煤粉燃燒過(guò)程中微油點(diǎn)火過(guò)程數(shù)值模擬

煤粉燃燒過(guò)程中微油點(diǎn)火過(guò)程數(shù)值模擬

采用微油氣燃燒技術(shù)[1.2]，創(chuàng)造性利用富氧和燃料混合物燃燒產(chǎn)生的熱量，將風(fēng)煤粉噴口處形成三個(gè)區(qū)域（t3：temper溫度，turbul流動(dòng)性，時(shí)間時(shí)間），即當(dāng)燃燒槽穩(wěn)定返回區(qū)域時(shí)，煤粉的溫度和流速較高，預(yù)測(cè)時(shí)間差，煤粉隨著水流的推移而產(chǎn)生強(qiáng)烈的泡沫。因此，當(dāng)碳粉達(dá)到燃燒點(diǎn)時(shí)，碳粉將成為燃燒點(diǎn)。由于富氧氣體濃度高、反應(yīng)快、燃燒溫度高,使燃燒器的穩(wěn)燃回流區(qū)迅速達(dá)到高溫狀態(tài),迅速加熱引燃整個(gè)噴口的一次風(fēng)煤粉,實(shí)現(xiàn)該燃燒器一次風(fēng)煤粉噴口的可靠點(diǎn)火與穩(wěn)燃。煤粉燃燒是一個(gè)復(fù)雜的化學(xué)物理過(guò)程,對(duì)高速煤粉氣流的著火燃燒的精確測(cè)量[3~5]更是困難,對(duì)著火的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也存在較大困難。本文嘗試通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方式對(duì)富氧微油點(diǎn)火燃燒器內(nèi)的煤粉著火進(jìn)行數(shù)值模擬,找出著火點(diǎn),并對(duì)不同濃度的煤粉氣流對(duì)著火距離和著火溫度的影響進(jìn)行研究。1火炬幾何尺寸設(shè)計(jì)數(shù)值研究對(duì)象依據(jù)四角切圓燃燒煤粉爐(SG-1025/16.7-M315)燃燒器的幾何尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì),燃燒器長(zhǎng)度為1.9m,直徑378mm,由耐熱鋼管焊接而成。煤粉氣流在點(diǎn)火室點(diǎn)燃后,噴入冷態(tài)的噴淋塔,煙氣在水的噴淋作用下溫度降低,經(jīng)旋風(fēng)分離器分離后由煙囪排放。2燃燒產(chǎn)物的粒徑分布數(shù)值計(jì)算中所選用的煤種為平頂山煙煤,其工業(yè)分析與元素分析見(jiàn)表。煤粉氣流的濃度、速度可以通過(guò)給粉量和風(fēng)量的控制實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。計(jì)算輸入的顆粒粒徑分布為某電廠實(shí)際燃用的煙煤粒徑分布數(shù)據(jù),其粒徑分布見(jiàn)圖1。數(shù)值計(jì)算中的邊界條件與某電廠實(shí)際運(yùn)行條件相同,點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)溫為300K,流速為23m/s,壁面溫度為1200K,氧氣純度為90%,入口處煤粉濃度可以調(diào)節(jié)。由于油槍側(cè)的油霧在高濃度氧中汽化、燃燒,此反應(yīng)過(guò)程又牽涉到氣液兩相流的流動(dòng)與燃燒過(guò)程,反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜,為了便于簡(jiǎn)化計(jì)算,本文把油槍側(cè)油霧在氧氣中的燃燒直接簡(jiǎn)化為其燃燒產(chǎn)物高溫CO2。計(jì)算采用三維網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為14678,算法采用“計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法”(PSIC)。其中,氣相場(chǎng)計(jì)算采用SIMPLE算法。3模型計(jì)算方法煤粉在燃燒器內(nèi)的燃燒包括揮發(fā)分的釋放、焦炭顆粒的燃燒、輻射傳熱、顆粒運(yùn)動(dòng)和氣相流動(dòng)以及湍流燃燒,涉及流體動(dòng)力學(xué)、傳熱傳質(zhì)及燃燒等多個(gè)學(xué)科。本文選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型、歐拉-拉格朗日離散項(xiàng)模型、非預(yù)混燃燒守恒標(biāo)量的PDF模型、P1輻射傳熱模型來(lái)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,綜合模擬燃燒器內(nèi)氣固兩相湍流燃燒過(guò)程。氣相流動(dòng)守恒方程的通用表達(dá)形式:式中,為由氣相引起的源相;為煤粉顆粒相引起的源相。式中各項(xiàng)見(jiàn)文獻(xiàn)。本文氣相湍流流場(chǎng)采用k-ε雙方程模型,對(duì)于煤粉氣流的湍流燃燒,采用Smoot等人提出的ProbabilityDensityFunction(PDF)與局部瞬時(shí)反應(yīng)平衡模型,該模型考慮了濃度脈動(dòng)對(duì)燃燒的影響,引入了混合分?jǐn)?shù)的概念。幾率分布函數(shù)采用β分布函數(shù),即式(2)的優(yōu)點(diǎn)是既去掉了人為的截?cái)噙^(guò)程,又使P(f)中包含的常數(shù)a和b直接用和g表示。煤粉揮發(fā)分的熱解采用雙熱解反應(yīng)方程模型模擬。焦炭的燃燒采用同時(shí)考慮3種表面反應(yīng)的動(dòng)力擴(kuò)散模型。4試驗(yàn)結(jié)果和討論4.1擴(kuò)展的火炬由圖2、圖3可知,煤粉氣流首先在靠近油槍的一側(cè)著火后,火焰中心(即高溫區(qū))逐漸向另一側(cè)移動(dòng),在出口形成一個(gè)擴(kuò)展的火炬。由圖3可知,出口截面的計(jì)算溫度場(chǎng)與理論分析是相符合的。4.2煤粉氣流溫度分布圖4為煤粉濃度為0.2時(shí),沿Z軸的軸向溫度場(chǎng)。圖中的每點(diǎn)的溫度為在對(duì)應(yīng)軸向距離(z向)上,且r=0.189m的環(huán)線上的所有網(wǎng)格的溫度的平均值。對(duì)著火點(diǎn)的判定采用Semenov著火理論。在煤粉著火前,一次風(fēng)煤粉主要靠從高溫CO2獲得的輻射熱和對(duì)流熱而升溫。隨著靠近油槍處的煤粉氣流的溫度升高,其從高溫CO2獲得的熱能減少,則溫升趨緩。當(dāng)溫升快的煤粉氣流達(dá)到一定溫度,揮發(fā)分開(kāi)始析出著火,則煤粉氣流溫升逐漸加劇,從此處即溫度曲線的拐點(diǎn)起,煤粉氣流開(kāi)始著火,則該點(diǎn)的數(shù)學(xué)條件為:由圖4可見(jiàn),計(jì)算所得的最高溫度點(diǎn)較高,其原因是對(duì)氣相場(chǎng)的湍流燃燒模擬采用的是PDF與局部瞬時(shí)反應(yīng)平衡模型,該模型忽略了燃燒反應(yīng)中動(dòng)力作用的影響,使揮發(fā)分中的CH4及CO的反應(yīng)比實(shí)際要迅速,故最高溫度點(diǎn)偏高。當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)后,溫度有所下降,這是由于局部缺氧抑制了燃燒所造成的,同時(shí)前段著火燃燒產(chǎn)生的CO2、H2O和煤中的水蒸氣、焦炭發(fā)生吸熱的化學(xué)反應(yīng),生成CO和H2,造成壁面處煤粉氣流溫度下降。最高溫度點(diǎn)油槍向另一側(cè)方向偏移。4.3煤粉點(diǎn)火分析圖5、圖6分別為不同煤粉濃度與著火溫度、著火距離的關(guān)系。由圖5可見(jiàn),著火溫度隨濃度的增加開(kāi)始急劇下降,在0.2濃度后,降幅趨緩,在0.25濃度附近有一拐點(diǎn)存在。這是由于在低濃度時(shí),雖然煤粉氣流的初始升溫速率比高濃度時(shí)略快,但揮發(fā)分析出后,無(wú)法形成連續(xù)(下轉(zhuǎn)第23頁(yè))(上接第20頁(yè))的火焰,同時(shí),相對(duì)較豐富的氧氣較易于到達(dá)煤粉顆粒的表面,煤粉趨向于非均相著火,故著火溫度也較高。低濃度時(shí)點(diǎn)火器中焦炭的燃盡率較高,當(dāng)濃度大于0.2后,焦炭在點(diǎn)火器內(nèi)幾乎不燃燒,煤粉著火主要是揮發(fā)分著火,屬于均相著火。另外,揮發(fā)分析出率隨著煤粉濃度的升高,先升后降,在濃度為0.25左右有一最大值。低濃度時(shí),揮發(fā)分的析出率也較低。當(dāng)濃度大于0.25后,揮發(fā)分的析出率開(kāi)始下降,這主要是由于煤粉總量增大,使得揮發(fā)分的相對(duì)析出率降低,同時(shí)高濃度時(shí)煤粉氣流升溫所需熱容量增大,點(diǎn)火器內(nèi)溫度場(chǎng)有所降低。而圖6所示,當(dāng)煤粉濃度小于0.2時(shí),煤粉的著火距離隨濃度的增加而快速下降,大于0.3以后,隨濃度的增加而快速增大,在0.23左右有一最小值?？傊?由于濃度效應(yīng)的原因,低濃度時(shí),煤粉氣流的著火趨向于多相著火,這與盛昌棟等的試驗(yàn)研究結(jié)果是相類(lèi)似的,隨煤粉濃度的升高,煤粉氣流著火溫度是降低的(見(jiàn)圖5)。5煤粉濃度對(duì)煤粉氣流點(diǎn)火的影響(1)本文所用模型能較準(zhǔn)確地計(jì)算出富氧微油點(diǎn)火燃燒器內(nèi)的溫度場(chǎng),對(duì)今后的點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)的選用以及熱電廠燃燒器的改造具有參考意義。(2)根據(jù)計(jì)算結(jié)果,煤粉氣流的著火溫度隨濃度的增加而降低,著火距離因著火方式的不同,隨著煤粉濃度的增加,先降低后增加。(3)