微油点火燃烧器建模及数值计算方法的研究

丁历威，李凤瑞

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

发电技术

微油点火燃烧器建模及数值计算方法的研究

丁历威，李凤瑞

（浙江省电力试验研究院，杭州 310014）

为了深入掌握微油点火燃烧器内部的流场数据及颗粒场数据，结合某电厂微油点火燃烧器的实际工况，分析了对流扩散方程的离散化方法及辐射模型和气体燃烧模型对燃烧器数值计算的影响，并通过CFX软件建立了一个比较完善的数学模型。研究结果表明：采用High Resolution离散化方法、Discrete Transfer辐射模型和Eddy Dissipation气体燃烧模型，对微油点火燃烧器的计算有较大帮助。

微油点火燃烧器；建模；数值计算方法

采用微油气化高能油枪直接点燃煤粉，可实现锅炉冷炉启动时用微量的油点燃煤粉，在停炉、低负荷和超低负荷稳燃时用微量的油稳定锅炉燃烧，节油效果可达90%以上。该技术具有初投资少、煤种适应性广、系统简单、操作方便、维护工作量小等突出优点，可以大幅度减少火力发电厂点火启动和助燃用油，降低发电成本，为企业创造效益[1-3]。

受现场和实际条件的限制，目前只能通过有限的点来监测微油燃烧器内部的温度和速度值，无法宏观掌握温度场和速度场分布情况，给燃烧器结构优化设计和改进带来困难。理论上数值计算能够解决这一问题，但由于微油燃烧器的结构复杂，计算所用的对流扩散方程比较多，同时又涉及气体和颗粒辐射，油汽化燃烧、煤粉浓淡分离、煤粉颗粒热解和焦碳燃烧以及煤粉颗粒分级燃烧，所以要完全模拟出微油燃烧器的实际工作情况存在一定的难度。

本文以微油燃烧器一次风作为研究对象，通过分析各种离散化方法机理、辐射模型等影响因素，试图找到一个相对较好的数学模型，以期能够较好地还原微油燃烧器的实际运行情况，从而为优化微油点火、改进燃烧器结构提供一定的理论依据。

1 微油点火燃烧器的工作原理及特点

微油点火技术采用用微油点燃微量煤粉―点燃少量煤粉―点燃大量煤粉的逐级引燃原理，使能级逐步放大，实现微量油点燃大量煤粉的目的。

微油点火燃烧器工作原理[4-5]是：利用压缩空气的高速射流直接击碎燃料油，雾化成超细油滴进行燃烧，同时利用燃烧产生的热量对燃油加热、扩容，使燃油在极短的时间内蒸发气化，油枪直接燃烧油气，从而大大提高燃烧效率及火焰温度。气化燃烧后的火焰刚性极强、传播速度极快，呈完全透明状，中心温度高达1 500～2 000℃，可作为高温火核在煤粉燃烧器内直接点燃煤粉。一级燃烧室中的浓相煤粉通过高温火核时，煤粉颗粒温度急剧升高，析出大量挥发分并迅速着火燃烧。已燃烧的浓相煤粉在二级燃烧室内点燃更多的煤粉，然后继续向前流动点燃三级燃烧室中的煤粉，最终实现煤粉分级燃烧、燃烧能量逐步放大，达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大大减少了煤粉燃烧所需的燃油。

2 一次风建模和网格划分

选择燃烧器一次风作为研究对象，是因为其包含了煤粉颗粒分级热解燃烧[6-7]、煤粉颗粒浓淡分离、流场计算以及油颗粒汽化燃烧等过程，而这些过程是微油燃烧器数值模拟计算的核心。网格划分时，因为二次风结构相对比较简单，内部只有流动过程，而无能量交换、燃烧以及反应过程，数值计算比较简单，准确率较高，并且在进入炉膛前对一次风基本没有影响，为了节省网格，计算中不考虑二次风，同时也不考虑燃烧器出口的炉膛部分。

微油点火燃烧器一次风系统包括一级燃烧室、二级燃烧室、三级燃烧室和油腔。一次风携带的煤粉先后进入一级燃烧室、二级燃烧室和三级燃烧室。结构示意如图1所示。

首先根据燃烧器的实际尺寸建模，结构图由Pro-E画成，然后导入到Gambit中画网格。考虑到油入口的地方油颗粒首先蒸发成油气，然后再燃烧，反应过程比较剧烈，温度和速度变化梯度比较大，反应距离相对比较短，因此这块区域网格需要加密。在煤粉和油气导流装置附近，因为速度变化比较明显，这部分区域也需要加密。在煤粉随一次风进入一级燃烧室、二级燃烧室的部位，因为间隔比较小而速度变化较明显，温度也存在较大梯度，故这部分区域也要加密。建模过程中，能够采用结构化网格的地方都尽量画成六面体，其他则画成四面体。网格图如图2所示。

图1 一次风结构图

图2 一次风网格图

3 对流扩散方程的离散化选择

为了完成对流扩散方程的离散化[8]，燃烧器数值计算应用了两种对流项离散化方法，即：一阶迎风格式Upwind[9]和高精度格式High Resolution[9]。这两种离散化方法都能用一个统一的公式表示，不同的只是参数的设置。公式如下：

式中：Φip为当前的值；Φup为上一个节点的值；Δr为上一个节点指向当前节点的矢量；▽Φ为上一个节点值的梯度（例如温度梯度）。

对于一阶迎风格式，β为0，即Φip=Φup。一阶迎风格式的本质是：流体携带着上一个节点的所有信息来到当前节点。当前节点通过计算离散化方程后，再把当前节点的所有信息传递到下一个节点。同时根据对流扩散方程离散化四项基本法则，一阶迎风格式能够保证离散方程的系数都是正值。

而采用高精度格式时，β是根据 Barth和Jesperson的有界性原理指定的。要说明的是，对矢量的计算，比如速度，β在每个方向上都会独立计算其值。

因为 High Resolution的计算精度高于 Upwind，本文中连续性方程、能量方程、动量方程均采用High Resolution。而High Resolution对湍流方程的计算会产生不稳定影响，因此湍流κ-ε方程采用Upwind。

4 辐射模型的选择

辐射能量传播由吸收辐射能量、释放辐射能量和散射辐射能量3部分组成。其规律可以由辐射运输方程 （Radiative Transport Equation，简称RTS）来描述。

但是计算该微分方程特别繁琐，计算成本太高。所以提供可行的辐射模型来近似RTS显得尤为关键。在CFX软件中应用比较多的辐射模型是Discrete Transfer和P1模型。

P1模型假设辐射强度是等方性的。该模型生成一个简化的辐射运输方程加入到对流扩散方程组中一起求解。而Discrete Transfer模型则假设辐射强度是等方性且和系统是均匀同性的。

通过模拟计算可以看出，采用Discrete Transfer辐射模型的计算结果要优于P1模型。P1模型容易出现提前着火的情况，是因为其辐射强度远远大于Discrete Transer，几乎大了一个数量级。辐射强度增大，三级燃烧室出口处将向前面的煤粉传递更多的能量，造成煤粉达到热解温度，挥发分析出，从而煤粉提前着火。所以建议采用Discrete Transer辐射模型。

5 气体燃烧模型

微油点火燃烧器涉及两种气体燃烧，即挥发分燃烧和油气燃烧。根据文献[9]，油燃烧的一个突出特点是，油表面没有化学反应，燃烧只发生在气相中。因为油表面的温度总是比沸点低，而沸点又低于着火条件所要求的温度，此外油蒸发的潜热比反应的活化能要小的多，因此油燃烧总是先蒸发后燃烧，且常常是扩散控制的燃烧，所以油燃烧过程究其本质是气体燃烧过程。微油点火燃烧器中油首先被雾化成超细的小液滴，然后以一定的速度进入燃烧器中，超细的小液滴随后在点火装置的作用下局部气化成油气并燃烧，所产生的热量传递给更多的小液滴，从而使所有的超细油小液滴气化燃烧，产生的热量提供给一级燃烧室的煤粉热解。

煤粉颗粒进入一级燃烧室中，获得了油气燃烧后的热量，迅速达到热解温度并析出挥发分，挥发分开始燃烧，为气体燃烧过程。

气体燃烧过程采用涡耗散湍流燃烧模型（Eddy Dissipation Model），该模型假定反应过程很快，且反应速率Rk与湍动能和耗散率有关。计算中，Rk根据式（2）、（3）选小值。

式中：[I]为组分I的摩尔浓度，WI为组分I的分子量，Vkj为化学反应方程的化学当量系数。A，B为经验常数，取值为4和-1。k为湍动能，ε为耗散率。

6 计算结果与分析

根据上述分析结果，应用CFX软件对微油燃烧器一次风进行数值模拟计算。采用某电厂的设计煤种作为计算煤种，煤质分析数据见表1。模拟工况的边界条件是一次风速22 m/s，煤粉流量3.375 t/h，油流量57 kg/h，油的助燃风量0.237 kg/s，辐射模型采用Discrete Transfer模型，Ray数目为32。湍流方程采用Upwind离散化方法，其他方程都采用High Resolution离散化方法。气体燃烧模型采用Eddy Dissipation model。模拟温度场和速度场如图3和图4所示。

如图3所示，油燃烧后在一级燃烧室产生一个高温区，温度可以达到1 900 K左右。一次风携带的煤粉颗粒进入一级燃烧室后与油燃烧生成的高温气体相混合，煤粉颗粒温度急剧增加，超过其挥发分热解温度后，煤粉中的挥发分析出并燃烧，从而继续点燃其它煤粉。一级燃烧室点燃的煤粉和油气燃烧后生成的高温气体速度较快，迅速流向二级燃烧室并与二级燃烧室中的煤粉进行热量交换，从而使二级煤粉温度升高开始着火，然后二级燃烧室的煤粉和高温气体继续推进到三级燃烧室，点燃三级燃烧室中的煤粉，最后进入炉膛。

表1 某电厂煤质分析数据（收到基）%

图3 燃烧器一次风温度场

图4 燃烧器一次风速度矢量场

由图4可知，首先在一级燃烧室产生了速度较高的区域，随着向二级燃烧室的推进，速度开始下降，最后在三级燃烧室速度又提高。这是因为在一级燃烧室前，油气完全燃烧释放出大量热量，热量除了让煤粉颗粒升温以外，还转换为动能。而在二级燃烧室，受到室内阻力及一次风混合影响，速度下降。到三级燃烧室时，因为二级燃烧室较多的煤粉挥发分析出并且燃烧，释放出大量热量，速度再一次提高。

7 结论

采用本文建立的微油点火燃烧器数学模型，结合某电厂实际工况进行了数值模拟计算。模拟结果表明：

（1）针对微油点火燃烧器特殊性的建模网格划分比较正确，且局部加密的方法也较恰当，为准确计算实际工况提供了条件。

（2）通过分析对流扩散方程离散化机理、辐射模型机理和气体燃烧模型，建立了比较完善、准确的数学计算模型。

（3）计算结果显示：小粒径的油滴气化燃烧后，产生了一个高温区。该高温区迅速点燃一级燃烧室的煤粉，从而实现能量逐步放大的功能。同时在燃烧器套筒中一次风速度有一个增大、降低、再增大的过程。

（4）本文的模拟结果较符合实际工况，为煤粉燃烧数值计算提供了一定的借鉴，同时也可以作为优化微油点火、改进燃烧器结构的依据。

[1]邱亚林，自云江，李明亮，等.微油点火燃烧器在300 MW亚临界自然循环锅炉中的应用[J].华电技术，2008，30（10）:1-3.

[2]沈明德，颜祝明，熊凯，等.微油点火稳燃技术在600 MW超临界机组上的应用[J].广东电力，2008，21（1）:38-41.

[3]付忠广，王志鹏，史亮亮.燃煤锅炉微油点火燃烧器的数值计算分析[J].工程热物理学报，2008，29（4）:609-612.

[4]车丹，林树彪.微油点火在燃用贫煤锅炉上的试验研究[J].山西电力，2009（3）:39-41.

[5]潘国传.微油点火燃烧器技术及其应用[J].浙江电力，2006，25（5）:16-18.

[6]DONGKE ZHANG，TERRY F WALL.Brief Communication：An Analysis of the Ignition of Coal Dust Clouds[J]. Combustion and Flame，1992，475-480.

[7]XIANGYANG DU，CHENGAPPALLI，GOPALAKRISHNAN，et al.Ignition and Combustion of Coal Particle Stream[J].Fuel，1995，（74）:487-494.

[8]S.V.帕坦卡.传热与流体流动的数值[M].北京：科学出版社，1984.

[9]徐旭常，周力行.燃烧技术手册[M].北京：化学工业出版社，2007.

（本文编辑：龚 皓）

A Study on Modeling and Numerical Calculation Methods of Tiny Oil Ignition Burner

DING Li-wei，LI Feng-rui

（Zhejiang Electric Power Testand Research Institute，Hangzhou 310014，China）

This paper analyzes the influences of discretization method of convection diffusion equation，radiation model,gas burning model on burner numerical calculation combined with the practical working condition of tiny oil ignition burner in a power plant and establishes a perfect mathematical model with CFX software in order to master the data of flow field and particle field inside tiny oilignition burner.The research result shows that it is greatly useful for calculation of tiny oil ignition burner to adopt High Resolution discretization method,Discrete Transfer radiation modeland Eddy Dissipation gas combustion model.

tiny oil ignition burner；modeling；numerical calculation method

TK223.23

：A

：1007-1881（2010）08-0018-04

2010-01-07

丁历威（1979-），男，浙江长兴人，工程师，从事锅炉燃烧数值计算和生产服务及科研工作。