微油點火燃燒器建模及數值計算方法的研究

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

發電技術

微油點火燃燒器建模及數值計算方法的研究

丁歷威，李鳳瑞

（浙江省電力試驗研究院，杭州 310014）

為了深入掌握微油點火燃燒器內部的流場數據及顆粒場數據，結合某電廠微油點火燃燒器的實際工況，分析了對流擴散方程的離散化方法及輻射模型和氣體燃燒模型對燃燒器數值計算的影響，并通過CFX軟件建立了一個比較完善的數學模型。研究結果表明：采用High Resolution離散化方法、Discrete Transfer輻射模型和Eddy Dissipation氣體燃燒模型，對微油點火燃燒器的計算有較大幫助。

微油點火燃燒器；建模；數值計算方法

采用微油氣化高能油槍直接點燃煤粉，可實現鍋爐冷爐啟動時用微量的油點燃煤粉，在停爐、低負荷和超低負荷穩燃時用微量的油穩定鍋爐燃燒，節油效果可達90%以上。該技術具有初投資少、煤種適應性廣、系統簡單、操作方便、維護工作量小等突出優點，可以大幅度減少火力發電廠點火啟動和助燃用油，降低發電成本，為企業創造效益[1-3]。

受現場和實際條件的限制，目前只能通過有限的點來監測微油燃燒器內部的溫度和速度值，無法宏觀掌握溫度場和速度場分布情況，給燃燒器結構優化設計和改進帶來困難。理論上數值計算能夠解決這一問題，但由于微油燃燒器的結構復雜，計算所用的對流擴散方程比較多，同時又涉及氣體和顆粒輻射，油汽化燃燒、煤粉濃淡分離、煤粉顆粒熱解和焦碳燃燒以及煤粉顆粒分級燃燒，所以要完全模擬出微油燃燒器的實際工作情況存在一定的難度。

本文以微油燃燒器一次風作為研究對象，通過分析各種離散化方法機理、輻射模型等影響因素，試圖找到一個相對較好的數學模型，以期能夠較好地還原微油燃燒器的實際運行情況，從而為優化微油點火、改進燃燒器結構提供一定的理論依據。

1 微油點火燃燒器的工作原理及特點

微油點火技術采用用微油點燃微量煤粉―點燃少量煤粉―點燃大量煤粉的逐級引燃原理，使能級逐步放大，實現微量油點燃大量煤粉的目的。

微油點火燃燒器工作原理[4-5]是：利用壓縮空氣的高速射流直接擊碎燃料油，霧化成超細油滴進行燃燒，同時利用燃燒產生的熱量對燃油加熱、擴容，使燃油在極短的時間內蒸發氣化，油槍直接燃燒油氣，從而大大提高燃燒效率及火焰溫度。氣化燃燒后的火焰剛性極強、傳播速度極快，呈完全透明狀，中心溫度高達1 500～2 000℃，可作為高溫火核在煤粉燃燒器內直接點燃煤粉。一級燃燒室中的濃相煤粉通過高溫火核時，煤粉顆粒溫度急劇升高，析出大量揮發分并迅速著火燃燒。已燃燒的濃相煤粉在二級燃燒室內點燃更多的煤粉，然后繼續向前流動點燃三級燃燒室中的煤粉，最終實現煤粉分級燃燒、燃燒能量逐步放大，達到點火并加速煤粉燃燒的目的，大大減少了煤粉燃燒所需的燃油。

2 一次風建模和網格劃分

選擇燃燒器一次風作為研究對象，是因為其包含了煤粉顆粒分級熱解燃燒[6-7]、煤粉顆粒濃淡分離、流場計算以及油顆粒汽化燃燒等過程，而這些過程是微油燃燒器數值模擬計算的核心。網格劃分時，因為二次風結構相對比較簡單，內部只有流動過程，而無能量交換、燃燒以及反應過程，數值計算比較簡單，準確率較高，并且在進入爐膛前對一次風基本沒有影響，為了節省網格，計算中不考慮二次風，同時也不考慮燃燒器出口的爐膛部分。

微油點火燃燒器一次風系統包括一級燃燒室、二級燃燒室、三級燃燒室和油腔。一次風攜帶的煤粉先后進入一級燃燒室、二級燃燒室和三級燃燒室。結構示意如圖1所示。

首先根據燃燒器的實際尺寸建模，結構圖由Pro-E畫成，然后導入到Gambit中畫網格?？紤]到油入口的地方油顆粒首先蒸發成油氣，然后再燃燒，反應過程比較劇烈，溫度和速度變化梯度比較大，反應距離相對比較短，因此這塊區域網格需要加密。在煤粉和油氣導流裝置附近，因為速度變化比較明顯，這部分區域也需要加密。在煤粉隨一次風進入一級燃燒室、二級燃燒室的部位，因為間隔比較小而速度變化較明顯，溫度也存在較大梯度，故這部分區域也要加密。建模過程中，能夠采用結構化網格的地方都盡量畫成六面體，其他則畫成四面體。網格圖如圖2所示。

圖1 一次風結構圖

圖2 一次風網格圖

3 對流擴散方程的離散化選擇

為了完成對流擴散方程的離散化[8]，燃燒器數值計算應用了兩種對流項離散化方法，即：一階迎風格式Upwind[9]和高精度格式High Resolution[9]。這兩種離散化方法都能用一個統一的公式表示，不同的只是參數的設置。公式如下：

式中：Φip為當前的值；Φup為上一個節點的值；Δr為上一個節點指向當前節點的矢量；▽Φ為上一個節點值的梯度（例如溫度梯度）。

對于一階迎風格式，β為0，即Φip=Φup。一階迎風格式的本質是：流體攜帶著上一個節點的所有信息來到當前節點。當前節點通過計算離散化方程后，再把當前節點的所有信息傳遞到下一個節點。同時根據對流擴散方程離散化四項基本法則，一階迎風格式能夠保證離散方程的系數都是正值。

而采用高精度格式時，β是根據 Barth和Jesperson的有界性原理指定的。要說明的是，對矢量的計算，比如速度，β在每個方向上都會獨立計算其值。

因為 High Resolution的計算精度高于 Upwind，本文中連續性方程、能量方程、動量方程均采用High Resolution。而High Resolution對湍流方程的計算會產生不穩定影響，因此湍流κ-ε方程采用Upwind。

4 輻射模型的選擇

輻射能量傳播由吸收輻射能量、釋放輻射能量和散射輻射能量3部分組成。其規律可以由輻射運輸方程 （Radiative Transport Equation，簡稱RTS）來描述。

但是計算該微分方程特別繁瑣，計算成本太高。所以提供可行的輻射模型來近似RTS顯得尤為關鍵。在CFX軟件中應用比較多的輻射模型是Discrete Transfer和P1模型。

P1模型假設輻射強度是等方性的。該模型生成一個簡化的輻射運輸方程加入到對流擴散方程組中一起求解。而Discrete Transfer模型則假設輻射強度是等方性且和系統是均勻同性的。

通過模擬計算可以看出，采用Discrete Transfer輻射模型的計算結果要優于P1模型。P1模型容易出現提前著火的情況，是因為其輻射強度遠遠大于Discrete Transer，幾乎大了一個數量級。輻射強度增大，三級燃燒室出口處將向前面的煤粉傳遞更多的能量，造成煤粉達到熱解溫度，揮發分析出，從而煤粉提前著火。所以建議采用Discrete Transer輻射模型。

5 氣體燃燒模型

微油點火燃燒器涉及兩種氣體燃燒，即揮發分燃燒和油氣燃燒。根據文獻[9]，油燃燒的一個突出特點是，油表面沒有化學反應，燃燒只發生在氣相中。因為油表面的溫度總是比沸點低，而沸點又低于著火條件所要求的溫度，此外油蒸發的潛熱比反應的活化能要小的多，因此油燃燒總是先蒸發后燃燒，且常常是擴散控制的燃燒，所以油燃燒過程究其本質是氣體燃燒過程。微油點火燃燒器中油首先被霧化成超細的小液滴，然后以一定的速度進入燃燒器中，超細的小液滴隨后在點火裝置的作用下局部氣化成油氣并燃燒，所產生的熱量傳遞給更多的小液滴，從而使所有的超細油小液滴氣化燃燒，產生的熱量提供給一級燃燒室的煤粉熱解。

煤粉顆粒進入一級燃燒室中，獲得了油氣燃燒后的熱量，迅速達到熱解溫度并析出揮發分，揮發分開始燃燒，為氣體燃燒過程。

氣體燃燒過程采用渦耗散湍流燃燒模型（Eddy Dissipation Model），該模型假定反應過程很快，且反應速率Rk與湍動能和耗散率有關。計算中，Rk根據式（2）、（3）選小值。

式中：[I]為組分I的摩爾濃度，WI為組分I的分子量，Vkj為化學反應方程的化學當量系數。A，B為經驗常數，取值為4和-1。k為湍動能，ε為耗散率。

6 計算結果與分析

根據上述分析結果，應用CFX軟件對微油燃燒器一次風進行數值模擬計算。采用某電廠的設計煤種作為計算煤種，煤質分析數據見表1。模擬工況的邊界條件是一次風速22 m/s，煤粉流量3.375 t/h，油流量57 kg/h，油的助燃風量0.237 kg/s，輻射模型采用Discrete Transfer模型，Ray數目為32。湍流方程采用Upwind離散化方法，其他方程都采用High Resolution離散化方法。氣體燃燒模型采用Eddy Dissipation model。模擬溫度場和速度場如圖3和圖4所示。

如圖3所示，油燃燒后在一級燃燒室產生一個高溫區，溫度可以達到1 900 K左右。一次風攜帶的煤粉顆粒進入一級燃燒室后與油燃燒生成的高溫氣體相混合，煤粉顆粒溫度急劇增加，超過其揮發分熱解溫度后，煤粉中的揮發分析出并燃燒，從而繼續點燃其它煤粉。一級燃燒室點燃的煤粉和油氣燃燒后生成的高溫氣體速度較快，迅速流向二級燃燒室并與二級燃燒室中的煤粉進行熱量交換，從而使二級煤粉溫度升高開始著火，然后二級燃燒室的煤粉和高溫氣體繼續推進到三級燃燒室，點燃三級燃燒室中的煤粉，最后進入爐膛。

表1 某電廠煤質分析數據（收到基）%

圖3 燃燒器一次風溫度場

圖4 燃燒器一次風速度矢量場

由圖4可知，首先在一級燃燒室產生了速度較高的區域，隨著向二級燃燒室的推進，速度開始下降，最后在三級燃燒室速度又提高。這是因為在一級燃燒室前，油氣完全燃燒釋放出大量熱量，熱量除了讓煤粉顆粒升溫以外，還轉換為動能。而在二級燃燒室，受到室內阻力及一次風混合影響，速度下降。到三級燃燒室時，因為二級燃燒室較多的煤粉揮發分析出并且燃燒，釋放出大量熱量，速度再一次提高。

7 結論

采用本文建立的微油點火燃燒器數學模型，結合某電廠實際工況進行了數值模擬計算。模擬結果表明：

（1）針對微油點火燃燒器特殊性的建模網格劃分比較正確，且局部加密的方法也較恰當，為準確計算實際工況提供了條件。

（2）通過分析對流擴散方程離散化機理、輻射模型機理和氣體燃燒模型，建立了比較完善、準確的數學計算模型。

（3）計算結果顯示：小粒徑的油滴氣化燃燒后，產生了一個高溫區。該高溫區迅速點燃一級燃燒室的煤粉，從而實現能量逐步放大的功能。同時在燃燒器套筒中一次風速度有一個增大、降低、再增大的過程。

（4）本文的模擬結果較符合實際工況，為煤粉燃燒數值計算提供了一定的借鑒，同時也可以作為優化微油點火、改進燃燒器結構的依據。

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（本文編輯：龔 皓）

A Study on Modeling and Numerical Calculation Methods of Tiny Oil Ignition Burner

DING Li-wei，LI Feng-rui

（Zhejiang Electric Power Testand Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper analyzes the influences of discretization method of convection diffusion equation，radiation model,gas burning model on burner numerical calculation combined with the practical working condition of tiny oil ignition burner in a power plant and establishes a perfect mathematical model with CFX software in order to master the data of flow field and particle field inside tiny oilignition burner.The research result shows that it is greatly useful for calculation of tiny oil ignition burner to adopt High Resolution discretization method,Discrete Transfer radiation modeland Eddy Dissipation gas combustion model.

tiny oil ignition burner；modeling；numerical calculation method

TK223.23

：A

：1007-1881（2010）08-0018-04

2010-01-07

丁歷威（1979-），男，浙江長興人，工程師，從事鍋爐燃燒數值計算和生產服務及科研工作。