四通道煤粉燃燒器冷態數值模擬研究

李少寧　陳志榮　肖東

摘要：回轉窯內流動非常復雜，通過冷態數值模擬研究了解燃燒器的空氣動力場特性，是一項必不可少的研究工作，也是一種省時、省力、效率高、靈活性強的試驗方法。本文通過對Nc型四通道煤粉燃燒器在不同結構、運行參數下的空氣動力場特性進行研究，討論回流區的形成原因，分析回流量的范圍，指導同類燃燒器的合理設計與優化運行。

關鍵詞：回轉窯；四通道煤粉燃燒器；冷態；數值模擬

中圖分類號：TQl7

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0058-01

回轉窯內流動非常復雜，通過冷態數值模擬研究解燃燒器的空氣動力場特性，是一項必不可少的研究工作，也是效率高且靈活性強的實驗方法。

本文通過對NC型四通道煤粉燃燒器的空氣動力場特性進行研究，討論回流區的形成原因，分析回流量的范圍，從而指導同類燃燒器的合理設計與優化運行。

1.物理模型及求解方法

1.1物理模型及求解方法

回轉窯內，既有從燃燒器噴出的中心風、煤風、旋流風以及軸流風，又有預熱后的二次風。各股風相互影響，這是一個十分復雜的湍流氣相流動過程。

針對該計算區域，本文采用以下邊界條件：1）速度邊界條件：設置風道入口端面的速度為速度入口邊界；2）壓力邊界條件：設置窯尾出口端面的壓力為壓力出口邊界；3）固體壁面邊界條件：將回轉窯壁面設置為避免無滑移邊界條件，速度為0，且絕熱。

1.3網格劃分及細節處理

因模擬區域具有對稱性，故本文僅取以窯中心軸為對稱軸的一半區域進行研究，采用MAP網格進行分區劃分，為重點研究煤粉混合、加熱的燃燒器出口區域，可將此區域的網格加密，這將有利于研究燃燒器氣體出口附近的流場分布狀況，它直接影響著煤粉的運動速度與燃盡時間。

2.冷態數值模擬結果分析

2.1回流區分布

三通道煤粉燃燒器的回流的形成主要是切向旋流風作用的結果，主要卷吸高溫二次風，外回流區的產生不僅可以增加煤粉后期的燃燒速度，而且能夠防止一次風射流沖刷窯皮；內回流區的形成主要是由于軸流風和旋流風軸向風速較大，與周圍空氣形成差速射流從而卷吸高溫煙氣，為點燃煤粉提供所需要的能量。

四通道燃燒器，在結構上與三通道燃燒器相比，增加了一個中心風通道，回轉窯內部流場也發生了較大的變化。圖1位某工況下，窯內回流區分布。可見，該燃燒器出口附近形成兩個回流區。

本文研究認為，四通道煤粉燃燒器內回流區形成于旋流風附近，由旋流風的旋流效應、與中心風的速差射流共同引起，卷吸下游產生的高溫煙氣，利于煤粉的點火和穩定燃燒；外回流區位于軸流風附近，主要是由軸流風和二次風的大速差形成，其主要作用是卷吸高溫二次空氣，同樣有利于煤粉迅速而穩定的燃燒。在不破壞燃燒穩定的情況下，一般回流區越大越好。

2.2回流量討論

回流量為回流區內某截面上的體積流量。對速度場積分，可確定內回流量Qr和外回流量Qp，如式

內回流區的方向是由外到里，回流區長度約為0.5m，最大寬度約為0.2m，最大軸向速度為-22.28m/s。適當的增大內回流區和回流量，有利于卷吸更多的高溫煙氣，增加回流區邊界附近的質量、熱量的湍流運輸水平，提高燃燒反應速度和火焰傳播速度，有利于煤粉的燃燒穩定，提高煤粉的燃燒效率。

3.結論

二維冷態數值模擬可以形象了解各風道對回轉窯內流場的影響。本章采用數值模擬的方法，分析了冷態氣相流場的速度分布，主要得出以下結論。1）模型能較好的模擬回轉窯內的流場，達到工程預測的精度需要。2）旋流燃燒器的一個顯著特點，能夠產生中心回流區，使高溫煙氣回流，加熱煤粉與空氣的混合物，使其順利著火燃燒。3）回流區的形成與燃燒器的設計是分不開的。內回流區位于旋流風附近，由旋流風的旋流效應、與中心風的速差射流共同作用；外回流區位于軸流風附近，主要是由軸流風和二次風的大速差形成。