煤粉在分解炉内燃烧机理的数值模拟研究

煤粉在分解炉内燃烧机理的数值模拟研究

谢峻林,梅书霞,衣明辉

(武汉理工大学硅酸盐材料工程教育部重点实验室,湖北武汉　430070)

摘　要:针对华新宜都水泥厂的分解炉建立数学模型,采用简化的P DF 反应模型,对煤在分解炉内的燃烧过程进行了数值模拟计算结果揭示了挥发分释放与燃烧的过程,剖析了焦炭的燃烧机理,为煤粉在分解炉内的优化燃烧提供了重要的理论参考依据。关键词:分解炉;数值模拟;P DF 反应模型;燃烧机理中图分类号:T Q534 文献标识码:A 文章编号:0253-2336(2005)05-0048-04

Nu m er i ca l si m ul a ti on study on com busti on m echan is m

of pulver i zed coa l i n ca lc i n er

X I E Jun 2lin,ME I Shu 2xia,YIM ing 2hui

(S ilicate M aterial Science and Engineering Key L aboratory of M inistry of Education,W uhan U niversity of Science and Technology,W uhan 430070,China )

Abstract:A nu merical model was established base on the calciner in Huaxin Yidu Ce ment Plant .W ith the si m p lified P DF reacti on mod 2el,the numerical calculati on was made for coal combusti on in the calciner .The results showed the volatile releasing and combusti on p r o 2cessing .The paper analyzed the combusti on mechanis m of coke,which could p r ovide i m portant theoretical references t o the op ti m ized combusti on of the pulverized coal in the calciner .

Key words:calciner;nu merical si m ulati on;P DF reacti on model;combusti on mechanis m

基金项目:国家“863”计划项目(2002AA335050);国家自然科

学基金资助项目(50276045)

在近代的燃烧技术中,煤的燃烧可以分类为固定床(即层燃)、流化床(又称沸腾床)和携带床(即煤粉燃烧)3种基本燃烧方式。煤在水泥工业

分解炉内的燃烧方式属于煤粉燃烧。煤粉的燃烧反应是分解炉中极为重要的一部分,必须使风、煤、料在炉内混合分布均匀,煤粉才能迅速燃烧,从而释放出的热量及时被生料吸收用于CaCO 3分解。因此,剖析煤粉在分解炉内的燃烧机理,对于优化燃烧过程、提高生料分解率,具有重要的理论价值与实际意义。随着计算机技术的发展,炉内过程数值模拟方法得到了很大的发展,数值模拟已经成为分解炉优化设计的重要手段之一[1～3]

。本研究采用工程上广泛应用的P DF (概率密度函数)反应模型

[4～6]

,对华新水泥公司的宜都分解炉内煤粉燃烧

过程进行了数值模拟,其中边界条件的设置基于实际的热工标定结果。

1　物理模型

分解炉窑尾烟气从分解炉的下部喷入;3次风

从锥体部分切向喷入,形成强旋流场;4个进煤口的位置如图1所示;只有一个出口,位于顶部。其中,忽略了原料进口,当壁面处理

。

图1　分解炉结构

2　数学模型

211　基本流动模型与燃烧模型

描述气体湍流流动的湍流模型很多,但目前工

程上常用的是k -ε双方程模型。本研究也采用该模型进行数值模拟,在此只给出守恒方程组的基本形式,即55t (ρ<)+55x j (ρv j <)=5

5x j Γ<5<5x j

+S <+S p <

(1)

式中　ρ———流体密度;

v ———流体速度;

<———通用因变量;

Γ<———<的输运系数;

S <———源项;

S p <———气固两相流动中固体颗粒对流体作用

引起的附加源项;t ———时间;x j ———坐标方向,在三维直角坐标系中,下

角j 可取1,2,3代表3个空间坐标。

式(1)中55x j

(ρv j <)

可写成下式的分量形式:

55x j (ρv j <)=55x 1(ρv 1<)+55x 2(ρv 2<)+55x 3

(ρv 3<)

采用非预混混合分数方法,结合简化的β-P DF 模型来模拟煤在分解炉内的燃烧过程。该模型建立在混合物分数、快速反应和概率分布函数(P DF )的概念之上,通过求解一个或者2个守恒标量(混合分数)的输运方程来建模。所采用的预先假定的概率密度形式为β函数分布,这是目前用的比较多的一种形式。212　边界条件及数值解法

窑尾烟气进口和三次风进口均采用均匀分布速度边界条件,出口采用压力出口边界。其中煤粉分别自4个进煤口斜向下喷入炉内,且各管处的进煤量相等,初始入射角度大小相同。煤粉的工业分析和元素分析数据见表1。

表1　煤的工业分析和元素分析数据

工业分析%

V daf

FC daf 元素分析/%

C daf H daf O daf (N +S )daf Q net,daf

/MJ ?kg -132126

67174

01503

01425

01061

01011

33110

对流体相的控制方程采用控制容积法进行离

散,使用QU I CK 格式得出差分方程组,对离散方程组的压力和速度耦合采用SI M P LE 算法求解,迭代方式采用T DMA 进行逐面迭代求解。

3　结果分析与探讨

311　挥发分的释放与燃烧

观察图2,可以从全局上对煤粉在分解炉内的燃烧情况进行推断:①自4个进煤口进入炉膛内的煤粉(图2a ),在其初始运动方向上很快就释放

出几乎全部的挥发分(图2b );②当系统稳定时,所释放出的碳氢化合物的浓度分布如图2c,d 所

示;③结合表1中煤的元素分析数据,知道原煤中氧元素的含量极少,在图2e,f 中所观察到的一氧化碳、

二氧化碳,绝大部分应该是由于炉膛内空气中的氧(图2h )与煤中残余焦炭发生化学反应而产生;④而图2g 中H 2O 大部分应该是由氧与煤中挥发出的碳氢化合物等反应所生成。

图2　一组等值线

对比自进煤口1,2与进煤口3,4喷入煤粉的

挥发分释放情况可知,当系统稳定时,位于进煤口1,

2一侧的碳氢化合物(图2c,d )浓度相对较低。这是因为进煤口1和2与三次风进口在同一侧,此处的空气流量大,煤粉所释放出的挥发分大量燃烧了。

图3　距壁面013m 处的柱面上的组分摩尔分数

分布云图与速度矢量图、云图

312　焦炭的燃烧机理研究

图3所示的是炉膛内部距离炉壁013m 处的柱面上的组分浓度场,其中所观察到的这一面靠近进

煤口3和进煤口4。对照碳和一氧化碳的浓度场可以观察到:围绕着焦炭(C )的富集区域(Ⅰ),弥漫着的是一氧化碳的富集区域(Ⅱ)。观察氧的浓度场发现:区域Ⅱ也是无氧区,而无氧的结果则导致了在该区内存在极少量的二氧化碳。观察区域Ⅲ发现:在该区域内氧浓度达到极大值,而一氧化碳和二氧化碳的浓度皆为极小值。区域Ⅳ介于区域

Ⅱ与区域Ⅲ之间,为一个过渡区。

通过以上的观察结果可以推断出在所研究的区域内焦炭的燃烧机理:在由分解炉底部高速上升的烟气流和由侧面切向进入的三次风的共同冲刷作用下,碳和氧在焦炭颗粒群的迎风区(Ⅴ)上发生反应,生成一氧化碳和二氧化碳;由于空气流的冲击,使一氧化碳大量聚集在焦炭颗粒群的背风区(Ⅵ)内;观察速度场发现,区域Ⅵ处对应一个回流区,该回流区具有稳焰作用;这样,一氧化碳富集于焦炭颗粒群背风面附近的回流区的结果,就在一氧化碳与氧的相交区域(Ⅳ)内形成了一氧化碳的火焰锋面。

图4所示的是在高度Z =2165m 处切面上的组分浓度场,该切面位于上下2组进煤口的中间区。

从总体上看,自两侧(进煤口1,2与进煤口3,4)喷入的煤粉具有相一致的燃烧规律:煤粉进入分解炉后,在承载它的空气-烟气流的携带下离散于炉膛空间,当煤中的挥发分绝大部分都释放出来并且烧掉后,焦炭开始燃烧。系统稳定时,便在靠近炉膛壁面的某个区域形成一个焦炭浓度很高的核心区。在核心区内,因为氧的缺乏,燃烧不是很充分,燃烧产物主要是一氧化碳;而在核心区外,煤粉浓度很低,且与大量的氧充分接触,所以燃烧很充分,燃烧产物中含有较多的二氧化碳

。

图4　Z =2165m

处的切面上的组分摩尔分数云图与速度矢量图

图5　垂直于Z 轴的一组切面上碳摩尔分数等值线示意

对比自两侧喷入煤粉的燃烧状况,因为进煤口1,2与三次风进口位于同一侧(图1),自该两处进入的煤粉高度分散在高速旋转的三次风气流中,燃烧很充分,未燃焦炭量少,反应面积大,生成的一氧化碳、二氧化碳量明显比进煤口3,4处的多。为了从量的角度更细致地了解焦炭的燃烧规律,在4个通过了碳含量极大值区的横切面上,各选取一条与y 轴平行的直线L n y (其中,n 代表进煤口编号,如L 1y 表示该直线位于进煤口1下方),如图5所示。在所选直线上对各组分摩尔分数作曲线,如图6所示。 分析图6可知,L 1y 与L 2y 分别位于进煤口1、进煤口2下方,与三次风进口在同一侧,故空气流量大;而L 3y 与L 4y 则分别位于进煤口3、进煤口4下方,与三次风进口相对,所以空气流量相对较小。据此,将图6中的4个曲线图分为2组进行讨

论,即L 1y 与L 2y 为一组;L 3y 与L 4y 为一组。

(1)从L 1y 与L 2y 可以看到相似的变化规律,分析L 1y ,沿着负y 轴方向从右向左观察氧的浓度变化可以看到,来自远处的氧(位置 处)扩散到了焦炭颗粒群的周边区(位置①处),便开始与之发生化学反应生成少量的一氧化碳和二氧化碳;随着扩散的深入,焦炭的浓度开始增大(位置②处),从而使得氧的浓度迅速下降,而一氧化碳的浓度则相应上升,直至焦炭的浓度最大时(位置④处),氧的浓度降为0,同时一氧化碳的浓度则相应上升到最大值。在氧的浓度由 处向焦炭颗粒群中心④处一路递减,而一氧化碳的浓度由焦炭颗粒群中心处向远处一路递增的过程中,二氧化碳的浓度自①处开始先是逐渐递增,至碳与氧的浓度值相等的地方达到最大值(位置③处),此处的反应速率最快;随后又逐渐递减至碳的浓度最大处

图6　一组特征直线上的组分浓度分布

(位置④

处)。纵观整个浓度场发现,反应区(①

～④)内出现了燃料(C )和氧浓度重叠的现象,

观察L 2y 也是如此。分析其原因,主要由于在有限速率化学反应中,燃料处于极高的紊流流场中,旧的燃料还来不及和氧反应充分便被气流冲散了,取而代之的是新加入的燃料,从而使得在反应区内出现了未燃烧的燃料和氧。

比较L 1y 与L 2y 可以看到,与L 1y 相比,L 2y 上反应区的厚度稍窄,而碳的浓度极大值则稍高,且一氧化碳的浓度极大值稍低。由此表明L 1y 的反应程度比L 2y 上的大。这是因为,位于进煤口1下方的L 1y 与三次风进口正对,迎面而来的空气流量大;而与之相比L 2y 处的空气流量则相对小一些,故化学反应也不及L 1y 处的激烈。

(2)L 3y 与L 4y 从整体上看,这2条直线上的组分分布情况一致。分析L 3y 可知:从①到③处,

L 3y 上的组分浓度变化与L 1y 上的相一致,所不同

的是③处以后的分布情况。从③到④处,在此区间已经没有氧存在了,而碳含量则极高,其结果使得一氧化碳浓度迅速递减,而二氧化碳则几乎不存在了。

比较L 3y 与L 4y 可以看到,L 3y 上碳的浓度极大值与一氧化碳的浓度极大值都稍低于L 4y 上的相应值,且生成二氧化碳的量及其浓度极大值都明显

低于L 4y 上的。这是因为,位于进煤口3下方的

L 3y 靠近分解炉底部的烟气进口,由于上升烟气的

冲刷,一氧化碳来不及与氧进行充分的反应就被气

流带走,故而生成二氧化碳的量也不及L 4y 上的多。

4　结 论

(1)总的燃烧过程:煤粉自进煤口进入分解

炉后,在承载它的空气-烟气流的携带下弥散于炉膛空间。当煤中的挥发分绝大部分都释放出来并且烧掉后,焦炭开始燃烧。

(2)挥发分的释放、燃烧规律:自各进煤口进入高温炉膛内的煤粉,在初始运动方向上很快释放出几乎全部的挥发分,所释放出的挥发分随着承载煤粉的空气-烟气流一起旋转上升。其中与三次风进口位于同一侧的煤粉所释放出的挥发分燃烧掉

的量,远远大于空间位置与之相对另一侧的量。

(3)焦炭的燃烧机理:自同一个进煤口进入炉内的“煤粉流”所形成的“焦炭颗粒群”弥散于炉膛空间,以焦炭浓度最高处为核心,聚集成一个大的“焦炭体”,各部分的燃烧程度随着所接触到的氧浓度的高低而不同。其中,与三次风进口位于同一侧的煤粉所形成的“焦炭颗粒群”,因为被高速旋转的三次风气流充分分散,燃烧很充分。而空间位置与之相对的另一侧的煤粉,因为处于背风面,燃烧不是很充分,残余焦炭量较多。

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作者简介:谢峻林(1965-),女,浙江慈溪人,教授,主要从事材料生产过程中的燃料燃烧问题研究。

收稿日期:2005-01-26;责任编辑:刘军娥