采用FLUENT软件研究旋流煤粉燃烧器燃烧特性

2005 Fluent 中国用户大会论文集采用FLUENT软件研究旋流煤粉燃烧器燃烧特性由长福（清华大学热能工程系，北京 100084）摘要：本文FLUENT软件研究了实际电站锅炉单个双调风旋流燃烧器附近区域的煤粉燃烧过程。

并分别研究了内二次风旋流强度，外二次风风率，一次风风率和三次风风率等因素对燃烧性能的影响。

各工况计算结果表明，总体上在燃烧器出口处形成了高温区和高煤粉浓度区，燃烧器出口一定距离后的炉内温度呈逐渐上升趋势，炉膛温度分布均匀。

中心高温区出现迟的工况，后期分级燃烧充分。

表明该燃烧器具有高效稳燃和变工况运行稳定的性能。

关键词：旋流燃烧器；数值计算；燃烧性能引 言当前国内使用的电站锅炉，80%是四角切圆煤粉燃烧锅炉，不到10%采用旋流燃烧锅炉[1]。

和四角切圆煤粉锅炉相比，旋流燃烧器锅炉是一种新型的锅炉，结构复杂得多。

已有较多学者采用数值模拟方法研究旋流燃烧器燃烧性能的例子[1-4]，这些例子的计算结果都详细预报了由于测量困难而不能充分获得的炉膛内部的温度场，速度场，燃烧产物各组分的浓度分布和污染物的分布，其中文献[2]和[3]还与实验数据比较，比较结果表明，模拟结果与锅炉热态试验数据吻合情况较好，为数值模拟的更广应用提供了依据。

简图如图1燃烧器中心通一股直流的三次风，风量较小。

针对该燃烧器的结构，本文研究了内二次风的旋流强度，二次风的配比，一次风和中心风的风率对燃烧性能的影响。

作者：由长福（1969），男（汉族），黑龙江，副教授，博士，清华大学热能工程系1 计算方法1.1 计算对象和网格生成计算域为单个旋流燃烧器附近的区域，大致为两个燃烧器之间的水冷壁和炉膛。

根据旋流燃烧器出口附近的流场特性，采用二维轴对称结构模拟该区域。

在计算区域的出口采用了倾斜一定角度的斜面以避免由于回流产生的压力计算不准确。

由于要计算旋转流动，为了得到较好的收敛结果，对燃烧器喉部壁面附近、水冷壁附近进行了网格细分。

计算区域和网格划分采用GAMBIT 生成，如图2所示。

1.2 数学模型和边界条件使用FLUENT 为计算平台。

气相湍流模型采用的是可实现κ-ε模型(Realizable κ-ε模型[1])。

Realizable κ-ε模型能较好地模拟旋流的原因是湍流粘性系数μT 和ε方程考虑了角变形率即旋涡流动的影响[5]。

采用了混合分数概率密度函数(PDF)模型模拟煤粉燃烧。

煤粉挥发份的释放采用了单倍速率模型；煤粉颗粒的跟踪采用随机轨道模型；辐射模型采用P1模型。

煤粉颗粒以surface 方式从一次风口喷入炉膛，速度与一次风同。

煤粉颗粒的粒径范围为70～200μm ，取10组不同粒径的煤粉颗粒，粒径分布满足Rosin-Rammler 分布公式。

各次风口的速度边界条件采用方便定义旋转速度的Components 方式。

水冷壁热边界条件定水冷壁面温度为5500C 。

计算域的上边界采用壁面应力为零的壁面边界条件，热边界条件热流为零。

出口采用表压力为0的压力边界条件。

1.3工况设计和煤质特性分别计算各影响因素的不同工况来考察燃烧器变工况运行的性能，进而得到较优的燃烧工况，各计算工况见表1。

计算所用的富兴煤是低硫高热值的烟煤，燃煤的工业分析和元素分析的干燥无灰基数据见表2，干燥无灰基数据将用于PDF 模型的计算。

图2 燃烧器出口计算域及网格划分表1、影响因素计算工况Case1 Case2 Case3 Case4 内二次风旋流强度Ω0.5 1.0 1.45 1.85内二次风风率30%, 外二次风风率57%, 一次风率10%, 三次风率3%外二次风风率(%)52.2 57 65.3 69.6内二次风旋流强度Ω=1.45, 一次风率10%, 三次风率3%一次风风率(%)10 16 20内二次风Ω=1.45, 内二次风风率30%, 外二次风风率57%, 三次风率3%三次风风率(%) 1 2 3 4 内二次风Ω=1.45, 内二次风风率30%, 外二次风风率57%, 一次风率10%表2 煤质工业分析和元素分析干燥无灰基数据V daf % C daf%H daf%O daf%N daf%S daf Q net.daf% MJ/kg30.4 82.633 4.716 10.598 1.383 0.669 31.8562 计算结果分析2.1 旋流燃烧器燃烧性能总体分析图3给出了燃烧器出口区域和炉膛温度，碳浓度和氧气浓度的计算结果，计算工况为内二次风率30％，内二次风旋流强度1.0，外二次风率57％，一次风率1％，三次风率2%。

从图a中可以看出，燃烧器出口有一局部高温区，该高温区起始于燃烧器一次风出口与二次风出口交汇处，随后径向向外扩展，这是由于受到内二次风旋转速度的影响。

该高温区温度高达16000C。

从图b中可以看出，在该高温区也是高煤粉浓度区，同时从图c中看出，氧气在该区域消耗迅速。

可以得出在燃烧器一二次风口交汇区域形成了高温，高煤粉浓度和高氧浓度的三高区。

随着射流向外发展，外二次风迅速补充进燃气，从图b中也可以看出碳浓度在三高区后的区域内浓度也很高，使得分级燃烧继续进行，炉膛温度呈逐逐渐上升趋势，最高温度达到17500C，且分布较为均匀。

从图b中可以看出，水冷壁附近碳浓度很低，几乎没有煤粉颗粒进入该区域。

图c中水冷壁附近呈氧化性气氛，提高了灰分的熔化温度。

这说明该旋流燃烧器能减轻结渣问题。

a 温度场分布(K)b 碳浓度分布c 氧气浓度分布图3. 燃烧器出口区域和炉膛温度、碳浓度和氧气浓度分布图2.2 内二次风旋流强度对燃烧性能的影响对双调风旋流燃烧器冷态流场影响因素的研究表明，内二次风旋流强度的大小对回流区的大小和回流量有重要影响。

旋流强度大能卷吸的回流量多，形成的回流区的长度和宽度也大[6.7]。

图4给出了内二次风旋流强度对炉膛轴线处温度场、碳浓度和氧浓度分布的影响。

图中x 表示中心轴线上的坐标，D 表示燃烧器出口直径。

从图a 中可以看出，随着内二次风旋流强度的增大，中心高温回流区的出现提早。

这是因为内二次风旋流强度大，能够回流更多的高温烟气，煤粉气流能被更快的加热到着火温度，从而提前燃烧，产生高温区。

但是燃气射流充分发展后，旋流强度小的工况最终的炉膛温度最高，内二次风旋流强度0.5时最终的炉膛温度比旋流强度为1.85时高500C ，这说明内二次风旋流强度小时后期分级燃烧充分，但是前期燃烧有所削弱。

同时从图a 中还可以看到，任意一工况，达到炉内最终温度的位置是一致的，这表明内二次风旋流强度小时从低温区过渡到中心高温区的时间短，能迅速达到炉内最高温度。

从图b 的碳浓度和图c 的氧气浓度分布看，碳浓度和氧气浓度的高低与中心高温区出现的早晚对应。

内二次风旋流强度为1.85和1.45的工况，前期燃烧剧烈，煤粉浓度基本聚集于轴线温度迅速上升的区域，此区域外煤粉浓度稀少。

内二次风旋流强度小的工况，碳浓度在中心高温区外在轴向方向仍有较大宽度的分布，分级燃烧充分，氧气消耗充分。

2.3 外二次风风率对燃烧性能的影响通过对冷态流场的研究，直流外二次风风率的大小影响一次风和旋流内二次风的前期混和 [8]。

图5给出了外二次风风率对炉膛轴线温度场、碳浓度和氧浓度分布的影响。

从图a 中可以看出随着外二次风风率的增大，中心高温回流区的出现推迟，这是因为外二次风风率增大，外二次风轴向速度增大，则外二次风旋流强度减小，同时影响内二次风旋流强度，综合旋流强度亦减小，根据3.2的分析，中心高温区的出现将推迟。

但外二次风风率低时炉内最终温度比风率高时要高，外二次风风率52.2％时比69.6％时约高700C 。

这可能是因为外二次风风率大时，煤粉颗粒被迅速吹到炉膛深部，在炉内停留时间短，未充分燃烧所致。

2.4 一次风风率对燃烧性能的影响煤粉空气混合物中的一次风风率大小对煤粉着火热有重要影响，从而会影响着火快慢。

图6给出了一次风风率对燃烧器区域及炉膛轴线温度场、碳浓度和氧浓度分布的影响。

从图a 中可以看出，随着一次风风率的增加，中心高温区的出现提前。

一次风风率为10％时，一次风风量较低，煤粉着火燃烧初期得不到足够的氧气，化学反应速度减慢，未能放出足够热量使得迅速出现中心高温区。

一次风风率20％的工况，后期燃烧不如一次风风率为10％的工况充分，炉膛最终温度不如一次风率为10％的高，这表明一次风风率为20％的工况一次风风量有过剩。

Te m p e r a t u r e (K )x/D0.0000.0010.0020.0030.004M a s s f r a c t i o n o f C (s )x/Da 对温度场的影响b 对碳浓度分布的影响0.000.050.100.150.200.25M a s s f r a c t i o n o f O 2x/Dc 对氧气浓度分布的影响图4. 内二次风旋流强度对轴线温度场、碳浓度场和氧气浓度场分布图T em p e r a t u r e (K )x/DM a s s f r a c t i o n o f C (s )x/Da 对温度场的影响b 对碳浓度分布的影响0.000.050.100.150.200.25M a s s f r a c t i o n o f O 2x/Dc 对氧气浓度分布的影响图5. 外二次风风率对轴线温度场、碳浓度场和氧气浓度场分布图2.5三次风风率对燃烧性能的影响三次风风速的大小回流区的结构有重要影响。

图7给出了三次风风率对燃烧器区域及炉膛轴线温度场、碳浓度和氧浓度分布的影响。

从图a 中可以看出，随着三次风率的提高，中心高温区的出现推迟。

这是因为三次风率高，三次风风速大，射流刚性强，推迟回流区的形成和高温烟气的回流所以煤粉燃烧推后。

三次风风率为4％时，炉膛区域温度最高。

从图c 中可以看出，该工况时，氧气浓度在炉膛区域渐进降低，分级燃烧效果明显。

三次风风率的影响有和前面影响因素一样的结论，中心高温区出现迟的工况达到炉膛最终温度高，速度快。

T e m pe r a t u r e (K )x/DM a s s f r a c t i o n o f C (s )x/Da 对温度场的影响b 对碳浓度分布的影响0.000.050.100.150.200.25M a s s fr a c t i o n o f O 2x/Dc 对氧气浓度分布的影响图6. 一次风风率对轴线温度场、碳浓度场和氧气浓度场分布图T e m p e r a t u r e (K )x/DM a s s f r a c t i o n o f C (s )x/Da 对温度场的影响b 对碳浓度分布的影响0.000.050.100.150.200.25M a s s f r a c t i o n o f O 2x/Dc 对氧气浓度分布的影响图7. 三次风风率对轴线温度场、碳浓度场和氧气浓度场分布图结束语本文通过对新型双调风旋流燃烧器单个燃烧器附近的炉膛区域的煤粉燃烧过程进行数值计算，研究了该燃烧器的燃烧性能，并考察了内二次风旋流强度，外二次风，一次风和三次风风率对燃烧器燃烧性能的影响，得出了这些影响因素的一些基本规律。