不同風(fēng)速下雙通道燃燒器的著火特性研究

＊熊璟睿

（丹陽中鑫華海清潔能源有限公司 江蘇 212300）

我國正在推進(jìn)清潔能源的發(fā)展，其中包括新能源發(fā)電。目前，我國新能源發(fā)電已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，特別是在可再生能源方面，如風(fēng)電、光伏等。新能源發(fā)電規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致火電份額縮小，使得不少火電機(jī)組長期處于低負(fù)荷運(yùn)行狀況，鍋爐燃燒不穩(wěn)定，為此政府也在大力推動煤電工業(yè)的改革，實(shí)施燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組、燃煤發(fā)電機(jī)組的靈活性改造[1]。并且推動儲能與新能源發(fā)電、電力系統(tǒng)協(xié)調(diào)優(yōu)化運(yùn)行等，以進(jìn)一步降低能源消耗和提高燃燒效率的發(fā)展?fàn)顩r。

本文提出了采用不同一次風(fēng)速對雙通道燃燒器進(jìn)行分析的新方法，并通過運(yùn)用數(shù)值模擬計算的方式，通過建模軟件建立一個具有一定尺寸的雙通道燃燒器模型，并在其中噴入高揮發(fā)分煤種，模擬該煤種在不同一次風(fēng)速下的燃燒過程及煤粉顆粒中各成分的析出情況和生成物在爐內(nèi)的分布場，研究一次風(fēng)速對煤粉在雙通道燃燒器內(nèi)燃燒狀況的影響。

1.煤粉鍋爐穩(wěn)定燃燒技術(shù)現(xiàn)狀

煤粉鍋爐低負(fù)荷時會產(chǎn)生燃燒不穩(wěn)定的問題，多年來為了確保煤粉鍋爐能夠穩(wěn)定地進(jìn)行燃燒，研究人員采用了很多的技術(shù)措施，使得氣流流動工況得到改善，提高著火和燃燒的穩(wěn)定性，并建立穩(wěn)定的燃燒系統(tǒng)，從而增強(qiáng)煤粉的燃燒效率，減小著火所需的熱量，高效率燃燒成功得以實(shí)現(xiàn)[2]。各種各樣的不同結(jié)構(gòu)與性能的燃燒器也在最近30年被研制出來，燃燒器結(jié)構(gòu)的變化主要體現(xiàn)在對一次風(fēng)口結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和調(diào)整上，這種結(jié)構(gòu)可以改善氣流，改善燃燒器穩(wěn)定性，可有效提高燃燒效率。本文主要針對一次風(fēng)中的煤粉濃度分布進(jìn)行了改善和優(yōu)化，在燃燒器出口位置達(dá)到了最佳煤粉濃度，提高了點(diǎn)火和燃燒穩(wěn)定性，燃燒過程中氮氧化物的產(chǎn)生和排放得到有效控制。

雙通道燃燒器是不同于普通燃燒器的一種燃燒器，由兩個進(jìn)氣通道組成。其工作原理基于燃燒器內(nèi)混合燃料和空氣產(chǎn)生可燃性混合氣體，然后引入點(diǎn)火源點(diǎn)燃。

在雙通道燃燒器中，兩種燃料混合后與空氣一起進(jìn)入燃燒器，燃燒釋放能量，從而提供功率和熱量。一次風(fēng)通過各自的進(jìn)氣通道攜帶煤粉進(jìn)入燃燒器，在燃燒器內(nèi)部，燃料和空氣混合后在預(yù)燃區(qū)域先進(jìn)行預(yù)熱和混合，然后混合氣體在主燃區(qū)域燃燒并釋放熱能。這種燃燒方式可以在不同的燃料比例下產(chǎn)生適當(dāng)?shù)幕旌蠚猓虼诉m用于多種應(yīng)用場景。

2.煤粉燃燒數(shù)值計算模型及方法

(1)數(shù)學(xué)模型

能量的總量是恒定的，不會在數(shù)量上變化，所以在模擬開始，必須選擇能量守恒方程來保證模擬的真實(shí)性。實(shí)際情況下爐內(nèi)煤粉燃燒時的流動一般是湍流流動。目前實(shí)際工程計算中常用的是雙方程湍流模型：k-ε模型。在模擬過程中采用RNG k-ε模型[3]。輸送方程如下：

對于低雷諾數(shù)，湍流黏度系數(shù)需要通過一定的微分方程來確定。其中一個典型的微分方程為：

其中，vt為湍流黏度系數(shù)；y為流場中與流動方向垂直的方向坐標(biāo)；k和α為實(shí)驗(yàn)得到的常數(shù)。

該微分方程可以解析求解出vt在整個流場中的分布，然后通過求解N-S方程和能量方程來獲得流場的解。

對于高雷諾數(shù)，湍流黏性系數(shù)的計算公式為：

氣固體系的計算流體力學(xué)模型根據(jù)粒相的處理不同，可分為粒軌模型和流體模型兩種。煤粉顆粒從磨制、運(yùn)輸、燃燒都會涉及氣固兩相流動，爐內(nèi)煤粉的運(yùn)動和分布對燃燒的影響至關(guān)重要。

揮發(fā)分從煤粉顆粒中析出（熱解）時的溫度大約在300℃之后。使用最廣泛的揮發(fā)分析出模型——兩步競爭反應(yīng)模型（Two Competing Rates Model）。用這種模型可以更精確地描述揮發(fā)分的熱解和氧化反應(yīng)過程，提高燃燒模擬的精度。

在燃燒模型界面能夠選擇頻率因子（Kinetics-Limited Rate Pre-Exponential Factor）及反應(yīng)活化能（Kinetics-Limited Rate Activation Energy）的取值，頻率因子取值越大、活化能取值越小均會使反應(yīng)更快進(jìn)行[4]。

一般來說，灰分和水分通過影響火焰溫度和燃燒密度對能量供應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響[5]。灰分和H2O中吸收的熱量相對較少，但它們的存在降低了單位質(zhì)量煤中反應(yīng)物質(zhì)的熱含量。

(2)建模及網(wǎng)格劃分

在ICEM CFD軟件建模過程中對雙通達(dá)燃燒器僅作簡易處理，并未考慮爐內(nèi)不同區(qū)域的工況變化，僅對模型進(jìn)行一致劃分成“All Tri”（全部為三角形），最終劃分網(wǎng)格數(shù)為92331個。

(3)邊界條件

邊界條件設(shè)置過程中涉及著火距離，并且需要考慮鍋爐的溫度分布。著火距離是用來衡量煤粉燃燒著火及火焰穩(wěn)定性的一個重要參數(shù)。著火距離越短，說明煤粉的著火性能越好，火焰越穩(wěn)定；反之，著火距離越長，則說明煤粉的著火性能越差，火焰也會越不穩(wěn)定[6]。在實(shí)際的煤粉燃燒過程中，通常使用燃燒器噴嘴與可見的火焰位置之間的距離來作為著火距離的衡量標(biāo)準(zhǔn)。

在設(shè)置各邊界的過程中，將“airlin”改為“velocity-inlet”（速度入口），將“out”改為“pressure-outlet”（壓力出口）；在離散相模型DPM的Injections中對煤粉進(jìn)行設(shè)置，顆粒類型改為燃燒（Combusting）,粒徑分布形式（diameter distribution）改為uniform。在“airin”中設(shè)置煤粉氣流初溫為127℃，攜帶煤粉的一次風(fēng)速為20m/s，煤粉質(zhì)量流量為0.04kg/s（0.144t/h），煤粉濃度經(jīng)計算得出為0.159155kg/m3。

研究不同一次風(fēng)速對燃燒性能的影響，設(shè)置一次風(fēng)速從15m/s到29m/s變化，每隔2m/s為一個工況，共8個工況。由于一次風(fēng)速較低時爐內(nèi)模擬結(jié)果并不理想，所以僅討論一次風(fēng)速從15m/s開始的工況。通過比較這8個工況下著火距離的變化，得出不同一次風(fēng)速對于著火距離的影響趨勢。

3.數(shù)值模擬計算結(jié)果及分析

(1)著火距離變化圖

如圖1所示，著火距離隨一次風(fēng)速變化而變化，一次風(fēng)速變大，著火距離也逐漸增大，并且燃燒最高溫度也隨著風(fēng)速變大再逐漸減小。應(yīng)用單一變量原則，觀察煤粉顆粒直徑一定時著火距離隨一次風(fēng)速的變化。

圖1 著火距離以及最高溫度隨一次風(fēng)速的變化曲線

一次風(fēng)速過大或過小都會對煤粉著火距離產(chǎn)生影響。具體而言，當(dāng)一次風(fēng)速較小時，煤粉著火距離較短。這是因?yàn)橐淮物L(fēng)速過小會導(dǎo)致煤粉與空氣的混合不均勻，空氣無法充分和煤粉摻混。相反，當(dāng)一次風(fēng)速過大時，煤粉著火距離也會受到影響。這是因?yàn)橐淮物L(fēng)速過大會使得煤粉和空氣的混合過于充分，煤粉在燃燒前被過多地吹散，導(dǎo)致煤粉無法集中、密集地燃燒。這樣一來，煤粉著火距離就會變長。

最佳工況為能夠使煤粉充分燃燒，燃燒效率最大化，減少未燃盡的煤粉或排放的有害氣體的一種情況。根據(jù)圖1可以看出，當(dāng)一次風(fēng)速為21m/s時，燃燒最高溫度為1433.622K，表明煤粉與空氣等充分混合燃燒，此時著火距離為280.45mm。

(2)速度場分布

爐膛內(nèi)的流體速度分布情況可以形象地反映煤粉的氣流運(yùn)動特性，而優(yōu)良的空氣動力場則是保障鍋爐正常、高效、穩(wěn)定燃燒運(yùn)行的重要前提條件。簡而言之，只有通過維護(hù)良好的空氣動力場，才能夠?qū)崿F(xiàn)鍋爐的安全、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。速度矢量圖如圖2所示。

圖2 速度矢量圖（單位：m/s）

(3)溫度場分布

圖3中模型左側(cè)為雙通道燃燒器，燃燒器上下兩側(cè)為兩個通道，一次風(fēng)攜帶煤粉從這兩個口進(jìn)入，而且入口處深藍(lán)色段為400K煤粉氣流。爐中心軸線處兩道紅色代表煤粉成功著火的現(xiàn)象，溫度發(fā)生劇烈變化且爐內(nèi)最高溫度也在該區(qū)域內(nèi)，最高溫度在1400K左右。隨著煤粉的燃燒及燃盡，煙氣溫度逐漸降低，逐漸由圖中的紅色變?yōu)榈t色，但是由于有上下兩壁面1100K高溫的加熱，所以在接近爐出口處煙氣溫度雖然下降，但是與最高溫度相比，變化幅度不是很大。

圖3 爐內(nèi)整體溫度分布（單位：K）

(4)氧氣濃度分布

雙通道燃燒器一次風(fēng)攜帶煤粉從兩個通道進(jìn)入燃燒器，空氣里面包含著氧氣，所以兩個通道口氧氣濃度最大。在進(jìn)入爐內(nèi)后，在氧氣與加熱壁面共同加熱作用下，煤粉快速發(fā)生干燥熱解過程，并發(fā)生著火消耗大量氧氣，因此氧氣濃度下降。隨著著火的發(fā)生與距離的深入，中心軸線上的氧氣含量逐漸減少，由橙色轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色，再到淡黃色，綠色。隨著燃燒區(qū)域的深入，氧氣濃度逐漸降低，直到出口降至最低。

4.結(jié)束語

本文主要對雙通道燃燒器采用不同一次風(fēng)速進(jìn)行一系列燃燒模擬，并設(shè)計不同工況來探究不同一次風(fēng)速對于煤粉著火的影響，從而找出最有利于著火的工況。在最佳工況下分析溫度、速度、各組分濃度等參數(shù)的分布。得出以下結(jié)論：

一次風(fēng)速度如果過大或過小，都可能對燃燒過程產(chǎn)生不利的影響，比如會導(dǎo)致爐內(nèi)著火延遲、燃燒效率降低和燃燒不穩(wěn)定等問題。我們要選取最合適的一次風(fēng)速，而導(dǎo)致最佳著火距離，得到最佳效率燃燒。此外，過大的一次風(fēng)速還有可能導(dǎo)致爐內(nèi)結(jié)焦，而過小則可能引起一次風(fēng)管道堵塞和噴口燒損等問題。這些問題不僅會降低燃燒效率，還會影響燃燒安全，因此需要重視并加以解決。