旋流燃烧器内二次风叶片旋转角度对流场影响的数值模拟

2014-07-28车娟

应用能源技术 2014年4期

车娟

(深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518000)

0 引言

旋流燃烧器在我国电站锅炉应用领域占有一定比例。旋流燃烧器依靠高温回流区作为稳定的热源，提高了火焰稳定性，并可单独进行燃烧。采用旋流燃烧器的大型煤粉锅炉可以避免采用直流燃烧器四角切圆燃烧产生的过热器区的热偏差;且对炉膛形状没有严格的要求，不必一定接近正方型，给尾部受热面布置带来了极大的方便。国外开发旋流燃烧器的主要出发点是降低NOX的排放，减少环境污染。由于我国机组以燃用劣质煤为主，机组在运行时，普遍存在一些问题，如高温腐蚀，低负荷稳燃能力差等［1］。因此，对旋流煤粉燃烧器流场的数值研究可以了解其气流特性，并指导旋流燃烧器的设计及改造。

1 物理和数学模型

1.1 物理模型

中心给粉旋流煤粉燃烧器内二次风叶片采用16个轴向弯曲叶片，外二次风叶片采用12个切向叶片，去除了浓一次风口、导流环和中心扩锥。其主要特点是不设置中心管，燃烧器一次风通道位于燃烧器的中心，一次风为直流，在燃烧器一次风通道中安装一个或多个锥形分离器使煤粉集中于燃烧器的中心并喷人炉内。煤粉喷人位置正对中心回流区的中心部分，增加了穿过回流区的煤粉量，并延长了煤粉在回流区的停留时间，有利于煤粉的燃尽。为了真实反映中心给粉旋流燃烧器内的气流分布情况，文中以旋流煤粉燃烧器的原型作为模拟对象［2］，如图1所示。

图1 中心给粉旋流煤粉燃烧器

1.2 数学模型

连续性方程

动量方程

RNGk－ε模型中的常数是由理论推导得出的，而不像标准的模型k－ε，是以实验为基础，再经过修正得到的。因此相比较标准的k－ε模型，RNGk－ε模型更加能够反映实际情况，此次数值模拟计算便采用了 RNGk－ε模型［3－5］。文中采用的RNGk－ε方程式如下:

式中:

2 数值计算的方法

2.1 网格划分

根据燃烧器的特点分析决定采用非结构化网格，此次数值模拟，网格生成采用GAMBIT软件，划分的网格数为137 856个，经分析得知能够满足计算所需要的精度要求。网格划分示意图如图2所示。

图2 中心给粉旋流燃烧器网格划分示意图

2.2 数值算法及边界条件

燃烧器的一、二次风喷口的边界条件都采用速度入口，一次风速为20 m/s、内、外二次风速分别为 13.79 m/s、16.94 m/s，出口采用自由出口［6－7］，分析研究内二次风旋流叶片角度不同的工况下，中心给粉旋流燃烧器外部喷射气流的运动情况。此次数值模拟计算采用FLUENT计算软件，并利用有限容积法和SIMPLEC算法对其微分方程进行离散化和求解。

3 数值模拟结果与分析

采用不同内二次风旋流叶片角度的工况，对燃烧器内部的流场进行了数值模拟，得出整个燃烧器区域内的流场分布。模拟的结果绘制成速度分布图如图3所示，速度矢量图如图4所示。

分析改变中心给粉旋流燃烧器内二次风旋流叶片角度的数值模拟结果表明:内二次风旋流叶片角度从58°增加到64°时，燃烧器的回流区和扩展角均变大，这是由于内二次风的旋流强度增大导致的。内二次风旋流叶片角度从64°增加到70°时，燃烧器的回流区最大直径变化不大，但回流区长度减小，这表明内二次风旋流叶片角度过大时，一、二次风初期混合过于强烈，后期扰动减弱。