高速煤粉燃燒器內燃燒特性數值模擬及結構優化

張 鑫，陳 隆

(1.煤科院節能技術有限公司，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能減排技術裝備重點實驗室，北京 100013)

0 引 言

煤粉燃燒器廣泛應用于電站鍋爐中，在工業鍋爐中應用也較為普遍，其作用是組織煤粉在爐膛內點火、燃燒和燃盡，其常見的二次風速度為30～50 m/s，溫度可達300 ℃以上[1-2]，本文定義該類型燃燒器為低速燃燒器。低速燃燒器在爐膛能組織好空氣動力場，煤粉和旋流高溫空氣及時混合，適用于較大空間的爐膛。研究表明使用低速煤粉燃燒器的鍋爐存在爐膛結焦、局部高溫、低負荷穩燃性能差等問題[3-7]。高速燃燒器的概念見于氣體燃燒器中，學者結合航天火箭發動機相關先進燃燒技術開發了高速氣體燃燒器，火焰速度100～200 m/s，爐內被強化的對流換熱在綜合換熱中所占比重大大提高，故而爐內溫度分布均勻[8-10]。高速煤粉燃燒器原理是將煤粉輸送進入燃燒室，煤粉在燃燒室的狹小空間內點火和穩燃，高溫火焰攜帶未燃盡的焦炭和可燃氣體進入爐膛繼續燃燒，火焰從噴口進入到爐膛時速度可達60～200 m/s。高速煤粉燃燒器在爐內的火焰較長，爐內溫度分布均勻，不易結焦，穩燃性能優良，最低負荷20%。文獻資料對高速煤粉燃燒器的報道不多，早期清華大學提出大速差煤粉燃燒器，通過高速射流形成回流，引燃煤粉，具有良好的煤粉穩燃性能[11]；與高速煤粉燃燒器工作原理類似，汪小憨等[12]提出煤粉近壁燃燒技術，燃燒器內煤粉碳轉化率高，熔融排渣，具有良好的低氮效果；侯冬盡[13]開發了高溫低氮液態排渣煤粉燃燒器。由于液態排渣對技術和設備可靠性要求高，未見2種技術的后續工業化報道。本文采用數值模擬的辦法，以14 MW高速煤粉燃燒器作為研究對象，研究旋流強度、二次風溫度等關鍵參數對燃燒的影響，同時基于燃燒特點對燃燒器結構進行優化設計。

1 數學模型與計算條件

1.1 數學模型

煤粉燃燒包含物理、化學過程，涉及揮發分釋放、焦炭燃燒、輻射傳熱、顆粒運動和氣相流動及湍流燃燒，與多相流動、傳熱傳質和燃燒等多個學科聯系緊密。利用ANSYS Fluent作為模擬工具，煤粉顆粒跟蹤采用隨機軌道(stochastic tracking)方法，煤粉顆粒沿著軌跡的揮發分熱解采用固定反應速率模型，模型固定碳的異相反應采用動力燃燒與擴散燃燒共同控制，輻射傳熱模型采用DO模型，壓力-速度的耦合計算采用SIMPLE法求解，采用標準的k-ε模型模擬氣相的流動，用混合分數-概率密度函數(mixture-fraction/PDF)模型模擬氣相湍流燃燒[14]。

1.2 計算條件

本文以14 MW高速煤粉燃燒作為研究對象，只研究燃燒器內結構，不考慮爐膛內部燃燒情況，對燃燒器結構進行簡化，如圖1所示，采用結構化網格，對壁面附近和煤粉噴口附近的網格進行加密處理，經過試算，網格數量45萬左右比較合適。

圖1 燃燒器網格Fig.1 Combustor grid

模擬采用的煤種為三類煙煤，其工業分析和元素分析見表1，煤粉粒徑符合R-R分布規律，為了提高計算精度，準確分析燃燒溫度，利用Aspen Plus中物性分析工具，擬合出煙氣導熱系數及黏度與溫度的線性關系，嵌入到Fluent煙氣物性數據庫之中。

表1 煙煤工業分析和元素分析

2 結果及討論

2.1 數值計算結果驗證

對數值計算結果的可靠性進行驗證。利用14 MW煤粉燃燒器全負荷下熱態試驗噴口處溫度與數值模擬結果進行對比，如圖2所示(r′為測點位置，R為燃燒器噴口半徑)。實測值與模擬值雖有一定偏差，但在可接受范圍內。故認為本文模擬所采用的方法正確，作為后續研究和優化的工具和方法。

圖2 模擬值與測量值對比Fig.2 Comparison between the simulated results and test results

2.2 旋流強度對燃燒器內回流區影響

典型的旋流煤粉燃燒器通過設置合理的二次風旋流強度，在燃燒器噴口附近營造高溫煙氣回流區，回流區高溫煙氣與新鮮煤粉氣流之間對流換熱，保證煤粉氣流穩定著火[15]。高速煤粉燃燒器的一次風管伸入到燃燒器中，高壓一次風攜帶煤粉從一次風噴口射向旋流葉片所在的端部，一次風行程軌跡與二次風相反，宏觀上看一次風在高速煤粉燃燒器內營造出主動回流區[16-17]。旋流強度取旋流葉片與燃燒器所接觸的斷面作為旋流強度的計算面。旋流強度計算公式[18]為

(1)

式中，S為量綱，表示某一截面處二次風旋流強度；r為氣流旋轉半徑，m；ρ為氣流密度，kg/m3；wr為截面上某點氣流切向速度，m/s；wz為截面上某點氣流軸向速度，m/s；P為氣流靜壓，MPa；L為定性尺寸，與燃燒器結構有關，m。

圖3 煙氣流動矢量圖Fig.3 Vector diagram of flue gas flow

圖4 回流區分布Fig.4 Recirculation zone distribution

一般認為旋流強度大于0.6時為強旋流，旋流強度小于0.2時為弱旋流，本文討論的4種旋流強度均為強旋流。4種旋流強度S下燃燒器內的煙氣運動矢量圖如圖3所示。可知在高速煤粉燃燒器的前錐內貼近一次風管的周圍存在回流區，回流區的起點為一次風噴口起點，回流區終點為旋流葉片端部平面位置。回流區分布如圖4所示。可知回流區在一次風管附近的分布，4種旋流強度下回流區形狀變化不大，說明回流區與一次風相關性較強，這與傳統的電站鍋爐燃燒器通過二次風旋流強度組織爐內回流區不同。

為了定量分析4種旋流強度下回流區煙氣流量的大小，以燃燒器長度為H，于前錐內沿軸向選取5組截面，以L/H表示截面的相對位置，考察截面上回流區煙氣量，如圖5所示。當L/H越小，即截面距離一次風噴口越遠，煙氣回流質量越低。L/H=0.5時，最大回流質量在0.43～0.47 kg/s，在噴口附近；L/H=0.1時，最小回流質量0.18～0.30 kg/s，位置靠近旋流葉片端部。L/H=0.10～0.35時，隨著旋流強度的增加，回流煙氣質量增加，且這種增大程度在靠近旋流葉片的位置加大，說明增大旋流強度有利于煤粉穩定燃燒。

圖5 旋流強度對回流量的影響Fig.5 Effect of swirl intensity on flue ratio in recirculation zone

2.3 旋流強度對燃燒器噴口組分影響

高速煤粉燃燒器將點火和燃燒2個功能放置于燃燒器內。燃燒器的噴口作為連接燃燒器和爐膛的交界面，該處煙氣狀態對煤粉在后續爐膛內的燃燒有重要影響，因此有必要對燃燒器噴口的燃燒狀態進行綜合分析。首先分析煙氣進入到爐膛時的旋流強度。燃燒器噴口旋流強度如圖6所示。當入口二次風的旋流強度提高，燃燒器噴口的火焰旋流強度從0.10提高到0.28左右，屬于中等旋流強度。旋流強度衰減的重要原因為氣流在燃燒器內高溫膨脹，后錐內氣流逐步收縮的同時煙氣速度逐步增加，抵達噴口時軸向速度達到150～170 m/s，壁面附近逐步增加的煙氣速度能防止未燃盡的大顆粒煤粉黏壁，從而防止燃燒器內結焦或積渣。

圖6 燃燒器噴口旋流強度Fig.6 Swirl intensity at the combustor nozzle

研究表明[19]，旋流會使得燃料向中心富集，造成燃料和氧氣之間分層分布。3種旋流強度下燃燒器噴口處組分分布如圖7所示。總體上，噴口處中心富燃貧氧，邊緣處富氧貧燃，燃料和氧氣呈現分層的現象。旋流強度越大，煤粉燃燒進程越多，表現為可燃組分濃度降低，CO濃度從11%降低到10%，H2濃度從1.65%降低到1.40%，焦炭濃度從0.14%降低到0.11%，噴口邊緣O2濃度從13%降低到10%。旋流強度S=3.7和S=3.2時噴口組分相差不大，說明提高旋流強度的燃燒影響減弱，但當旋流強度降低到2.8時，濃度變化較大。燃燒器噴口可燃組分和氧氣分層現象使得焦炭和氧氣在爐膛內混合推遲，火焰長度增加，有利于NOx減排，但需注意爐膛設計防止飛灰含碳量過度增加。李高亮等[20]研究表明，在沒有空氣分級的條件下，配14 MW高速煤粉燃燒器的工業鍋爐NOx排放濃度290～370 mg/m3，CO排放濃度小于200 mg/m3。

圖7 噴口徑向可燃氣體與氧氣體積濃度Fig.7 Combustible gas and oxygen distribution at radial direction of the combustor nozzle

2.4 二次風溫度對高速煤粉燃燒影響

電站鍋爐二次風溫較高，往往需要多級加熱，煤粉工業鍋爐工藝流程簡單，空氣預熱器安裝在省煤器后，設計時有必要分析二次風溫度對高速燃燒器內燃燒的影響。羅偉等[21]采用Aspen Plus研究空氣溫度在常溫下的變化對燃燒的影響，空氣溫度5～30 ℃，煙氣溫度和換熱量逐漸增加。本文分別比較0、100及200 ℃三種情況下二次風溫對燃燒的影響，旋流強度選擇2.8，結果如圖8所示。當二次風溫度升高，空氣體積膨脹，煤粉在燃燒器內的停留時間有所降低，但燃燒器內的碳轉化率升高顯著：二次風溫度200 ℃時比0 ℃時碳轉化率提高20%，達到了65%。

2.5 高速煤粉燃燒器結構優化

經過前述研究，認為高速煤粉燃燒器的穩燃性能良好，能夠保證煤粉穩定點火，但燃燒器噴口存在可燃組分和氧氣分層的現象，這種情況與平行射流燃氣燃燒器類似，不利于提高燃燒效率[22]，所以在進行高速煤粉燃燒器爐膛設計時需要考慮到火焰較長的實際情況。對于已經建成運行的鍋爐，可以優化燃燒器結構來提高煤粉整體燃燒效率。文獻[23-24]介紹了一種夾心風直流煤粉燃燒器的原理和應用經驗，在直流煤粉燃燒器的一次風管中增加一根中心風管，利用中心風對火焰進行擾動和補氧，以利于氧氣擴散到煤粉顆粒表面，從而強化燃燒。本文按照該原理對高速煤粉燃燒器進行優化設計，在一次風管中增加中心風管，風管設計內徑為50 mm，設計風速30 m/s，二次風旋流強度為2.2，討論了中心風采用旋流和直流2種形式的結構，其中中心風旋流強度為0.3。

圖8 二次風溫對燃燒的影響Fig.8 Effect of secondary air temperature on combustion

中心風對噴口可燃組分影響如圖9所示。可知采用中心風后，可燃組分在r≤75 mm含量降低，氧氣濃度升高；r>75 mm中心射流的作用減弱。同時對比中心風直流和旋流2種情況可以看出，采用旋流后中心區的焦炭濃度降低顯著，氧氣濃度則表現為采用直流時中心區濃度最高，采用旋流時濃度最低。這是由于射流的剛性較好，氣流穿過高溫黏性煙氣的能力強于旋流，但從混合效果看，旋流優于射流。

圖9 中心風對噴口可燃組分影響Fig.9 Effect of central air on the combustible gas at the combustor nozzle

3 結 論

1)高速煤粉燃燒器旋流強度在2.2～3.7時，回流區形狀大小相差不大，回流量則隨旋流強度的增加而增加，有利于煤粉穩定燃燒；噴口處煙氣旋流強度0.10～0.28，噴口速度可達150～170 m/s。

2)高速煤粉燃燒器噴口存在可燃組分和氧氣分層分布的現象，旋流強度增大，燃燒器噴口處可燃組分濃度越低，但旋流強度從3.2提高到3.7后濃度變化不大。

3)二次風溫度從0提高到200 ℃，燃燒器內固定碳轉化率提高20%，達到了65%。

4)增加中心風，燃燒器噴口處可燃組分濃度在r≤75 mm圓形區域內降低；采用旋流中心風對可燃組分濃度降低的影響比直流大，效果好。