)噴煤量增加時(shí)，煤粉入射后在外層煤粉可以較好的燃燒，但內(nèi)層煤粉很難接觸到助燃?xì)怏w，達(dá)不到著火要求，因而產(chǎn)生黑心，造成燃料的浪費(fèi)，同時(shí)形成污染[4]。筆者通過CFD(computation fluid dynamics)技術(shù)[5-6]優(yōu)化燃燒流場，控制燃燒狀態(tài)，設(shè)計(jì)了一種新型高效多縮口分級旋風(fēng)煤粉燃燒器，充分利用噴騰作用和旋流作用促進(jìn)煤粉在燃燒器內(nèi)的運(yùn)動(dòng)，完成冷熱氣體的對流換熱，進(jìn)一步提高燃燒效率和煤粉燃盡率。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高煤粉的分散程度，新型燃燒器采用特殊的內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)如圖1所示，即所需的助燃風(fēng)首先由燃燒器二次風(fēng)通道沿切向進(jìn)入環(huán)形圓柱結(jié)構(gòu)的外旋風(fēng)道，形成高速回轉(zhuǎn)旋風(fēng)[9]。助燃風(fēng)通過若干個(gè)連通內(nèi)外側(cè)腔體的孔道進(jìn)入內(nèi)燃燒腔內(nèi)，并且借助孔道獲得進(jìn)一步加速，使得從噴煤管進(jìn)入的煤粉在高速回轉(zhuǎn)旋風(fēng)的帶動(dòng)下做腔內(nèi)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。即使在大燃煤量的條件下，煤粉由于旋風(fēng)的影響在燃燒器內(nèi)部全部離散分開，與助燃風(fēng)中的氧充分接觸，在適宜的著火條件下可以完成點(diǎn)火燃燒。

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)圖

在如圖2所示的燃燒器內(nèi)燃燒腔中加入雙級縮口，收斂內(nèi)部的回轉(zhuǎn)旋風(fēng)，控制耐火層壁面的溫度，同時(shí)使旋風(fēng)的回轉(zhuǎn)速度在經(jīng)過縮口處再得到提高，進(jìn)一步提高煤粉的離散。外層設(shè)置阻流環(huán)，實(shí)現(xiàn)上下兩個(gè)風(fēng)室，通過若干個(gè)孔道連接內(nèi)燃燒區(qū)和外旋道。

圖2 燃燒器內(nèi)腔結(jié)構(gòu)圖

圖3所示的熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)有3個(gè)入口，主入口連接燃燒器，來自燃燒器的高溫?zé)犸L(fēng)直接通入熱風(fēng)爐內(nèi)[10]。由于高溫?zé)犸L(fēng)溫度較高，在熱風(fēng)爐頂部布置一個(gè)熱風(fēng)爐一次風(fēng)口，通入一定量的低溫?zé)煔猓诳拷鼰犸L(fēng)爐的耐火層的區(qū)域形成低溫區(qū)域，控制高溫氣體的擴(kuò)散，保護(hù)熱風(fēng)爐的耐火層壁面。在熱風(fēng)爐中部，布置預(yù)混氣體入口，借助中間的兩個(gè)傾斜擋板將預(yù)混風(fēng)自然分成3股，并在入口下方布置傾斜向上的斜板，使得3股風(fēng)均以傾斜向上的入射方向進(jìn)入熱風(fēng)爐內(nèi)，增強(qiáng)流動(dòng)效果和噴騰作用，盡快完成冷熱氣體的對流換熱，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 熱風(fēng)爐結(jié)構(gòu)圖

圖4 熱風(fēng)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)模型

煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的物理化學(xué)過程,包括惰性加熱、熱解(揮發(fā)份揮發(fā))、揮發(fā)份燃燒和碳顆粒燃盡四個(gè)階段。加熱過程采用普通溫升模型，熱解過程采用單速率模型揮發(fā)份模型[9]。

煤粉燃燒的化學(xué)反應(yīng)主要包括揮發(fā)份的燃燒和固定碳的燃燒。

煤揮發(fā)份燃燒的化學(xué)反應(yīng)方程式為：

C_Vol+2.095O2=1.1CO2+1.93 H2O+
0.16NO+0.06SO2

(1)

固定碳的燃燒反應(yīng)方程式為：

C(s)+O2=CO2

(2)

式中：C_Vol為煤的揮發(fā)分；C(s)為煤中的固定碳。在以上化學(xué)反應(yīng)方程式中，各氣體組分之間，除了一般的流動(dòng)混合外，還存在質(zhì)的交換。對于這種涉及各組分間傳質(zhì)的反應(yīng)，采用組分運(yùn)輸模型來進(jìn)行模擬，其組分運(yùn)輸模型的表達(dá)形式為：

(3)

由Arrhenius公式，得到反應(yīng)速率常數(shù)kf,r為：

kf,r=ArTβre-Er/RT

(4)

式中：Ar為指前因子；βr為溫度指數(shù)；Er為反應(yīng)活化能；R為氣體常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度。

2.2 邊界條件

在模擬計(jì)算中，燃燒器各個(gè)進(jìn)出口的邊界條件如表1所示，煤粉的工業(yè)分析及元素分析如表2所示。

表1 各個(gè)出入口及相的邊界條件

表2 煤的工業(yè)分析及元素分析

3 模擬結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，燃煤量為7 755 kg，燃燒器與熱風(fēng)爐壁面溫度應(yīng)低于1 200 ℃，通過熱風(fēng)爐完成冷熱氣體交換，出口溫度為700 ℃。熱風(fēng)爐換熱過程由爐內(nèi)內(nèi)部流場決定，通過調(diào)整斜板角度、兩擋板之間距離以及入口底板位置可以達(dá)到調(diào)整內(nèi)部流場分布的目的。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，從改善爐內(nèi)換熱條件出發(fā)，分別設(shè)計(jì)了4組結(jié)構(gòu)參數(shù)，具體系數(shù)值如表3所示。

表3 四組不同結(jié)構(gòu)參數(shù)

這4種結(jié)構(gòu)參數(shù)的對比模擬結(jié)果如圖5～圖7所示。

圖5 速度云圖

圖6 溫度云圖

圖7 出口溫度分布圖

從圖5(a)結(jié)構(gòu)中可以看出，對于此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，預(yù)混風(fēng)射流速度從入口處延伸至熱風(fēng)爐中部域。從圖6可以看出在燃燒器出口位置以及熱風(fēng)爐上部域存在較大范圍的高溫區(qū)，同時(shí)在入口下部錐形區(qū)域一片三角形地帶為較高溫區(qū)，溫度場溫度自右向左逐漸遞減。

結(jié)構(gòu)2相對于結(jié)構(gòu)1僅縮短了兩檔板間的距離，從圖5可知，預(yù)混風(fēng)的運(yùn)動(dòng)范圍被縮短，使得預(yù)混風(fēng)的沖擊力減弱，能夠保證高溫氣體的回旋距離，同時(shí)提高冷熱氣體對流換熱效果。從圖6可知，高溫氣體向下擴(kuò)散同時(shí)氣體溫度開始降低，證明高速預(yù)混風(fēng)氣流消失，阻隔效應(yīng)下降，整個(gè)溫度場開始呈現(xiàn)均勻化，進(jìn)一步分析圖6可知，最低溫度已經(jīng)超過1 063 K，同時(shí)高溫區(qū)域只集中在右上角極小區(qū)域，說明對流換熱效果加強(qiáng)，但出口最高溫度依舊高達(dá)1 370 K，遠(yuǎn)高于所需的973 K左右。

結(jié)構(gòu)3斜板的角度為45°，兩擋板之間的距離為620 mm，入口底板距離錐口上面2.5 m。兩擋板之間距離增大的原因是由于斜板的角度增大，入口減小，為保證進(jìn)風(fēng)量的穩(wěn)定，增大這一距離。在圖5中從預(yù)混風(fēng)入口處可以看到一段相對高速區(qū)，同時(shí)這段區(qū)域延伸到對應(yīng)壁面，這說明這股預(yù)混風(fēng)在這個(gè)結(jié)構(gòu)和邊界條件下依舊會形成一道氣流阻隔來自燃燒器的高溫氣體。從圖6中看出沿著預(yù)混風(fēng)帶來的相對高速區(qū)存在低溫區(qū)，且溫度均勻，1 020 K以上的區(qū)域占了一半以上區(qū)域，這證明對流換熱未達(dá)到最佳效果，但最高溫度相較于前兩次設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果有明顯下降。

結(jié)構(gòu)4相對于結(jié)構(gòu)3保持入口的結(jié)構(gòu)不變，降低入口的位置至1.2 m。速度場中由于進(jìn)口位置的下降導(dǎo)致氣流阻隔效果降低，增加了高溫氣體的運(yùn)動(dòng)距離，更有助于對流換熱的進(jìn)行。從圖6來看，燃燒器與熱風(fēng)爐均不存在高溫區(qū)域，溫度在973 K以上的區(qū)域大概占出口面積的1/3，同時(shí)高溫區(qū)域縮減至左下角的較小區(qū)域內(nèi)，出口平均溫度為954.369 K，已滿足設(shè)計(jì)要求中的973 K的出口溫度要求。

通過以上對比模擬結(jié)果可以得到以下結(jié)論：調(diào)整擋板和斜板的角度，減小擋板間的距離，保持總?cè)肟诿娣e不變的條件下，縮小了3風(fēng)口中心風(fēng)的風(fēng)量，通過這種調(diào)整方式可以降低預(yù)混風(fēng)對于高溫氣體的阻流效果，但對流換熱過程并未達(dá)到最佳，降低預(yù)混風(fēng)入口高度可以進(jìn)一步優(yōu)化換熱過程，從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

針對高燃煤量要求，新型煤粉燃燒器通過對通風(fēng)管道的尺寸、數(shù)量以及排布方式，阻流環(huán)結(jié)構(gòu)、縮口尺寸及位置的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高換熱效率的燃燒器內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)。通過CFD數(shù)值模擬，對具體的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了對比分析，分析結(jié)果證明，新型高效多縮口分級煤粉燃燒器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，解決了大燃煤量時(shí)燃盡率低、耗能高的問題，同時(shí)得到較好的流場情況和要求的出口溫度，在未來的能源領(lǐng)域的發(fā)展中可以起到重要的作用。