高速煤粉燃烧器内燃烧特性数值模拟及结构优化

张 鑫，陈 隆

(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

煤粉燃烧器广泛应用于电站锅炉中，在工业锅炉中应用也较为普遍，其作用是组织煤粉在炉膛内点火、燃烧和燃尽，其常见的二次风速度为30～50 m/s，温度可达300 ℃以上[1-2]，本文定义该类型燃烧器为低速燃烧器。低速燃烧器在炉膛能组织好空气动力场，煤粉和旋流高温空气及时混合，适用于较大空间的炉膛。研究表明使用低速煤粉燃烧器的锅炉存在炉膛结焦、局部高温、低负荷稳燃性能差等问题[3-7]。高速燃烧器的概念见于气体燃烧器中，学者结合航天火箭发动机相关先进燃烧技术开发了高速气体燃烧器，火焰速度100～200 m/s，炉内被强化的对流换热在综合换热中所占比重大大提高，故而炉内温度分布均匀[8-10]。高速煤粉燃烧器原理是将煤粉输送进入燃烧室，煤粉在燃烧室的狭小空间内点火和稳燃，高温火焰携带未燃尽的焦炭和可燃气体进入炉膛继续燃烧，火焰从喷口进入到炉膛时速度可达60～200 m/s。高速煤粉燃烧器在炉内的火焰较长，炉内温度分布均匀，不易结焦，稳燃性能优良，最低负荷20%。文献资料对高速煤粉燃烧器的报道不多，早期清华大学提出大速差煤粉燃烧器，通过高速射流形成回流，引燃煤粉，具有良好的煤粉稳燃性能[11]；与高速煤粉燃烧器工作原理类似，汪小憨等[12]提出煤粉近壁燃烧技术，燃烧器内煤粉碳转化率高，熔融排渣，具有良好的低氮效果；侯冬尽[13]开发了高温低氮液态排渣煤粉燃烧器。由于液态排渣对技术和设备可靠性要求高，未见2种技术的后续工业化报道。本文采用数值模拟的办法，以14 MW高速煤粉燃烧器作为研究对象，研究旋流强度、二次风温度等关键参数对燃烧的影响，同时基于燃烧特点对燃烧器结构进行优化设计。

1 数学模型与计算条件

1.1 数学模型

煤粉燃烧包含物理、化学过程，涉及挥发分释放、焦炭燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动及湍流燃烧，与多相流动、传热传质和燃烧等多个学科联系紧密。利用ANSYS Fluent作为模拟工具，煤粉颗粒跟踪采用随机轨道(stochastic tracking)方法，煤粉颗粒沿着轨迹的挥发分热解采用固定反应速率模型，模型固定碳的异相反应采用动力燃烧与扩散燃烧共同控制，辐射传热模型采用DO模型，压力-速度的耦合计算采用SIMPLE法求解，采用标准的k-ε模型模拟气相的流动，用混合分数-概率密度函数(mixture-fraction/PDF)模型模拟气相湍流燃烧[14]。

1.2 计算条件

本文以14 MW高速煤粉燃烧作为研究对象，只研究燃烧器内结构，不考虑炉膛内部燃烧情况，对燃烧器结构进行简化，如图1所示，采用结构化网格，对壁面附近和煤粉喷口附近的网格进行加密处理，经过试算，网格数量45万左右比较合适。

图1 燃烧器网格Fig.1 Combustor grid

模拟采用的煤种为三类烟煤，其工业分析和元素分析见表1，煤粉粒径符合R-R分布规律，为了提高计算精度，准确分析燃烧温度，利用Aspen Plus中物性分析工具，拟合出烟气导热系数及黏度与温度的线性关系，嵌入到Fluent烟气物性数据库之中。

表1 烟煤工业分析和元素分析

2 结果及讨论

2.1 数值计算结果验证

对数值计算结果的可靠性进行验证。利用14 MW煤粉燃烧器全负荷下热态试验喷口处温度与数值模拟结果进行对比，如图2所示(r′为测点位置，R为燃烧器喷口半径)。实测值与模拟值虽有一定偏差，但在可接受范围内。故认为本文模拟所采用的方法正确，作为后续研究和优化的工具和方法。

图2 模拟值与测量值对比Fig.2 Comparison between the simulated results and test results

2.2 旋流强度对燃烧器内回流区影响

典型的旋流煤粉燃烧器通过设置合理的二次风旋流强度，在燃烧器喷口附近营造高温烟气回流区，回流区高温烟气与新鲜煤粉气流之间对流换热，保证煤粉气流稳定着火[15]。高速煤粉燃烧器的一次风管伸入到燃烧器中，高压一次风携带煤粉从一次风喷口射向旋流叶片所在的端部，一次风行程轨迹与二次风相反，宏观上看一次风在高速煤粉燃烧器内营造出主动回流区[16-17]。旋流强度取旋流叶片与燃烧器所接触的断面作为旋流强度的计算面。旋流强度计算公式[18]为

(1)

式中，S为量纲，表示某一截面处二次风旋流强度；r为气流旋转半径，m；ρ为气流密度，kg/m3；wr为截面上某点气流切向速度，m/s；wz为截面上某点气流轴向速度，m/s；P为气流静压，MPa；L为定性尺寸，与燃烧器结构有关，m。

图3 烟气流动矢量图Fig.3 Vector diagram of flue gas flow

图4 回流区分布Fig.4 Recirculation zone distribution

一般认为旋流强度大于0.6时为强旋流，旋流强度小于0.2时为弱旋流，本文讨论的4种旋流强度均为强旋流。4种旋流强度S下燃烧器内的烟气运动矢量图如图3所示。可知在高速煤粉燃烧器的前锥内贴近一次风管的周围存在回流区，回流区的起点为一次风喷口起点，回流区终点为旋流叶片端部平面位置。回流区分布如图4所示。可知回流区在一次风管附近的分布，4种旋流强度下回流区形状变化不大，说明回流区与一次风相关性较强，这与传统的电站锅炉燃烧器通过二次风旋流强度组织炉内回流区不同。

为了定量分析4种旋流强度下回流区烟气流量的大小，以燃烧器长度为H，于前锥内沿轴向选取5组截面，以L/H表示截面的相对位置，考察截面上回流区烟气量，如图5所示。当L/H越小，即截面距离一次风喷口越远，烟气回流质量越低。L/H=0.5时，最大回流质量在0.43～0.47 kg/s，在喷口附近；L/H=0.1时，最小回流质量0.18～0.30 kg/s，位置靠近旋流叶片端部。L/H=0.10～0.35时，随着旋流强度的增加，回流烟气质量增加，且这种增大程度在靠近旋流叶片的位置加大，说明增大旋流强度有利于煤粉稳定燃烧。

图5 旋流强度对回流量的影响Fig.5 Effect of swirl intensity on flue ratio in recirculation zone

2.3 旋流强度对燃烧器喷口组分影响

高速煤粉燃烧器将点火和燃烧2个功能放置于燃烧器内。燃烧器的喷口作为连接燃烧器和炉膛的交界面，该处烟气状态对煤粉在后续炉膛内的燃烧有重要影响，因此有必要对燃烧器喷口的燃烧状态进行综合分析。首先分析烟气进入到炉膛时的旋流强度。燃烧器喷口旋流强度如图6所示。当入口二次风的旋流强度提高，燃烧器喷口的火焰旋流强度从0.10提高到0.28左右，属于中等旋流强度。旋流强度衰减的重要原因为气流在燃烧器内高温膨胀，后锥内气流逐步收缩的同时烟气速度逐步增加，抵达喷口时轴向速度达到150～170 m/s，壁面附近逐步增加的烟气速度能防止未燃尽的大颗粒煤粉黏壁，从而防止燃烧器内结焦或积渣。

图6 燃烧器喷口旋流强度Fig.6 Swirl intensity at the combustor nozzle

研究表明[19]，旋流会使得燃料向中心富集，造成燃料和氧气之间分层分布。3种旋流强度下燃烧器喷口处组分分布如图7所示。总体上，喷口处中心富燃贫氧，边缘处富氧贫燃，燃料和氧气呈现分层的现象。旋流强度越大，煤粉燃烧进程越多，表现为可燃组分浓度降低，CO浓度从11%降低到10%，H2浓度从1.65%降低到1.40%，焦炭浓度从0.14%降低到0.11%，喷口边缘O2浓度从13%降低到10%。旋流强度S=3.7和S=3.2时喷口组分相差不大，说明提高旋流强度的燃烧影响减弱，但当旋流强度降低到2.8时，浓度变化较大。燃烧器喷口可燃组分和氧气分层现象使得焦炭和氧气在炉膛内混合推迟，火焰长度增加，有利于NOx减排，但需注意炉膛设计防止飞灰含碳量过度增加。李高亮等[20]研究表明，在没有空气分级的条件下，配14 MW高速煤粉燃烧器的工业锅炉NOx排放浓度290～370 mg/m3，CO排放浓度小于200 mg/m3。

图7 喷口径向可燃气体与氧气体积浓度Fig.7 Combustible gas and oxygen distribution at radial direction of the combustor nozzle

2.4 二次风温度对高速煤粉燃烧影响

电站锅炉二次风温较高，往往需要多级加热，煤粉工业锅炉工艺流程简单，空气预热器安装在省煤器后，设计时有必要分析二次风温度对高速燃烧器内燃烧的影响。罗伟等[21]采用Aspen Plus研究空气温度在常温下的变化对燃烧的影响，空气温度5～30 ℃，烟气温度和换热量逐渐增加。本文分别比较0、100及200 ℃三种情况下二次风温对燃烧的影响，旋流强度选择2.8，结果如图8所示。当二次风温度升高，空气体积膨胀，煤粉在燃烧器内的停留时间有所降低，但燃烧器内的碳转化率升高显著：二次风温度200 ℃时比0 ℃时碳转化率提高20%，达到了65%。

2.5 高速煤粉燃烧器结构优化

经过前述研究，认为高速煤粉燃烧器的稳燃性能良好，能够保证煤粉稳定点火，但燃烧器喷口存在可燃组分和氧气分层的现象，这种情况与平行射流燃气燃烧器类似，不利于提高燃烧效率[22]，所以在进行高速煤粉燃烧器炉膛设计时需要考虑到火焰较长的实际情况。对于已经建成运行的锅炉，可以优化燃烧器结构来提高煤粉整体燃烧效率。文献[23-24]介绍了一种夹心风直流煤粉燃烧器的原理和应用经验，在直流煤粉燃烧器的一次风管中增加一根中心风管，利用中心风对火焰进行扰动和补氧，以利于氧气扩散到煤粉颗粒表面，从而强化燃烧。本文按照该原理对高速煤粉燃烧器进行优化设计，在一次风管中增加中心风管，风管设计内径为50 mm，设计风速30 m/s，二次风旋流强度为2.2，讨论了中心风采用旋流和直流2种形式的结构，其中中心风旋流强度为0.3。

图8 二次风温对燃烧的影响Fig.8 Effect of secondary air temperature on combustion

中心风对喷口可燃组分影响如图9所示。可知采用中心风后，可燃组分在r≤75 mm含量降低，氧气浓度升高；r>75 mm中心射流的作用减弱。同时对比中心风直流和旋流2种情况可以看出，采用旋流后中心区的焦炭浓度降低显著，氧气浓度则表现为采用直流时中心区浓度最高，采用旋流时浓度最低。这是由于射流的刚性较好，气流穿过高温黏性烟气的能力强于旋流，但从混合效果看，旋流优于射流。

图9 中心风对喷口可燃组分影响Fig.9 Effect of central air on the combustible gas at the combustor nozzle

3 结 论

1)高速煤粉燃烧器旋流强度在2.2～3.7时，回流区形状大小相差不大，回流量则随旋流强度的增加而增加，有利于煤粉稳定燃烧；喷口处烟气旋流强度0.10～0.28，喷口速度可达150～170 m/s。

2)高速煤粉燃烧器喷口存在可燃组分和氧气分层分布的现象，旋流强度增大，燃烧器喷口处可燃组分浓度越低，但旋流强度从3.2提高到3.7后浓度变化不大。

3)二次风温度从0提高到200 ℃，燃烧器内固定碳转化率提高20%，达到了65%。

4)增加中心风，燃烧器喷口处可燃组分浓度在r≤75 mm圆形区域内降低；采用旋流中心风对可燃组分浓度降低的影响比直流大，效果好。