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(1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001;3.東方鍋爐(集團)股份有限公司，四川 成都 611731；4.北京國電龍高科環(huán)境工程技術(shù)有限公司，北京 100080)

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研究人員經(jīng)過長期的研究，不斷優(yōu)化水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)，形成了比較系統(tǒng)的理論成果。隨著四角切圓電站鍋爐不斷向大型化和現(xiàn)代化的發(fā)展，水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)得到了廣泛的工業(yè)應(yīng)用[1～3]。實際切圓鍋爐采用水平濃淡煤粉燃燒技術(shù)時，一次風(fēng)煤粉氣流被安裝于管道上的煤粉濃縮器分成濃淡兩股，濃側(cè)煤粉氣流從向火側(cè)噴入爐膛，淡側(cè)煤粉氣流從背火側(cè)噴入爐膛，兩股濃淡煤粉氣流的內(nèi)邊界首先在其中軸線上混合，濃側(cè)煤粉氣流被向火側(cè)高溫?zé)煔恻c燃；淡側(cè)煤粉氣流也不斷卷吸周圍的高溫?zé)煔舛S之發(fā)生燃燒，隨后二次風(fēng)逐漸加入燃燒[4-5]。

在沒有工程經(jīng)驗積累的情況下，通過針對性的燃燒試驗獲得新煤種煤粉燃燒器設(shè)計參數(shù)的合理值是必然選擇?，F(xiàn)有的文獻報道中研究煤粉氣流著火和燃燒理論的實驗手段很多，但這些實驗中煤粉氣流的流動與傳熱行為與實際切圓鍋爐中濃淡煤粉氣流燃燒時的差異較大[6-10]，獲得的研究結(jié)論有助于理解和分析常規(guī)煤粉氣流的著火行為，但不能完全適用于濃淡煤粉燃燒的實際切圓鍋爐。因此，本文建立了250 kW濃淡煤粉直流射流燃燒實驗裝置，模擬實際切圓鍋爐中單支濃淡煤粉燃燒器的著火過程，為濃淡煤粉燃燒特性的全面研究提供了中試規(guī)模的熱態(tài)實驗平臺，有利于指導(dǎo)新煤種用于水平濃淡煤粉燃燒器的合理設(shè)計。

1 數(shù)值模擬計算條件的確定

250 kW濃淡煤粉直流射流燃燒實驗裝置各股射流布置如圖1所示，兩股平行濃淡煤粉射流從上而下噴入爐膛后被兩股相同的高溫?zé)煔馍淞鼽c燃，隨后兩股相同的二次風(fēng)射流逐漸加入燃燒，重力對各股射流的軸向和徑向流場產(chǎn)生的影響可以忽略。

針對實驗裝置的六股相交射流，根據(jù)氣體的自由射流擴展角度為27°～30°，氣固多相射流通常比氣相射流的寬度小2～3倍[11-12]，本文提出如下的假設(shè)條件：在實驗裝置的爐膛中軸線(濃淡煤粉射流的對稱軸)上，沿著從上而下的方向，在60 mm的軸向距離之前是靜止空氣段，在60 mm的軸向距離時濃淡煤粉射流的內(nèi)邊界開始在中軸線上混合，隨后是兩股高溫?zé)煔馍淞鞯膬?nèi)邊界在中軸線上相交，點燃煤粉并維持燃燒的穩(wěn)定，但高溫?zé)煔馍淞髋c中軸線的相交位置隨著各股射流相交角度的變化而變化，可見煤粉濃淡射流與高溫?zé)煔馍淞饕x擇合適的相交角度，既要保證濃淡煤粉射流在噴入爐膛后及時穩(wěn)定的著火，還要保證濃淡煤粉射流的著火特性不受到高溫?zé)煔馍淞鞯挠绊憽?/p>

圖1 實驗裝置六股射流布置示意圖

本文根據(jù)一次風(fēng)煤粉射流的擴展角為14°，計算不同的相交角度時一次風(fēng)煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯南嘟晃恢萌绫?所示。實際的鍋爐中，煤粉氣流一般在噴入爐膛0.3～0.5 m處開始燃燒，至1.0～2.0 m處大部分的揮發(fā)分析出燃盡[11]，本實驗裝置保證濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞髟趪娙霠t膛的300 mm之前混合完畢。從表1可見，一次風(fēng)煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯南嘟唤嵌却笥诘扔?0°后，在噴入爐膛300 mm的距離之前，一次風(fēng)濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞飨嘟煌戤叄绻c火能量足夠，煤粉可以在0.3～0.5 m的噴入距離內(nèi)及時著火。隨著相交角度的增加，各股射流的相交位置提前，煤粉的著火位置也會相應(yīng)的提前，但濃淡煤粉射流會被兩側(cè)高溫?zé)煔馍淞鲾D扁的更嚴(yán)重，能量損失過大。

表1一次風(fēng)煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯南嘟晃恢?/p>

相交角度/°射流中心相交時噴入距離/mm10247201583012240115

表2次煙煤的工業(yè)分析和元素分析

工業(yè)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

圖2 濃淡煤粉射流著火過程數(shù)值模擬的邊界條件

根據(jù)以上的計算結(jié)果，在兩股高溫?zé)煔馍淞鞣謩e以10°、20°、30°及40°的角度與一次風(fēng)濃淡煤粉射流相交時，本文采用CFD計算軟件Fluent分析濃淡煤粉射流著火過程中揮發(fā)分的析出、燃燒及焦炭的燃燒，以獲得濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞骱线m的相交角度，優(yōu)化濃淡煤粉直流射流燃燒實驗裝置，更加準(zhǔn)確地模擬實際切圓鍋爐中濃淡煤粉的著火狀態(tài)。本文研究還原性氣氛下濃淡煤粉射流的著火，主燃燒區(qū)出口空氣與煤粉的化學(xué)當(dāng)量比均為0.75[13-14]。模擬采用的煤樣為印尼次煙煤，煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表2所示。濃淡煤粉射流著火的數(shù)值模擬過程中，采用SIMPLE算法求解質(zhì)量、動量方程，歐拉算法求解氣相時均守恒方程；氣相湍流流動模型采用Realizablek-ε模型，煤粉顆粒模型采用拉格朗日離散相模型，氣固兩相流動模型采用顆粒軌道模型中的隨機軌道模型，輻射換熱模型采用P-1輻射模型，氣固化學(xué)反應(yīng)模型采用組分輸運模型，揮發(fā)分析出模型采用單方程反應(yīng)模型；焦炭燃燒模型采用動力/擴散控制反應(yīng)速率模型[15]。采用ICEM劃分得到六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整個爐膛分區(qū)劃分。濃淡煤粉射流、兩股高溫?zé)煔獾娜肟谠O(shè)定為質(zhì)量流量入口邊界條件，爐膛出口采用充分發(fā)展的壓力出口條件，爐膛壁面設(shè)定為恒溫條件，具體邊界條件設(shè)置如圖2所示。

2 計算結(jié)果分析與討論

2.1 不同相交角度時濃淡煤粉射流著火的數(shù)值模擬

濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞髟诓煌南嘟唤嵌葧r爐膛中心軸向速度的分布及中心軸向速度的峰值分布如圖3和圖4示。

圖3 不同相交角度時濃淡煤粉射流中心軸向速度分布

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，不同相交角度時中心軸向速度均是從射流起點開始急劇增加，達(dá)到峰值速度后開始逐漸衰減，這是因為爐膛的中心軸線位于濃淡煤粉燃燒器兩個噴口的中間，中心軸向速度會隨著濃淡煤粉射流的逐漸匯合而急劇增加；隨著相交角度的增加，中心軸向速度的增加變得劇烈，但在達(dá)到速度峰值之后，中心軸向速度隨著相交角度的增加而衰減得更快，匯合流的射程逐漸變短，這是因為相交角度越大，濃淡煤粉射流被兩側(cè)的高溫?zé)煔馍淞鲏嚎s的越厲害，匯合流的能量損失就越大。從圖4還可以發(fā)現(xiàn)，相交角度為20°時中心軸向速度的峰值最大，進一步說明了過大的相交角度會造成匯合流的能量損失增大，中心軸向速度的衰減更快；而過小的相交角度(10°)則因為濃淡煤粉射流在中心軸線的匯合不完全而未達(dá)到較高的速度峰值。

濃淡煤粉射流噴入爐膛后，首先會與湍流的高溫?zé)煔饣旌喜⒈患訜?，然后煤粉射流會?jīng)過預(yù)熱區(qū)、火焰發(fā)展區(qū)及火焰連續(xù)區(qū)[16]。一旦濃淡煤粉射流進入連續(xù)火焰區(qū)，射流的中心開始穩(wěn)定的燃燒，這里將濃淡煤粉燃燒器噴口至連續(xù)火焰區(qū)(高溫區(qū)域)邊界的距離定義為連續(xù)火焰延遲距離[17]。

圖4 不同相交角度時濃淡煤粉射流中心軸向速度峰值

圖5 不同相交角度時濃淡煤粉射流連續(xù)火焰延遲距離

濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞髟诓煌南嘟唤嵌葧r連續(xù)火焰延遲距離如圖5所示，可以發(fā)現(xiàn)不同的相交角度時連續(xù)火焰延遲距離均大于0.5 m，這是因為濃淡煤粉射流在上游(0.5 m之前)發(fā)生著火后，隨著射流向下逐漸發(fā)展，煤粉的著火逐漸擴散到射流的中心，造成煤粉的連續(xù)火焰區(qū)出現(xiàn)在濃淡煤粉射流的下游(大于0.5 m)，而相交角度為10°時，連續(xù)火焰延遲距離因過大而不適合作為濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯膶嶋H相交角度。還可以發(fā)現(xiàn)，隨著相交角度的增加，連續(xù)火焰延遲距離逐漸減小，這是因為濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔獾膮R合隨著相交角度的增加而變得劇烈，但當(dāng)相交角度大于20°以后，連續(xù)火焰延遲距離繼續(xù)減小的幅度并不明顯，但此時兩股高溫?zé)煔馍淞鲗獾悍凵淞鞯臄D壓變得更嚴(yán)重，造成匯合流的能量損失更大?？梢姡瑵獾悍凵淞髋c高溫?zé)煔馍淞飨嘟唤嵌葹?0°時更加適合。

2.2 20°相交時濃淡煤粉射流著火的數(shù)值模擬

濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞髟?0°相交時的數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示，從速度分布、O2濃度分布、CO2濃度分布、CO濃度分布、煤粉熱解速率分布及溫度分布等方面分析濃淡煤粉射流的著火過程，包括：多股射流的相交位置、匯合流的方向和形態(tài)變化、濃淡煤粉射流的著火位置及連續(xù)火焰區(qū)等。

從圖6(a)的速度分布可以發(fā)現(xiàn)，濃淡煤粉射流與兩股高溫?zé)煔馍淞鞯壬淞髟趪娙霠t膛的距離為0.2 m左右時開始相交，在0.4 m左右匯合完畢，各股射流的速度場分布可以滿足濃淡煤粉射流在噴入爐膛的距離為0.3～0.5 m時發(fā)生著火[11]，可見各股射流的相交位置與實際鍋爐相；從圖6(b)的O2濃度分布和圖6(c)的CO2濃度分布可以發(fā)現(xiàn)，濃淡煤粉射流著火后，匯合流沿著爐膛中軸線向下傳播，可見濃淡煤粉射流未受擠壓，著火后射流形態(tài)未變化。從圖6(d)中煤粉的熱解速率分布可以發(fā)現(xiàn)，濃淡煤粉射流在噴入爐膛的距離為0.1 m左右時揮發(fā)分開始析出，隨著噴入距離的增大，揮發(fā)分的析出濃度逐漸增大，在0.4 m左右時開始達(dá)到峰值，認(rèn)為濃淡煤粉射流在噴入爐膛0.4 m內(nèi)一定發(fā)生了著火，可見濃淡煤粉射流的著火位置與實際鍋爐相符際；從圖6(e)的CO濃度分布和從圖6(f)的溫度分布可以發(fā)現(xiàn)，在各股射流噴入爐膛的距離為0.5～1.0 m時，出現(xiàn)了CO的濃度峰值和溫度峰值，說明濃淡煤粉射流的連續(xù)火焰區(qū)(高溫區(qū)域)在0.5～1.0 m，可見濃淡煤粉射流的著火過程與實際鍋爐相似，射流噴入爐膛的1.0 m之內(nèi)為重點研究區(qū)域。

濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯膶嶋H相交角度為20°時，各股射流的湍流流動和傳熱行為與實際切圓鍋爐相符[12]，此時濃淡煤粉射流與兩股高溫?zé)煔馍淞鞯膬?nèi)邊界在180 mm處的中軸線上開始混合。

圖6 相交角度為20°時濃淡煤粉射流著火過程的數(shù)值模擬

3 結(jié)論

為了優(yōu)化設(shè)計250 kW濃淡煤粉直流射流燃燒實驗裝置，本文利用Fluent對平行濃淡煤粉射流的著火過程進行數(shù)值模擬研究，得到如下結(jié)論：

(1)濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞髟诓煌慕嵌认嘟粫r，中心軸向速度均從射流起點開始急劇增加，達(dá)到峰值速度后開始逐漸衰減；相交角度為20°時，中心軸向速度的峰值最大，匯合流的能量損失最小。相交角度大于20°以后，連續(xù)火焰延遲距離隨著相交角度增加的減小幅度不明顯。

(2)濃淡煤粉射流與高溫?zé)煔馍淞鞯膶嶋H相交角度選為20°時，各股射流的湍流流動和傳熱行為與實際切圓鍋爐相符，匯合流沿著爐膛中軸線向下傳播，濃淡煤粉射流著火后形態(tài)未變化。

[1]王正陽，譚羽非，孫紹增，等.復(fù)合分級燃燒對四角切圓鍋爐NOx排放特性的影響[J].節(jié)能技術(shù).2012，30(6):504-507.

[2]秦明，吳少華，郭建明，等.四墻切圓濃淡燃燒器射流特性的實驗研究[J].節(jié)能技術(shù).2015，33(1):66-68.

[3]孫紹增.水平濃縮煤粉燃燒過程的研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1995.

[4]秦裕琨，孫紹增，邢春禮，等.一種濃縮煤粉燃燒器:中國，ZL 92 2 24103.1[P].1993-01-15.

[5]Xiaohui Zhang, Jue Zhou, Shaozeng Sun, et al. Numerical investigation of low NOxcombustion strategies in tangentially-fired coal boilers[J].Fuel,2015(142):215-221.

[6]R Khatami, Y A Levendis. An over view of coal rank influence on ignition and combustion phenomena at the particle level[J]. Combustion and Flame,2016,164(2):22-34.

[7]W Moron, W Rybak. Ignition behaviour and flame stability of different ranks coals in oxy fuel atmosphere[J].Fuel,2015(161):174-181.

[8]R Kim, D F Li, C H Jeon. Experimental investigation of ignition behavior for coal rank using a flat flame burner at a high heating rate[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2014(54):212-218.

[9]Y Yuan, S Q Li, G D Li, N Wu, et al. The transition of heterogeneous- homogeneous ignitions of dispersed coal particle streams[J].Combustion and Flame,2014,161(9):2458-2468.

[10]K L Xu, Y X Wu, Z N Wang, et al. Experimental study on ignition behavior of pulverized coal particle clouds in a turbulent jet[J].Fuels,2016(167):218-225.

[11]徐通模，惠世恩.燃燒學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2011.

[12]李鳳瑞.燃煤鍋爐直流一次風(fēng)粉著火距離的預(yù)測模型及其理論的分析[J].鍋爐技術(shù).2011，42(2):37-42.

[13]Guang Zeng，Shaozeng Sun，Xuefen Yang，et al．Effect of the Primary Air Velocity on Ignition Characteristics of Bias Pulverized Coal Jets[J]．Energy Fuels，2017，31(3)：3182-3195．

[14]Yang Jiancheng, SUN Rui, SUN Shaozeng, et al. Experimental study on NOxreduction from staging combustion of high volatile pulverized coals. Part1. Air staging[J]. Fuel Processing Technology,2014(126):266-275.

[15]費俊.煤粉燃燒過程中燃料型NOx轉(zhuǎn)化機理的試驗研究及數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2010.

[16]Pede J, Thornock J N, Smith P J. Large eddy simulation of pulverized coal jet flame ignition using the direct quadrature method of moments[J].EnergyFuels.2012,26(11):6686-6694.

[17]Yamamoto K, Murota T, Okazaki T, et al. Large eddy simulation of a pulverized coal jet flame ignited by a preheated gas flow[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(2):1771-1778.