煤粉燃烧过程中微油点火过程数值模拟

煤粉燃烧过程中微油点火过程数值模拟

采用微油气燃烧技术[1.2]，创造性利用富氧和燃料混合物燃烧产生的热量，将风煤粉喷口处形成三个区域（t3：temper温度，turbul流动性，时间时间），即当燃烧槽稳定返回区域时，煤粉的温度和流速较高，预测时间差，煤粉随着水流的推移而产生强烈的泡沫。因此，当碳粉达到燃烧点时，碳粉将成为燃烧点。由于富氧气体浓度高、反应快、燃烧温度高,使燃烧器的稳燃回流区迅速达到高温状态,迅速加热引燃整个喷口的一次风煤粉,实现该燃烧器一次风煤粉喷口的可靠点火与稳燃。煤粉燃烧是一个复杂的化学物理过程,对高速煤粉气流的着火燃烧的精确测量[3~5]更是困难,对着火的实验测量也存在较大困难。本文尝试通过数值计算的方式对富氧微油点火燃烧器内的煤粉着火进行数值模拟,找出着火点,并对不同浓度的煤粉气流对着火距离和着火温度的影响进行研究。1火炬几何尺寸设计数值研究对象依据四角切圆燃烧煤粉炉(SG-1025/16.7-M315)燃烧器的几何尺寸进行设计,燃烧器长度为1.9m,直径378mm,由耐热钢管焊接而成。煤粉气流在点火室点燃后,喷入冷态的喷淋塔,烟气在水的喷淋作用下温度降低,经旋风分离器分离后由烟囱排放。2燃烧产物的粒径分布数值计算中所选用的煤种为平顶山烟煤,其工业分析与元素分析见表。煤粉气流的浓度、速度可以通过给粉量和风量的控制实现调节。计算输入的颗粒粒径分布为某电厂实际燃用的烟煤粒径分布数据,其粒径分布见图1。数值计算中的边界条件与某电厂实际运行条件相同,点火时一次风温为300K,流速为23m/s,壁面温度为1200K,氧气纯度为90%,入口处煤粉浓度可以调节。由于油枪侧的油雾在高浓度氧中汽化、燃烧,此反应过程又牵涉到气液两相流的流动与燃烧过程,反应过程极其复杂,为了便于简化计算,本文把油枪侧油雾在氧气中的燃烧直接简化为其燃烧产物高温CO2。计算采用三维网格,网格数为14678,算法采用“计算单元内颗粒源项算法”(PSIC)。其中,气相场计算采用SIMPLE算法。3模型计算方法煤粉在燃烧器内的燃烧包括挥发分的释放、焦炭颗粒的燃烧、辐射传热、颗粒运动和气相流动以及湍流燃烧,涉及流体动力学、传热传质及燃烧等多个学科。本文选用标准k-ε双方程湍流模型、欧拉-拉格朗日离散项模型、非预混燃烧守恒标量的PDF模型、P1辐射传热模型来进行数值计算,综合模拟燃烧器内气固两相湍流燃烧过程。气相流动守恒方程的通用表达形式:式中,为由气相引起的源相;为煤粉颗粒相引起的源相。式中各项见文献。本文气相湍流流场采用k-ε双方程模型,对于煤粉气流的湍流燃烧,采用Smoot等人提出的ProbabilityDensityFunction(PDF)与局部瞬时反应平衡模型,该模型考虑了浓度脉动对燃烧的影响,引入了混合分数的概念。几率分布函数采用β分布函数,即式(2)的优点是既去掉了人为的截断过程,又使P(f)中包含的常数a和b直接用和g表示。煤粉挥发分的热解采用双热解反应方程模型模拟。焦炭的燃烧采用同时考虑3种表面反应的动力扩散模型。4试验结果和讨论4.1扩展的火炬由图2、图3可知,煤粉气流首先在靠近油枪的一侧着火后,火焰中心(即高温区)逐渐向另一侧移动,在出口形成一个扩展的火炬。由图3可知,出口截面的计算温度场与理论分析是相符合的。4.2煤粉气流温度分布图4为煤粉浓度为0.2时,沿Z轴的轴向温度场。图中的每点的温度为在对应轴向距离(z向)上,且r=0.189m的环线上的所有网格的温度的平均值。对着火点的判定采用Semenov着火理论。在煤粉着火前,一次风煤粉主要靠从高温CO2获得的辐射热和对流热而升温。随着靠近油枪处的煤粉气流的温度升高,其从高温CO2获得的热能减少,则温升趋缓。当温升快的煤粉气流达到一定温度,挥发分开始析出着火,则煤粉气流温升逐渐加剧,从此处即温度曲线的拐点起,煤粉气流开始着火,则该点的数学条件为:由图4可见,计算所得的最高温度点较高,其原因是对气相场的湍流燃烧模拟采用的是PDF与局部瞬时反应平衡模型,该模型忽略了燃烧反应中动力作用的影响,使挥发分中的CH4及CO的反应比实际要迅速,故最高温度点偏高。当温度到达最高点后,温度有所下降,这是由于局部缺氧抑制了燃烧所造成的,同时前段着火燃烧产生的CO2、H2O和煤中的水蒸气、焦炭发生吸热的化学反应,生成CO和H2,造成壁面处煤粉气流温度下降。最高温度点油枪向另一侧方向偏移。4.3煤粉点火分析图5、图6分别为不同煤粉浓度与着火温度、着火距离的关系。由图5可见,着火温度随浓度的增加开始急剧下降,在0.2浓度后,降幅趋缓,在0.25浓度附近有一拐点存在。这是由于在低浓度时,虽然煤粉气流的初始升温速率比高浓度时略快,但挥发分析出后,无法形成连续(下转第23页)(上接第20页)的火焰,同时,相对较丰富的氧气较易于到达煤粉颗粒的表面,煤粉趋向于非均相着火,故着火温度也较高。低浓度时点火器中焦炭的燃尽率较高,当浓度大于0.2后,焦炭在点火器内几乎不燃烧,煤粉着火主要是挥发分着火,属于均相着火。另外,挥发分析出率随着煤粉浓度的升高,先升后降,在浓度为0.25左右有一最大值。低浓度时,挥发分的析出率也较低。当浓度大于0.25后,挥发分的析出率开始下降,这主要是由于煤粉总量增大,使得挥发分的相对析出率降低,同时高浓度时煤粉气流升温所需热容量增大,点火器内温度场有所降低。而图6所示,当煤粉浓度小于0.2时,煤粉的着火距离随浓度的增加而快速下降,大于0.3以后,随浓度的增加而快速增大,在0.23左右有一最小值。总之,由于浓度效应的原因,低浓度时,煤粉气流的着火趋向于多相着火,这与盛昌栋等的试验研究结果是相类似的,随煤粉浓度的升高,煤粉气流着火温度是降低的(见图5)。5煤粉浓度对煤粉气流点火的影响(1)本文所用模型能较准确地计算出富氧微油点火燃烧器内的温度场,对今后的点火器的设计、运行参数的选用以及热电厂燃烧器的改造具有参考意义。(2)根据计算结果,煤粉气流的着火温度随浓度的增加而降低,着火距离因着火方式的不同,随着煤粉浓度的增加,先降低后增加。(3)