锅炉内煤粉燃烧数值模拟研究

孙竹玮 刘月军

(1.山西漳山发电有限责任公司，山西 长治 046021；2.内蒙古京隆发电有限责任公司，内蒙古 乌兰察布 012100)

锅炉内煤粉燃烧数值模拟研究

孙竹玮1刘月军2

(1.山西漳山发电有限责任公司，山西 长治 046021；2.内蒙古京隆发电有限责任公司，内蒙古 乌兰察布 012100)

首先利用商业软件FLUENT建立了高炉内回旋区煤粉燃烧三维数学模型，随后分析了煤粉燃烧过程的速度场、颗粒轨迹，最后从不同煤比和不同富氧率2个方面对煤粉燃烧过程进行了研究，对今后高炉运行过程中怎样调整有十分重要的借鉴意义。

高炉；煤粉；轨迹；速度场

0 引言

总结前人的工作可以发现，其注意力大多集中在高炉数模上，很明显，建立一个风口回旋区的数学模型是很重要的，操作者们用它可直接进行有效的操作。但是，由于回旋区内部存在多组分气体、固体焦炭、液态炉渣、铁水之间复杂的耦合力学过程和化学反应过程，目前仍没有形成严格的风口回旋区理论[1]。

煤粉随着高速、高温空气进入风口，并发生一系列的物理、化学变化，对高炉下部的煤气分布有着极为重要的影响[2]。采用全高炉进行实验不太现实，但是运用数值模拟的方法就可以很方便、较为准确地反映高炉内煤粉运动状况。

1 物理模型的建立

高炉回旋区内部的物理、化学反应非常复杂，按照典型的回旋区理论对回旋区进行简化：(1) 考虑煤粉在直吹管内与高速空气的动量交换。(2) 对2 200 m3的高炉炉腹和炉腰建模，并按照28个风口取其1/28，得到的几何空间为计算区域。(3) 回旋区内部认为是空腔，出口区域用多孔介质模拟焦炭和炉料组成的边缘环境。认为多孔介质只起阻力作用，并不参加反应。(4) 忽略焦炭和炉料下降对回旋区的影响，仅仅考虑回旋区内煤粉颗粒和高速空气之间的相互作用。(5) 将煤粉看作离散相，忽略颗粒之间的碰撞、颗粒体积分数对连续相的影响。同时考虑颗粒之间、颗粒与连续相之间的辐射。

根据以上假设建立物理模型。

2 几何模型的建立

本研究当中考虑直吹管内高温空气对煤粉燃烧的影响，直吹管采用包钢四号高炉的直吹管尺寸大小。

近几年来，人们均采用这样那样的经验公式来得到回旋区深度、高度，有的认为根据回旋区的深度、高度和宽度得到长方体形的回旋区形状，也有的认为是由深度和高度为长短轴的椭球，也有的直接认为是一个球体等等。同时通过实验和数值模拟的方法致力于修正这样的经验公式，给出新的回旋区理论。经验公式给出的数据仅仅局限于一个回旋区深度和高度，不能完全描述回旋区的实际形状，得到的几何体会对流场以及燃烧过程产生很大影响，造成对回旋区反应过程的误解。因此，我们按照实际高炉本体的炉腹和炉腰1∶1建模，按照28个风口取其1/28。

回旋区数值模拟均与实际生产高炉本体比例为1∶1。通过FLUENT的前处理模块GAMBIT提供高质量网格[3]。网格单元均采用非结构化六面体，网格数为72 699个，在网格生成后输出msh文件，即可导入FLUENT进行计算。GAMBIT的网格优化与自适应具有独特的自适应网格自动划分模块，可根据迭代求解计算状态对网格进行自适应调整，随时优化网格。

3 建立数学模型

采用非预混燃烧模型，用Realizable κ-ε紊流模型模拟气相湍流运动，对固体颗粒相的求解采用随机颗粒轨道模型，用P-1辐射模型计算辐射传热，对煤粉挥发分释放采用双匹配速率模型，对焦炭的燃烧采用动力学/有限扩散速度模型来模拟。

4 计算工况及边界条件

4.1 计算工况

工况数据采用包钢四号高炉喷煤参数：风口直径为0.12 m，风压为0.35 MPa，风口数为28个，富氧率为1%、3%、5%，喷煤量为150 kg/t、送风量为4 200 m3/min。

4.2 边界条件

煤粉颗粒以平面方式从一次风口喷入炉膛，速度与一次风相同。煤粉颗粒的粒径范围为70～200 μm，粒径分布满足罗辛—拉姆勒分布公式。各次风口的速度边界条件采用方便定义旋转速度的构成方式。水冷壁热边界条件定水冷壁面温度为550 ℃。计算域上边界采用壁面应力为0的壁面边界条件，热边界条件热流为0。出口采用表压力为0的压力边界条件。

5 分析

为了研究富氧率对回旋区煤粉运动轨迹的影响，在风温为1 200 ℃，煤比为150 kg/t，富氧率分别为1%、3%、5%的情况下，分析回旋区内煤粉运动过程，得到的结果如图1、图2所示。

图1 速度场

图2 粒子轨迹

由图1、图2可见，高温空气进入回旋区以后，和前面的情况相似，仍然是突扩受限射流，由于浮力作用，高温空气出现斜向上流动，有一部分如靠近炉膛中心的高速气流从顶部流出，另一部分则在回旋区上部形成一个较大的漩涡，漩涡中心的速度非常的小，并且在回旋区内回旋一段时间流出。同时我们发现在回旋区下部有一个小的漩涡。

比较速度场图、粒子轨迹图可以看出，在230 m/s的高速鼓风下，高速气体沿着风口中心线高速运动，并在高炉中心区域迅速向上运动，速度均在50 m/s左右。这样形成一个由风口前高速气体和炉膛中心向上运动气体形成的主流气体速度。2种工况下气体的最大速度均出现在鼓风入口处，最大速度值分别为：富氧1%时，最大速度为310 m/s；富氧3%时，最大速度为313 m/s；富氧5%时，最大速度为311 m/s。2种情况下形成的大漩涡的速度也比较小，速度值均在30 m/s左右。由此可见，煤粉颗粒运动过程中气体的运动速度随着富氧率的增加而有所增加。

煤粉进入回旋区以后，大部分煤粉仍然是随着高速气体向出口处运动，在出口处逃逸，这部分煤粉往往由于在回旋区内停留时间短，燃烧不够充分。只有靠近上下2个漩涡的少数颗粒才会被卷席进入漩涡，并随着气流运动。

图1、图2中煤粉速度场和粒子轨迹也略有些不同，富氧率为1%时，卷入漩涡的煤粉颗粒最多，其次为富氧5%时，富氧3%时最少。

6 结论

(1) 喷煤量对煤粉颗粒运动过程中气体的运动速度影响比较明显，但是对漩涡内的气体速度影响不是很明显。

(2) 煤粉颗粒运动过程中气体的运动速度随着富氧率的增加而有所增加，但是卷入漩涡的煤粉颗粒并不是随着富氧率的增加而增加。卷入漩涡的颗粒越多，越有利于煤粉的燃烧。因此，富氧率对煤粉燃烧过程的有利影响随着富氧率的增加出现拐点，表明富氧率应该维持在一个合适的水平，并不是越高越好。

[1]杨天均，苍大强，丁玉龙.高炉富氧煤粉喷吹[M].北京：冶金工业出版社，1996

[2]杨天钧，徐金梧.高炉冶炼过程控制模型[M].北京：科学出版社，1995

[3]周力行.湍流两相流动与燃烧的数值模拟[M].北京：清华大学出版社，1991

2014-06-12

孙竹玮(1984—)，男，山西神池人，助理工程师，研究方向：锅炉燃烧调整、电厂节能。