鍋爐內煤粉燃燒數值模擬研究

孫竹瑋 劉月軍

(1.山西漳山發電有限責任公司，山西 長治 046021；2.內蒙古京隆發電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 012100)

鍋爐內煤粉燃燒數值模擬研究

孫竹瑋1劉月軍2

(1.山西漳山發電有限責任公司，山西 長治 046021；2.內蒙古京隆發電有限責任公司，內蒙古 烏蘭察布 012100)

首先利用商業軟件FLUENT建立了高爐內回旋區煤粉燃燒三維數學模型，隨后分析了煤粉燃燒過程的速度場、顆粒軌跡，最后從不同煤比和不同富氧率2個方面對煤粉燃燒過程進行了研究，對今后高爐運行過程中怎樣調整有十分重要的借鑒意義。

高爐；煤粉；軌跡；速度場

0 引言

總結前人的工作可以發現，其注意力大多集中在高爐數模上，很明顯，建立一個風口回旋區的數學模型是很重要的，操作者們用它可直接進行有效的操作。但是，由于回旋區內部存在多組分氣體、固體焦炭、液態爐渣、鐵水之間復雜的耦合力學過程和化學反應過程，目前仍沒有形成嚴格的風口回旋區理論[1]。

煤粉隨著高速、高溫空氣進入風口，并發生一系列的物理、化學變化，對高爐下部的煤氣分布有著極為重要的影響[2]。采用全高爐進行實驗不太現實，但是運用數值模擬的方法就可以很方便、較為準確地反映高爐內煤粉運動狀況。

1 物理模型的建立

高爐回旋區內部的物理、化學反應非常復雜，按照典型的回旋區理論對回旋區進行簡化：(1) 考慮煤粉在直吹管內與高速空氣的動量交換。(2) 對2 200 m3的高爐爐腹和爐腰建模，并按照28個風口取其1/28，得到的幾何空間為計算區域。(3) 回旋區內部認為是空腔，出口區域用多孔介質模擬焦炭和爐料組成的邊緣環境。認為多孔介質只起阻力作用，并不參加反應。(4) 忽略焦炭和爐料下降對回旋區的影響，僅僅考慮回旋區內煤粉顆粒和高速空氣之間的相互作用。(5) 將煤粉看作離散相，忽略顆粒之間的碰撞、顆粒體積分數對連續相的影響。同時考慮顆粒之間、顆粒與連續相之間的輻射。

根據以上假設建立物理模型。

2 幾何模型的建立

本研究當中考慮直吹管內高溫空氣對煤粉燃燒的影響，直吹管采用包鋼四號高爐的直吹管尺寸大小。

近幾年來，人們均采用這樣那樣的經驗公式來得到回旋區深度、高度，有的認為根據回旋區的深度、高度和寬度得到長方體形的回旋區形狀，也有的認為是由深度和高度為長短軸的橢球，也有的直接認為是一個球體等等。同時通過實驗和數值模擬的方法致力于修正這樣的經驗公式，給出新的回旋區理論。經驗公式給出的數據僅僅局限于一個回旋區深度和高度，不能完全描述回旋區的實際形狀，得到的幾何體會對流場以及燃燒過程產生很大影響，造成對回旋區反應過程的誤解。因此，我們按照實際高爐本體的爐腹和爐腰1∶1建模，按照28個風口取其1/28。

回旋區數值模擬均與實際生產高爐本體比例為1∶1。通過FLUENT的前處理模塊GAMBIT提供高質量網格[3]。網格單元均采用非結構化六面體，網格數為72 699個，在網格生成后輸出msh文件，即可導入FLUENT進行計算。GAMBIT的網格優化與自適應具有獨特的自適應網格自動劃分模塊，可根據迭代求解計算狀態對網格進行自適應調整，隨時優化網格。

3 建立數學模型

采用非預混燃燒模型，用Realizable κ-ε紊流模型模擬氣相湍流運動，對固體顆粒相的求解采用隨機顆粒軌道模型，用P-1輻射模型計算輻射傳熱，對煤粉揮發分釋放采用雙匹配速率模型，對焦炭的燃燒采用動力學/有限擴散速度模型來模擬。

4 計算工況及邊界條件

4.1 計算工況

工況數據采用包鋼四號高爐噴煤參數：風口直徑為0.12 m，風壓為0.35 MPa，風口數為28個，富氧率為1%、3%、5%，噴煤量為150 kg/t、送風量為4 200 m3/min。

4.2 邊界條件

煤粉顆粒以平面方式從一次風口噴入爐膛，速度與一次風相同。煤粉顆粒的粒徑范圍為70～200 μm，粒徑分布滿足羅辛—拉姆勒分布公式。各次風口的速度邊界條件采用方便定義旋轉速度的構成方式。水冷壁熱邊界條件定水冷壁面溫度為550 ℃。計算域上邊界采用壁面應力為0的壁面邊界條件，熱邊界條件熱流為0。出口采用表壓力為0的壓力邊界條件。

5 分析

為了研究富氧率對回旋區煤粉運動軌跡的影響，在風溫為1 200 ℃，煤比為150 kg/t，富氧率分別為1%、3%、5%的情況下，分析回旋區內煤粉運動過程，得到的結果如圖1、圖2所示。

圖1 速度場

圖2 粒子軌跡

由圖1、圖2可見，高溫空氣進入回旋區以后，和前面的情況相似，仍然是突擴受限射流，由于浮力作用，高溫空氣出現斜向上流動，有一部分如靠近爐膛中心的高速氣流從頂部流出，另一部分則在回旋區上部形成一個較大的漩渦，漩渦中心的速度非常的小，并且在回旋區內回旋一段時間流出。同時我們發現在回旋區下部有一個小的漩渦。

比較速度場圖、粒子軌跡圖可以看出，在230 m/s的高速鼓風下，高速氣體沿著風口中心線高速運動，并在高爐中心區域迅速向上運動，速度均在50 m/s左右。這樣形成一個由風口前高速氣體和爐膛中心向上運動氣體形成的主流氣體速度。2種工況下氣體的最大速度均出現在鼓風入口處，最大速度值分別為：富氧1%時，最大速度為310 m/s；富氧3%時，最大速度為313 m/s；富氧5%時，最大速度為311 m/s。2種情況下形成的大漩渦的速度也比較小，速度值均在30 m/s左右。由此可見，煤粉顆粒運動過程中氣體的運動速度隨著富氧率的增加而有所增加。

煤粉進入回旋區以后，大部分煤粉仍然是隨著高速氣體向出口處運動，在出口處逃逸，這部分煤粉往往由于在回旋區內停留時間短，燃燒不夠充分。只有靠近上下2個漩渦的少數顆粒才會被卷席進入漩渦，并隨著氣流運動。

圖1、圖2中煤粉速度場和粒子軌跡也略有些不同，富氧率為1%時，卷入漩渦的煤粉顆粒最多，其次為富氧5%時，富氧3%時最少。

6 結論

(1) 噴煤量對煤粉顆粒運動過程中氣體的運動速度影響比較明顯，但是對漩渦內的氣體速度影響不是很明顯。

(2) 煤粉顆粒運動過程中氣體的運動速度隨著富氧率的增加而有所增加，但是卷入漩渦的煤粉顆粒并不是隨著富氧率的增加而增加。卷入漩渦的顆粒越多，越有利于煤粉的燃燒。因此，富氧率對煤粉燃燒過程的有利影響隨著富氧率的增加出現拐點，表明富氧率應該維持在一個合適的水平，并不是越高越好。

[1]楊天均，蒼大強，丁玉龍.高爐富氧煤粉噴吹[M].北京：冶金工業出版社，1996

[2]楊天鈞，徐金梧.高爐冶煉過程控制模型[M].北京：科學出版社，1995

[3]周力行.湍流兩相流動與燃燒的數值模擬[M].北京：清華大學出版社，1991

2014-06-12

孫竹瑋(1984—)，男，山西神池人，助理工程師，研究方向：鍋爐燃燒調整、電廠節能。