旋流燃燒器內二次風葉片旋轉角度對流場影響的數值模擬

車 娟

(深圳中廣核工程設計有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

旋流燃燒器在我國電站鍋爐應用領域占有一定比例。旋流燃燒器依靠高溫回流區作為穩定的熱源，提高了火焰穩定性，并可單獨進行燃燒。采用旋流燃燒器的大型煤粉鍋爐可以避免采用直流燃燒器四角切圓燃燒產生的過熱器區的熱偏差;且對爐膛形狀沒有嚴格的要求，不必一定接近正方型，給尾部受熱面布置帶來了極大的方便。國外開發旋流燃燒器的主要出發點是降低NOX的排放，減少環境污染。由于我國機組以燃用劣質煤為主，機組在運行時，普遍存在一些問題，如高溫腐蝕，低負荷穩燃能力差等［1］。因此，對旋流煤粉燃燒器流場的數值研究可以了解其氣流特性，并指導旋流燃燒器的設計及改造。

1 物理和數學模型

1.1 物理模型

中心給粉旋流煤粉燃燒器內二次風葉片采用16個軸向彎曲葉片，外二次風葉片采用12個切向葉片，去除了濃一次風口、導流環和中心擴錐。其主要特點是不設置中心管，燃燒器一次風通道位于燃燒器的中心，一次風為直流，在燃燒器一次風通道中安裝一個或多個錐形分離器使煤粉集中于燃燒器的中心并噴人爐內。煤粉噴人位置正對中心回流區的中心部分，增加了穿過回流區的煤粉量，并延長了煤粉在回流區的停留時間，有利于煤粉的燃盡。為了真實反映中心給粉旋流燃燒器內的氣流分布情況，文中以旋流煤粉燃燒器的原型作為模擬對象［2］，如圖1所示。

圖1 中心給粉旋流煤粉燃燒器

1.2 數學模型

連續性方程

動量方程

RNGk－ε模型中的常數是由理論推導得出的，而不像標準的模型k－ε，是以實驗為基礎，再經過修正得到的。因此相比較標準的k－ε模型，RNGk－ε模型更加能夠反映實際情況，此次數值模擬計算便采用了 RNGk－ε模型［3－5］。文中采用的RNGk－ε方程式如下:

式中:

2 數值計算的方法

2.1 網格劃分

根據燃燒器的特點分析決定采用非結構化網格，此次數值模擬，網格生成采用GAMBIT軟件，劃分的網格數為137 856個，經分析得知能夠滿足計算所需要的精度要求。網格劃分示意圖如圖2所示。

圖2 中心給粉旋流燃燒器網格劃分示意圖

2.2 數值算法及邊界條件

燃燒器的一、二次風噴口的邊界條件都采用速度入口，一次風速為20 m/s、內、外二次風速分別為 13.79 m/s、16.94 m/s，出口采用自由出口［6－7］，分析研究內二次風旋流葉片角度不同的工況下，中心給粉旋流燃燒器外部噴射氣流的運動情況。此次數值模擬計算采用FLUENT計算軟件，并利用有限容積法和SIMPLEC算法對其微分方程進行離散化和求解。

3 數值模擬結果與分析

采用不同內二次風旋流葉片角度的工況，對燃燒器內部的流場進行了數值模擬，得出整個燃燒器區域內的流場分布。模擬的結果繪制成速度分布圖如圖3所示，速度矢量圖如圖4所示。

分析改變中心給粉旋流燃燒器內二次風旋流葉片角度的數值模擬結果表明:內二次風旋流葉片角度從58°增加到64°時，燃燒器的回流區和擴展角均變大，這是由于內二次風的旋流強度增大導致的。內二次風旋流葉片角度從64°增加到70°時，燃燒器的回流區最大直徑變化不大，但回流區長度減小，這表明內二次風旋流葉片角度過大時，一、二次風初期混合過于強烈，后期擾動減弱。

4 結論

(1)中心給粉旋流煤粉燃燒器的流場數值計算揭示了燃燒器內外氣流的運動規律，為解決實際問題提供了理論依據。

(2)在數值模擬計算過程中，采用了RNG模型，模擬結果能夠比較清晰和較為全面的反映中心給粉旋流煤粉燃燒器內外空氣氣流的流動特性，表明此次數值模擬的模型和算法是可行的。

圖3 不同內二次風旋流葉片角度速度分布圖

(3)中心給粉旋流煤粉燃燒器有明顯、穩定的回流區，擴展角大，可卷吸足夠的高溫煙氣及時引燃煤粉。燃燒器應合理的設計內二次風旋流葉片的角度，以保證燃燒器具有良好的回流區和擴展角。

(4)通過不同的內二次風旋流葉片角度的工況下的數值模擬計算發現，適當的增加內二次風旋流葉片角度可以增大燃燒器的回流區和擴展角，但內二次風旋流葉片角度過大時，一、二次風初期混合過于強烈，后期擾動減弱。適當的內二次風葉片角度能使燃燒器具有大且穩定的回流區和擴展角，有利于鍋爐的穩燃。

圖4 不同內二次風旋流葉片角度速度矢量圖

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