四通道煤粉燃烧器冷态数值模拟研究

李少宁　陈志荣　肖东

摘要：回转窑内流动非常复杂，通过冷态数值模拟研究了解燃烧器的空气动力场特性，是一项必不可少的研究工作，也是一种省时、省力、效率高、灵活性强的试验方法。本文通过对Nc型四通道煤粉燃烧器在不同结构、运行参数下的空气动力场特性进行研究，讨论回流区的形成原因，分析回流量的范围，指导同类燃烧器的合理设计与优化运行。

关键词：回转窑；四通道煤粉燃烧器；冷态；数值模拟

中图分类号：TQl7

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0058-01

回转窑内流动非常复杂，通过冷态数值模拟研究解燃烧器的空气动力场特性，是一项必不可少的研究工作，也是效率高且灵活性强的实验方法。

本文通过对NC型四通道煤粉燃烧器的空气动力场特性进行研究，讨论回流区的形成原因，分析回流量的范围，从而指导同类燃烧器的合理设计与优化运行。

1.物理模型及求解方法

1.1物理模型及求解方法

回转窑内，既有从燃烧器喷出的中心风、煤风、旋流风以及轴流风，又有预热后的二次风。各股风相互影响，这是一个十分复杂的湍流气相流动过程。

针对该计算区域，本文采用以下边界条件：1）速度边界条件：设置风道入口端面的速度为速度入口边界；2）压力边界条件：设置窑尾出口端面的压力为压力出口边界；3）固体壁面边界条件：将回转窑壁面设置为避免无滑移边界条件，速度为0，且绝热。

1.3网格划分及细节处理

因模拟区域具有对称性，故本文仅取以窑中心轴为对称轴的一半区域进行研究，采用MAP网格进行分区划分，为重点研究煤粉混合、加热的燃烧器出口区域，可将此区域的网格加密，这将有利于研究燃烧器气体出口附近的流场分布状况，它直接影响着煤粉的运动速度与燃尽时间。

2.冷态数值模拟结果分析

2.1回流区分布

三通道煤粉燃烧器的回流的形成主要是切向旋流风作用的结果，主要卷吸高温二次风，外回流区的产生不仅可以增加煤粉后期的燃燒速度，而且能够防止一次风射流冲刷窑皮；内回流区的形成主要是由于轴流风和旋流风轴向风速较大，与周围空气形成差速射流从而卷吸高温烟气，为点燃煤粉提供所需要的能量。

四通道燃烧器，在结构上与三通道燃烧器相比，增加了一个中心风通道，回转窑内部流场也发生了较大的变化。图1位某工况下，窑内回流区分布。可见，该燃烧器出口附近形成两个回流区。

本文研究认为，四通道煤粉燃烧器内回流区形成于旋流风附近，由旋流风的旋流效应、与中心风的速差射流共同引起，卷吸下游产生的高温烟气，利于煤粉的点火和稳定燃烧；外回流区位于轴流风附近，主要是由轴流风和二次风的大速差形成，其主要作用是卷吸高温二次空气，同样有利于煤粉迅速而稳定的燃烧。在不破坏燃烧稳定的情况下，一般回流区越大越好。

2.2回流量讨论

回流量为回流区内某截面上的体积流量。对速度场积分，可确定内回流量Qr和外回流量Qp，如式

内回流区的方向是由外到里，回流区长度约为0.5m，最大宽度约为0.2m，最大轴向速度为-22.28m/s。适当的增大内回流区和回流量，有利于卷吸更多的高温烟气，增加回流区边界附近的质量、热量的湍流运输水平，提高燃烧反应速度和火焰传播速度，有利于煤粉的燃烧稳定，提高煤粉的燃烧效率。

3.结论

二维冷态数值模拟可以形象了解各风道对回转窑内流场的影响。本章采用数值模拟的方法，分析了冷态气相流场的速度分布，主要得出以下结论。1）模型能较好的模拟回转窑内的流场，达到工程预测的精度需要。2）旋流燃烧器的一个显著特点，能够产生中心回流区，使高温烟气回流，加热煤粉与空气的混合物，使其顺利着火燃烧。3）回流区的形成与燃烧器的设计是分不开的。内回流区位于旋流风附近，由旋流风的旋流效应、与中心风的速差射流共同作用；外回流区位于轴流风附近，主要是由轴流风和二次风的大速差形成。