一次风速对预燃室式煤粉旋流燃烧器性能的影响

张 旭 芳

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013； 2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

煤粉工业锅炉承担着我国大部分地区工业用蒸汽及居民采暖的重任。据统计，我国目前使用的工业锅炉数量约60余万台，其中80%以上均为燃煤锅炉。煤粉工业锅炉具有燃烧效率高、污染物排放水平低的优势，逐渐淘汰了落后的燃煤链条炉，成为工业锅炉的“主力军”[1-2]。煤粉燃烧器是煤粉工业锅炉燃烧组织的核心设备，其结构设计及运行参数对于煤粉稳定燃烧和高效燃尽具有重要的意义[3-4]。

由于煤质及运行负荷的变化，煤粉工业锅炉易出现燃烧不稳定的问题。为了强化煤粉燃烧火焰稳定性，预燃室式煤粉燃烧器被广泛研究并投入生产实践中，目前已取得良好的稳燃效果。由煤科院节能技术有限公司研发的双锥逆喷旋流煤粉燃烧器具有浓相供粉、点火迅速、燃烧效率高的特点，已经成功应用于多种容量的煤粉工业锅炉，获得了较好的经济效益[5-6]；双锥逆喷旋流煤粉燃烧器由一次风管、点火器、回流帽、稳燃腔以及加速腔构成[7-8]。清华大学开发了1款煤粉浓缩预热低NOx燃烧器(简称PRP)，通过卷吸炉内高温烟气使浓煤粉气流进入炉膛前被加热至接近着火点的高温状态，同时保证燃烧前期处于还原性气氛，实现了与传统高温空气燃烧同等的氮氧化物排放水平。预热室是PRP燃烧器的关键部件，由于偏心的高速浓粉气流引射作用，预热室上部空间压力小于炉膛，造成炉内热烟气回流至预热室内，使得流经预热室的浓相煤粉气流与热烟气强烈混合后迅速升温，实现煤粉的迅速升温及稳定着火。张海等[9]在12 MW试验锅炉上研究了旋流式PRP燃烧器的稳燃性能，燃烧器燃煤量为1 310 kg/h，一次风温90 ℃～175 ℃，研究结果表明，一次风速为20 m/s时则预热室内升温速率约为24 000 ℃/s，很好地实现了煤粉气流的快速升温，大幅改善低挥发煤着火稳燃特性。朱霖等[10]提出了1种适用于煤粉工业锅炉的预燃室式燃烧器，该燃烧器预燃室结构与上述清华大学开发的燃烧器较为相似，不同点在于该燃烧器一次风采用直流，且在一次风管口设置有1个圆锥形钝体用于稳定火焰，冷态实验及热态工业试验均验证了该燃烧器良好的火焰稳定特性。王进卿等[11]采用数值计算软件对1种新开发的采用钝体的预燃室燃烧器进行数值计算，针对一次风速、二次风速以及二次风旋流强度等对回流强度的影响进行研究。煤粉工业锅炉大多采用中储式煤粉供料系统，一次风中煤粉浓度可调，对于缩短着火时间、适应不同煤种的稳定燃烧具有重要的作用。煤粉浓度越高煤粉着火所需的点火热低，但风粉混合以及燃尽性能会变差，因此存在1个较佳的一次风速，其对于煤粉工业锅炉的安全、经济、稳定运行至关重要[12-14]。一次风动量过大或过小都不利于煤粉在预燃室内稳定着火及高效燃烧；另外，一次风动量过大还可能破坏预燃室内形成的回流区，降低旋流火焰稳定性。

以下详细介绍以预燃室式煤粉燃烧器为基础而新设计的1款预燃室式煤粉旋流燃烧器，并针对其相应的数值计算进行分析，通过改变一次风速以分析预燃室内流场、温度及组分浓度场，探究一次风动量对预燃室式燃烧器内流场以及燃烧特性的影响，对于揭示中心给粉预燃室式煤粉旋流燃烧器一次风风速对空气动力场和燃烧性能的影响具有一定的积极意义。

1 燃烧器结构及网格划分

预燃室式煤粉旋流燃烧器结构如图1所示。该燃烧器的工作原理简述如下：煤粉空气混合物由一次风管1进入；二次风由风道2进入，经过轴向叶片3进入圆锥形预燃室前腔4；三次风由三次风入口5处进入圆筒形预燃室6，燃烧后产生的热烟气由预燃室出口7喷入炉膛。

图1 预燃室式煤粉旋流燃烧器结构

预燃室式煤粉旋流燃烧器的设计思路：二次风进口处圆锥形进口端盖的存在，使得受限的旋流二次风被引向圆筒形预燃室边壁，从而在预燃室中央形成1个较大的回流区；同时，合理的一次风粉喷射速度确保了煤粉在预燃室内受热着火阶段的停留时间，同时，大量的高温烟气涌向一次风粉的根部，一次风粉直接进入回流区核心区域与高温烟气混合，使得煤粉着火稳定性大幅增强。

为了探究一次风速对该燃烧器预燃室内气流动力场特性及燃烧性能的影响，建立了1∶1燃烧器结构模型，并采用ICEM软件对其进行网格划分。预燃室式煤粉旋流燃烧器的物理结构模型及对应的计算域网格如图2所示。

图2 燃烧器的物理结构模型及计算域网格划分示意

2 煤粉燃烧计算模型及网格无关性验证

煤粉燃烧过程伴随着强烈的质量传递、能量传递、动量传递及复杂化学反应。数值计算作为1种重要的研究煤粉燃烧的方法，已得到广泛的应用。煤粉燃烧数值计算需要确定合适的计算模型，主要包括煤粉燃烧数学模型和煤粉燃烧化学反应模型。

2.1 煤粉燃烧数学模型

流体流动过程在欧拉坐标系下进行求解。连续相方程为质量、动量、能量的连续性方程和时间均值的纳维斯托克斯方程。同时，在连续相方程中添加组分输运方程以求解反应流。

湍流数值模拟可以分为直接数值模拟和非直接数值模拟，其中直接数值模拟对计算机要求很高，且运算量大、成本高，很少被采用。非直接数值模拟方法被广泛使用，其中以大涡模拟方法和雷诺平均模拟方法为典型代表[15]。此次研究采用Realizablek-ε双方程湍流模型。

基于FLUENT模拟软件，当光学深度>1，可选用P1和Rossland模型。P1模型被证明适合用于颗粒燃料燃烧时远离火焰周边的研究，计算效率较高。因此笔者选择P1辐射模型，煤粉颗粒使用随机颗粒轨道模型进行模拟。

2.2 煤粉燃烧化学反应模型

煤粉燃烧均相反应在高温、高速的湍流化学反应条件下，此次选择组分输运模型(Species Transport Model)研究燃烧器及炉膛内的化学反应过程。组分输运模型主要包括涡耗散模型(Eddy-dissipation model)、有限速率模型(Finite Rate Kinetic Model)、有限速率/涡耗散模型(Finite Rate/Eddy Dissipation Model)3种化学反应模型。其中，涡耗散模型假设气相化学反应时间尺度远小于湍流作用下气相物质之间的混合时间尺度，认为气相化学反应动力学控制步骤为扩散；有限速率模型考虑温度对化学反应的影响，但忽略湍流对化学反应的影响；有限速率/涡耗散模型分别基于层流有限速率模型和涡耗散模型发展而来。该模型按实际情况，对比分别由有限速率和涡耗散计算而得的2个反应速率，选用小者作为反应速率。基于此，此次研究采用组分输运模型计算化学反应过程，挥发份析出时为双反应竞争模型，挥发份燃烧时的气相反应采用有限速率/涡耗散模型(Finite-Rate/Eddy-Dissipation Model)。

2.3 网格无关性验证

为了排除网格数量对计算结果的影响，须开展网格无关性验证，将网格数量划分为10万、30万以及60万3种网格。开展冷态数值计算检验的方法，得到不同网格数量下燃烧器中心轴线上20个监测点上的速度分布结果，如图3所示。结果表明，网格数量大于30万后，燃烧器中心轴线上速度分布趋势保持不变。因此，同时兼顾计算精度和计算效率，选用数量为30万的网格开展数值计算。

记忆中，在我4岁那年，由中国国际电视总公司出品了一部41集古装神话剧——改编自明代小说家吴承恩同名文学古典名著《西游记》。1986年春节一经播出便轰动全国，可谓老少皆宜，获得了极高评价。至今仍是寒暑假期间被重播最多的电视剧之一，百看不厌，成为一部公认的、无法超越的经典。该剧讲述的是孙悟空、猪八戒、沙僧辅保大唐高僧玄奘(唐僧)去西天取经的故事，师徒四人一路抢滩涉险，降妖伏怪，历经九九八十一难，取回真经，终修成正果的故事。

图3 不同网格数计算结果对比

3 数值模拟工况与煤质参数

笔者数值模拟所采用的煤种与模型准确性验证试验中所使用的相同，所有模拟工况均在煤粉供料量为 700 kg/h的条件下。为了探究一次风动量的影响，保持二次风风量、三次风风量以及二次风旋流数不变，开展3个工况下的数值计算，工况主要参数见表1。

表1 数值模拟工况主要参数

笔者研究所使用的煤种为神木烟煤，其工业及元素分析等煤质参数见表2。

表2 神木烟煤的煤质分析结果

4 结果与讨论

4.1 速度场分析

预燃室中心截面轴向速度(u)分布云图如图4所示，可知该燃烧器的流场特点如下：

图4 当一次风速v=12.43 m/s时中心截面轴向速度分布云图

(1)一次风粉以直流形式喷入预燃室内，在预燃室中心形成具有一定刚性的直流气流；二次风为旋转气流，旋流数为2.16，该值大于0.6，因此二次风属强旋流，在预燃室内形成明显的回流区。

(2)当一次风速v=12.43 m/s时，预燃室内形成了1个较大的且为整体的中心回流区，当一次风速v=18.64 m/s和24.86 m/s时，一次风穿透原中心回流区，形成2个对称的环形回流区，且一次风速越大，将2个环形回流区“挤压”的越小；

(3)三次风以直流风的形式紧贴预燃室壁面进入，在圆柱段预燃室壁面附近形成了1个高速的冷却空气层，可有效避免预燃室壁面高温、沾污以及腐蚀的发生。

中心轴线上的轴向速度分布对比曲线如图5所示。

图5 中心轴线上的轴向速度分布

分析图5可知，一次风速v=12.43 m/s时，中心轴线上速度先基本保持不变，随后逐渐下降，直至轴向距离为0.33 m时，轴向速度衰减为0，此时预燃室中心均为由旋流产生的“逆流”气流，即进入回流区。而当一次风速v=18.64 m/s和24.86 m/s时，在预燃室中心轴线上未出现轴向速度小于0的情况，即中心回流区被一次风穿透而消逝。

预燃室中心截面的轴向速度矢量图如图6所示。对比预燃室内不同一次风速下的流场分布可知，一次风速较小而未穿透中心回流区时，预燃室内回流区的面积显著大于其他2种情况，即随着一次风速增大，环形回流区向壁面附近有所移动；由于一次风的风速高、风量大，导致一次风粉的动量显著增大，对环形回流区造成明显的“挤压”现象。

4.2 温度场分析

预燃室中心截面上温度分布云图如图7所示。由图7可知，一次风粉以常温(300 K)喷入燃烧器中，其在预燃室内经历了预热、燃烧的过程，随一次风速增大至v=24.86 m/s时，预燃室内中心高温区彻底被一次风穿透，形成了中心低、外侧高的分布，且高温区有向前移动的趋势。

图7 中心截面温度分布云图

中心轴线上温度分布如图8所示。

图8 中心轴线上的温度分布

分析图8中心轴线上温度分布曲线可知：v=12.43 m/s、中心轴线上x≤0.23 m时，温度基本保持不变，随后温度迅速上升直至x=0.42 m时达到最高并基本保持不变。一次风速v=18.64 m/s和24.86 m/s时，随着风速增大，中心轴线上温升更慢，且温升速率也较低，最终预燃室燃烧器出口中心点上一次风速越大温度越低。主要由于随着中心回流区的破坏，靠近中心轴线上的高温回流烟气占比降低，且一次风粉动量越强，气流刚性越大，极大地限制了一次风粉与周围烟气的混合与对流传热，因此温升速率低，温度相对较低。

考察预燃室燃烧器出口平均温度以及焦炭质量流率，可以判断煤粉在预燃室内着火以及燃尽情况，数值计算结果见表3。由表3可知，3种不同的一次风速下，预燃室出口截面平均温度均大于1 200 K，可实现煤粉的稳定着火。煤粉进入预燃室初始质量流率是700 kg/h(即0.194 kg/s)，根据预燃室出口截面焦炭质量流率推算焦炭转化率，3种情况下焦炭的转率均高于99.99%，煤粉在该预燃室式燃烧器内可以实现高效燃烧。

表3 预燃室燃烧器的数值计算结果

4.3 组分场分析

预燃室内组分分布可直观地反映燃烧特性，通过对关键组分的分析对整体燃烧情况进行预测。预燃室中心截面挥发分质量分数分布如图9所示。

图9 中心截面挥发分浓度分布图(体积分数/%)

由图9可知，随一次风速的增加，挥发分在预燃室内分布区域出现逐渐后移，且高浓度区域面积逐渐增大的趋势。一次风速增大，一次风与煤粉的预热速度变缓，煤粉受热析出的挥发分推迟是导致后移以及后区浓度较高的主要原因。因此，一次风速增大不利于煤粉与周围高温烟气的混合，降低煤粉温升速度、延迟挥发分的析出可能会造成煤粉整体燃尽效果变差。

由预燃室内氧气浓度分布可直观地判断预燃室内贫燃以及富燃区域，此举对于控制污染物NO的排放具有重要的意义。在贫燃区域，过量空气系数高于1，挥发分氮以及焦炭氮容易通过氧化反应生成大量的NO，导致较高的NO排放。而合理地控制预燃室内过量空气系数，利于创造适宜的还原性气氛，挥发分中NO的前驱物HCN和NH3等更倾向于发生还原反应并生成N2，进而降低NO的生成。同时，在强还原性气氛下，焦炭表面还存在较强的活性位点，通过非均相还原反应将已生成的NO也可还原成N2，对于降低NO排放均具有重要的意义。预燃室中心轴线上O2体积分数分布曲线如图10所示。

图10 中心轴线上氧气体积分数分布

由图10可知，随一次风速的增加，中心轴线上氧气开始显著下降的位置显著地向后平移，且氧气浓度衰减的速率也逐渐放缓，一次风速v=12.43 m/s时在预燃室内形成了最大的低氧氛围，其较强的还原性气氛对于控制NO的生成具有重要意义。

4 结 论

(1)一次风速过高则会穿透预燃室内的中心回流区，从而形成2个对称的环形回流区，且一次风速越大，其将2个环形回流区“挤压”得越小。

(2)随一次风速的增大，中心轴线上温升速率越小，一次风粉气流与旋流二次风的混合过程被削弱，限制了其与周围高温烟气的传热。一次风速过大，预燃室内中心高温区被穿透，形成了中心低、外侧高的分布，且高温区有向前移动的趋势。

(3)一次风速增大，煤粉温升速率显著降低，挥发分的析出存在明显的延迟，可能会造成煤粉整体燃尽效果变差；随一次风速的增加，中心轴线上氧气开始显著下降的位置明显地向后平移，且氧气浓度衰减的速率也逐渐放缓，预燃室内较强的还原性气氛区域减小，不利于控制NO的生成。