杜佳佳

1 引言

窯頭燃燒器是水泥生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，主要用于將燃料送入回轉(zhuǎn)窯內(nèi)充分燃燒、加熱物料，并形成形狀合適的火焰，滿足窯內(nèi)生產(chǎn)工藝要求的溫度梯度分布。窯頭燃燒器的使用性能將直接影響水泥熟料的質(zhì)量、窯內(nèi)氮氧化物的產(chǎn)生量、煤耗和生產(chǎn)線整體的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，國(guó)內(nèi)外制造窯頭燃燒器的廠家很多，國(guó)外有法國(guó)法孚皮拉德公司的NOVAFLAM型旋流式四風(fēng)道燃燒器、德國(guó)洪堡公司的PYRO-JET型燃燒器、奧地利尤尼茲姆公司的MAS 型燃燒器及丹麥?zhǔn)访芩构镜腄UOFLEX 型燃燒器等，國(guó)內(nèi)使用較多的有我公司研發(fā)的HP 型強(qiáng)渦流多通道燃燒器、天津水泥工業(yè)設(shè)計(jì)研究院有限公司研發(fā)的大推力燃燒器、襄陽(yáng)中和機(jī)電技術(shù)有限公司的多通道燃燒器及鄭州奧通熱力工程有限公司的多通道燃燒器等。廠家不同，燃燒器的結(jié)構(gòu)形式各不相同，通道布置方式也不相同。有的廠家生產(chǎn)的燃燒器通道布置，從外到內(nèi)依次為軸流風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)和中心風(fēng)通道，有的從外到內(nèi)依次為軸流風(fēng)、旋流風(fēng)、煤風(fēng)和中心風(fēng)通道[1]。結(jié)構(gòu)形式和通道布置不同，燃燒器的使用性能也大不相同。

我公司研發(fā)的HP 型多通道燃燒器通道布置，從外到內(nèi)依次為軸流風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)和中心風(fēng)通道[2][3]。燃燒器工作時(shí)，高速的軸流風(fēng)和旋流風(fēng)與低速的煤風(fēng)形成大速差射流，在燃燒器頭部周圍形成一定的速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)。從多通道燃燒器噴出的燃燒著的煤粉，除與送煤風(fēng)預(yù)混合外，還要經(jīng)過(guò)軸流風(fēng)、旋流風(fēng)和高溫二次風(fēng)的三次擾動(dòng)與混合。這三次擾動(dòng)與混合使得風(fēng)煤混合更為均勻，二次風(fēng)的回流及時(shí)補(bǔ)充了煤粉燃燒所需要的新鮮空氣，使煤粉燃燒更為充分。其中，軸流風(fēng)通過(guò)燃燒器端面均勻分布的噴嘴噴出，旋流風(fēng)通過(guò)旋流器噴出，噴嘴和旋流器與燃燒器通過(guò)螺紋連接，可更換?；剞D(zhuǎn)窯窯內(nèi)的火焰形狀、溫度分布和煤粉燃燒程度均通過(guò)調(diào)節(jié)軸流風(fēng)和旋流風(fēng)進(jìn)行控制，軸流風(fēng)和旋流風(fēng)通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴和旋流器進(jìn)行控制，噴嘴和旋流器的性能決定了燃燒器的性能。

目前，HP型多通道燃燒器已成功應(yīng)用于水泥、鎳鐵、球團(tuán)和石灰等行業(yè)，效果良好。為進(jìn)一步提高HP 型多通道燃燒器的使用性能，筆者運(yùn)用FLUENT數(shù)值模擬方法，研究了旋流器旋流角度和噴嘴數(shù)量對(duì)燃燒器性能的影響，以優(yōu)化HP 型多通道燃燒器的設(shè)計(jì)。

2 網(wǎng)格劃分、數(shù)值模擬模型及邊界條件設(shè)置

2.1 網(wǎng)格劃分

使用三維軟件Creo 對(duì)5 000t/d 水泥熟料生產(chǎn)線φ4.8m×72m 回轉(zhuǎn)窯和HP 型多通道燃燒器進(jìn)行建模，然后將模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件GAMBIT中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖1、圖2所示。

圖1 燃燒器出口網(wǎng)格劃分圖

圖2 回轉(zhuǎn)窯網(wǎng)格劃分圖

GAMBIT 軟件劃分后的三維網(wǎng)格主要為四面體網(wǎng)格和六面體網(wǎng)格，六面體網(wǎng)格一般比四面體網(wǎng)格計(jì)算質(zhì)量高。對(duì)網(wǎng)格要求比較高時(shí)，使用六面體網(wǎng)格進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果更易收斂。同樣的網(wǎng)格尺寸，劃分為六面體比劃分為四面體的網(wǎng)格數(shù)量少很多，計(jì)算所需的時(shí)間也更短，六面體網(wǎng)格方向與流場(chǎng)方向更相合。如邊界層處，六面體網(wǎng)格比四面體網(wǎng)格離散誤差小，網(wǎng)格應(yīng)盡可能劃分為六面體。

回轉(zhuǎn)窯的窯門(mén)罩、冷卻帶、燒成帶和過(guò)渡帶等不同區(qū)域，按照重要性的不同，對(duì)不同區(qū)域的網(wǎng)格應(yīng)采用不同的劃分方式，重要區(qū)域網(wǎng)格劃分可以密一些。回轉(zhuǎn)窯冷卻帶和燒成帶劃分應(yīng)最細(xì)，窯門(mén)罩稍粗，過(guò)渡帶最粗。燃燒器的出口是比較重要的位置，應(yīng)盡可能使用六面體劃分網(wǎng)格建模，一些尖角的部位可以使用四面體網(wǎng)格。

2.2 數(shù)值模擬模型

水泥回轉(zhuǎn)窯窯內(nèi)工況比較復(fù)雜，存在煤粉燃燒、熟料煅燒、熱傳導(dǎo)、熱輻射和熱對(duì)流、空氣的湍流流動(dòng)等物理化學(xué)過(guò)程。為使模擬仿真盡可能貼近實(shí)際工況，我們根據(jù)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的流場(chǎng)特點(diǎn)以及HP 型窯頭煤粉多通道燃燒器的燃燒特點(diǎn)，將湍流模型選擇為k-epsilon 模型。k-epsilon 模型使用方便可靠，收斂性好，計(jì)算機(jī)內(nèi)存需求低，比較適合工程應(yīng)用的研究。輻射模型選擇為P1 模型，P1 模型不僅考慮了顆粒相與氣相之間的輻射換熱及散射作用，而且該模型在求解輻射能量方程時(shí)，資源占用較小?；瘜W(xué)反應(yīng)模型選擇為species-transport 模型[4]。

2.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)揮發(fā)分的含量不同，燃煤可分為無(wú)煙煤、煙煤和褐煤等，水泥廠使用較多的是煙煤。本文模擬設(shè)置煤粉參數(shù)選用某水泥廠實(shí)際使用的煙煤，煤粉參數(shù)具體見(jiàn)表1。軸流風(fēng)速、旋流風(fēng)速等參數(shù)模擬邊界條件設(shè)置見(jiàn)表2。

表1 煤粉的工業(yè)分析和元素分析

3 數(shù)值模擬分析

3.1 旋流角度的影響

3.1.1 邊界條件設(shè)置

在保持軸流風(fēng)速、旋流風(fēng)速和噴嘴數(shù)量等邊界條件設(shè)置相同的情況下，改變旋流角度的設(shè)定值，將模型A1~A4 的旋流角度由37.5°增加到45°。通過(guò)對(duì)比分析模擬結(jié)果，觀察旋流角度對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流場(chǎng)的影響。旋流角度邊界條件設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 旋流角度邊界條件設(shè)置

3.1.2 溫度場(chǎng)分析

對(duì)比圖3、圖4溫度云圖可以看出，回轉(zhuǎn)窯相同溫度梯度層的形狀隨著旋流角度的增大而變窄變短，即火焰隨著旋流角度的增大而變窄變短；黑火頭綠色溫度層兩側(cè)凸起部分的位置，隨著旋流角度的增大而靠近燃燒器，黑火頭也隨著旋流角度的增大變窄變短。

圖3 溫度云圖1

圖4 溫度云圖2

回轉(zhuǎn)窯在中心軸線上的溫度是最高的，對(duì)比圖5 回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向溫度變化曲線可以看出，在回轉(zhuǎn)窯距窯頭0~5m 之間，溫度曲線基本重合。但從實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，隨著旋流角度的增大，在0~5m 之間，A1~A4 溫度上升速率加快，相同位置溫度逐漸增加，說(shuō)明A1~A4黑火頭逐漸變短；在回轉(zhuǎn)窯距窯頭5~25m 之間，隨著旋流角度的增大，A1~A4峰值溫度降低，相同位置溫度也低一些，說(shuō)明火焰逐漸變短。

圖5 回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向溫度變化曲線1

3.1.3 速度場(chǎng)分析

對(duì)比圖6 和圖7 速度云圖可以看出，旋流角度的改變對(duì)速度影響很小。隨著旋流角度的增加，速度梯度層長(zhǎng)度方向有變短的趨勢(shì)，但需要將云圖放大才能看出；速度梯度層的寬度方向?qū)挾冉咏?；旋流角度的改變?duì)軸流風(fēng)道外部的速度梯度影響較小。

圖7 速度云圖2

回轉(zhuǎn)窯在中心軸線上的速度是最大的，對(duì)比圖8 的回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向速度變化曲線可以看出，A1~A4 的速度曲線基本重合，說(shuō)明旋流角度的改變對(duì)速度影響很小。

圖8 回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向速度變化曲線1

3.2 噴嘴數(shù)量的影響

3.2.1 模擬設(shè)置

在保持軸流風(fēng)速、旋流風(fēng)速和旋流角度等邊界條件設(shè)置相同的情況下，改變噴嘴設(shè)置數(shù)量，將A5~A8模型的噴嘴由8個(gè)增至20個(gè)，通過(guò)對(duì)比分析模擬結(jié)果，觀察噴嘴數(shù)量對(duì)回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流場(chǎng)的影響。噴嘴數(shù)量邊界條件設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 噴嘴數(shù)量邊界條件設(shè)置

3.2.2 溫度場(chǎng)對(duì)比

對(duì)比圖9溫度云圖可以看出，A5~A7隨著噴嘴數(shù)量的增加，溫度層增長(zhǎng)增寬，即火焰變長(zhǎng)變粗。而A8的溫度層的長(zhǎng)度和寬度都小于A7，說(shuō)明火焰形狀與噴嘴數(shù)量并非呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，噴嘴數(shù)量達(dá)到一定時(shí)，火焰形狀將朝相反方向發(fā)展。

圖9 溫度云圖3

對(duì)比圖10 溫度云圖可以看出，隨著噴嘴數(shù)量的增加，黑火頭變長(zhǎng)變寬，黑火頭綠色溫度層兩側(cè)凸起處，距離燃燒器出口端面越來(lái)越遠(yuǎn)。

圖10 溫度云圖4

對(duì)比圖11回轉(zhuǎn)窯沿中心軸線方向溫度變化曲線可以看出，在回轉(zhuǎn)窯距窯頭0~5.9m之間，隨著噴嘴數(shù)量的增加，相同位置A5~A8溫度逐漸降低，說(shuō)明A5~A8 黑火頭逐漸變長(zhǎng)；A5~A8 在回轉(zhuǎn)窯距窯頭5.9~6.8m 之間，均達(dá)到峰值溫度，溫度峰值的位置逐漸靠近窯尾；在回轉(zhuǎn)窯距窯頭6.8~25m 之間，隨著噴嘴數(shù)量的增加，相同位置A5~A7溫度增加，說(shuō)明火焰逐漸變長(zhǎng)。在回轉(zhuǎn)窯距窯頭16.5~25m之間，A8溫度低于A7，說(shuō)明了火焰形狀并非隨噴嘴數(shù)量的增加一直變長(zhǎng)，當(dāng)噴嘴達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，火焰形狀將朝相反方向發(fā)展。

圖11 回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向溫度變化曲線2

3.2.3 速度場(chǎng)對(duì)比

對(duì)比圖12 和圖13 速度云圖可以看出，在燃燒器附近，速度層擴(kuò)張區(qū)域的相同位置，噴嘴數(shù)量越多，速度梯度層寬度越小，說(shuō)明噴嘴數(shù)量的增多，對(duì)氣流擴(kuò)散的約束力增大；隨著噴嘴數(shù)量的增加，各速度梯度層的長(zhǎng)度逐漸增加。

圖12 速度云圖3

圖13 速度云圖4

對(duì)比圖14回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向速度變化曲線可以看出，在距回轉(zhuǎn)窯窯頭1.4~72m 之間，A5~A8 在相同位置，速度逐漸增大，也說(shuō)明了隨著噴嘴數(shù)量的增加，各速度梯度層的長(zhǎng)度逐漸增加。

圖14 回轉(zhuǎn)窯中心沿軸線方向速度變化曲線2

對(duì)比圖15 速度梯度圖可見(jiàn)，隨著噴嘴數(shù)量的增多，軸流風(fēng)道外側(cè)的速度梯度層區(qū)域增大，說(shuō)明卷吸二次風(fēng)的能力隨著噴嘴數(shù)量的增加而增加。

圖15 速度梯度圖

4 結(jié)語(yǔ)

旋流器和噴嘴是燃燒器的重要部件，二者的性能參數(shù)直接影響燃燒器的使用性能。通過(guò)用FLUENT方法對(duì)HP型多通道燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，可知HP 型多通道燃燒器旋流角度和噴嘴數(shù)量對(duì)燃燒器有如下影響：

（1）隨著旋流角度的增大，火焰形狀和黑火頭形狀均變短變細(xì)。旋流角度的改變對(duì)速度層的影響很小。

（2）隨著噴嘴數(shù)量的增加，火焰變長(zhǎng)變粗。但火焰形狀并不隨噴嘴數(shù)量的增加而呈線性增長(zhǎng)關(guān)系，當(dāng)噴嘴數(shù)量達(dá)到一定時(shí)，火焰形狀將朝相反方向發(fā)展。隨著噴嘴數(shù)量的增加，黑火頭長(zhǎng)度變長(zhǎng)變寬，同時(shí)，約束氣流擴(kuò)散的力量增大，火焰發(fā)散的位置逐漸后移，各速度層長(zhǎng)度增加，卷吸二次風(fēng)的能力增強(qiáng)。

在進(jìn)行HP 型多通道燃燒器設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)以上數(shù)值模擬分析結(jié)果，結(jié)合實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整旋流器的旋流角度和噴嘴數(shù)量，優(yōu)化燃燒器設(shè)計(jì)。