四通道煤粉燃燒器冷態(tài)數(shù)值模擬研究

李少寧　陳志榮　肖東

摘要：回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流動非常復(fù)雜，通過冷態(tài)數(shù)值模擬研究了解燃燒器的空氣動力場特性，是一項必不可少的研究工作，也是一種省時、省力、效率高、靈活性強的試驗方法。本文通過對Nc型四通道煤粉燃燒器在不同結(jié)構(gòu)、運行參數(shù)下的空氣動力場特性進行研究，討論回流區(qū)的形成原因，分析回流量的范圍，指導(dǎo)同類燃燒器的合理設(shè)計與優(yōu)化運行。

關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)窯；四通道煤粉燃燒器；冷態(tài)；數(shù)值模擬

中圖分類號：TQl7

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0058-01

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流動非常復(fù)雜，通過冷態(tài)數(shù)值模擬研究解燃燒器的空氣動力場特性，是一項必不可少的研究工作，也是效率高且靈活性強的實驗方法。

本文通過對NC型四通道煤粉燃燒器的空氣動力場特性進行研究，討論回流區(qū)的形成原因，分析回流量的范圍，從而指導(dǎo)同類燃燒器的合理設(shè)計與優(yōu)化運行。

1.物理模型及求解方法

1.1物理模型及求解方法

回轉(zhuǎn)窯內(nèi)，既有從燃燒器噴出的中心風(fēng)、煤風(fēng)、旋流風(fēng)以及軸流風(fēng)，又有預(yù)熱后的二次風(fēng)。各股風(fēng)相互影響，這是一個十分復(fù)雜的湍流氣相流動過程。

針對該計算區(qū)域，本文采用以下邊界條件：1）速度邊界條件：設(shè)置風(fēng)道入口端面的速度為速度入口邊界；2）壓力邊界條件：設(shè)置窯尾出口端面的壓力為壓力出口邊界；3）固體壁面邊界條件：將回轉(zhuǎn)窯壁面設(shè)置為避免無滑移邊界條件，速度為0，且絕熱。

1.3網(wǎng)格劃分及細節(jié)處理

因模擬區(qū)域具有對稱性，故本文僅取以窯中心軸為對稱軸的一半?yún)^(qū)域進行研究，采用MAP網(wǎng)格進行分區(qū)劃分，為重點研究煤粉混合、加熱的燃燒器出口區(qū)域，可將此區(qū)域的網(wǎng)格加密，這將有利于研究燃燒器氣體出口附近的流場分布狀況，它直接影響著煤粉的運動速度與燃盡時間。

2.冷態(tài)數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1回流區(qū)分布

三通道煤粉燃燒器的回流的形成主要是切向旋流風(fēng)作用的結(jié)果，主要卷吸高溫二次風(fēng)，外回流區(qū)的產(chǎn)生不僅可以增加煤粉后期的燃燒速度，而且能夠防止一次風(fēng)射流沖刷窯皮；內(nèi)回流區(qū)的形成主要是由于軸流風(fēng)和旋流風(fēng)軸向風(fēng)速較大，與周圍空氣形成差速射流從而卷吸高溫?zé)煔?，為點燃煤粉提供所需要的能量。

四通道燃燒器，在結(jié)構(gòu)上與三通道燃燒器相比，增加了一個中心風(fēng)通道，回轉(zhuǎn)窯內(nèi)部流場也發(fā)生了較大的變化。圖1位某工況下，窯內(nèi)回流區(qū)分布。可見，該燃燒器出口附近形成兩個回流區(qū)。

本文研究認為，四通道煤粉燃燒器內(nèi)回流區(qū)形成于旋流風(fēng)附近，由旋流風(fēng)的旋流效應(yīng)、與中心風(fēng)的速差射流共同引起，卷吸下游產(chǎn)生的高溫?zé)煔?，利于煤粉的點火和穩(wěn)定燃燒；外回流區(qū)位于軸流風(fēng)附近，主要是由軸流風(fēng)和二次風(fēng)的大速差形成，其主要作用是卷吸高溫二次空氣，同樣有利于煤粉迅速而穩(wěn)定的燃燒。在不破壞燃燒穩(wěn)定的情況下，一般回流區(qū)越大越好。

2.2回流量討論

回流量為回流區(qū)內(nèi)某截面上的體積流量。對速度場積分，可確定內(nèi)回流量Qr和外回流量Qp，如式

內(nèi)回流區(qū)的方向是由外到里，回流區(qū)長度約為0.5m，最大寬度約為0.2m，最大軸向速度為-22.28m/s。適當?shù)脑龃髢?nèi)回流區(qū)和回流量，有利于卷吸更多的高溫?zé)煔?，增加回流區(qū)邊界附近的質(zhì)量、熱量的湍流運輸水平，提高燃燒反應(yīng)速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣龋欣诿悍鄣娜紵€(wěn)定，提高煤粉的燃燒效率。

3.結(jié)論

二維冷態(tài)數(shù)值模擬可以形象了解各風(fēng)道對回轉(zhuǎn)窯內(nèi)流場的影響。本章采用數(shù)值模擬的方法，分析了冷態(tài)氣相流場的速度分布，主要得出以下結(jié)論。1）模型能較好的模擬回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的流場，達到工程預(yù)測的精度需要。2）旋流燃燒器的一個顯著特點，能夠產(chǎn)生中心回流區(qū)，使高溫?zé)煔饣亓?，加熱煤粉與空氣的混合物，使其順利著火燃燒。3）回流區(qū)的形成與燃燒器的設(shè)計是分不開的。內(nèi)回流區(qū)位于旋流風(fēng)附近，由旋流風(fēng)的旋流效應(yīng)、與中心風(fēng)的速差射流共同作用；外回流區(qū)位于軸流風(fēng)附近，主要是由軸流風(fēng)和二次風(fēng)的大速差形成。