旋流燃烧室内冷态和热态流场的三维数值模拟分析

采用RNGk-ε湍流模型以及有限化学反应速率涡破碎模型(Eddy break up)对Allied Signal公司75 kW微型燃气轮机旋流燃烧室内冷态和热态时气流三维流动过程进行了模拟计算。结果表明,燃烧室火焰筒内热态时与冷态时的流场相似,烧室火焰筒内都有3个回流区,3个回流区的存在将有助于燃料的连续点火和火焰的稳定;燃烧室内热态三维流场的中心回流区长度小于冷态时的中心回流区长度,气流的轴向速度也大于相应的冷态轴向速度,而且掺冷孔空气射流对环向速度分布的影响小于冷态时的影响。     

预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器流场特性作用研究

煤粉高效低氮燃烧技术是煤炭高效利用领域持续关注的热点。煤粉燃烧器作为煤粉锅炉的核心设备,研究适合多煤种、宽负荷条件的煤粉燃烧器设计原理及技术至关重要。逆喷射流稳燃机理大都应用在航空发动机和燃气轮机领域,在煤粉燃烧领域应用极少。前人大量研究了预燃室对旋流燃烧器流场特性的影响,但鲜见预燃室对逆喷旋流燃烧器流场影响的相关研究。为了探究预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器流场特性的影响规律,笔者针对一款20 t/h逆喷旋流燃烧器,基于等温模化原理建立冷态燃烧器模型,利用热线风速仪和飘带法进行了流场测试和分析,结果表明:预燃室的存在不改变逆喷旋流煤粉燃烧器回流区环形的形状,但在逆喷旋流煤粉燃烧器内形成一个有利于煤粉着火的轴向速度低和湍流强度大的回流区。在X/D<1.3区域内,由于圆锥形预燃室对气流的挤压作用,预燃室的存在对回流区的面积起到抑制作用;在1.32.3区域内,预燃室对燃烧器内部流场的作用减弱,可忽略不计。在预燃室的作用下,回流区最宽处的直径从0.97D降至0.86D,最大相对回流率位置从截面X/D=1后移到截面X/D=1.6处,相对回流率从1.17减小至0.99。预燃室的存在对二次风区域内的轴向平均速度和湍流度分布规律影响较大。无预燃室工况下,在X/D<0.6区域内,速度和湍流度均出现峰值,在X/D>1.6区域内峰值消失,内外二次风完全混合;有预燃室工况下,在X/D<0.6区域速度沿着径向方向逐渐增大,湍流度沿着径向方向逐渐减小,在X/D>1.6区域,速度和湍流度沿着径向方向分布均匀。预燃室的存在有利于回流区煤粉的稳定燃烧,工程应用中起到煤粉迅速着火以及难燃煤稳定燃烧的作用。另外预燃室壁面气流速度较大,刚性强,避免预燃室壁面超温或结焦现象的发生,延长了煤粉燃烧器无故障运行时间和整体的使用寿命。     

双锥燃烧器外侧风道传热分析

为解决煤粉工业锅炉燃烧器风冷外壁过热问题,通过数值模拟对双锥燃烧器外侧风道传热进行了分析。模拟结果与实际相符,燃烧器风冷前锥外壁存在条带状高温区,且最高温点位于二次风入口对侧。由于外壁面的切向热传导,实际温度分布比模拟结果均匀,但两者规律一致。在50%~100%负荷内,随着燃烧器负荷降低,由于煤粉在燃烧器中停留时间增长,燃烧进程增加,外壳温度呈显著上升趋势。分析了加入回流挡板、增设隔热层2种结构优化对燃烧器外侧风道传热的影响。2种方式均可有效缓解燃烧器外壁过热问题,但加入回流挡板增加了二次风阻力,增设隔热层会使风冷前锥温度上升。     

Texaco气化炉流场特性的模拟计算

采用CFD软件对Texaco气化炉进行建模,计算不同工况条件下的冷态流场特性,讨论了气体入口流速对流场影响的规律。模拟结果表明,Texaco气化炉燃烧室内存在射流区、管流区、回流区,回流区是影响气化炉内流场的主要因素,其面积随着入口速度增加而增大,而管流区面积随入口速度增加而减小;在径向流速分布图中,回流区气体流速具有明显拐点,管流区气体流速无明显拐点。     

新型双通道煤粉燃烧器流场模拟

为了优化新型双通道煤粉燃烧器结构参数,采用计算流体动力学软件建立燃烧器-回转窑物理模型,使用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对回转窑内流场进行冷态数值模拟。分析旋流角度和旋流风速变化对回流区的影响,结果表明:喷嘴附近二次风存在旋转现象;旋流风角度增大,回流区范围扩大,向靠近燃烧器方向移动,旋流风速增大,回流区范围增加幅度较小;低旋流角度,依赖轴向速度差卷吸二次风,高旋流角度加快旋流风径向扩散,不利于卷吸二次风。     

带有非对称结构钝体燃烧器出口流场的冷态对比实验

在矩形风洞中放置钝体以模拟燃烧器的冷态出口流场,用靠背毕托管对非对称结构钝体后的回流流场进行了实验测定,同时也测定了带有对称结构钝体后的回流流场作为比较对象。实验得到了各个流场在主流方向上的速度分布,同时由流函数的定义求出了流场的流函数值的分布。对照分析得出:在非对称结构钝体后有较长的回流区长度和不对称的旋涡对结构,同时偏心放置时旋涡对的不对称性更为明显。     

专利信息

内燃式陶瓷煤粉燃烧器 本发明涉及一种内燃式陶瓷煤粉燃烧器。该燃烧器有一个圆筒状的一次风室、一级燃烧室及二级燃烧室。一次风室的前端连接有喷头，一次风室的后端连接弯头；在一次风室的内部，由前至后首尾连接有二级燃烧室、一级燃烧室及点火源导管．点火源导管前端与二级燃烧室后端连接：在一级燃烧室、二级燃烧室及弯头的内壁和点火源导管的外壁上，分别均匀镶嵌有陶瓷瓦。     

撞击预燃式煤粉燃烧器优化研究

针对适用于低挥发分无烟煤燃烧的撞击预燃式燃烧器在运行过程中存在的燃烧不稳定,燃烧器出口结焦现象严重的问题,采用数值计算方法模拟燃烧器内和燃烧器出口的冷态流场分布及燃烧器内煤粉颗粒轨迹的分布,得出影响燃烧器回流特性的主要因素,并给出燃烧器的优化模型.     

回转窑内煤粉燃烧及气体分布的数值模拟研究

运用CFD数值模拟的方法 ,研究回转窑中煤粉燃烧及气体分布。冷态模拟结果显示窑内产生中心回流区、内回流区和外回流区;热态模拟,结合温度场对窑中各气体分布进行详尽的说明。     

大锥段注气对液-液水力旋流器分离性能的影响

针对油田含聚污水处理难度大的问题,利用CFD和多孔介质模型建立了旋流器内部流体的计算模型,数值模拟分析了大锥段注气旋流器内多相流体速度场和压力场的分布规律,结果表明:大锥段注气后,在旋流区和大锥段区的径向速度和流向溢流口的轴向速度明显提高,分离性能有所改善;产生的气浮选效应使混合液的分离难度降低,压力降减小,节约了能源。提出旋流器流场分界区的概念,研究表明在分界区注气能更好地改善分离效果,分界区的位置取决于旋流器的结构参数和操作参数。     

双锥燃烧室旋流强度的计算

为了得到双锥燃烧室内旋流强度的计算公式,同时分析旋流强度对燃烧室内流场分布的影响,论述了旋流强度的一般定义及物理意义,推导出双锥燃烧室在直叶片和错角叶片2种叶片下的旋流强度计算公式,发现2种计算公式存在相似性。利用计算流体力学软件模拟得到2种叶片不同旋流强度下的流场分布。对比燃烧室良好运行的条件,得到双锥燃烧室良好运行的旋流强度可选区间为1．37～1．64。最后分析了燃烧室在2种叶片不同旋流强度下的阻力损失,结果表明安装错角叶片的燃烧室阻力损失比安装直叶片的燃烧室阻力损失小。     

Computational modeling of a utility boiler tangentially-fired furnace retrofitted with swirl burners

The paper presents 3D numerical investigation of OP-380 boiler tangentially-fired furnace utilizing bituminous coal. The boiler was retrofitted by replacing traditional jet burners with RI-JET2 (Rapid Ignition — JET) swirl burners. This kind of solution is unique in power generation systems. The purpose of this work is to show how the flow, combustion performance and heat exchange in the furnace are affected by introducing rapid ignition phenomena in RI-JET2 burners instead of delayed ignition associated with the traditional jet burners. Results were compared to simulations of similarly designed boiler equipped with traditional jet burners. Furnace simulation was preceded with a single RI-JET2 burner simulation at the inlet to a virtual combustion chamber. The results have shown that pulverized coal (PC) concentrator separates the PC into two streams: concentric with fine particles and axial with coarse particles. Stable flame operation was noticed even without secondary and tertiary air swirl. 3D simulations of combustion chamber have shown that in a burner zone a visibly isolated, concentrated flame exists in the furnace axis. This kind of flame shape reduces corrosion risk and furnace walls slagging as a result of RI-JET2 burner's long range.     

逆向射流燃烧技术研究进展

逆向射流燃烧技术是可同时适用于燃气和燃煤领域的高效低污染燃烧技术,逆喷结构和射流流速比决定了其流场特性。笔者综述了逆向射流燃烧技术在燃气和燃煤领域的发展历史、研究现状和发展趋势。在燃气领域,逆向射流主要起稳定火焰作用,具有良好的燃料-空气混合条件,形成一个近似均匀的热流场,避免燃烧过程中出现局部热点,但目前仅为一种为燃气轮机和飞机发动机提供的探索性技术,工程应用还需克服燃料和空气在一个狭小空间里的流场合理控制以及从简化装置到工程放大等问题。在燃煤领域,对于煤粉燃烧器,逆向射流可形成一个可控组分、大小、形状和位置的回流区,且将煤粉直接送进回流区,还可控制煤粉在回流区内的停留时间,该技术与传统火焰稳定方式相比,火焰稳定能力更强、停留时间更长、污染更低,更适用于低阶煤的高效燃烧,目前,逆向射流燃烧技术耦合其他稳燃、低氮技术为煤粉高效清洁利用发展提供了新方向,且已有实际工程应用,但对于其机理研究不够深入,限制了其进一步发展与推广。对于电站锅炉,部分一次风或燃尽风逆向偏转射入炉内,可缓解四角切圆燃烧方式下炉膛出口烟气的烟速和烟温偏差,目前主要是燃尽风反切的工业应用,但如何合理控制燃尽风反切角度、反切动量以及反切层数等关键问题还需进一步研究。     

涡流技术在降低水煤浆燃烧产物中有毒物质的应用

为了在试验台和半工业性试验时,确定水煤浆燃烧过程中释放的气体中有害气体的质量浓度,采用涡流燃烧工艺,对水煤浆燃烧时释放气体的成分进行了试验研究。结果表明:采用涡流燃烧工艺,由于化学不完全燃烧减少,气体释放物中的CO含量随燃烧室温度提高而降低,NOx含量甚至低于标准值。这主要是因为涡流燃烧室燃料燃烧温度相对不高;喷射水煤浆的颗粒在燃烧层停留时间长,可以完全燃烧。该水煤浆燃烧工艺可以减少有害物质向大气的释放。     

Mathematical modeling of combustion and gasification of a wet coal slab—I: Model development and verification

A one-dimensional model has been developed for the simultaneous drying and combustion of a semi-infinite wet coal slab. The model takes into account the vaporization of coal moisture and the existence of a moving evaporation front, pyrolysis and char/gas reactions occurring in the dry coal zone, Darcy flow of vapor and gases through the coal, variation in porosity and permeability of the coal, temperature dependence of the physical properties of the coal, transpiration cooling effect of the water vapor and pyrolysis gases, multi-component diffusion in the ash and gas film, and oxidation reactions in the ash. The model is capable of predicting the flame position, the combustion rate, the flame temperature, and the temperature on the coal surface.The performance of the model is compared with experimental data. Agreement between the computed results and the observed data is good.     

涡旋式分解炉中煤及垃圾衍生燃料共燃烧耦合CaCO3分解的数值模拟

针对一实际尺寸的带下置涡流室的分解炉进行了数值模拟,探讨了煤、垃圾衍生燃料（RDF）两种燃料共燃与碳酸钙分解相耦合的化学反应过程。计算所得煤粉及RDF燃烬率分别为99%和100%,碳酸钙分解率为95%,与工程实际数据吻合较好。结果表明：煤粉自涡流室顶部入炉后,先向下俯冲,再在气流的携带下转而向上运动,在分解炉柱体部分螺旋上升,其燃烧时以焦炭燃烧占主导,在涡流室上方的锥体部分及锥体部分上方的下半柱体部分形成主燃区;RDF自分解炉柱体部分下部水平入炉后,先运动至中部,旋即与煤粉流交织在一起螺旋上升,其燃烧时以挥发分燃烧占主导,在分解炉下半柱体部分形成主燃区;CaCO₃自涡流室顶部入炉后,首先在涡流室及其下方的锥体部分做涡旋运动,一部分因吸收高温气流的热量而分解,剩余大部分上旋至燃料主燃烧区,因吸收燃烧所释放的热量而分解;燃料燃烧放热与CaCO₃吸热分解相耦合后,最终在分解炉柱体部分形成了均匀、稳定的温度场。     

新型旋流式氧煤喷枪的喷煤特性

对比研究了一种新型旋流式氧煤喷枪与普通单管喷枪的喷煤特性,主要考察了直吹管内流场、浓度场及煤粉的燃烧情况. 结果表明,采用该氧煤枪喷吹时,在直吹管内形成的低速区面积更大,在距喷枪口30 mm范围内形成了明显的回流区,在距喷枪口200 mm范围内形成了富氧、富煤的强湍流区域;与普通单管喷枪相比,旋流式氧煤喷枪使煤粉温度提高近100 K,有助于挥发分挥发,燃尽率由4.96%提高到15.53%.     

Multiphase flow simulation of a simplified coal pulveriser

In coal-fired power plants, the first major component is pulveriser, whose performance dictates the total power station efficiency. Pulveriser is employed to grind the lumped coal and transport the fine coal powder to furnace chamber for an efficient combustion. In this study, we have simulated motion of air and coal particles inside a commercial-scale pulveriser. Multiphase flow simulation of a simplified pulveriser was carried out using a granular Eulerian–Eulerian approach. Due to inclined air-distributor vanes, the flow field within pulveriser was slightly asymmetric. Regions of exceptionally high velocities were predicted close to the outer walls of the pulveriser, indicating a strong probability of particles carryover within these regions. The 100 μm coal particles qualitatively followed the air path-lines. However, the velocity vectors for 500 μm particle deviated significantly from those of airflow. The results presented in the paper provide impetus for the development of a complex pulveriser model, which further could prove valuable to designers for optimisation of components within the mill.