热烟气炉颗粒轨迹数值模拟

热烟气炉颗粒轨迹数值模拟
摘要：本文介绍了热烟气炉的主要工作原理，通过Fluent软件模拟热烟气炉内的燃烧过程，分析了辐射温度分布数据、组份质量分数分布数据和颗粒轨迹运动数据，得出了颗粒轨迹对辐射温度的影响规律，为解决热烟气炉现存的问题提供参考。

关键词：颗粒轨迹燃烧热烟气炉辐射
一、热风炉介绍
直燃式煤粉燃烧热风炉，是将块煤经过破碎输送机和风扇式磨煤机，将煤磨成粒度大于120目的煤粉，通过一次风机将煤粉送往燃烧器。

为了使燃烧更充分，便于排烟和除渣，煤粉燃烧热风炉一般设有3个腔室：主燃烧室，副燃烧室和沉降室。

从燃烧器喷入的煤粉以悬浮状态进入炉体，集中在主燃烧室燃烧。

副燃烧室的作用是提高未燃挥发物以及未完全燃烧颗粒的燃尽率。

一般将主燃烧室与副燃烧室设计成竖直90°夹角，使主燃室的燃烧热烟气经90°转向进入副燃烧室，加强了气体扰动和空气助燃作用，使燃烧更为完全。

从副燃烧室出来的热烟气，在沉降室与配风风机输送的冷空气混合，混配成所需要的温度后，送入干燥机中。

为了提高燃烧效率，在炉内设有二次助燃风装置，使炉膛内气体发生涡流，加强炉内气体振动，使混合进行的更完全。

通常情况下，热风炉在使用过程中，不可避免地会产生一些问题，比如燃烧不充分、燃烧升温辐射分布不均匀、燃烧产生的颗粒物影响了辐射温度等，这些问题的出现，不同程度地导致热风炉燃烧效率低下,进而无法充分发挥热风炉应有的作用与功能。

因此对于热风炉在燃烧过程中辐射温度分布、组份质量分数分布以及颗粒轨迹运动等数据进行深入研究分析，并将这些数据归纳小结成为有一定影响规律的资料文档，对于生产企业来说，是其提高生产效率，提升经济效益的有效措施之一。

二、辐射温度场结果分析
在一次风入口处挥发分燃烧反应区域粒子的辐射温度比较高；在沉降室挡风墙后面，辐射温度比较高；拱顶的辐射温度相对高于地面位置。

辐射温度主要由煤粉颗粒的燃烧状态和停留时间所决定，在入口附近，挥发分燃烧使温度升高并点燃煤粉颗粒，所以辐射温度高；在挡风墙后面，煤粉颗粒停留时间较长，而且未充分燃烧的煤粉颗粒也在这里进行二次燃烧，所以沉降室挡风墙后面的辐射温度较高，达到1250K。

拱顶的温度相对高于地面的温度，就是受颗粒辐射温度的影响。

因为弧形拱顶的反射效应，使拱顶对应的区域辐射强度变大，所有温度较高。

在副燃烧室中挡风墙前面存在一个辐射低温区，温度维持在990K左右，气流夹带颗粒撞击到挡风墙后被弹回，这里的颗粒速度较大，停留时间很短，所以辐射温度较低。

三、组份质量分数分布结果分析
煤粉燃料与空气氧化剂平均混合质量分数分布数据显示，在入口处燃料占的质量分数最大，随着气流在主燃烧室内向前移动，燃料逐渐被燃烧反应消耗，质量分数慢慢下降。

图中的深色区域反应了煤粉颗粒发生燃烧反应的主要区域；在一次风与二次风入口处，存在一个浅色低值区，这是因为此区域为挥发分燃烧反应区，燃料被快速消耗的原故，同时也证明燃烧反应的发生区域在一次风与二次
风入口交汇处。

四、离散相颗粒轨迹分析
而根据直燃式热烟气炉内煤粉颗粒的运动轨迹数据显示，颗粒由入口进入热烟气炉炉膛以后，向前移动撞击挡风墙，轨迹发生改变，受到连续相的作用下在主燃烧室和副燃烧室内漂浮、移动，弥散于整个腔室中。

随着气体湍流混合而不断往复的经过高温区，使煤粉颗粒充分燃烧；在挡风墙的后面存在一个旋流区，煤粉颗粒在此停留时间较长，所以辐射温度较高，同时也有大量的灰分、杂质在这里逐渐沉降。

同样以单个煤粉颗粒的运动轨迹数据为依据，可以看出，煤粉颗粒在热烟气炉体内停留时间的长短。

煤粉颗粒燃烧前期基本在主燃烧室和副燃烧室中停留，受到连续相的作用，不停的在炉膛中进行不规则的运动；经过燃烧反应一段时间后煤粉颗粒进入沉降室中停留，在挡风墙后面受挡风墙的影响跟随热烟气旋流，最后在热烟气出口逃逸。

五、小结
本文对煤粉颗粒的燃烧进行了数值模拟，分析了颗粒运动轨迹的规律。

得到结果如下：在离散相颗粒轨迹的模拟中，二次风对一次风携带煤粉起分散、扰动作用，使煤粉颗粒悬浮、弥散在整个热烟气炉炉膛内；颗粒燃烧前期燃烧反应主要发生在主燃烧室和副燃烧室中，后期热辐射主要发生在沉降室中。

同时通过模拟实验过程中，充分了解并掌握了热烟气炉燃烧颗粒轨迹对辐射温度的影响规律，以便于在日后对热烟气炉燃烧过程中可能产生的加热不平均等问题提供了一定的借鉴经验，为合理解决热烟气炉故障等奠定一定的科学实践基础。

除此之外，生产企业能够借鉴这些研究数据在提升企业生产效益的同时，还能对所使用的热风炉结合企业自身的实际生产情况与技术水平，进行一定程度的改进，从而使热风炉更符合企业的实际生产需求，进一步体现出企业的技术水平，为企业的发展提供更大的助力。

参考文献
[1]Arun S.Mujumdar. 工业化干燥原理与设备[M]. 北京：中国轻工业出版社，2007，20.
[2]任泽霈，蔡锐贤. 热工手册[M]. 北京：机械工业出版社，2002，6-38.
[3]李辉东，邢秀华. 与干燥机配套的几种热风炉简介[J]. 现代化农业，2009，5：39.
[4]赵镇南. 传热学（第二版）[M]. 北京：高等教育出版社，2005，11-15.
作者简介：张合强男1984年1月出生籍贯河北省阜城县助理工程师大学本科研究方向：化工机械。