进口堵塞对旋流煤粉燃烧器NO生成
影响的数值模拟张宇，周力行，张健（清华大学工程力学系，煤的清洁燃烧国家重点实验室,北京100084）
摘要：针对研制低污染旋流煤粉燃烧器，探讨进口堵塞对NO生成的影响。用NO生成的统一二阶矩代数模型，HCN释放的简化Solomon模型和煤粉燃烧的全双流体模型，对进口堵塞对锅炉旋流煤粉燃烧器NO生成的影响进行了数值模拟，给出了温度、湍流动能、煤粉浓度和NO浓度分布。典型进口的模拟结果和文献中给出的实验结果符合较好。数值模拟探讨了进口堵塞位置和尺寸对NO生成的影响。模拟结果指出，在一次风和二次风进口之间加堵塞可以显著降低煤粉燃烧的氮氧化物排放。
关键词：煤粉燃烧器；NO生成；堵塞1引言
旋流燃烧器广泛应用于电站锅炉中。研制低污染旋流煤粉燃烧器具有重要应用价值，在实际应用中合理的利用流动因素可以降低锅炉的NO排放[1]，而对于旋流煤粉燃烧器,数值模拟和实验研究都发现[2]当旋流数增大时，总的NO排放先降低，然后增加，有一个NO排放最低的旋流数。但是煤粉燃烧的旋流数还影响火焰稳定和燃尽率，不能任意改变，因此必须寻求其他的空气动力学方法改变进口处的湍流度和燃料与空气的混合状况来降低NO排放。一种可能的方法是改变进口处的堵塞尺寸和位置。在航空发动机中主要针对液雾燃烧的火焰稳定问题进行过堵塞的研究。堵塞物起着相当于钝体或突扩的作用[3]，可以产生回流区并改变燃料浓度分布。虽然加大堵塞可以增强火焰稳定，但增大了流动阻力，因此有最佳的堵塞度。关于堵塞对煤粉燃烧NO排放的影响，尚缺乏专门的研究。可以预见，由于堵塞影响回流区，必然影响湍流度、燃烧温度和煤粉浓度分布，因此会影响NO生成。文[4]曾对两种不同堵塞和供粉位置的煤粉燃烧NOx排放进行了实验研究。本文则用数值模拟方法，采用NO生成湍流反应的统一二阶矩代数模型，HCN释放的简化Solomon模型、全双流体模型框架内的k-e-kp两相湍流模型、EBU-Arrhenius燃烧模型、六热流辐射模型及CH4释放的双反应模型，对不同堵塞位置和尺寸的旋流煤粉燃烧NO生成进行了数值模拟，将典型进口的模拟结果和文[4]的实验结果进行对比，然后系统地探讨改变进口堵塞位置和尺寸对NO排放的影响，以便为研制低NO旋流煤粉燃烧器提供依据。
2NO生成湍流反应的统一二阶矩代数模型和煤粉燃烧的双流体模型
本文对煤粉燃烧NO排放进行数值模拟的特点是，对热NO和燃料NO生成的湍流反应率采用基于Zeldovich和Desoete反应动力学的二阶矩湍流反应代数模型(AUSM)，对煤中氮的释放采用简化的Solomon模型[5]，对气粒两相流动和煤粉燃烧用全双流体模型[6]，在欧拉坐标系下求解气粒两相各自的质量守恒、动量守恒和能量守恒方程。其中的各个子模型是，对两相湍流采用k-e-kp模型，对气相燃烧采用EBU-Arrhenius模型，对辐射传热采用六热流模型，对煤粒中水分蒸发采用扩散模型，对煤的热解采用双平行反应模型，对焦炭燃烧采用扩散-动力模型，详见文[6]。
对煤粉燃烧的热NO的反应动力学采用Zeldovich机理[7]。可以简化为如下的3个反应：对燃料NO的反应动力学用DeSoete模型[8]，主要有以下3个反应：其中反应(d)描述的是煤中释放的HCN和空气中的氧气反应生成NO的过程，反应(e)描述的是NO被HCN还原成氮气的过程，反应(f)描述的是NO被残碳还原成氮气的过程。表1给出上述几种反应的动力学参数(K=Bexp(-E/RT)。　　对NO湍流反应率，用统一二阶矩代数模型，其表达式为[5]其中的温度脉动或焓的脉动取决于
式中W为氮释放的速率；GN为挥发分中氮的释放速率；GC为焦碳反应中氮释放的速率；BN1，EN1和BN2，EN2分别为挥发分中氮在低温和高温情况下释放的动力学参数；b1，b2分别为低温释放功能团和高温释放功能团在原煤中的含量；md,k为daf煤质量；M为分子量。
按照全双流体模型，柱坐标系下三维湍流两相流动与煤粉燃烧的稳态控制方程组可表达为如下通用形式：
气相控制方程组颗粒相控制方程组对边界条件，认为各变量在出口处达到充分发展，沿纵向梯度为零。在轴线处取对称条件。在壁面处，对气体采用速度无滑移条件，零梯度浓度条件和给定壁面温度。对颗粒，在壁面处取与壁面平行的速度梯度为零，对垂直于壁面的速度和颗粒浓度梯度，取为零。对气固两相的数值解法均采用SIMPLEC算法，即p-v修正，TDMA逐面和逐线迭代以及低松弛法。收敛准则为两相最大余源和均小于10-3。
3旋流煤粉燃烧和NO生成的数值模拟
本文模拟对象是文[3]测量的煤粉燃烧室，其几何形状如图1所示。表2给出了燃烧室的几何尺寸，表3给出了燃烧器的入口一次风，二次风的质量流量，煤粉质量流量以及一、二次风的旋流数，表4给出了煤粉的工业分析结果。进口的煤粉平均颗粒直径为45mm。图2是4种进口堵塞条件的示意图，表5给出了对应的具体进风位置。在PIII550的计算机上，运行环境为FORTRAN4.0下，运行一个工况需要3天左右。图3和图4为工况１温度分布和NO浓度分布的预报值和实验值对比，图5和图6为工况2温度分布和NO浓度分布的预报值和实验值对比。可以看出，预报值与实验值符合较好。以上几个图表明，本文的模拟是合理的。图7和图8是工况2和工况3的湍动能等值线分布图。从中看出，工况2的湍动能高于工况3的，而预报结果表明工况1的湍动能比工况2的还要高。可见堵塞增加湍动能；图9图和10是工况3和工况4的温度等值线。可以看出，尽管工况4的堵塞阻碍一、二次风混合，但由于面积较小，和不加堵塞的工况3比起来，仍然可以起到提高燃烧温度，稳定燃烧的作用；图11图12是工况2和工况4的煤粉浓度等值线，从中可以看出，工况4由于堵塞面积减少，对煤粉和二次风混合的阻碍作用也减弱，因而煤粉浓度下降的更快。图13和图14是工况3和工况4的NO浓度等值线。表6给出了4种进口条件下的出口截面平均NO排放浓度。从中可看出，工况1的排放最高，工况2的排放最低，工况3和工况4的排放介于二者之间，其中工况4的排放低于工况3的。影响NO排放的是湍流度、温度和煤粉浓度分布，其中煤粉浓度分布尤其重要。对于湍流度，无论是把堵塞加在中心还是一、二次风之间，都会增强湍流，其中中心堵塞加强湍流更明显；而对于温度，把堵塞加在中心会使燃烧剧烈，提高燃烧温度，把堵塞加在一、二次风之间，如果堵塞面积过大会过分影响一、二次风的混合，对燃烧不利，如果面积合适，仍然可以起到提高燃烧温度，稳定燃烧的作用；对于煤粉浓度，在中心设置堵塞，会使煤粉向二次风方向浓缩，加剧燃料与空气的混合，使NO大量生成，而把堵塞加在一、二次风之间，可以有效地减弱一、二次风的混合，使回流区煤粉浓度提高，从而降低NO。正是由于以上原因，工况1的NO排放最高而工况2的NO排放最低。但是堵塞的位置和面积同时影响着燃烧温度和湍流度，所以NO排放不是优化的唯一标准，需要进一步研究最合理的堵塞位置和尺寸。4结论
（1）本文的煤粉燃烧NO生成的数值模拟结果和实验符合较好，表明数值模拟是可靠的。
（2）一、二次风之间设置环形堵塞物，煤粉由中心供入，会显著降低NO排放。
（3）中心处设置堵塞物，煤粉由周围供入，会使NO排放增加。
（4）不设堵塞物时的NO排放要高于设环形堵塞物时的NO排放,而低于设中心堵塞物时的NO排放。
（5）堵塞面积过大，有可能在降低NO排放的同时过分降低燃烧温度。
（6）需要进一步研究最合理的堵塞位置和尺寸。参考文献
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[2]张宇，周力行，张健(ZhangYu,ZhouLixing,ZhangJian).旋流对煤粉燃烧NO排放影响的数值模拟(NumericalsimulationofeffectofswirlonNOformationincoalcombustion)[A].中国工程热物理学会燃烧学学术会议论文集(ProceedingsofSymposiumonCombustion,ChineseSocietyofEngineeringThermophysics)[C].南京(Nanjing)，2002：144-150
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[5]张宇，周力行，张健(Zhangyu,Zhoulixing,ZhangJian).煤粉燃烧NO生成的Solomon热解模型(AsimplifiedsolomonmodelforNOforma[1][2]下一页