冉景煜， 劉麗娟， 黎柴佐

（重慶大學(xué) 低品位能源利用技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

我國工業(yè)燃煤設(shè)備普遍存在熱效率低、運(yùn)行穩(wěn)定性差和污染物排放達(dá)標(biāo)困難等問題．廣州能源研究所［1］提出了煤粉低塵燃燒技術(shù)并設(shè)計(jì)了一臺(tái)燃煤量為200kg／h的燃燒器，將其應(yīng)用于小型工業(yè)窯爐上，發(fā)現(xiàn)該燃燒器采用液態(tài)捕渣的方式可提供清潔、含塵量低的高溫火焰，應(yīng)用前景廣闊．

Ran等［2］設(shè)計(jì)了一臺(tái)燃煤量為465kg／h的新型旋風(fēng)燃燒器：一次風(fēng)攜帶煤粉從燃燒器進(jìn)口端面先經(jīng)鈍體繞流后再經(jīng)葉片導(dǎo)流進(jìn)入燃燒室，能保證明顯、穩(wěn)定的中心回流區(qū)；二次風(fēng)布置在燃燒室圓筒側(cè)壁，并分為3排布置，每排周向均勻布置6根二次風(fēng)管．二次風(fēng)沿割線方向進(jìn)入燃燒器，以增強(qiáng)燃燒室旋流，促進(jìn)與一次風(fēng)粉進(jìn)行混合并附壁燃燒．此種二次風(fēng)口布置方式避免了傳統(tǒng)旋風(fēng)燃燒器由于單側(cè)切向進(jìn)風(fēng)所導(dǎo)致的流場畸變．燃燒器內(nèi)產(chǎn)生的高溫液態(tài)熔渣從燃燒器末端底部排出．通過對(duì)該燃燒器的流場特性進(jìn)行研究，得到了能穩(wěn)定燃燒并實(shí)現(xiàn)高溫液態(tài)排渣的燃燒器最優(yōu)結(jié)構(gòu)及尺寸（圖1）．

圖1 燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖（單位：mm）Fig．1 Schematic diagram of the burner（unit：mm）

近些年，隨著數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)燃燒室內(nèi)的流動(dòng)、燃燒及污染物控制進(jìn)行了一系列的研究．Ettouati等［3］模擬了旋流燃燒器內(nèi)的溫度場、氧濃度場及粒子運(yùn)動(dòng)軌跡．徐采松等［4］從燃燒器結(jié)構(gòu)型式、旋流數(shù)、一次和二次進(jìn)風(fēng)位置等方面對(duì)各種燃燒器NOx的生成進(jìn)行了試驗(yàn)及數(shù)值研究．液態(tài)排渣燃燒室內(nèi)的煤粉顆粒先后經(jīng)歷了空間燃燒、壁上沉積、附壁燃燒以及隨渣流動(dòng)4個(gè)基本過程，這與固態(tài)排渣爐內(nèi)煤粉主要進(jìn)行空間燃燒的情況有很大不同［5］．汪小憨等［6］以顆粒沉積和附壁燃燒模型為基礎(chǔ)，通過數(shù)值計(jì)算方法得到液態(tài)排渣低塵燃燒器內(nèi)渣層厚度、流動(dòng)速度及其影響因素，發(fā)現(xiàn)固體顆粒在壁面上的凈沉積速率對(duì)壁面穩(wěn)定渣層的形成以及捕渣率的提高具有重要意義．

筆者對(duì)文獻(xiàn)［2］中旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的燃燒過程進(jìn)行了研究，考慮了負(fù)荷變化對(duì)燃燒器內(nèi)溫度及燃燒效率的影響，同時(shí)討論了燃燒器內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡及不同直徑顆粒在燃燒器內(nèi)壁面的沉積情況，得到了燃燒器運(yùn)行參數(shù)對(duì)顆粒沉積速率的影響．

1 模型的建立及求解

1．1 網(wǎng)格劃分及邊界條件

由于燃燒器模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在劃分網(wǎng)格時(shí)，對(duì)一次風(fēng)進(jìn)口和二次風(fēng)管進(jìn)行較密的正四面體網(wǎng)格劃分，之后對(duì)整個(gè)燃燒區(qū)域直接生成正四面體網(wǎng)格，總網(wǎng)格數(shù)目為63萬．

一、二次風(fēng)入口均采用速度邊界，出口為出流邊界，壁面設(shè)置為無滑移固定壁面．探討顆粒沉積特性時(shí)，假設(shè)顆粒在碰到圓筒壁后沒有反彈，全部被捕捉，即黏結(jié)概率為100%．氣相壁面?zhèn)鳠岵捎玫谌愡吔鐥l件，外壁面的冷卻風(fēng)溫為600K，總熱阻可采用等效熱阻的方式代替［5］，得到外壁面的等效熱阻為0．02m2·K／W．

采用陜西榆林Ⅲ類煙煤，其工業(yè)分析及元素分析見表1．將磨煤機(jī)所磨制的煤粉過150目篩子，篩余量僅為5%．灰渣的熔融特性見表2．

表1 煤的工業(yè)分析和元素分析Tab．1 Proximate and ultimate analysis of coal

表2 渣樣灰熔融特性Tab．2 Melting characteristics of the slag sample ℃

1．2 數(shù)學(xué)模型及試驗(yàn)系統(tǒng)

在歐拉坐標(biāo)系下求解氣相基本守恒方程，采用拉格朗日法追蹤顆粒的運(yùn)動(dòng)．氣相流動(dòng)采用Realizable k－ε雙方程模型，采用隨機(jī)軌道模型追蹤顆粒相．采用兩步競爭反應(yīng)模型模擬揮發(fā)分的析出過程，采用動(dòng)力學(xué)／擴(kuò)散控制反應(yīng)速率模型來模擬焦炭的燃燒過程，氣相燃燒采用非預(yù)混模型．輻射傳熱模型采用 P－1模型［7］．

采用有限容積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，壓力和速度的耦合求解采用Simple算法．燃燒場在三維直角坐標(biāo)系下，氣相各物理量控制方程的通用形式可以表示為

式中：φ為速度、溫度、濃度等不同的物理量；Γφ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；Sφ為氣相湍流引入的源項(xiàng)；Sφ，p為考慮顆粒影響的源項(xiàng)；ui為xi方向的速度；ρ為氣體密度．

當(dāng)φ＝ui，k，ε，f 和h 時(shí)，分別對(duì)應(yīng)于xi方向的動(dòng)量方程、湍流動(dòng)能方程、湍流動(dòng)能耗散率方程、組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)方程和能量方程［8］．當(dāng)φ＝1，Γφ＝0時(shí)為連續(xù)方程．

對(duì)于所研究的旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的氣固兩相流（動(dòng)5），由于煤粉體積分?jǐn)?shù)較低（約為0．01%），顆粒在流場中占的比例較小，屬于稀相流動(dòng)，故忽略粒子的虛假質(zhì)量力、巴塞特力、壓力梯度力，且不考慮顆粒與顆粒間的相互碰撞．又因?yàn)槊悍哿Ｗ恿椒秶鸀?0～130μm，忽略煤粉粒子熱泳力和升力．由牛頓第二定律，單顆粒在拉格朗日坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)方程如下

式中：FD為曳力；CD為曳力系數(shù)；Re為顆粒雷諾數(shù)．

壁面單位網(wǎng)格單元顆粒沉積速度為：

式中：Aface為壁面單位網(wǎng)格計(jì)算單元面積；mp為顆粒質(zhì)量；N為顆粒數(shù)．

筆者針對(duì)燃燒器3種負(fù)荷（50%、75%、100%）進(jìn)行了熱態(tài)試驗(yàn)．采用鎢錸熱電偶對(duì)燃燒器內(nèi)部沿中心軸布置的5個(gè)測點(diǎn)的溫度進(jìn)行測量，并對(duì)燃燒器出口的煙氣及液渣進(jìn)行取樣分析．燃燒器實(shí)物及出口火焰如圖2所示．

圖2 燃燒器實(shí)物及出口火焰Fig．2 Photo of the burner and combustion flame

2 結(jié)果及分析

2．1 燃燒效率

煤粉的燃燒效率對(duì)燃燒器性能的評(píng)價(jià)至關(guān)重要．試驗(yàn)過程中燃燒效率η可以通過下式計(jì)算：

式中：q4為固體不完全燃燒損失，q3為氣體不完全燃燒損失．

式中：αyz、αfh分別為液渣和飛灰中的灰量占入爐燃料總灰分的質(zhì)量份額；w（Cyz）、w（Cfh）分別為液渣、飛灰中可燃物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)．

式中：Vgy為干煙氣體積；φ（CO）為干煙氣中一氧化碳的體積分?jǐn)?shù)．

對(duì)燃燒器出口飛灰及出渣口液渣進(jìn)行化驗(yàn)，液渣及飛灰份額分別取0．8和0．2，可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表3所示．

表3 灰渣可燃物質(zhì)量分?jǐn)?shù)Tab．3 Combustible content in ash and slag%

圖3給出了過量空氣系數(shù)為0．9時(shí)3種不同負(fù)荷下燃燒效率的計(jì)算值與試驗(yàn)值．由圖3可以看出：（1）3種負(fù)荷下燃燒效率均在80%以上；隨著負(fù)荷的增大，風(fēng)速增大，燃料停留時(shí)間變短，導(dǎo)致燃燒器出口不完全燃燒損失增加，燃燒效率略有降低．（2）不同負(fù)荷下燃燒效率的試驗(yàn)值均大于計(jì)算值．這是由于實(shí)際運(yùn)行中燃燒器內(nèi)高溫作用使得煤粉在壁面熔融形成液態(tài)渣，燃料顆粒受到很大阻力，其旋轉(zhuǎn)和前進(jìn)速度減慢，在爐內(nèi)的停留時(shí)間延長，從而使燃盡率提高．

圖3 燃燒效率對(duì)比（α＝0．9）Fig．3 Comparison of combustion efficiency between simulated and experimental results（α＝0．9）

2．2 溫度分析

圖4給出了過量空氣系數(shù)為0．9時(shí)3種負(fù)荷下燃燒器中心軸線上的溫度．由圖4可以看出，燃燒器中心軸線上的溫度隨軸向距離的增大逐漸上升，到某個(gè)值后又開始下降．負(fù)荷高時(shí)，燃燒強(qiáng)度增大，中心溫度升高，而空氣流量增大，導(dǎo)致煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)加快，主燃燒區(qū)延后，溫度峰值點(diǎn)位置有所延后．3種負(fù)荷下，燃燒器中心溫度值均在1 700K以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了灰渣的流動(dòng)溫度，能實(shí)現(xiàn)液態(tài)排渣．

圖4 中心溫度隨負(fù)荷的變化（α＝0．9）Fig．4 Variation curves of center temperature with load（α＝0．9）

2．3 顆粒沉積特性

顆粒在燃燒器壁面上的沉積量及其分布對(duì)于壁面穩(wěn)定渣層的形成以及形成位置有著重要影響．

圖5給出了燃燒器內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡．由圖5可見，煤粉顆粒由一次風(fēng)帶入燃燒器中螺旋前行，并在旋轉(zhuǎn)湍流的作用下與壁面發(fā)生碰撞，大部分顆粒與壁面碰撞之后，由于黏性力的作用會(huì)在燃燒器前部沉積下來；少部分顆粒由于跟隨性好，隨著空氣而逸出燃燒室外．延長顆粒在燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間，增加顆粒與壁面的碰撞幾率，有利于液態(tài)排渣，同時(shí)也使顆粒和反應(yīng)氣體進(jìn)行充分接觸，對(duì)于提高煤的燃燒效率十分有利．

圖5 燃燒器內(nèi)粒子運(yùn)動(dòng)軌跡Fig．5 Trajectory of particles in the burner

圖6給出了顆粒在上下半圓筒壁面的沉積分布情況．由圖6可以看出，顆粒的碰壁沉積集中在燃燒器中前部．上下壁面顆粒的沉積分布幾乎一致，說明在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)，顆粒在強(qiáng)漩流影響下，主要受離心力的作用在壁面附近高速旋轉(zhuǎn)，并與壁面發(fā)生碰撞而黏附在壁面上．

圖6 顆粒在壁面上的沉積分布Fig．6 Distribution of deposited particles on the wall

圖7 不同粒徑下的沉積特性Fig．7 Influence of particle size on the deposition characteristics

圖7給出了不同直徑顆粒在燃燒器壁面的沉積速率及沉積率．由圖7可知，當(dāng)煤粉粒徑≤20μm時(shí)，顆粒慣性小，跟隨性好，大部分顆粒隨氣流逸出燃燒器，少量顆粒在燃燒器前部沉積．10μm和20 μm顆粒的碰壁沉積率分別為42%和51%．顆粒粒徑增大后，慣性增大，跟隨性變差，碰壁概率增大，沉積率增大．當(dāng)顆粒粒徑≥60μm時(shí)，沉積率均高達(dá)98%以上，并在燃燒器中前部具有較好的分布情況，較高的沉積率及沉積速率使得燃燒器具有較高的捕渣率．但當(dāng)粒徑≥100μm時(shí)，顆粒在流場中受到較大的阻力，在燃燒空間的運(yùn)動(dòng)軌跡縮短，碰壁概率增大，迅速沉積并集中在燃燒器前部，容易導(dǎo)致燃燒初期低溫區(qū)域內(nèi)煤粉堵塞．

圖8給出了一次風(fēng)率γ1對(duì)顆粒沉積速率的影響．由圖8可知，隨著γ1增大，燃燒器內(nèi)沉積速率的峰值先減小后增大，燃燒器中部的沉積速率則先增大后減?。@說明一次風(fēng)率較小時(shí)，燃燒器前部煤粉濃度較大，碰壁沉積概率增大，沉積率亦增大．一次風(fēng)率過大時(shí)，煤粉顆粒具有較大的動(dòng)能，受到較大阻力，運(yùn)動(dòng)較短距離即黏附在壁面．故要保證煤粉在燃燒器內(nèi)有良好的分布，需控制一次風(fēng)率在0．3～0．35左右．

圖8 不同一次風(fēng)率γ1下的沉積速率Fig．8 Influence ofγ1on the deposit velocity

圖9給出了過量空氣系數(shù)α對(duì)顆粒沉積速率的影響．由圖9可見，當(dāng)α≤0．9時(shí)，顆粒在燃燒器前部大部分區(qū)域均有較大沉積速率．隨著α的增大，顆粒沉積速率的峰值增大且峰值點(diǎn)略向前移，這是因?yàn)檩^大的α下燃燒器內(nèi)氣流的軸向速度和切向速度均較大，顆粒從燃燒器噴口噴出后即碰壁沉積．故要使得液態(tài)排渣燃燒器顆粒具有良好的沉積特性，過量空氣系數(shù)不應(yīng)取過大值．

圖9 不同過量空氣系數(shù)α下的沉積速率Fig．9 Influence ofαon the deposit velocity

3 結(jié) 論

（1）該旋風(fēng)燃燒器在3種不同負(fù)荷下的燃燒效率均在80%以上，捕渣率在80%以上，燃燒溫度均可達(dá)1 700K以上，能保證液態(tài)排渣的順利進(jìn)行．

（2）顆粒的碰壁沉積集中在燃燒器中前部，上下壁面顆粒的沉積分布規(guī)律幾乎一致．較小的顆粒跟隨性好，不易沉積，少量沉積亦發(fā)生在燃燒器前部．60μm以上的顆粒易于沉積，幾乎能在燃燒器中前部全部沉積下來，實(shí)現(xiàn)附壁燃燒，并得到較高的捕渣率．

（3）適中的一次風(fēng)率（0．3～0．35左右）及較小的過量空氣系數(shù)（α≤0．9）能保證顆粒沉積均勻分布，防止低溫區(qū)域煤粉堵塞．

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