等离子燃烧机多级燃烧特性数值模拟

1  引言

    电站煤粉锅炉等离子点火与稳燃技术已经成功应用于100多台木同容量、不同燃烧方式、燃用不同煤种的锅炉，其中有20多台600MW机组的基建锅炉机组已经成功应用该技术。采用等离子点火技术可大大节约燃油，以内蒙古大唐托克托发电有限责任公司1号600MW新建机组为例，该机组在基建调试初期即应用该技术，仅调试期间节油超过7000t，获得经济效益2000万元以上，取得了良好的经济和社会效益‘1]。该点火装置中，等离子燃烧机的点火燃烧特性一直是倍受关注的焦点。本文用数值仿真软件Fluent对其点火特性进行了模拟，分析了内燃式等离子燃烧机的燃烧特性，并与热态点火实验和工程应用的结果进行了比较。

2  等离子体的点火特性与等离子燃烧机的基本原理

2.1  等离子体对煤粉的点火特性

    高温等离子体作为煤粉空气混合物的点火热源有着不同于常规油枪点火的机理和特点。主要表现在：等离子体的高温特性，对煤粉的热化学作用可以再造挥发分、生成低着火点的双组分燃料离子体能加速热化学转换，强化煤粉空气混合物的燃烧，并促使燃料完全燃烧；等离子体能以较低的点火功率实现大功率的点火效果

    由于等离子体的高温作用，使煤粒二次破碎形成了更多的细煤粒、产生了自由活化基以及加速化学反应的碳氧化合物。煤粒的二次破碎增大了煤粉的着火表面积，使煤粉着火更加容易；自由活化基的产生使反应速度加快，活化能降低使反应更加易于进行；碳氧化合物的生成使燃烧速度加快。在用等离子体点燃煤粉空气混合物时，测试和分析煤一等离子体相互作用功率和热化学特性表明：点燃相同质量的煤粉，使用等离子体的能耗按照热当量计算仅为油、气所需能耗的10%左右。

2.2  等离子燃烧机的基本原理

    等离子煤粉燃烧机属于内燃式燃烧机，套筒式HM型等离子燃烧机的点火热源为DL2200型等离子发生器，其功率为150-200kW，并连续可调。等离子燃烧机的设计采用了“以小点大、逐级点火”的方式，也就是让等离子体首先点燃小部分煤粉（第一级煤粉，又称中心筒煤粉），待这部分煤粉稳定燃烧后再去点燃第二级煤粉，进而再用这两级煤粉火焰去点燃余下的煤粉。这样，就形咸了逐级点火、分级燃烧的着火环境，提高了点火能力，确保实现大型锅炉的安全无油点火和稳燃。

    等离子燃烧机与一般定义的角置式直流切圆燃烧机不同之处在于部分一次风煤粉混合物在进入炉膛之前已被点燃，相同之处是含粉气流的主要燃烧是通过与其它角置式直流燃烧机形成的切圆燃烧完成，或者与旋流燃烧机组织的墙式燃烧等燃烧方式完成。由于内燃式燃烧机工作在高温煤粉火焰环境中，与煤粉预燃室煤粉燃烧机有一定的相似之处，分析煤粉空气混合物在燃烧机内的点火（着

火）特性，对掌握其内燃特点，确保燃烧机的安全具有重要意义。    

经过等离子煤粉燃烧机的煤粉空气混合物，其整个燃烧过程可以分为在等离子燃烧机内部点火（着火）阶段和进入锅炉炉膛的继续燃烧燃尽两个阶段。因进入炉膛后的燃烧特性与锅炉燃烧的组织（切圆燃烧或墙式燃烧）、流动的传热与混合特性等有关，即进入炉膛后，流动和传热的边界条件与HM等离子燃烧机内部并不相同。本文着重分析在等离子燃烧机内部点火（着火）阶段，并将炉膛简化为一个大空间的燃烧室，忽略炉内其他燃烧机的PDF文件使用”pdf Fact o『V Pro”试用版本创建影响，分析从等离子燃烧机喷口到形成稳定燃烧的火焰的燃烧过程。并侧重讦算分析等离子燃烧机内煤粉着火位置、沿燃烧机中心轴线的温度变化、断面温度分布以及煤粉燃烧析出物成分的变化等。

3  等离子燃烧机燃烧特性数值模拟的意义

    为了设计性能良好的等离子燃烧机，通常采用首先在试验室针对不同容量不同煤种的等离子燃烧机进行冷态模化、热态点火实验，并在此基础上设计各型等离子燃烧机的方式。工程实践表明，该方案是可行的，目前多个燃煤发电厂已成功应用了采用这种方式设计的等离子燃烧机。然而，由于受到测试手段等限制，对于等离子燃烧机的着火、燃烧特性的了解仍然有限，使等离子燃烧机的设计更多地停留在设计经验的基础上。为了进一步分析了解其燃烧特性，本文用数值仿真软件Fluent对其火特性进行了模拟[5-6]。

4  等离子燃烧机点火特性的数值模拟

4.1  模拟条件

    本文模拟的等离子燃烧机为圆筒型、逐级点火、分级燃烧式的燃烧机。由于煤粉燃烧过程的模拟是一个复杂的过程，包括挥发分析出、焦炭燃烧、辐射传热、颗粒运动、气相流动和燃烧等[7-9]。为了简化计算，视其流动为轴对称，燃烧筒内气相的湍流流动选择标准的k-epsilon模型，煤粉颗粒相流动采用随机轨道法，计算中追踪了lOOxl0个粒子（取100个直径，母个直径取10个粒子）。气相湍流反应使用Two mixture fraction/PDF模型，挥发分析出模型为Two-competing-rates模型，燃烧模型是kinetics/diffusion-limited模型。辐射传热选用P1模型。燃烧筒的数值模拟采用第一类边界条件，给定了壁面的温度。湍流流动的近壁面采用标准壁面函数。并假定等离子燃烧机与一个大空间的燃烧室为一体，忽略炉内其他燃烧机的影响[10]。

4.2问题描述

    圆筒型等离子燃烧机简化的二维计算区域见图1，其中，等离子燃烧机区域是按照实物尺寸进行模拟的，而炉膛则视为一大空间的燃烧室。燃烧机入口处的风粉混合物速度均匀分布，速度为“。按照线喷方式进入燃烧机的各级燃烧区。为了提高一级点火筒的点火效果，在燃烧机入口前段设计安装了煤粉浓缩装置，经两相流实验测得：一级点火筒煤粉浓度为0.46kg/kg;进入二级燃烧筒的煤粉浓假设煤粉直径分布遵循Rosin-Rammler规律，范围从70-260ym，平均直径为160linl[13]。假设气体的导热系数和粘度为常数，这在湍流输运占主要地位的系统中是合理的。燃烧计算中，炉内气体的辐射吸收系数和散射系数分别按wsggm-cell-based和Om-1（认为各问同性）计算[14-16]。

4.3网格划分

    使用Gambit软件对上述问题划分网格，共划分了80500规则四边形网格[17-19]。

5计算结果与分析

    在上述边界条件下，用Fluent软件对等离子燃烧机的点火、燃烧特性进行了模拟。

    图2显示的是等离子燃烧机一次风入口速度“=25m/s，T=350K工况下（即：从磨煤机出口煤粉空气混合物的温度为350K，一次风管道风速为25m/s)，煤粉进入等离子燃烧机着火后的火焰温度特性分布图。该图表明等离子燃烧机的内部温度较高，而筒式燃烧机的外壁温度却较低，这样的工况

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图2等离子燃烧机煤粉火焰温度特性分布图

对延长等离子燃烧机的寿命是有利的。

    图3为一级点火筒内，煤粉火焰的温度分布图。从图中可见：一级筒煤粉在/i/Di=I附近（Li指从一级筒入口沿燃烧机出口方向的长度，Di为一级筒的直径），煤粉已经开始着火。在/1／Di=2附近，一级煤粉火熘高温区域增大，煤粉燃烧加快。

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图3-级点火简内煤粉火焰温度分布图

    图4为一级点火筒内中心线上温度变化曲线，从图中可见，一级筒煤粉的温度首先降低，然后逐渐升高，在/1／Di=I附近，煤粉着火，温度迅速升高。分析其原因是：一级煤粉吸收等离子体的热量后，使混合物温度首先降低，而煤粉的温度则逐渐升高，一部分挥发分析出后，燃烧放热，致使整体

  表明含煤粉气流进入一级点火筒后其温度首先从2000K降至1600K (0-200mm)，其主要原因是含粉气流的显热被煤粉水分吸收并气化，因此带走大量热量；同时，煤粉挥发分的析出，以及加热灰分、固定碳等也都是一个吸热过程。这些因素的综合作用导致混合物温度首先降低。

    由于位于中心部位的煤粉首先着火，形成的高温火焰主要通过对流、辐射方式向外围、径向四周的大量煤粉空气混合物释放热量；此时，外围煤粉着火消耗大量氧气，而中心线上的煤粉形成局部缺氧区，其少量余碳的燃烧受到抑制。因此，在/i/Di>I后（即S=500mm后）温度迅速降低（从2400K降到1900K）。

    图5为二级点火筒中心线沿喷口方向的温度变化曲线，从图中可见，二级筒煤粉的温度虽然也有一个先降低然后升高的过程，但其幅度明显比一级筒的温度变化小。一级燃烧筒内，中心部位的煤粉空气混合物温度降到1600K左右后开始升高(见图4)，而二级燃烧筒内，中心部位的煤粉空气混合物温度降到1780K左右就开始升高（见图5）。表明二级燃烧筒内着火工况优于一级燃烧筒，而且整个

二级筒内的温度叱较均匀。分析其主要原因是：与一级燃烧筒相比，用于加热二级煤粉的热量占二级燃烧筒总热量较少，被等离子加热进而迅速燃烧后释放出的热量，被进入二级燃烧筒的煤粉吸收热量的份额相对较小，而且，因一级煤粉中的碳在二级燃烧筒继续燃烧，不断释放热量，从总体上提高了二级燃烧筒的温度水平。

  可以看出，当二级煤粉进入高温煤粉火焰后，由于处于良好的高温环境，二级煤粉迅速着火燃烧。在二级燃烧筒区域，煤粉火焰中心温度较高，而二级燃烧筒近壁处温度偏低，形成了粉包火的燃烧工况。

    图6为二级点火筒内，煤粉火焰的温度分布图，从图中可见，在二级筒入口处，一级筒内已经点燃的煤粉继续燃烧，由于受到二级煤粉的影响，总体温度有一个升高的幅度不大。在/2/D2=2附近(/2为从二级筒的入口沿燃烧机出口方向的长度，D2为二级筒的直径），二级煤粉开始着火，二级筒中心高温区扩大。在/2/D2=2.5咐近，二级煤粉火焰温度达到最大值。

   二级燃烧筒出口有个环状高温区，四周温度低。燃烧筒内壁的温度在允许的范围内，燃烧机是安全的。图8为元宝山发电厂3号炉启动初期，等离子燃烧机壁温变化曲线（该曲线由等

可以看出，燃烧机壁温基本上呈现出均匀上升的趋势，且在整个点火启动阶段，燃烧机壁温最高温度为315。c，低于燃烧机耐热钢允许的最高温度。工业运行结果与计算结果基本一致。

    图9为从等离子体点燃一级筒煤粉到全部煤粉火燃烧的温度变化曲线，从图中可以看出：在前两级煤粉火焰的加热作用下，其温度逐渐升高，在距离燃烧机喷口约2m处着火燃烧，形成稳定燃烧的火焰。从燃烧机喷口到高温燃烧的火球的整个燃烧过程中，煤粉火焰温度首先下降，然后再升高。分析其主要原因是由于刚进入炉膛的火焰被从四周进入的三级煤粉气流吸热，同时又向炉膛释放热量所致。而高温燃烧的火球就是被加热的煤粉达到着火点后迅速燃烧的结果。

煤粉在一级燃烧筒受等离子体高温热化学作用后，在离开等离子体点火区距离约Di (Di为一级简直径)的部位，首先着火。在一级燃烧筒出口，加入二级煤粉在二级燃烧筒内受热升温，在距离二级燃烧筒入口2D，（D2为二级燃烧简直径）处开始着火燃烧。三级煤粉伴随二级燃烧筒出口的煤粉火焰进入炉膛，在距离二级煅烧筒出口约2m处开始着火，并形成稳定的火球状火焰。在等离子燃烧机喷口形成了“粉包火”的着火工况。计算结果还表明：燃烧机燃尽率较高，当形成稳定的火焰时，挥发分已经完全燃烧，碳的燃尽率达到46%以上；燃烧机内壁温度较低，等离子燃烧机可长期安全运行。该模拟结果与热态点火试验和现场工业运行得到的等离子燃烧机点火特性基本一致。

    由于该型等离子燃烧机的喷口呈现“粉包火”的工况，因此，现场点火时，发现等离子燃烧机喷口处火光较弱属于正常现象，但并非燃烧效果欠佳。虽然燃烧机壁温不高，但其燃烧效率是较高的。该模拟为等离子燃烧机现场运行提供了参考。

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