浓淡煤粉直流射流燃烧实验装置的优化设计

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(1.国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001;3.东方锅炉(集团)股份有限公司，四川 成都 611731；4.北京国电龙高科环境工程技术有限公司，北京 100080)

哈尔滨工业大学研究人员经过长期的研究，不断优化水平浓淡煤粉燃烧技术，形成了比较系统的理论成果。随着四角切圆电站锅炉不断向大型化和现代化的发展，水平浓淡煤粉燃烧技术得到了广泛的工业应用[1～3]。实际切圆锅炉采用水平浓淡煤粉燃烧技术时，一次风煤粉气流被安装于管道上的煤粉浓缩器分成浓淡两股，浓侧煤粉气流从向火侧喷入炉膛，淡侧煤粉气流从背火侧喷入炉膛，两股浓淡煤粉气流的内边界首先在其中轴线上混合，浓侧煤粉气流被向火侧高温烟气点燃；淡侧煤粉气流也不断卷吸周围的高温烟气而随之发生燃烧，随后二次风逐渐加入燃烧[4-5]。

在没有工程经验积累的情况下，通过针对性的燃烧试验获得新煤种煤粉燃烧器设计参数的合理值是必然选择。现有的文献报道中研究煤粉气流着火和燃烧理论的实验手段很多，但这些实验中煤粉气流的流动与传热行为与实际切圆锅炉中浓淡煤粉气流燃烧时的差异较大[6-10]，获得的研究结论有助于理解和分析常规煤粉气流的着火行为，但不能完全适用于浓淡煤粉燃烧的实际切圆锅炉。因此，本文建立了250 kW浓淡煤粉直流射流燃烧实验装置，模拟实际切圆锅炉中单支浓淡煤粉燃烧器的着火过程，为浓淡煤粉燃烧特性的全面研究提供了中试规模的热态实验平台，有利于指导新煤种用于水平浓淡煤粉燃烧器的合理设计。

1 数值模拟计算条件的确定

250 kW浓淡煤粉直流射流燃烧实验装置各股射流布置如图1所示，两股平行浓淡煤粉射流从上而下喷入炉膛后被两股相同的高温烟气射流点燃，随后两股相同的二次风射流逐渐加入燃烧，重力对各股射流的轴向和径向流场产生的影响可以忽略。

针对实验装置的六股相交射流，根据气体的自由射流扩展角度为27°～30°，气固多相射流通常比气相射流的宽度小2～3倍[11-12]，本文提出如下的假设条件：在实验装置的炉膛中轴线(浓淡煤粉射流的对称轴)上，沿着从上而下的方向，在60 mm的轴向距离之前是静止空气段，在60 mm的轴向距离时浓淡煤粉射流的内边界开始在中轴线上混合，随后是两股高温烟气射流的内边界在中轴线上相交，点燃煤粉并维持燃烧的稳定，但高温烟气射流与中轴线的相交位置随着各股射流相交角度的变化而变化，可见煤粉浓淡射流与高温烟气射流要选择合适的相交角度，既要保证浓淡煤粉射流在喷入炉膛后及时稳定的着火，还要保证浓淡煤粉射流的着火特性不受到高温烟气射流的影响。

图1 实验装置六股射流布置示意图

本文根据一次风煤粉射流的扩展角为14°，计算不同的相交角度时一次风煤粉射流与高温烟气射流的相交位置如表1所示。实际的锅炉中，煤粉气流一般在喷入炉膛0.3～0.5 m处开始燃烧，至1.0～2.0 m处大部分的挥发分析出燃尽[11]，本实验装置保证浓淡煤粉射流与高温烟气射流在喷入炉膛的300 mm之前混合完毕。从表1可见，一次风煤粉射流与高温烟气射流的相交角度大于等于10°后，在喷入炉膛300 mm的距离之前，一次风浓淡煤粉射流与高温烟气射流相交完毕，如果点火能量足够，煤粉可以在0.3～0.5 m的喷入距离内及时着火。随着相交角度的增加，各股射流的相交位置提前，煤粉的着火位置也会相应的提前，但浓淡煤粉射流会被两侧高温烟气射流挤扁的更严重，能量损失过大。

表1一次风煤粉射流与高温烟气射流的相交位置

相交角度/°射流中心相交时喷入距离/mm10247201583012240115

表2次烟煤的工业分析和元素分析

工业分析Mar/[%]Var/[%]Aar/[%]FCar/[%]Qar/MJ·kg-122.7035.635.0636.6119.58元素分析Car/[%]Har/[%]Oar/[%]Nar/[%]Sar/[%]51.773.7015.500.850.42

图2 浓淡煤粉射流着火过程数值模拟的边界条件

根据以上的计算结果，在两股高温烟气射流分别以10°、20°、30°及40°的角度与一次风浓淡煤粉射流相交时，本文采用CFD计算软件Fluent分析浓淡煤粉射流着火过程中挥发分的析出、燃烧及焦炭的燃烧，以获得浓淡煤粉射流与高温烟气射流合适的相交角度，优化浓淡煤粉直流射流燃烧实验装置，更加准确地模拟实际切圆锅炉中浓淡煤粉的着火状态。本文研究还原性气氛下浓淡煤粉射流的着火，主燃烧区出口空气与煤粉的化学当量比均为0.75[13-14]。模拟采用的煤样为印尼次烟煤，煤质分析数据如表2所示。浓淡煤粉射流着火的数值模拟过程中，采用SIMPLE算法求解质量、动量方程，欧拉算法求解气相时均守恒方程；气相湍流流动模型采用Realizablek-ε模型，煤粉颗粒模型采用拉格朗日离散相模型，气固两相流动模型采用颗粒轨道模型中的随机轨道模型，辐射换热模型采用P-1辐射模型，气固化学反应模型采用组分输运模型，挥发分析出模型采用单方程反应模型；焦炭燃烧模型采用动力/扩散控制反应速率模型[15]。采用ICEM划分得到六面体结构网格，整个炉膛分区划分。浓淡煤粉射流、两股高温烟气的入口设定为质量流量入口边界条件，炉膛出口采用充分发展的压力出口条件，炉膛壁面设定为恒温条件，具体边界条件设置如图2所示。

2 计算结果分析与讨论

2.1 不同相交角度时浓淡煤粉射流着火的数值模拟

浓淡煤粉射流与高温烟气射流在不同的相交角度时炉膛中心轴向速度的分布及中心轴向速度的峰值分布如图3和图4示。

图3 不同相交角度时浓淡煤粉射流中心轴向速度分布

从图3可以发现，不同相交角度时中心轴向速度均是从射流起点开始急剧增加，达到峰值速度后开始逐渐衰减，这是因为炉膛的中心轴线位于浓淡煤粉燃烧器两个喷口的中间，中心轴向速度会随着浓淡煤粉射流的逐渐汇合而急剧增加；随着相交角度的增加，中心轴向速度的增加变得剧烈，但在达到速度峰值之后，中心轴向速度随着相交角度的增加而衰减得更快，汇合流的射程逐渐变短，这是因为相交角度越大，浓淡煤粉射流被两侧的高温烟气射流压缩的越厉害，汇合流的能量损失就越大。从图4还可以发现，相交角度为20°时中心轴向速度的峰值最大，进一步说明了过大的相交角度会造成汇合流的能量损失增大，中心轴向速度的衰减更快；而过小的相交角度(10°)则因为浓淡煤粉射流在中心轴线的汇合不完全而未达到较高的速度峰值。

浓淡煤粉射流喷入炉膛后，首先会与湍流的高温烟气混合并被加热，然后煤粉射流会经过预热区、火焰发展区及火焰连续区[16]。一旦浓淡煤粉射流进入连续火焰区，射流的中心开始稳定的燃烧，这里将浓淡煤粉燃烧器喷口至连续火焰区(高温区域)边界的距离定义为连续火焰延迟距离[17]。

图4 不同相交角度时浓淡煤粉射流中心轴向速度峰值

图5 不同相交角度时浓淡煤粉射流连续火焰延迟距离

浓淡煤粉射流与高温烟气射流在不同的相交角度时连续火焰延迟距离如图5所示，可以发现不同的相交角度时连续火焰延迟距离均大于0.5 m，这是因为浓淡煤粉射流在上游(0.5 m之前)发生着火后，随着射流向下逐渐发展，煤粉的着火逐渐扩散到射流的中心，造成煤粉的连续火焰区出现在浓淡煤粉射流的下游(大于0.5 m)，而相交角度为10°时，连续火焰延迟距离因过大而不适合作为浓淡煤粉射流与高温烟气射流的实际相交角度。还可以发现，随着相交角度的增加，连续火焰延迟距离逐渐减小，这是因为浓淡煤粉射流与高温烟气的汇合随着相交角度的增加而变得剧烈，但当相交角度大于20°以后，连续火焰延迟距离继续减小的幅度并不明显，但此时两股高温烟气射流对浓淡煤粉射流的挤压变得更严重，造成汇合流的能量损失更大。可见，浓淡煤粉射流与高温烟气射流相交角度为20°时更加适合。

2.2 20°相交时浓淡煤粉射流着火的数值模拟

浓淡煤粉射流与高温烟气射流在20°相交时的数值模拟结果如图6所示，从速度分布、O2浓度分布、CO2浓度分布、CO浓度分布、煤粉热解速率分布及温度分布等方面分析浓淡煤粉射流的着火过程，包括：多股射流的相交位置、汇合流的方向和形态变化、浓淡煤粉射流的着火位置及连续火焰区等。

从图6(a)的速度分布可以发现，浓淡煤粉射流与两股高温烟气射流等射流在喷入炉膛的距离为0.2 m左右时开始相交，在0.4 m左右汇合完毕，各股射流的速度场分布可以满足浓淡煤粉射流在喷入炉膛的距离为0.3～0.5 m时发生着火[11]，可见各股射流的相交位置与实际锅炉相；从图6(b)的O2浓度分布和图6(c)的CO2浓度分布可以发现，浓淡煤粉射流着火后，汇合流沿着炉膛中轴线向下传播，可见浓淡煤粉射流未受挤压，着火后射流形态未变化。从图6(d)中煤粉的热解速率分布可以发现，浓淡煤粉射流在喷入炉膛的距离为0.1 m左右时挥发分开始析出，随着喷入距离的增大，挥发分的析出浓度逐渐增大，在0.4 m左右时开始达到峰值，认为浓淡煤粉射流在喷入炉膛0.4 m内一定发生了着火，可见浓淡煤粉射流的着火位置与实际锅炉相符际；从图6(e)的CO浓度分布和从图6(f)的温度分布可以发现，在各股射流喷入炉膛的距离为0.5～1.0 m时，出现了CO的浓度峰值和温度峰值，说明浓淡煤粉射流的连续火焰区(高温区域)在0.5～1.0 m，可见浓淡煤粉射流的着火过程与实际锅炉相似，射流喷入炉膛的1.0 m之内为重点研究区域。

浓淡煤粉射流与高温烟气射流的实际相交角度为20°时，各股射流的湍流流动和传热行为与实际切圆锅炉相符[12]，此时浓淡煤粉射流与两股高温烟气射流的内边界在180 mm处的中轴线上开始混合。

图6 相交角度为20°时浓淡煤粉射流着火过程的数值模拟

3 结论

为了优化设计250 kW浓淡煤粉直流射流燃烧实验装置，本文利用Fluent对平行浓淡煤粉射流的着火过程进行数值模拟研究，得到如下结论：

(1)浓淡煤粉射流与高温烟气射流在不同的角度相交时，中心轴向速度均从射流起点开始急剧增加，达到峰值速度后开始逐渐衰减；相交角度为20°时，中心轴向速度的峰值最大，汇合流的能量损失最小。相交角度大于20°以后，连续火焰延迟距离随着相交角度增加的减小幅度不明显。

(2)浓淡煤粉射流与高温烟气射流的实际相交角度选为20°时，各股射流的湍流流动和传热行为与实际切圆锅炉相符，汇合流沿着炉膛中轴线向下传播，浓淡煤粉射流着火后形态未变化。

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