鈍體燃燒器在煙氣再循環條件下的燃燒模擬

＊于 鶴

（丹陽中鑫華海清潔能源有限公司 江蘇 212300）

在新能源迅速發展的背景下，燃煤鍋爐被迫采用低負荷運行方式，甚至頻繁啟動和關閉，以調節電網峰值。而現有的燃煤鍋爐均是按額定負荷設計的，因此必須對現有鍋爐加以改造，以便能夠以更快的升/降速度調節負荷，并在超低負荷下穩定運行。然而長期在偏離設計工況下運行將給煤粉鍋爐帶來一系列問題。這些鍋爐在低負荷運行時，出現了飛灰可燃物多、燃燒運行不穩定、燃燒效率降低以及氮氧化物排放量增加等問題。

為了解決上述問題，需要加強煤粉在低負荷工況下的著火強度，因此提出了用煙氣再循環的方式，強化煤粉在鈍體燃燒器內的著火。本文以一維爐為研究對象，采用數值計算的方法對鈍體燃燒器在煙氣再循環條件下的燃燒特性進行了模擬，分析了燃燒器及一維爐內不同煤粉燃燒工況的溫度場、速度場、氧氣濃度場以及煤粉顆粒運動軌跡。

1.數學模型和數值算法

（1）湍流流動模型。RNG-k-ε模型有類似于標準k-ε模型的形式，但對耗散率的修正考慮了強旋流，因此提高渦流的計算精度[1]。新的湍流黏度的修改式為：

式中，μt0是進行渦流修正情況下的湍流黏度值；Ω是fluent計算的特征漩渦數，并且as=0.07默認情況下，對于強烈漩渦流，Ω值可以增加。由于RNAk-ε模型適用于強旋渦流動的數值模擬，且該模型能夠較為準確地計算近壁區高雷諾數流動，因此確定了RNG-k-ε模式用于本項目的計算。

（2）氣固兩相流模型。目前，隨機軌道模型的研究主要集中于單相氣態湍流流場，并以此為基礎，利用已知氣體瞬時波動速度來計算粒子運動的動量方程[2]。由于隨機軌道模型能夠很好地描述燃燒等過程中的揮發，相變等現象，因此在固體顆粒燃燒模擬、兩相湍流模擬等方面得到了廣泛的應用。

（3）焦炭燃燒模型。煤粉中含有大量的焦炭，本課題設置焦炭比例為45%，焦炭的難燃特性導致其燃燒時間最長。焦炭燃燒階段尤其重要，因為對整個煤顆粒燃盡有主要影響，隨后其對發電廠熱效率也產生影響。采用隨機游走模型計算氣態物質通過顆粒孔的擴散。使用冪律阿倫尼烏斯模型對焦燃燒進行建模，該模型假設反應速率取決于顆粒溫度和顆粒表面的氧分壓，該模型主要考慮了非均相焦顆粒結構對焦燃燒過程隨機性的影響。在焦炭燃燒過程中，氧氣起氧化劑的作用，在濃度梯度的影響下擴散到焦炭表面，反應產物從焦炭顆粒的孔隙擴散到外界環境，并通過顆粒間的熱交換進行熱量傳遞。在反應和擴散同時存在的情況下，通常采用動力學和擴散相結合的反應速率模型[3]。

（4）輻射模型。Fluent軟件提供了多種輻射模型，主要有P-1模型、Rosseland模型和DO模型。

由于P-1模型在二維平面幾何情況下給出了可靠的預測，而且對于氣體和顆粒之間的輻射交換較為精確。因此通常認為P-1模型對工業爐內煤燃燒過程的模擬結果與實驗觀測結果是較為一致的[4]，所以本方法采用P-1模型對燃燒過程中的輻射進行模擬。

（5）數值計算方法。ANSYS Fluent采用以單元為中心的方案，提供多種不同的方法來求解歐拉多相流方程。最常用的是PC-SIMPLE方案，它是對單相流中廣泛使用的SIMPLE算法的修改，其中壓力和速度方程仍然以分離的方式求解，但所相應的速度是以耦合方式進行計算的[5]。這意味著相之間的耦合很強，并且阻力項始終保持平衡。

為了獲得較好的收斂性或對不可壓流體進行求解，本項目選擇了SIMPLEC算法作為研究對象。

2.鈍器燃燒器數值模擬研究

（1）網格劃分。網格劃分是進行模擬分析的關鍵步驟，網格的質量對模擬分析的準確度和速度有很大的影響。本文研究的帶有鈍體的燃燒器的模型尺寸為：出口直徑1500mm，鈍體阻塞比為0.133，一維爐長度為10000mm，鈍體右側與燃燒室通道進口的距離為800mm。煙氣入口直徑100mm，燃燒器長800mm，外圍直徑500mm。所選網格類型為“AllTri”（全部為三角形），對流體區域共分為62543個結點，總網格數為128950。網格質量為0.645。

（2）邊界條件設置。進口邊界條件：速度入口，設置煙氣速度大小νgas和煙氣溫度Tgas以及一次風速νair和一次風溫Tair以及兩股射流組分含量。

出口邊界條件：壓力出口，其他條件不做設置。

燃燒室上下邊界及高溫煙氣入口上下邊界：作壁面處理。

三角形鈍體表面：作壁面處理，溫度和燃燒室上下邊界溫度一致。

一維爐流場上下邊界：速度入口，設置熱墻速度和溫度。

（3）最佳工況。通過試模擬得到理想工況，該工況下νgas=14m/s以及Tgas=1000K，著火距離為139.2mm，滿足著火距離大于100mm的要求。然后根據單一變量原則，分析煙氣速度和煙氣溫度對著火距離的影響，以及對該最佳工況下的各參數分布（如速度、溫度、各組分濃度等）進行分析。

①煙氣溫度對著火距離的影響。當煙氣速度固定在14m/s時，隨著煙氣溫度從1000K升至1200K，每50K模擬一次，模擬過程中發現，煙氣速度一定時煙氣溫度升高能夠縮短著火距離，對煤粉著火起促進作用。煙氣溫度大于1200K后，燃燒過早發生在燃燒器中，對燃燒器壽命造成危害，且隨著煙氣溫度的升高，中心火焰位置上移。

②煙氣速度對著火距離的影響。當煙氣溫度固定在1000K時，煙氣速度從14m/s增高至18m/s，每1m/s模擬一次，模擬結果表明，煙氣溫度一定時煙氣速度的提高能夠縮短著火距離，促進煤粉氣流的著火，但隨著煙氣速度的提高中心火焰位置向上偏移，煙氣速度大于18m/s后，著火過早發生，煙氣速度小于14m/s時，溫度場低溫區域變大。

（4）最佳工況的溫度場。圖1是高溫煙氣入口速度νgas=14m/s，一次風速νair=20m/s在非預混條件下三角形鈍體燃燒器內的溫度場。通過觀察得知，煤粉的分解和反應多集中在一維爐爐膛前部，即圖中由藍色向綠色以及黃色轉變的區域，所以這一區域的溫度較高；在鈍體的阻擋下，煤粉和煙氣的分解和反應區域會因為回流區的存在逐步向鈍體后面移動，而且會被集中卷吸到鈍體后方，因此，鈍體后面的溫度最高，與此同時，高溫區域會逐步擴展到出口，形成類似于“V”型火焰。最佳工況下溫度場對稱分布利于穩燃。

圖1 鈍體燃燒器在煙氣再循環條件下的溫度場

（5）最佳工況的速度場。圖2所示的速度場準確地反應了鈍體燃燒器工作原理：由于鈍體阻礙，在鈍體后方形成回流區，從而將爐膛深入的高溫煙氣回流到燃燒器的噴口處，為煤粉著火提供了大量的熱量。圖中速度從低到高對應顏色由藍色向綠色以及紅色變化，可以明顯看出鈍體后部速度較低。

圖2 鈍體燃燒器在煙氣再循環條件下的速度場

（6）煤粉顆粒軌道跟蹤。由圖3中顆粒溫度分布以及溫度場分布可知，微粒的溫度首先在靠近燃燒室出口的地方急劇升高，這是由于煤粉顆粒中揮發分析出導致的，揮發分燃燒并加熱周圍煤粉焦碳顆粒，使得顆粒溫度升高。顆粒溫度第二次急劇變化著火點之后，顏色由綠向黃并向紅變化。

圖3 一維爐內煤粉顆粒運動軌道

（7）氧氣質量分數分布。由于噴入煤粉無法立刻著火燃燒，導致在圖4中燃燒器區域氧氣濃度高且并未有明顯變化。在進入爐內后，在高溫煙氣與加熱壁面共同加熱作用下，煤粉快速發生分解反應過程，反應著火消耗大量的氧氣，所以氧氣濃度在一維爐的前半段第一次發生劇烈變化，此時著火較為強烈。但由于燃燒器附近區域靠近爐壁處存在有回流區，使得爐壁附近也有少量氧氣存在。隨著著火的發生以及距離的深入，氧氣含量逐漸減少，逐漸由淺藍變成深藍直到出口降至最低。

圖4 鈍體燃燒器在煙氣再循環條件下的氧氣分布

（8）碳燃盡率。因為焦炭燃燒及燃盡發生在揮發分析出及燃燒之后，所以碳燃盡率分布的區域與揮發分分布的后半部分有類似的地方。研究表明，在通常情況下，由于焦炭的難燃性，其燃盡區的長度要大于揮發分的著火區和燃燒區。在揮發分燃燒后，焦炭開始受熱并出現燃燒現象，在高溫爐壁和煙氣的協同加熱下，焦炭不斷積累熱量，隨著一步步深入爐膛，焦炭成功在爐膛前部及中部大面積燃燒，并在爐膛后側燃盡。

3.結論與分析

傳統鈍體燃燒器無法滿足鍋爐超低負荷運行的需要，因此本文將高溫煙氣引入到鈍體燃燒器內對煤粉進行助燃，對燃燒特性進行了多工況數值模擬，并分析不同工況（主要是煙氣溫度和速度）對煤粉著火的影響，從而找出最有利于著火的工況，然后給出了在最佳工況下溫度、速度、氧氣濃度等關鍵參數的分布。本文的研究得出以下結論：

（1）煙氣溫度對煤粉燃燒的影響。在煙氣速度固定14m/s、其他參數固定的情況下，隨著煙氣溫度的升高，著火距離整體上呈現縮短趨勢。煙氣溫度升高能夠促進煤粉氣流著火。

對于爐內的溫度分布、速度分布、各組分濃度分布都呈現較高的對稱性，與實際狀況符合度較高。同時在模擬范圍內的最佳工況下煙氣溫度為1000K，與加熱壁面溫度相同。

（2）煙氣速度對煤粉燃燒的影響。在煙氣溫度固定1000K、其他所有參數固定的情況下，隨著煙氣速度的升高，著火距離也會呈現縮短趨勢。煙氣速度的提高能夠促進煤粉氣流著火，但通過試模擬也發現過高的煙氣速度和溫度會導致煤粉在燃燒器內部就發生燃燒，長時間會對燃燒器造成損壞，因此實際過程中應當采用數值模擬的方法對燃燒器工作條件進行研究，有助于確定變工況煙氣溫度和速度的變化范圍。