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1、單燃燒器臥式爐煤粉燃燒過程數(shù)值模（能源與動力工程學(xué)院）摘要：設(shè)計并模擬一種單燃燒器臥式爐煤粉燃燒器。該燃燒器采用一次風(fēng)二次風(fēng)分級配風(fēng)方式對爐膛內(nèi)煤粉進行燃燒。本文基于計算機輔助技術(shù)（ICEMCFD及FLUENT等）對該燃燒器燃燒過程進行燃燒仿真數(shù)值模擬，對溫度場進行分析，檢測各組分濃度場和一二次風(fēng)流線，獲得了如下結(jié)果。關(guān)鍵詞：熱能工程，單燃燒器，數(shù)值模擬，直流，fluent一．燃燒器結(jié)構(gòu)及其工作原理單燃燒器臥式爐煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)如下圖圖1所示（來源：作業(yè)三文獻）。該燃燒器工作原理為：一次風(fēng)煤粉氣流：二次風(fēng)分為三個入口,兩個入口在一次風(fēng)上方，一個入
2、口在一次風(fēng)下方。因為一二次風(fēng)均為直流，能維持射流的剛性,保證煤粉火焰在爐內(nèi)的穿透深度,且同一個平面上的一二次風(fēng)口采用了分級配風(fēng)的方式。此設(shè)計推遲一二次風(fēng)的混合，適用于煤的低揮發(fā)分的特性，有利于煤粉的著火。同時保證了二次風(fēng)量充足，空氣和煤粉混合良好，可以保證煤粉完全燃燒。由結(jié)構(gòu)圖可知，爐膛在縱向截面上的分布尺寸比較大，遠大于風(fēng)口截面的尺寸，所以煤粉的中心火焰在離噴口前端不遠處（來源：鍋爐原理）。圖1（左圖所示）燃燒室的具體尺寸由上圖可得，其長寬高分別為4、0.35、0.5（單位：m），而燃燒室的一次風(fēng)二次風(fēng)進口以及他們的具體尺寸可以由下圖圖2表示
3、：圖2（左圖所示）由以上我們可以得到該燃燒室及其進口結(jié)構(gòu)尺寸。二．計算方法以及邊界條件1.區(qū)域劃分與網(wǎng)格劃分為了正確計算燃燒器噴口附近的空氣動力特性,在此區(qū)域網(wǎng)格進行細分。即以四個噴口為基準(zhǔn)把截面分成了10個區(qū)域，區(qū)域顯示圖如圖3所示。計算網(wǎng)格示于圖4-1,4-2（ICEMCFD上顯示以及Fluent上的網(wǎng)格顯示）。（來源，教程ICEM網(wǎng)格劃分）區(qū)域顯示圖圖3圖4-1圖4-22.數(shù)學(xué)模擬及計算方法本次模擬采用Realizablek2ε模型計算氣相湍流模型,采用隨機軌道模型計算顆粒的運動軌跡,采用混合分?jǐn)?shù)Π概率密度函數(shù)(PDF)模型模擬湍流氣相燃
4、燒,采用雙平行反應(yīng)模型模擬煤揮發(fā)分的熱解過程,采用動力2擴散控制燃燒模型模擬煤焦的燃燒,采用P1模型計算輻射傳熱。計算守恒方程采用控制容積法,使用差分格式進行對流項及擴散項的離散。對于離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLER算法求解,求解方程采用逐線迭代法及低松馳因子,收斂標(biāo)準(zhǔn)各余項小于0.001。（來源：數(shù)值計算與工程仿真）3.計算工況計算采用的煤種煤質(zhì)特性分析示于表1。顆粒按初始粒徑分布劃分為10組,滿足Rosin2Rammler分布公式,粒徑范圍為10～250μm,平均粒徑為50μm,分布指數(shù)為1.5。4.煤的元素分析及工業(yè)分析作業(yè)中
5、給出的基礎(chǔ)條件可以顯示為下表表1：表1 煤的工業(yè)分析和元素分析工業(yè)分析（ad/%）元素分析（ad/%）20.3625.362.0352.2560.514.8345.6160.950.722329 由：質(zhì)量流量=空氣密度×風(fēng)口面積×風(fēng)的流速可計算得到燃燒器一次風(fēng)速為15.3米每秒,風(fēng)溫為423K;上二次風(fēng)速為17.3米每秒,風(fēng)溫為423K;中二次風(fēng)速為17米每秒,風(fēng)溫為423K；下二次風(fēng)速為21.4米每秒,風(fēng)溫為423K。給粉量為0.0044千克/秒。同樣根據(jù)表中數(shù)據(jù)，將空氣干燥基轉(zhuǎn)換為干燥無灰基，計算得到的干燥無灰基中碳的質(zhì)量百分含量83.33
6、6，氫的百分含量6.657，氧的百分含量7.735，氮的百分含量1.308，硫的百分含量0.96。計算出煤粉的干燥無灰基的低位發(fā)熱量是3.08e07。水力直徑為四倍面積除以周長，計算得到一次風(fēng)的水力直徑是0.021米，二次風(fēng)的尺寸是一樣的，水利直徑均為0.024米，出口截面的水利直徑是0.412米。壁面溫度：900K壁面輻射率：0.01根據(jù)上述一系列條件的設(shè)置，利用Fluent進行模擬。得到該燃燒器的燃燒特性如速度場、溫度場、氧濃度場、CO2、CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布，一、二次風(fēng)流線軌跡、顆粒軌跡進行了數(shù)值模擬,并統(tǒng)計了顆粒跟蹤情況如停留時間和燃盡率。
7、（以上來源：fluent教程、數(shù)值計算與工程仿真）三．結(jié)果分析及討論1.參數(shù)設(shè)置好后，在不進行顆粒迭代的情況下（冷態(tài)計算），計算98次流場的結(jié)果如下圖圖5所示：圖52.加入煤粉顆粒，進行顆粒迭代，設(shè)置點火溫度后，計算4300步的爐膛燃燒結(jié)果如下圖圖6所示：圖63.一、二次風(fēng)流線：如下為一、二次風(fēng)流線軌跡、顆粒軌跡圖，由于一次風(fēng)和二次風(fēng)均為直流射流，沒有旋流，因此圖中的流線圖都是與前壁面垂直入射的。一次風(fēng)處于中間，受二次風(fēng)的影響比較小，故流線圖比較整齊；而二次風(fēng)受到一次風(fēng)的影響，方向上有較大的偏差。且因它有混合擾流作用，所以從噴口出來的一段距離流
8、線紊亂。圖7一次風(fēng)圖8上二次風(fēng)圖9中二次風(fēng)圖10下二次風(fēng)圖11顆粒物跟蹤情況4.燃燒室內(nèi)氧氣場，二氧化碳場，速度場等情況氧氣摩爾質(zhì)量分布圖中，在靠近風(fēng)
