富氧煤粉燃烧器的数值模拟与实验验证 崔凯.doc

中国工程热物理学会 燃烧学 学术会议论文 编号：114280 富氧煤粉燃烧器的数值模拟与实验验证 崔凯 张海 吴玉新 杨海瑞 刘青 吕俊复 清华大学热能工程系 热科学与动力工程教育部重点实验室, 北京 100084 联系电话：010 Email： haizhang@tsinghua.edu.cn 摘要：在四种不同一次风氧气浓度下对高温空气燃烧煤粉燃烧器进行详细数值模拟研究，结果表明：随着一次风气流的富氧程度增加，最高火焰温度上升，高温区增大，火焰更加集中，煤粉着火位置提前，挥发分反应速率加快，但一次风速过低不利维持燃烧器出口流场。相应的试验研究验证了：少量富氧气流的加入，可以显著提高高温空气燃烧器煤粉气流的火焰温度、稳定燃烧，降低稳燃用油量。 关键词：煤粉燃烧器，富氧燃烧， 数值模拟，高温空气燃烧，实验研究 0 前言 燃煤锅炉点火启动和低负荷运行时，常常需要燃用大量的重油维持燃烧器区和炉膛的温度，稳定燃烧。使用传统方法一般情况下，300MW-600MW机组锅炉每次冷态点火用油400~600t，煤质较差时耗油量更大。据估计我国每年用于锅炉点火和助燃的燃料油超过600万吨[1,2]。随着石油能源的逐渐稀缺，油价波动性上涨和燃油紧缺的形势不容乐观，开发少油甚至无油点火技术，降低点火与助燃用油非常迫切，并具有极大的经济利益。 燃煤锅炉节油的关键在于燃烧器，少油点火和等离子点火引入外在的热源对煤粉气流进行助燃，而高温空气燃烧也被认为是增强燃烧有效途径[1-3]。富氧高温空气燃烧器又进一步将富氧燃烧[2,4]和高温空气燃烧有机耦合[5,6]。如图1所示，煤粉气流（浓粉气流）从偏心的喷口进入预热室形成负压区卷吸炉膛内的高温烟气，携带煤粉的一次风（可富氧）在此与高温烟气迅速混合，煤粉快速加热，形成高温空气燃烧。其工作时一次风为空气或者富氧气流，二次风为常规空气，调节风可以调节腔体内的回流强度和氧气浓度[7]。为了详细了解燃烧器的性能和影响因素，本文开展相应的数值和实验研究工作。 1 数值计算 所模拟的燃烧器轮廓如图2所示，为旋流燃烧器，在本文分析中，调节风风口被封死，氧气与一次风混合后进入预热室，二次风在所有工况下均为空气（O2=21%）。模拟的一次风工况有四种不同氧气体积配比，O2的体积份额分别是：21%，30%， 50% 和100%，其余其它为N2。模拟的煤种参数如表1所示。 表1 设计煤种的煤质分析 项目 符号 单位 数值 碳 Car ％ 73.23 氢 Har ％ 4.24 氧 Oar ％ 2.34 氮 Nar ％ 1.23 硫 Sar ％ 3.87 灰分 Aar ％ 14.11 水分 Mar ％ 0.98 干燥无灰基挥发分 Vdaf ％ 19.04 低位发热量 Qar,net,p kJ/kg 22941 图2 高温空气燃烧煤粉燃烧器的内外轮廓图 模型 数值模拟由商业CFD软件FLUENT完成，其中气体流动的模拟采用在旋流模拟方面表现优异的RSM湍流模型，颗粒的追踪采用拉格朗日方法。为了更准确的描述两相间的相互影响，考虑了颗粒与连续相气体的相互耦合。 虽然挥发份包含很多种组分，但为了简化问题，根据元素分析结果将之拟合为CH4和虚拟分子CH0.054O0.638，两者分别与氧化剂发生气态体积反应。由于锅炉中的挥发份的反应速率主要决定于其与氧化剂的混合速度，而不是化学反应速度，所以采用快速反应模型EBU来模拟挥发份的燃烧。 挥发份由以下三个反应来描述： CH4 + 1.5 O2 = CO + 2 H2O CH0.054O0.638 + 0.389 O2 = CO + 0.027 H2O CO + 0.5 O2 = CO2 需要指出的是，通常来说，EBU模型预测的燃烧温度要高于实际测量温度，该缺陷在FLUENT软件中通过调整Cp进行了一定程度的修正，但仍未能彻底消除。高精度火焰温度高，定性对比研究。 煤粉颗粒的燃烧主要包括挥发分析出和焦炭燃烧两个主要过程分别采用 Two competing rates devolatilization model[8]和kinetics/diffusion char combustion model[9]模拟。 辐射采用离散空间辐射模型（Discrete Ordinates model)，每个空间方向被离散为3(3共9个离散空间。为了体现出CO2吸收系数较大对于辐射的影响，采用WSGGM方法来描述