鈍體燃燒器在煙氣再循環(huán)條件下的燃燒模擬

＊于 鶴

（丹陽(yáng)中鑫華海清潔能源有限公司 江蘇 212300）

在新能源迅速發(fā)展的背景下，燃煤鍋爐被迫采用低負(fù)荷運(yùn)行方式，甚至頻繁啟動(dòng)和關(guān)閉，以調(diào)節(jié)電網(wǎng)峰值。而現(xiàn)有的燃煤鍋爐均是按額定負(fù)荷設(shè)計(jì)的，因此必須對(duì)現(xiàn)有鍋爐加以改造，以便能夠以更快的升/降速度調(diào)節(jié)負(fù)荷，并在超低負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行。然而長(zhǎng)期在偏離設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行將給煤粉鍋爐帶來(lái)一系列問(wèn)題。這些鍋爐在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了飛灰可燃物多、燃燒運(yùn)行不穩(wěn)定、燃燒效率降低以及氮氧化物排放量增加等問(wèn)題。

為了解決上述問(wèn)題，需要加強(qiáng)煤粉在低負(fù)荷工況下的著火強(qiáng)度，因此提出了用煙氣再循環(huán)的方式，強(qiáng)化煤粉在鈍體燃燒器內(nèi)的著火。本文以一維爐為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)鈍體燃燒器在煙氣再循環(huán)條件下的燃燒特性進(jìn)行了模擬，分析了燃燒器及一維爐內(nèi)不同煤粉燃燒工況的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、氧氣濃度場(chǎng)以及煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法

（1）湍流流動(dòng)模型。RNG-k-ε模型有類似于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的形式，但對(duì)耗散率的修正考慮了強(qiáng)旋流，因此提高渦流的計(jì)算精度[1]。新的湍流黏度的修改式為：

式中，μt0是進(jìn)行渦流修正情況下的湍流黏度值；Ω是fluent計(jì)算的特征漩渦數(shù)，并且as=0.07默認(rèn)情況下，對(duì)于強(qiáng)烈漩渦流，Ω值可以增加。由于RNAk-ε模型適用于強(qiáng)旋渦流動(dòng)的數(shù)值模擬，且該模型能夠較為準(zhǔn)確地計(jì)算近壁區(qū)高雷諾數(shù)流動(dòng)，因此確定了RNG-k-ε模式用于本項(xiàng)目的計(jì)算。

（2）氣固兩相流模型。目前，隨機(jī)軌道模型的研究主要集中于單相氣態(tài)湍流流場(chǎng)，并以此為基礎(chǔ)，利用已知?dú)怏w瞬時(shí)波動(dòng)速度來(lái)計(jì)算粒子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程[2]。由于隨機(jī)軌道模型能夠很好地描述燃燒等過(guò)程中的揮發(fā)，相變等現(xiàn)象，因此在固體顆粒燃燒模擬、兩相湍流模擬等方面得到了廣泛的應(yīng)用。

（3）焦炭燃燒模型。煤粉中含有大量的焦炭，本課題設(shè)置焦炭比例為45%，焦炭的難燃特性導(dǎo)致其燃燒時(shí)間最長(zhǎng)。焦炭燃燒階段尤其重要，因?yàn)閷?duì)整個(gè)煤顆粒燃盡有主要影響，隨后其對(duì)發(fā)電廠熱效率也產(chǎn)生影響。采用隨機(jī)游走模型計(jì)算氣態(tài)物質(zhì)通過(guò)顆粒孔的擴(kuò)散。使用冪律阿倫尼烏斯模型對(duì)焦燃燒進(jìn)行建模，該模型假設(shè)反應(yīng)速率取決于顆粒溫度和顆粒表面的氧分壓，該模型主要考慮了非均相焦顆粒結(jié)構(gòu)對(duì)焦燃燒過(guò)程隨機(jī)性的影響。在焦炭燃燒過(guò)程中，氧氣起氧化劑的作用，在濃度梯度的影響下擴(kuò)散到焦炭表面，反應(yīng)產(chǎn)物從焦炭顆粒的孔隙擴(kuò)散到外界環(huán)境，并通過(guò)顆粒間的熱交換進(jìn)行熱量傳遞。在反應(yīng)和擴(kuò)散同時(shí)存在的情況下，通常采用動(dòng)力學(xué)和擴(kuò)散相結(jié)合的反應(yīng)速率模型[3]。

（4）輻射模型。Fluent軟件提供了多種輻射模型，主要有P-1模型、Rosseland模型和DO模型。

由于P-1模型在二維平面幾何情況下給出了可靠的預(yù)測(cè)，而且對(duì)于氣體和顆粒之間的輻射交換較為精確。因此通常認(rèn)為P-1模型對(duì)工業(yè)爐內(nèi)煤燃燒過(guò)程的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果是較為一致的[4]，所以本方法采用P-1模型對(duì)燃燒過(guò)程中的輻射進(jìn)行模擬。

（5）數(shù)值計(jì)算方法。ANSYS Fluent采用以單元為中心的方案，提供多種不同的方法來(lái)求解歐拉多相流方程。最常用的是PC-SIMPLE方案，它是對(duì)單相流中廣泛使用的SIMPLE算法的修改，其中壓力和速度方程仍然以分離的方式求解，但所相應(yīng)的速度是以耦合方式進(jìn)行計(jì)算的[5]。這意味著相之間的耦合很強(qiáng)，并且阻力項(xiàng)始終保持平衡。

為了獲得較好的收斂性或?qū)Σ豢蓧毫黧w進(jìn)行求解，本項(xiàng)目選擇了SIMPLEC算法作為研究對(duì)象。

2.鈍器燃燒器數(shù)值模擬研究

（1）網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是進(jìn)行模擬分析的關(guān)鍵步驟，網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)模擬分析的準(zhǔn)確度和速度有很大的影響。本文研究的帶有鈍體的燃燒器的模型尺寸為：出口直徑1500mm，鈍體阻塞比為0.133，一維爐長(zhǎng)度為10000mm，鈍體右側(cè)與燃燒室通道進(jìn)口的距離為800mm。煙氣入口直徑100mm，燃燒器長(zhǎng)800mm，外圍直徑500mm。所選網(wǎng)格類型為“AllTri”（全部為三角形），對(duì)流體區(qū)域共分為62543個(gè)結(jié)點(diǎn)，總網(wǎng)格數(shù)為128950。網(wǎng)格質(zhì)量為0.645。

（2）邊界條件設(shè)置。進(jìn)口邊界條件：速度入口，設(shè)置煙氣速度大小νgas和煙氣溫度Tgas以及一次風(fēng)速νair和一次風(fēng)溫Tair以及兩股射流組分含量。

出口邊界條件：壓力出口，其他條件不做設(shè)置。

燃燒室上下邊界及高溫?zé)煔馊肟谏舷逻吔纾鹤鞅诿嫣幚怼?/p>

三角形鈍體表面：作壁面處理，溫度和燃燒室上下邊界溫度一致。

一維爐流場(chǎng)上下邊界：速度入口，設(shè)置熱墻速度和溫度。

（3）最佳工況。通過(guò)試模擬得到理想工況，該工況下νgas=14m/s以及Tgas=1000K，著火距離為139.2mm，滿足著火距離大于100mm的要求。然后根據(jù)單一變量原則，分析煙氣速度和煙氣溫度對(duì)著火距離的影響，以及對(duì)該最佳工況下的各參數(shù)分布（如速度、溫度、各組分濃度等）進(jìn)行分析。

①煙氣溫度對(duì)著火距離的影響。當(dāng)煙氣速度固定在14m/s時(shí)，隨著煙氣溫度從1000K升至1200K，每50K模擬一次，模擬過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，煙氣速度一定時(shí)煙氣溫度升高能夠縮短著火距離，對(duì)煤粉著火起促進(jìn)作用。煙氣溫度大于1200K后，燃燒過(guò)早發(fā)生在燃燒器中，對(duì)燃燒器壽命造成危害，且隨著煙氣溫度的升高，中心火焰位置上移。

②煙氣速度對(duì)著火距離的影響。當(dāng)煙氣溫度固定在1000K時(shí)，煙氣速度從14m/s增高至18m/s，每1m/s模擬一次，模擬結(jié)果表明，煙氣溫度一定時(shí)煙氣速度的提高能夠縮短著火距離，促進(jìn)煤粉氣流的著火，但隨著煙氣速度的提高中心火焰位置向上偏移，煙氣速度大于18m/s后，著火過(guò)早發(fā)生，煙氣速度小于14m/s時(shí)，溫度場(chǎng)低溫區(qū)域變大。

（4）最佳工況的溫度場(chǎng)。圖1是高溫?zé)煔馊肟谒俣圈蚲as=14m/s，一次風(fēng)速νair=20m/s在非預(yù)混條件下三角形鈍體燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng)。通過(guò)觀察得知，煤粉的分解和反應(yīng)多集中在一維爐爐膛前部，即圖中由藍(lán)色向綠色以及黃色轉(zhuǎn)變的區(qū)域，所以這一區(qū)域的溫度較高；在鈍體的阻擋下，煤粉和煙氣的分解和反應(yīng)區(qū)域會(huì)因?yàn)榛亓鲄^(qū)的存在逐步向鈍體后面移動(dòng)，而且會(huì)被集中卷吸到鈍體后方，因此，鈍體后面的溫度最高，與此同時(shí)，高溫區(qū)域會(huì)逐步擴(kuò)展到出口，形成類似于“V”型火焰。最佳工況下溫度場(chǎng)對(duì)稱分布利于穩(wěn)燃。

圖1 鈍體燃燒器在煙氣再循環(huán)條件下的溫度場(chǎng)

（5）最佳工況的速度場(chǎng)。圖2所示的速度場(chǎng)準(zhǔn)確地反應(yīng)了鈍體燃燒器工作原理：由于鈍體阻礙，在鈍體后方形成回流區(qū)，從而將爐膛深入的高溫?zé)煔饣亓鞯饺紵鞯膰娍谔帲瑸槊悍壑鹛峁┝舜罅康臒崃俊D中速度從低到高對(duì)應(yīng)顏色由藍(lán)色向綠色以及紅色變化，可以明顯看出鈍體后部速度較低。

圖2 鈍體燃燒器在煙氣再循環(huán)條件下的速度場(chǎng)

（6）煤粉顆粒軌道跟蹤。由圖3中顆粒溫度分布以及溫度場(chǎng)分布可知，微粒的溫度首先在靠近燃燒室出口的地方急劇升高，這是由于煤粉顆粒中揮發(fā)分析出導(dǎo)致的，揮發(fā)分燃燒并加熱周圍煤粉焦碳顆粒，使得顆粒溫度升高。顆粒溫度第二次急劇變化著火點(diǎn)之后，顏色由綠向黃并向紅變化。

圖3 一維爐內(nèi)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌道

（7）氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。由于噴入煤粉無(wú)法立刻著火燃燒，導(dǎo)致在圖4中燃燒器區(qū)域氧氣濃度高且并未有明顯變化。在進(jìn)入爐內(nèi)后，在高溫?zé)煔馀c加熱壁面共同加熱作用下，煤粉快速發(fā)生分解反應(yīng)過(guò)程，反應(yīng)著火消耗大量的氧氣，所以氧氣濃度在一維爐的前半段第一次發(fā)生劇烈變化，此時(shí)著火較為強(qiáng)烈。但由于燃燒器附近區(qū)域靠近爐壁處存在有回流區(qū)，使得爐壁附近也有少量氧氣存在。隨著著火的發(fā)生以及距離的深入，氧氣含量逐漸減少，逐漸由淺藍(lán)變成深藍(lán)直到出口降至最低。

圖4 鈍體燃燒器在煙氣再循環(huán)條件下的氧氣分布

（8）碳燃盡率。因?yàn)榻固咳紵叭急M發(fā)生在揮發(fā)分析出及燃燒之后，所以碳燃盡率分布的區(qū)域與揮發(fā)分分布的后半部分有類似的地方。研究表明，在通常情況下，由于焦炭的難燃性，其燃盡區(qū)的長(zhǎng)度要大于揮發(fā)分的著火區(qū)和燃燒區(qū)。在揮發(fā)分燃燒后，焦炭開始受熱并出現(xiàn)燃燒現(xiàn)象，在高溫爐壁和煙氣的協(xié)同加熱下，焦炭不斷積累熱量，隨著一步步深入爐膛，焦炭成功在爐膛前部及中部大面積燃燒，并在爐膛后側(cè)燃盡。

3.結(jié)論與分析

傳統(tǒng)鈍體燃燒器無(wú)法滿足鍋爐超低負(fù)荷運(yùn)行的需要，因此本文將高溫?zé)煔庖氲解g體燃燒器內(nèi)對(duì)煤粉進(jìn)行助燃，對(duì)燃燒特性進(jìn)行了多工況數(shù)值模擬，并分析不同工況（主要是煙氣溫度和速度）對(duì)煤粉著火的影響，從而找出最有利于著火的工況，然后給出了在最佳工況下溫度、速度、氧氣濃度等關(guān)鍵參數(shù)的分布。本文的研究得出以下結(jié)論：

（1）煙氣溫度對(duì)煤粉燃燒的影響。在煙氣速度固定14m/s、其他參數(shù)固定的情況下，隨著煙氣溫度的升高，著火距離整體上呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)。煙氣溫度升高能夠促進(jìn)煤粉氣流著火。

對(duì)于爐內(nèi)的溫度分布、速度分布、各組分濃度分布都呈現(xiàn)較高的對(duì)稱性，與實(shí)際狀況符合度較高。同時(shí)在模擬范圍內(nèi)的最佳工況下煙氣溫度為1000K，與加熱壁面溫度相同。

（2）煙氣速度對(duì)煤粉燃燒的影響。在煙氣溫度固定1000K、其他所有參數(shù)固定的情況下，隨著煙氣速度的升高，著火距離也會(huì)呈現(xiàn)縮短趨勢(shì)。煙氣速度的提高能夠促進(jìn)煤粉氣流著火，但通過(guò)試模擬也發(fā)現(xiàn)過(guò)高的煙氣速度和溫度會(huì)導(dǎo)致煤粉在燃燒器內(nèi)部就發(fā)生燃燒，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)對(duì)燃燒器造成損壞，因此實(shí)際過(guò)程中應(yīng)當(dāng)采用數(shù)值模擬的方法對(duì)燃燒器工作條件進(jìn)行研究，有助于確定變工況煙氣溫度和速度的變化范圍。