煤气旋流燃烧器的数值模拟研究

魏 剑，晋芳伟，黄春水

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建（三钢集团）动能公司，福建 三明 365000)

煤气旋流燃烧器的数值模拟研究

魏 剑1，2，晋芳伟1，2，黄春水3

（1.三明学院 机电工程学院，福建 三明 365004；2.机械现代设计制造技术福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建（三钢集团）动能公司，福建 三明 365000)

针对某厂燃煤锅炉改烧高炉煤气的改造需求，采用Fluent软件进行数值模拟的方法，对高炉煤气旋流燃烧器的流动情况进行研究。研究了不同负荷下燃烧器的温度场和流场分布，讨论了影响燃烧器流动的因素，计算结果通过实验数据验证。此次数值模拟表明改造后的燃烧器符合设计要求，并为运行提供理论依据。

动力机械工程；煤气旋流燃烧器；数值模拟

钢铁厂对空排放的高炉煤气不仅造成环境污染，而且浪费可利用的二次能源，故某钢厂对燃煤锅炉改造全烧高炉煤气。燃煤锅炉改烧高炉煤气的可行性和改造实践的技术关键在文献[1-5]中已进行说明，高炉煤气可燃成分主要是CO，容积含量约为30%，其余为N2和CO2，发热量仅为4000 KJ/m3左右，着火温度远低于煤的燃烧温度，由于惰性气体阻碍可燃成分与空气的充分混合，燃烧稳定性差是高炉煤气燃烧器形式选择的关键因素之一。拟改造的燃煤锅炉1969年9月投产，型号为V2KG-G3-80-40，额定蒸发量为75 t/h，设计燃料为煤粉，采用钢球磨煤机中间储仓式制粉系统，四角切圆直流燃烧器。因投产年久，锅炉炉膛后墙卫燃带区域的水冷壁存在腐蚀减薄的缺陷，作为备用锅炉使用率较低。为节约蒸汽燃料成本，回收利用高炉煤气，根据原锅炉受热面结构型式及风机容量大小，经过理论计算，在不增加锅炉受热面及增大引风机容量的情况下，将该燃煤锅炉改造为全烧高炉煤气。改造主要进行了以下几点：拆除原煤粉燃烧器及其管道，新安装4只10000 m3/h煤气燃烧器及至煤气燃烧器的高炉煤气管道、生活煤气管道、二次风管道及吹扫用的氮气管道，将锅炉电除尘进出口烟道改为直通。燃烧器作为锅炉主要设备，必须具有良好的空气流组织性能[6]。但在热态运行过程中，找不到合适的测量工具和测量手段来获得其燃烧规律。目前，Fluent软件已被用于研究煤粉钝体稳燃器、煤气空气预混燃烧、镁熔体保护用气体发生器、煤粉锅炉旋流燃烧器等，模拟结果对燃烧器实际运行和优化设计提供理论依据。本文运用Fluent对燃烧高炉煤气的燃烧器进行数值模拟，以缩短生产现场燃烧器运行参数调整周期，摸索燃烧器稳燃运行工况[7-18]。

1 计算模型

1.1 物理模型

图1 为煤气燃烧器结构示意图。该燃烧器为旋流式结构，布置有高炉煤气入口管、高炉煤气筒、内管叶片、二次风进风管、二次风筒、二次风外管叶片、生活煤气管及补气风管。为使着火良好和稳定，在燃烧器出口布置扩散段。煤气燃烧器采用有焰燃烧方式，水平布置在炉膛下部绝热燃烧室的两侧墙上，每侧各布置2只，共4只。

图1 煤气燃烧器结构示意图

1.2 数学模型

流动与换热的控制方程：

连续性方程：

式中：u、v、w为流体在x方向、y方向、z方向的分速度。

动量方程：

式中：u、v、w为流体在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ、p、VT分别是流体的密度、压力、湍流运动的粘性系数。

能量方程：

式中：u、v、w为流体在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流体的密度；cp、T、λT分别是流体的比热容、温度、湍流导热系数。

组分方程：

式中：u、v、w为流体在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流体的密度；f、DT分别是流体的组分份额、湍流扩散系数。

当流体层流运动时，VT、λT、DT分别用相应的分子运动粘性系数ν、导热系数λ、分子扩散系数D代入上述方程。

2 数值模拟

由于燃烧器中的生活煤气管和补气风管主要用于点火，简化起见燃烧器模型中仅考虑高炉煤气和二次风。采用Gambit软件对其划分网格，如图2所示，采用非结构化网格，体网格182 382个，面网格379 072个，节点37 615个。数值模拟计算采用Fluent计算软件，利用有限容积法对微分方程进行离散求解，高炉煤气入口、二次风入口的边界条件都采用速度入口，出口采用压力出口，分析在各种负荷下燃烧器的气流运动情况。

图2 燃烧器网格划分示意图

在模拟分析过程中，高炉煤气从高炉煤气入口管进入，热空气从二次风进风管进入，两者经旋流叶片充分混合，一起经扩散段进入炉膛内燃烧。高炉煤气成分如表1所示，由于CH4、H2的含量很低，模拟时忽略，其低位发热量3 180 kJ/m3，设计流量 40 000 m3/h，燃烧器高炉煤气口尺寸Φ273 mm×10 mm。送风机流量90 500m3/h，二次风温度600～700 K，二次风口尺寸Φ426 mm×10 mm。反应化学方程式为2CO+O2=2CO2。流体物性随温度变化，粘性是可压缩的，不考虑流体中的粘性耗散。计算采用采用了RNG k-ε模型[19-20]，控制方程的求解采用Simple算法。假定燃烧器壁面绝热，无外界热损失，补气风管壁面温度可调，忽略重力、压力功和动能。

表1 高炉煤气体积成分

2.1 二次风速度对流场的影响

图3 ～5分别为50%负荷、70%负荷和额定负荷下燃烧器扩散段出口流场。随着负荷增大，燃烧器出口环状气流区域增大，出口速度也增大，平均速度分别为3.4、5.7、7.2 m/s，燃烧器内部最大速度分别为17.7、24、31.7 m/s。与文献[21]中变负荷对旋流燃烧器流畅特性的影响中的规律相一致，随着负荷的增大，燃烧器速度值都有所上升。验证了在不同负荷下，高炉煤气与二次风均能在环形通道中作螺旋运动，在离心力的作用下在燃烧器出口处形成环状气流的理论，数值模拟能估计出环状气流区域的大小。在50%负荷时，虽然环状气流区域较小，仍满足燃烧器设计负荷最低应大于30%额定负荷的要求。

图3 50%负荷下出口速度

图4 70%负荷下出口速度

图5 额定负荷下出口速度

为进一步说明燃烧器流体流动情况，以70%负荷时燃烧器流场和温度场图为例，如图6～7所示，由于生活煤气管和补气风管中的煤气燃烧在模拟过程忽略，该处形成一弱流动区域，即使如此旋流燃烧器出口附近仍存在一回流区，约为断面总面积的1/3，该区域有足够高的回流温度 （约500K），足够低的流动速度（约6 m/s），足够强的热交换，高炉煤气与二次风强烈湍流混合燃烧，形成良好的温度场和速度场。

图6 70%负荷流场

图7 70%负荷温度场

在额定负荷时，如图8～9所示，随着负荷增大，湍流强度增强，回流区面积亦增大，低温区域面积减小，布置在燃烧器出口的扩散段可以形成良好的流场，对于发热值极低的高炉煤气的着火和稳燃都是有利的。验证了文献[16]中随着负荷的降低，回流区的长度和宽度依次降低而对射流边界扩展角影响不大，射流强度稍有降低的试验结果。

燃烧器扩散段采用的是缩放扩口，扩张角为20°，高炉煤气和二次风内外管旋流叶片是反向安装的，安装角度均为12°，2股射流的切向速度反向。随着负荷的增大，同样可以增强射流旋转强度，提高卷席能力，有助于燃烧器的点火和稳然。

图8 额定负荷流场（600K）

图9 额定负荷温度场（600K）

2.2 二次风温对流场的影响

实际运行中由于炉膛漏风，为保证高炉煤气充分燃烧，排烟无色或略带白色（水分的作用），炉膛出口有一定量的过剩空气，随烟气流经各受热面吸热，降低烟温，提高二次风温。为此对额定负荷时其他参数不变，二次风温改变后模拟得到图10～11的流场和温度场。二次风温升高后，扩散段出口温度升高，但是最大速度和平均速度都有所下降，环状区域减小，回流强度减弱，意味着进入炉膛时混合流体温度更高、扩散区域更大，形成燃烧面更广，有利于后期混合燃烧，但是对燃烧器及扩散段金属材料及保温层提出更高的要求。从燃烧的角度来看，回流到火焰根部的高温烟气量减少，气流早期湍流扩散减弱，混合减弱。二次风温的升高对混合燃烧效果并没有实质性的改善，在实际运行中要控制二次风温，保持在一个合理的变动区间。

图10 额定负荷流场（700K）

图11 额定负荷温度场（700K）

3 改造后实际运行效果

数值模拟的可靠性由三部分来保证，一是流体力学方程及相、边界条件的正确、协调性，二是数值计算格式的精确、稳定性，三是与试验结果的比较验证的可重复性。为此在锅炉停炉检修时，采用三维热线风速仪，对旋流燃烧器距出口处750 mm的截面流速（即扩散段出口）进行冷态测试，测试工况与模拟工况一致，测点布置在与z=0的截面相交处，半径从0增至0.4 m，取点9个，每点测量3～5次，取其平均值。图12为计算值与测量值的比较，由此可得该高炉煤气燃烧器的速度分布基本符合旋流燃烧器气流运动特性。

图12 计算值和测量值比较

4 结论

（1）锅炉在改造过程中，针对发热值极低的高炉煤气的着火和稳燃以及燃烧负荷应大于30%负荷的两点要求，采用该旋流燃烧器。通过模拟分析以及与试验结果比较，我们发现该燃烧器扩散段缩放扩口角度以及高炉煤气和二次风内外管旋流叶片安装角度合理，满足设计要求。

（2）在CFD计算过程中，采用了RNG k-ε模型，温度场和流场分布能反映燃烧器流动特性，流场分布合乎理想状态，模拟和算法可行。

（3）通过实验数据和模拟结果的对比以及现场实施情况反映此旋流燃烧器达到锅炉改造设计要求。而在实际运行中根据负荷变化进行燃烧调节是必须的。不同负荷下可以通过观察负压、火焰和烟温对高炉煤气和二次风速度、二次风温进行调整，数值模拟结果可以从理论上对其进行指导。

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（责任编辑：朱联九）

Simulation Research on a Coal-fired Burner Based on Fluent Software

WEI Jian1,2，JIN Fang-wei1,2，HUANG Chun-shui3
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center in Fujian Province University for Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology,Sanming 365004,China; 3.Sanming Steel(Group)Kinetic Energy Co Ltd,Sanming 365000,China)

According to the demand of a plant transformation coal-fired boiler burning blast furnace gas,the blast furnace gas flow on the cyclone burner was numerically studied by means of FLUENT software.The temperature field and flow field distribution under different load of burner was studied and the influence factors of burner flow was discussed.The results was validated by experimental data.The numerical simulation shows that the modified burners comply with design requirements,and provide the theoretical basis for operation.

power machinery and engineering；coal-fired burner；numerical simulation

TK229.8

A

1673-4343（2017）02-0057-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．010

2017-01-08

三明学院科研课题B0905/Q）；福建省教育厅科技项目（JB10175）；福建省教育厅科技项目（JK2014048）

魏剑，女，山西平定人，讲师。主要研究方向：机械CAD/CAM。