魏 劍，晉芳偉，黃春水

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建（三鋼集團(tuán)）動能公司，福建 三明 365000)

煤氣旋流燃燒器的數(shù)值模擬研究

魏 劍1，2，晉芳偉1，2，黃春水3

（1.三明學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，福建 三明 365004；2.機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建 三明 365004；3.福建（三鋼集團(tuán)）動能公司，福建 三明 365000)

針對某廠燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的改造需求，采用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的方法，對高爐煤氣旋流燃燒器的流動情況進(jìn)行研究。研究了不同負(fù)荷下燃燒器的溫度場和流場分布，討論了影響燃燒器流動的因素，計算結(jié)果通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。此次數(shù)值模擬表明改造后的燃燒器符合設(shè)計要求，并為運(yùn)行提供理論依據(jù)。

動力機(jī)械工程；煤氣旋流燃燒器；數(shù)值模擬

鋼鐵廠對空排放的高爐煤氣不僅造成環(huán)境污染，而且浪費(fèi)可利用的二次能源，故某鋼廠對燃煤鍋爐改造全燒高爐煤氣。燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的可行性和改造實(shí)踐的技術(shù)關(guān)鍵在文獻(xiàn)[1-5]中已進(jìn)行說明，高爐煤氣可燃成分主要是CO，容積含量約為30%，其余為N2和CO2，發(fā)熱量僅為4000 KJ/m3左右，著火溫度遠(yuǎn)低于煤的燃燒溫度，由于惰性氣體阻礙可燃成分與空氣的充分混合，燃燒穩(wěn)定性差是高爐煤氣燃燒器形式選擇的關(guān)鍵因素之一。擬改造的燃煤鍋爐1969年9月投產(chǎn)，型號為V2KG-G3-80-40，額定蒸發(fā)量為75 t/h，設(shè)計燃料為煤粉，采用鋼球磨煤機(jī)中間儲倉式制粉系統(tǒng)，四角切圓直流燃燒器。因投產(chǎn)年久，鍋爐爐膛后墻衛(wèi)燃帶區(qū)域的水冷壁存在腐蝕減薄的缺陷，作為備用鍋爐使用率較低。為節(jié)約蒸汽燃料成本，回收利用高爐煤氣，根據(jù)原鍋爐受熱面結(jié)構(gòu)型式及風(fēng)機(jī)容量大小，經(jīng)過理論計算，在不增加鍋爐受熱面及增大引風(fēng)機(jī)容量的情況下，將該燃煤鍋爐改造為全燒高爐煤氣。改造主要進(jìn)行了以下幾點(diǎn)：拆除原煤粉燃燒器及其管道，新安裝4只10000 m3/h煤氣燃燒器及至煤氣燃燒器的高爐煤氣管道、生活煤氣管道、二次風(fēng)管道及吹掃用的氮?dú)夤艿溃瑢㈠仩t電除塵進(jìn)出口煙道改為直通。燃燒器作為鍋爐主要設(shè)備，必須具有良好的空氣流組織性能[6]。但在熱態(tài)運(yùn)行過程中，找不到合適的測量工具和測量手段來獲得其燃燒規(guī)律。目前，F(xiàn)luent軟件已被用于研究煤粉鈍體穩(wěn)燃器、煤氣空氣預(yù)混燃燒、鎂熔體保護(hù)用氣體發(fā)生器、煤粉鍋爐旋流燃燒器等，模擬結(jié)果對燃燒器實(shí)際運(yùn)行和優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。本文運(yùn)用Fluent對燃燒高爐煤氣的燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬，以縮短生產(chǎn)現(xiàn)場燃燒器運(yùn)行參數(shù)調(diào)整周期，摸索燃燒器穩(wěn)燃運(yùn)行工況[7-18]。

1 計算模型

1.1 物理模型

圖1 為煤氣燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖。該燃燒器為旋流式結(jié)構(gòu)，布置有高爐煤氣入口管、高爐煤氣筒、內(nèi)管葉片、二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)管、二次風(fēng)筒、二次風(fēng)外管葉片、生活煤氣管及補(bǔ)氣風(fēng)管。為使著火良好和穩(wěn)定，在燃燒器出口布置擴(kuò)散段。煤氣燃燒器采用有焰燃燒方式，水平布置在爐膛下部絕熱燃燒室的兩側(cè)墻上，每側(cè)各布置2只，共4只。

圖1 煤氣燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 數(shù)學(xué)模型

流動與換熱的控制方程：

連續(xù)性方程：

式中：u、v、w為流體在x方向、y方向、z方向的分速度。

動量方程：

式中：u、v、w為流體在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ、p、VT分別是流體的密度、壓力、湍流運(yùn)動的粘性系數(shù)。

能量方程：

式中：u、v、w為流體在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流體的密度；cp、T、λT分別是流體的比熱容、溫度、湍流導(dǎo)熱系數(shù)。

組分方程：

式中：u、v、w為流體在x方向、y方向、z方向的分速度；ρ是流體的密度；f、DT分別是流體的組分份額、湍流擴(kuò)散系數(shù)。

當(dāng)流體層流運(yùn)動時，VT、λT、DT分別用相應(yīng)的分子運(yùn)動粘性系數(shù)ν、導(dǎo)熱系數(shù)λ、分子擴(kuò)散系數(shù)D代入上述方程。

2 數(shù)值模擬

由于燃燒器中的生活煤氣管和補(bǔ)氣風(fēng)管主要用于點(diǎn)火，簡化起見燃燒器模型中僅考慮高爐煤氣和二次風(fēng)。采用Gambit軟件對其劃分網(wǎng)格，如圖2所示，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，體網(wǎng)格182 382個，面網(wǎng)格379 072個，節(jié)點(diǎn)37 615個。數(shù)值模擬計算采用Fluent計算軟件，利用有限容積法對微分方程進(jìn)行離散求解，高爐煤氣入口、二次風(fēng)入口的邊界條件都采用速度入口，出口采用壓力出口，分析在各種負(fù)荷下燃燒器的氣流運(yùn)動情況。

圖2 燃燒器網(wǎng)格劃分示意圖

在模擬分析過程中，高爐煤氣從高爐煤氣入口管進(jìn)入，熱空氣從二次風(fēng)進(jìn)風(fēng)管進(jìn)入，兩者經(jīng)旋流葉片充分混合，一起經(jīng)擴(kuò)散段進(jìn)入爐膛內(nèi)燃燒。高爐煤氣成分如表1所示，由于CH4、H2的含量很低，模擬時忽略，其低位發(fā)熱量3 180 kJ/m3，設(shè)計流量 40 000 m3/h，燃燒器高爐煤氣口尺寸Φ273 mm×10 mm。送風(fēng)機(jī)流量90 500m3/h，二次風(fēng)溫度600～700 K，二次風(fēng)口尺寸Φ426 mm×10 mm。反應(yīng)化學(xué)方程式為2CO+O2=2CO2。流體物性隨溫度變化，粘性是可壓縮的，不考慮流體中的粘性耗散。計算采用采用了RNG k-ε模型[19-20]，控制方程的求解采用Simple算法。假定燃燒器壁面絕熱，無外界熱損失，補(bǔ)氣風(fēng)管壁面溫度可調(diào)，忽略重力、壓力功和動能。

表1 高爐煤氣體積成分

2.1 二次風(fēng)速度對流場的影響

圖3 ～5分別為50%負(fù)荷、70%負(fù)荷和額定負(fù)荷下燃燒器擴(kuò)散段出口流場。隨著負(fù)荷增大，燃燒器出口環(huán)狀氣流區(qū)域增大，出口速度也增大，平均速度分別為3.4、5.7、7.2 m/s，燃燒器內(nèi)部最大速度分別為17.7、24、31.7 m/s。與文獻(xiàn)[21]中變負(fù)荷對旋流燃燒器流暢特性的影響中的規(guī)律相一致，隨著負(fù)荷的增大，燃燒器速度值都有所上升。驗(yàn)證了在不同負(fù)荷下，高爐煤氣與二次風(fēng)均能在環(huán)形通道中作螺旋運(yùn)動，在離心力的作用下在燃燒器出口處形成環(huán)狀氣流的理論，數(shù)值模擬能估計出環(huán)狀氣流區(qū)域的大小。在50%負(fù)荷時，雖然環(huán)狀氣流區(qū)域較小，仍滿足燃燒器設(shè)計負(fù)荷最低應(yīng)大于30%額定負(fù)荷的要求。

圖3 50%負(fù)荷下出口速度

圖4 70%負(fù)荷下出口速度

圖5 額定負(fù)荷下出口速度

為進(jìn)一步說明燃燒器流體流動情況，以70%負(fù)荷時燃燒器流場和溫度場圖為例，如圖6～7所示，由于生活煤氣管和補(bǔ)氣風(fēng)管中的煤氣燃燒在模擬過程忽略，該處形成一弱流動區(qū)域，即使如此旋流燃燒器出口附近仍存在一回流區(qū)，約為斷面總面積的1/3，該區(qū)域有足夠高的回流溫度 （約500K），足夠低的流動速度（約6 m/s），足夠強(qiáng)的熱交換，高爐煤氣與二次風(fēng)強(qiáng)烈湍流混合燃燒，形成良好的溫度場和速度場。

圖6 70%負(fù)荷流場

圖7 70%負(fù)荷溫度場

在額定負(fù)荷時，如圖8～9所示，隨著負(fù)荷增大，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)，回流區(qū)面積亦增大，低溫區(qū)域面積減小，布置在燃燒器出口的擴(kuò)散段可以形成良好的流場，對于發(fā)熱值極低的高爐煤氣的著火和穩(wěn)燃都是有利的。驗(yàn)證了文獻(xiàn)[16]中隨著負(fù)荷的降低，回流區(qū)的長度和寬度依次降低而對射流邊界擴(kuò)展角影響不大，射流強(qiáng)度稍有降低的試驗(yàn)結(jié)果。

燃燒器擴(kuò)散段采用的是縮放擴(kuò)口，擴(kuò)張角為20°，高爐煤氣和二次風(fēng)內(nèi)外管旋流葉片是反向安裝的，安裝角度均為12°，2股射流的切向速度反向。隨著負(fù)荷的增大，同樣可以增強(qiáng)射流旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度，提高卷席能力，有助于燃燒器的點(diǎn)火和穩(wěn)然。

圖8 額定負(fù)荷流場（600K）

圖9 額定負(fù)荷溫度場（600K）

2.2 二次風(fēng)溫對流場的影響

實(shí)際運(yùn)行中由于爐膛漏風(fēng)，為保證高爐煤氣充分燃燒，排煙無色或略帶白色（水分的作用），爐膛出口有一定量的過?？諝猓S煙氣流經(jīng)各受熱面吸熱，降低煙溫，提高二次風(fēng)溫。為此對額定負(fù)荷時其他參數(shù)不變，二次風(fēng)溫改變后模擬得到圖10～11的流場和溫度場。二次風(fēng)溫升高后，擴(kuò)散段出口溫度升高，但是最大速度和平均速度都有所下降，環(huán)狀區(qū)域減小，回流強(qiáng)度減弱，意味著進(jìn)入爐膛時混合流體溫度更高、擴(kuò)散區(qū)域更大，形成燃燒面更廣，有利于后期混合燃燒，但是對燃燒器及擴(kuò)散段金屬材料及保溫層提出更高的要求。從燃燒的角度來看，回流到火焰根部的高溫?zé)煔饬繙p少，氣流早期湍流擴(kuò)散減弱，混合減弱。二次風(fēng)溫的升高對混合燃燒效果并沒有實(shí)質(zhì)性的改善，在實(shí)際運(yùn)行中要控制二次風(fēng)溫，保持在一個合理的變動區(qū)間。

圖10 額定負(fù)荷流場（700K）

圖11 額定負(fù)荷溫度場（700K）

3 改造后實(shí)際運(yùn)行效果

數(shù)值模擬的可靠性由三部分來保證，一是流體力學(xué)方程及相、邊界條件的正確、協(xié)調(diào)性，二是數(shù)值計算格式的精確、穩(wěn)定性，三是與試驗(yàn)結(jié)果的比較驗(yàn)證的可重復(fù)性。為此在鍋爐停爐檢修時，采用三維熱線風(fēng)速儀，對旋流燃燒器距出口處750 mm的截面流速（即擴(kuò)散段出口）進(jìn)行冷態(tài)測試，測試工況與模擬工況一致，測點(diǎn)布置在與z=0的截面相交處，半徑從0增至0.4 m，取點(diǎn)9個，每點(diǎn)測量3～5次，取其平均值。圖12為計算值與測量值的比較，由此可得該高爐煤氣燃燒器的速度分布基本符合旋流燃燒器氣流運(yùn)動特性。

圖12 計算值和測量值比較

4 結(jié)論

（1）鍋爐在改造過程中，針對發(fā)熱值極低的高爐煤氣的著火和穩(wěn)燃以及燃燒負(fù)荷應(yīng)大于30%負(fù)荷的兩點(diǎn)要求，采用該旋流燃燒器。通過模擬分析以及與試驗(yàn)結(jié)果比較，我們發(fā)現(xiàn)該燃燒器擴(kuò)散段縮放擴(kuò)口角度以及高爐煤氣和二次風(fēng)內(nèi)外管旋流葉片安裝角度合理，滿足設(shè)計要求。

（2）在CFD計算過程中，采用了RNG k-ε模型，溫度場和流場分布能反映燃燒器流動特性，流場分布合乎理想狀態(tài)，模擬和算法可行。

（3）通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對比以及現(xiàn)場實(shí)施情況反映此旋流燃燒器達(dá)到鍋爐改造設(shè)計要求。而在實(shí)際運(yùn)行中根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行燃燒調(diào)節(jié)是必須的。不同負(fù)荷下可以通過觀察負(fù)壓、火焰和煙溫對高爐煤氣和二次風(fēng)速度、二次風(fēng)溫進(jìn)行調(diào)整，數(shù)值模擬結(jié)果可以從理論上對其進(jìn)行指導(dǎo)。

［1］陳冬林，鄢曉忠，符慧林．湘鋼熱電廠75t／h煤粉鍋爐改燒煤氣時的受熱面調(diào)整與燃燒器改造［J］．發(fā)電設(shè)備，2002（1）：18－22，26．

［2］夏侯國偉，黃素逸，高文瓊．75t／h燃煤鍋爐改燒高爐煤氣的技術(shù)關(guān)鍵及工程實(shí)踐［J］．湖南電力，2004（2）：55－57．

［3］莊正寧，曹子棟，唐桂華．50MW高壓鍋爐全燒高爐煤氣的研究［J］．熱能動力工程，2001（5）：271－274．

［4］張建春，李軍，余仕漢．燃煤鍋爐的燃?xì)飧脑欤跩］．工業(yè)鍋爐，2002（1）：34－38．

［5］常冰，劉健康，李敏霞．小型燃煤鍋爐燃?xì)飧脑斓睦碚撆c實(shí)踐［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報，2002（8）：109－111．

［6］趙振宙，趙振寧，孫輝．旋流燃燒器數(shù)值模擬和優(yōu)化改造［J］．鍋爐技術(shù)，2006，16（7）：49－54．

［7］孫公鋼，池作和，斯東波．新型鈍體穩(wěn)燃器空氣動力場的數(shù)值模擬［J］．電站系統(tǒng)工程，2006（9）：18－20．

［8］李萍，曾令可，鄧毅堅．預(yù)混燃燒數(shù)值模擬與結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．工業(yè)加熱，2008（2）：33－36．

［9］游國強(qiáng)，劉漢周，李愛聽．鎂熔體保護(hù)用氣體發(fā)生器的燃燒數(shù)值模擬與優(yōu)化［J］．材料導(dǎo)報，2009（10）：73－77．

［10］方月蘭，林阿彪，荊有?。悍坼仩t旋流燃燒器空氣動力場的數(shù)值模擬［J］．應(yīng)用能源技術(shù)，2007（9）：48－50．

［11］張起祥，李朝陽，張曉英．基于FLUENT的燃煤器燃燒模擬機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］．鑄造設(shè)備與工藝，2009（6）：3－5．

［12］冀美萍，李燚．基于燃燒器空氣動力場數(shù)值模擬［J］．廣州化工，2009（4）：32－33

［13］倪健民，陳云，樊建人，等．旋流燃燒器出口湍流流場的數(shù)值模擬［J］．動力工程，2004，24（1）：102－105．

［14］張中禹，馮亮花，劉廣龍，等．燃高爐煤氣富氧燃燒器的數(shù)值模擬［J］．工業(yè)加熱，2016，45（1）：42－44．

［15］張超，張建良，孫輝，等．氧氣高爐新型氧煤燃燒器設(shè)計參數(shù)對風(fēng)口區(qū)流場影響數(shù)值模擬［J］．中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，47（5）：1480－1486．

［16］陳立，李祥晟，楊詔，等．氣流入口條件對低旋流燃燒火焰穩(wěn)定性的影響［J］．西安交通大學(xué)學(xué)報，2016（5）:114－119.

［17］薛山，惠世恩，周屈蘭，等．旋流燃燒器熱態(tài)試驗(yàn)燃燒過程的數(shù)值模擬［J］．鍋爐技術(shù)，2015，46（5）：44－48．

［18］李騰輝，葛冰，袁用文，等．雙旋流燃油燃燒器火焰特征研究［J］．燃燒科學(xué)與技術(shù)，2015（3）：280－285．

［19］王福軍．計算流體力學(xué)動力學(xué)分析［M］．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

［20］韓占忠，王敬，蘭小平．Fluent流體工程仿真計算實(shí)例與應(yīng)用［M］．北京：北京理工大學(xué)出版社，2008．

［21］楊震，宋光榮，曹子棟．大功率高爐煤氣旋流燃燒器?；囼?yàn)研究［J］．鍋爐技術(shù)，2008（1）：5．

（責(zé)任編輯：朱聯(lián)九）

Simulation Research on a Coal-fired Burner Based on Fluent Software

WEI Jian1,2，JIN Fang-wei1,2，HUANG Chun-shui3
(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center in Fujian Province University for Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology,Sanming 365004,China; 3.Sanming Steel(Group)Kinetic Energy Co Ltd,Sanming 365000,China)

According to the demand of a plant transformation coal-fired boiler burning blast furnace gas,the blast furnace gas flow on the cyclone burner was numerically studied by means of FLUENT software.The temperature field and flow field distribution under different load of burner was studied and the influence factors of burner flow was discussed.The results was validated by experimental data.The numerical simulation shows that the modified burners comply with design requirements,and provide the theoretical basis for operation.

power machinery and engineering；coal-fired burner；numerical simulation

TK229.8

A

1673-4343（2017）02-0057-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2017．02．010

2017-01-08

三明學(xué)院科研課題B0905/Q）；福建省教育廳科技項目（JB10175）；福建省教育廳科技項目（JK2014048）

魏劍，女，山西平定人，講師。主要研究方向：機(jī)械CAD/CAM。