李建新

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院,太原 030006;山西天地煤機(jī)裝備有限公司,太原 030006)

在我國(guó)能源富煤、貧油、少氣的資源結(jié)構(gòu)下,廉價(jià)的煤炭資源成為了能源利用的優(yōu)先選擇,且高比重的利用率將一直持續(xù)到21世紀(jì)中葉[1]。瀝青攪拌站設(shè)備煤粉燃燒機(jī)以煤粉為燃料會(huì)產(chǎn)生大量的污染物,在國(guó)家污染物排放政策的監(jiān)督下,控制煤粉燃燒機(jī)污染物的排放亟待解決。旋流風(fēng)能夠控制燃料與氧化劑加速混合,混合過(guò)程中有回流煙氣生成,這樣便加劇了燃料的燃燒,提高了燃燒穩(wěn)定性,增大熱量的釋放,燃料在充分利用的同時(shí),污染物的排放量也得以降低,因而旋流燃燒技術(shù)在各類工業(yè)燃燒裝置中得到廣泛的應(yīng)用[2-4]。旋流器葉片數(shù)對(duì)旋流式煤粉燃燒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)有很大的影響,但其內(nèi)部流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律復(fù)雜,進(jìn)行試驗(yàn)研究耗資耗力,且難以測(cè)量數(shù)據(jù),應(yīng)用CFD軟件數(shù)值模擬旋流式煤粉燃燒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng),分析葉片數(shù)對(duì)旋流式煤粉燃燒機(jī)流場(chǎng)及燃燒性能的影響可以得到比在試驗(yàn)中更詳細(xì)、更難測(cè)量的數(shù)據(jù)。

本文分析旋流葉片數(shù)對(duì)旋流式煤粉燃燒機(jī)燃燒性能的影響,控制旋流式煤粉燃燒機(jī)旋流葉片數(shù)的合理參數(shù),為旋流式煤粉燃燒機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 煤粉燃燒機(jī)數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算域模型

旋流風(fēng)的產(chǎn)生可以提供軸向速度和切向速度,具有較強(qiáng)的卷吸和混合作用,能使燃料與氧化劑充分混合,提高燃燒效率。旋流器能夠產(chǎn)生旋流效果,本研究采用軸向直葉片旋流器,葉片內(nèi)徑r=260 mm,外徑R=600 mm,旋流器葉片安裝角固定為45°時(shí),分別研究葉片數(shù)分別為8,10,12時(shí)煤粉燃燒機(jī)的燃燒性能,旋流器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 旋流器模型

(1)

式中S為旋流數(shù)；θ為葉片安裝角，(°)；r為葉片內(nèi)徑，mm；R為葉片外徑，mm。

由于旋流煤粉燃燒機(jī)噴出火焰對(duì)干燥筒內(nèi)部流場(chǎng)具有影響,因此將兩者劃分在一個(gè)熱力學(xué)系統(tǒng)中。如圖2為建立的旋流式煤粉燃燒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的三維模型。

圖2 計(jì)算域模型

1.2 網(wǎng)格劃分

對(duì)旋流式煤粉燃燒機(jī)計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖3所示。網(wǎng)格質(zhì)量對(duì)模擬的準(zhǔn)確性和收斂難易程度影響較大,如果Equisize Skew和Equiangle Skew在0～0.9之間的網(wǎng)格數(shù)占比達(dá)到100%,認(rèn)為計(jì)算精度準(zhǔn)確。如表1為本研究中模型各部分網(wǎng)格劃分的參數(shù),網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果:Equisize Skew值為0.75;Equiangle Skew值為0.8,均小于0.9,故認(rèn)為網(wǎng)格質(zhì)量完全達(dá)到了數(shù)值模擬的精度。

圖3 網(wǎng)格劃分結(jié)果

表1 網(wǎng)格劃分的相關(guān)參數(shù)

1.3 數(shù)學(xué)模型的選擇

煤粉燃燒過(guò)程復(fù)雜,涉及輻射、能量變化、湍流等現(xiàn)象[5-7],為達(dá)到計(jì)算精確、效率較高的目標(biāo),本文采用表2模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

表2 模型的選擇

煤粉燃燒引起劇烈的湍流運(yùn)動(dòng),當(dāng)流體中出現(xiàn)速度變化的時(shí)候,必然會(huì)出現(xiàn)湍流現(xiàn)象,這些變化促使流體介質(zhì)之間相互交換能量、動(dòng)量和濃度變化,因標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型精度合理、適用性強(qiáng),因此能夠用來(lái)精確計(jì)算湍流的作用。湍流動(dòng)能方程k,和擴(kuò)散方程ε如下:

(2)

(3)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；μ為層流黏性系數(shù)；k為湍流動(dòng)能；ε為湍流動(dòng)能耗散率；μt為湍流渦黏系數(shù)；Gb、Gk為速度梯度應(yīng)力源項(xiàng)和湍流動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；YM為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)；Sk、Sε為用戶定義源；δk=1.0；δε=1.3；C1=1.44；C2=1.92；C3=0.99。

煤粉燃燒是強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng),其中涉及輻射傳熱,因此為考慮燃燒過(guò)程的輻射傳熱,選用P1輻射模型用于當(dāng)前研究。

項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了縣有預(yù)警指揮中心，鄉(xiāng)鎮(zhèn)有自動(dòng)監(jiān)測(cè)站和預(yù)警發(fā)布平臺(tái)，行政村有簡(jiǎn)易雨量站、手搖警報(bào)器、銅鑼、有線廣播等預(yù)警設(shè)施和自然災(zāi)害避災(zāi)場(chǎng)所的目標(biāo)，進(jìn)一步完善了山洪災(zāi)害群測(cè)群防體系。

輻射傳熱的方程為:

(4)

式中：G表示入射輻射的梯度；σs表示散射系數(shù)；a表示吸收系數(shù)；C表示各相異性相位函數(shù)系數(shù)。

煤粉燃燒中,以渦耗散模型(Eddy-Dissipation)來(lái)控制湍流反應(yīng)中的相互作用。

煤粉燃燒是氣固多相耦合過(guò)程,離散粒子對(duì)整個(gè)燃燒化學(xué)反應(yīng)過(guò)程有很大的影響,為了減少湍流對(duì)顆粒的隨機(jī)性的影響,選用粒子群模型和軌道模型,使其追蹤足夠多代表性顆粒的軌跡,這樣能夠有效減少他帶來(lái)的影響。

煤粉燃燒過(guò)程涉及粒子表面、體積、和壁面多種反應(yīng)類型。動(dòng)力、擴(kuò)散、限制燃燒模型能夠考慮到離散相煤粉顆粒擴(kuò)散和動(dòng)力學(xué)反應(yīng)對(duì)煤粉表面反應(yīng)速率的影響。

模型的燃燒速率:

(5)

式中:K為焦炭粒子外表面的反應(yīng)速度；β為反應(yīng)中焦炭消耗量跟氧氣消耗量的比值，在完全生成CO2的反應(yīng)中，β=0.375；φ0為氧氣體積分?jǐn)?shù)；KS為動(dòng)力燃燒速度；Kd為擴(kuò)散燃燒速度；K0為頻率因子；E為焦炭氧化的活化能；R為氣體常數(shù)；T為反應(yīng)溫度；D為氧的擴(kuò)散系數(shù)；Nu為Nusselt數(shù)，在認(rèn)為焦炭粒子跟空氣之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度很小時(shí)取值為2；d為某一組分焦炭粒子的直徑，μm。

1.4 邊界條件的設(shè)定

邊界條件設(shè)置如表3所示。采用壓力出口(Pressure outlet)可以考慮到計(jì)算中存在的回流現(xiàn)象,能夠有效改善收斂的難易程度。將各次風(fēng)入口定義為速度入口(Velocity inlet),能夠便于研究風(fēng)速變化對(duì)旋流式煤粉燃燒機(jī)流場(chǎng)的影響。模擬中由于要追蹤游走的離散相煤粉粒子會(huì)與邊界發(fā)生碰撞,對(duì)入、出口離散相邊界條件類型定義為逃逸(escape)使離散相通過(guò),壁面定義為無(wú)滑移固定邊界,邊界條件類型選擇反射(reflect)使離散相保持在計(jì)算域空間,這樣可以很好地追蹤離散相煤粉粒子的軌跡,保持計(jì)算的精度和穩(wěn)定性。粒子追蹤最大步數(shù)400 000,步長(zhǎng)0.0 025 m,二者乘積需大于離散相煤粉粒子游走的總軌跡長(zhǎng)度,否則會(huì)導(dǎo)致離散相粒子追蹤不到位,造成計(jì)算誤差,甚至導(dǎo)致結(jié)果錯(cuò)誤。

表3 邊界條件的設(shè)定

2 煤粉燃燒機(jī)模擬結(jié)果分析

以旋流器葉片數(shù)為影響因素,結(jié)合燃燒機(jī)內(nèi)部中心平面溫度等值線、污染物分布等值線、內(nèi)部粒子流線軌跡、燃盡率等值線,分析旋流器葉片數(shù)對(duì)煤粉燃燒機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的影響及污染物排放的影響規(guī)律。研究采用控制變量法,參數(shù)變化為旋流器內(nèi)外徑之比為260∶600,v1=30 m/s、v2、v3均為40 m/s保持不變,旋流葉片安裝角45°,旋流器葉片數(shù)分別為8、10、12。

2.1 葉片數(shù)對(duì)中心平面CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖4對(duì)比了當(dāng)旋流器葉片數(shù)為8個(gè)、10個(gè)或12個(gè)時(shí),計(jì)算域中心平面上CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線分布。從圖可知,葉片數(shù)為8和10時(shí),CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布幾乎沒(méi)有變化;當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí),CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個(gè)計(jì)算域中心平面都有明顯的變化,CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)在燃燒機(jī)內(nèi)部分布范圍變廣,生成CO2的位置提前,并且在一次風(fēng)進(jìn)入燃燒室的位置已有CO2生成,但在烘干滾筒內(nèi)部的高濃度范圍減小。

圖4 計(jì)算域中心平面CO2

圖5為計(jì)算域中心軸線CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線。當(dāng)旋流器葉片數(shù)為8和10時(shí),計(jì)算域中心軸線上CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎沒(méi)有變化,這與中心平面上的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布是相同的,在0～0.5 m位置呈先增加后減少的趨勢(shì)；在0.5～6 m位置,CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加的趨勢(shì)；在6～10 m位置表現(xiàn)為下降趨勢(shì)。當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí),產(chǎn)生CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)較前兩者降低,在0～1.5 m位置呈先增加后減少趨勢(shì),在1.5～10 m位置呈先增加后減少趨勢(shì),并且在烘干滾筒區(qū)域內(nèi)中心軸線位置上生成CO2最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的位置較葉片數(shù)為8和10時(shí)降低。

圖5 計(jì)算域中心軸線CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.2 葉片數(shù)對(duì)中心平面CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖6對(duì)比了當(dāng)旋流器葉片數(shù)分別為8個(gè)、10個(gè)及12個(gè)時(shí),計(jì)算域中心平面上CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線分布。從圖可知,葉片數(shù)為8和10時(shí),CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)在整個(gè)計(jì)算域中心平面幾乎沒(méi)有變化,在烘干滾筒內(nèi)部呈短粗的柱狀形態(tài),生成CO最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)的位置同樣發(fā)生在燃燒器內(nèi)部。當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí),CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)從燃燒器內(nèi)部到烘干滾筒內(nèi)部均有明顯的變化,在烘干滾筒內(nèi)的高濃度范圍長(zhǎng)度寬度均變小,在燃燒器內(nèi)部的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)高濃度區(qū)域由兩端向中線位置靠近,并且在一次風(fēng)入口處已有CO生成,在燃燒器內(nèi)部的范圍軸向變長(zhǎng)徑向變窄。

圖6 計(jì)算域中心平面CO

圖7為計(jì)算域中心軸線CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線。當(dāng)葉片數(shù)為8和10時(shí),中心軸線上的CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎沒(méi)有變化,在0～0.5 m位置呈先增加后減少趨勢(shì),最大值分別為1.4%、1.3%；在0.5～6.5 m位置,CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減少趨勢(shì),最大值分別為1.3%、1.2%；在6.5～10 m位置CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為零。當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí),CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布趨勢(shì)與前兩者有較大差異,表現(xiàn)為先增加后減少趨勢(shì),最大值為2.0%,并且CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)降為零的位置前移,表明隨葉片數(shù)增加,中心軸線上的燃盡(CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)為零)位置提前,因而在烘干桶內(nèi)部煤粉含量降低,導(dǎo)致火焰縮短變小。

圖7 計(jì)算域中心軸線CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.3 葉片數(shù)對(duì)中心平面NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

圖8對(duì)比了當(dāng)旋流器葉片數(shù)為8個(gè)、10個(gè)或12個(gè)時(shí),計(jì)算域中心平面NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布的等值線圖。由圖可知,8葉片與10葉片時(shí)中心平面NO濃度幾乎無(wú)變化,在烘干滾筒內(nèi)部中心區(qū)域靠近軸線位置NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常少；但在烘干滾筒兩端靠近壁面位置處的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)濃度較大,燃燒器內(nèi)部靠近燃燒室壁面位置處的NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布濃度較大,其余位置濃度幾乎為零。當(dāng)葉片數(shù)為12時(shí)NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)較前兩者分布變化明顯,其中烘干滾筒內(nèi)部中心區(qū)域附近NO濃度增大,且烘干滾筒后端NO濃度增加,同時(shí)位于燃燒器內(nèi)部的NO濃度相對(duì)于前兩者降低。

圖8 計(jì)算域中心平面NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖9為計(jì)算域中心軸線NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布曲線。當(dāng)葉片數(shù)為8和10時(shí),中心軸線上NO濃度幾乎保持同樣的分布趨勢(shì),在0～1.8 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)非常少接近于零；在1.8～3.8 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減少的趨勢(shì),最大值均為0.6%；在3.8～5.8 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈先增加后減少趨勢(shì),最大值均為0.3%；在5.8～10 m位置,NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)呈增加趨勢(shì)；在6～7 m時(shí)增加快速,在7～10 m增加緩慢。葉片數(shù)為12時(shí),NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布發(fā)生較大的變化,在0～1.8 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎為零,在1.8～3.8 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后降低,最大值為0.5%；在3.8～10 m位置，NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增加后減少,最大值為1.1%。

圖9 計(jì)算域中心軸線NO質(zhì)量分?jǐn)?shù)

2.4 葉片數(shù)對(duì)燃燒機(jī)內(nèi)部流線的影響

圖10為旋流器葉片數(shù)分別為8個(gè)、10個(gè)及12個(gè)時(shí),計(jì)算域中心平面燃燒機(jī)內(nèi)部流線圖,描述了粒子的運(yùn)動(dòng)軌跡。由圖可知,當(dāng)葉片數(shù)為8和10時(shí),燃燒機(jī)內(nèi)部粒子軌跡變化很小,其內(nèi)部粒子軌跡均表現(xiàn)為由中心向兩端擴(kuò)散,在燃燒機(jī)中心靠近前端部位生成漩渦,在燃燒室的前端拐角處生成漩渦。在葉片數(shù)為12時(shí),燃燒機(jī)內(nèi)部中心區(qū)域漩渦擴(kuò)散到兩端,中心位置漩渦消失,燃燒機(jī)出口位置靠近中心位置粒子軌跡幾乎保持平行,說(shuō)明葉片數(shù)變化對(duì)燃燒機(jī)內(nèi)部粒子軌跡的變化有很大影響。

圖10 燃燒機(jī)計(jì)算域中心平面流線圖

2.5 模擬結(jié)果驗(yàn)證

采用本文研究所用的控制模型,以LU et al,ZHU et al以及OU YANG et al[8-10]所做的關(guān)于循環(huán)流化床的下行燃燒室的實(shí)驗(yàn)條件及運(yùn)行參數(shù)為依據(jù),對(duì)循環(huán)流化床的下行燃燒室進(jìn)行煤粉燃燒模擬。循環(huán)流化床下行燃燒室的幾何尺寸是長(zhǎng)為3 000 mm,直徑為220 mm的圓柱形滾筒,在距二次風(fēng)噴口600 mm處分布有三次風(fēng)風(fēng)道。一次風(fēng)經(jīng)循環(huán)流化床輸送給下行燃燒室,煤粉質(zhì)量流率3.69 kg/h,循環(huán)流化床總空氣量為標(biāo)況下6.9 m3/h,經(jīng)循環(huán)流化床預(yù)熱的一次風(fēng)煤混合物溫度高達(dá)800℃。二次風(fēng)通過(guò)管徑為10 mm的管道進(jìn)入下行燃燒室,二次風(fēng)量為標(biāo)況下20 m3/h,T2為大氣溫度。三次風(fēng)量為標(biāo)況下20 m3/h,T3為大氣溫度。以煙煤作為循環(huán)流化床燃料,其中揮發(fā)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30.61%,固定碳為51.99%。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比如圖11。

圖11 數(shù)值模擬曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比

1)圖11中對(duì)比了沿下行燃燒室軸向方向的CO2摩爾分?jǐn)?shù)分布。

2)描述了在距二次風(fēng)噴口1.5 m處CO2摩爾分?jǐn)?shù)沿徑向方向的分布。

3)中軸向模擬數(shù)據(jù)平均CO2摩爾分?jǐn)?shù)14.83%,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均CO2摩爾分?jǐn)?shù)14.922%。

4)中徑向1.5 m處模擬數(shù)據(jù)平均CO2摩爾分?jǐn)?shù)12.657%,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)平均CO2摩爾分?jǐn)?shù)13.059%,以上對(duì)比較好地說(shuō)明研究所用模型及方法具有一定的可信度。

分析發(fā)現(xiàn),模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較紊合,但存在一定的誤差,引起誤差的原因可能是一些在CFD軟件中不確定的系數(shù)和不明確的點(diǎn)火位置,而這同時(shí)也說(shuō)明了不同控制模型對(duì)求解結(jié)果的精確度存在差異。

3 結(jié)論

1)當(dāng)旋流器葉片數(shù)在[8，10]時(shí),整個(gè)計(jì)算域上各生成物均無(wú)明顯變化。

2)當(dāng)旋流器葉片數(shù)在(10，12]時(shí),燃燒器內(nèi)部漩渦擴(kuò)散到兩端導(dǎo)致高溫?zé)煔獾幕亓髋c卷吸效果降低,使得燃燒器內(nèi)部的燃燒變緩慢,從而降低了燃燒效率,并且NO排放量增加。