| 旋流風(fēng)對(duì)窯用四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)氣相流場(chǎng)的影響 |
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旋流風(fēng)對(duì)窯用四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)氣相流場(chǎng)的影響 摘要： 通過(guò)數(shù)值模擬的方海采用重整化群( RNC) K-e方程分析了旋流風(fēng)速度和旋流角的變化對(duì)四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣相流場(chǎng)的影響。結(jié)果表明：旋流風(fēng)速度增大，回流區(qū)增大且沿生物質(zhì)燃燒機(jī)徑向外移，旋流角減小，回流區(qū)增大，沿軸向前移。在此基礎(chǔ)上針對(duì)低揮發(fā)分煤揮發(fā)分少，著火點(diǎn)高，燃燼時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，提出應(yīng)同時(shí)提高旋流風(fēng)速度和減小旋流角的低揮發(fā)分煤燃燒技術(shù)，對(duì)于工業(yè)上合理選擇生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作參數(shù)及燃用低揮發(fā)分煤有重要的指導(dǎo)意義。 強(qiáng)化煅燒是提高水泥質(zhì)量的必然要求0 1]，但強(qiáng)化煅燒所造成的局部高溫不僅減少了窯皮的使用壽命，而且增加了NO。的排放量。因此，調(diào)整生物質(zhì)燃燒機(jī)的工藝參數(shù)以控制生物質(zhì)燃燒機(jī)的火焰形狀，使之既能滿足水泥生產(chǎn)的工藝要求，又不影響窯系統(tǒng)的使用壽命，同時(shí)降低環(huán)境污染，是生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。 水泥回轉(zhuǎn)窯窯頭燃燒火焰的溫度高達(dá)1 800℃其燃燒已進(jìn)入固相擴(kuò)散控制區(qū)[刁。在固相擴(kuò)散控制區(qū)煤粉的燃燒速率取決于其擴(kuò)散速率，即煤粉與空氣的混合速率及火焰區(qū)的湍流強(qiáng)度。因此，火焰形狀控制主要由生物質(zhì)燃燒機(jī)出口射流旋流強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)。研究表明：隨旋流強(qiáng)度增加，火焰變粗、交短，可強(qiáng)化火焰對(duì)熟料的熱輻射。因此其出口射流旋流強(qiáng)度被稱為火焰形狀系裂3。但過(guò)強(qiáng)的旋流會(huì)引起雙峰（發(fā)散）火焰，易使窯皮局部過(guò)熱剝落；同時(shí)也使噴嘴直接接觸火焰根部而被燒壞，因此在操作中調(diào)節(jié)生物質(zhì)燃燒機(jī)的旋流強(qiáng)度是很重要的。然而，利用傳統(tǒng)的冷態(tài)實(shí)驗(yàn)方法確定生物質(zhì)燃燒機(jī)的工作參數(shù)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且不能反映窯內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)的火焰形狀和溫度分布[ 4。為此，運(yùn)用數(shù)值模擬的方法，結(jié)合生物質(zhì)燃燒機(jī)的應(yīng)用理論，對(duì)某新型干法水泥廠的四通道生物質(zhì)燃燒機(jī)在回轉(zhuǎn)窯內(nèi)的氣相流動(dòng)進(jìn)行探討，分析旋流風(fēng)參數(shù)對(duì)窯內(nèi)流場(chǎng)的影響，生物質(zhì)燃燒機(jī)工程應(yīng)用 1 計(jì)算的基本方法與邊界條件 1.1 控制方程 樊建人、岑可法等研究表明[5]：在中心回流區(qū)附近，重整化群(RNG)K一￡模型計(jì)算的軸向速度比標(biāo)準(zhǔn)K一￡模型計(jì)算的結(jié)果要更加符合實(shí)驗(yàn)值，標(biāo)準(zhǔn)K-￡模型計(jì)算得到的中心回流區(qū)比實(shí)際的要短；在中心回流區(qū)外的區(qū)域，2個(gè)模型對(duì)軸向速度的計(jì)算精確度區(qū)別不大。采用重整化群K一￡雙方程模型進(jìn)行計(jì)算。 1.4數(shù)值方法 采用二階迎風(fēng)的差分格式，對(duì)于離散方程組的壓力和速度耦合采用SIMPLE算法，求解方程采用TDMA的逐面迭代及低松弛因子，同時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)壁函數(shù)，收斂標(biāo)準(zhǔn)為各余項(xiàng)K10_ 3。 由于回轉(zhuǎn)窯的直徑(5 m)與生物質(zhì)燃燒機(jī)的直徑(0.435 m)比例高達(dá)10.1倍，因此計(jì)算時(shí)其附壁效應(yīng)可以忽略。 2計(jì)算結(jié)果與討論 2.1 旋流風(fēng)速度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)氣相流動(dòng)的影響 旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是能夠產(chǎn)生中心回流區(qū)，使高溫?zé)煔饣亓，加熱煤粉與空氣的混合物，使其順利著火燃燒，因此，中心回流區(qū)是衡量旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)的一個(gè)重要的性能指標(biāo)。 圖2、圖3、圖4分別為旋流角不變時(shí)，旋流風(fēng)速分別為160 m/s、200 m/s、240 m/s時(shí)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口3m內(nèi)氣相速度流場(chǎng)。除圖2二次風(fēng)本身形成了2個(gè)獨(dú)立的回流區(qū)外，其余各圖均有對(duì)稱的6個(gè)回流區(qū)，由于對(duì)稱的關(guān)系，分別俞名為回流區(qū)1、2、3（圖4）；亓鲄^(qū)1的形成是由于切向旋流風(fēng)速度作用的結(jié)果，主要卷吸二次風(fēng)；而回流區(qū)2的形成是由于直流外風(fēng)和旋流風(fēng)軸向風(fēng)速較大，與周圍空氣場(chǎng)形成的速差射流的結(jié)果，卷吸高溫?zé)煔猓换亓鲄^(qū)3則是僅由旋流風(fēng)軸向速度與中心風(fēng)的速差射流引起的，卷吸中心風(fēng)。 當(dāng)旋流風(fēng)速度增大時(shí)，切向速度（動(dòng)量）與軸向速度（動(dòng)量）線性增大，因此此時(shí)的旋流強(qiáng)度僅與其切向氣流的旋轉(zhuǎn)半徑有關(guān)。而由于切向速度增加，其旋轉(zhuǎn)半徑增大，因而其旋流強(qiáng)度增大，圖4中顯示為回流區(qū) 2、3沿切向外移。 2.2旋流風(fēng)角度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)氣相流動(dòng)的影響 當(dāng)旋流角增大時(shí)，其切向速度減小，軸向速度增大，因而旋流強(qiáng)度增大。對(duì)比旋流角分別為20。、2 50、30。（圖3、圖5、圖6）時(shí)的速度矢量圖可以發(fā)現(xiàn)：旋流角增大時(shí)，其軸向速度衰減減慢，回流區(qū)1、2速度梯度減小，且沿軸線前移。 2.3旋流風(fēng)速度、旋流角對(duì)低揮發(fā)分煤粉燃燒的影響的理論分析 劣質(zhì)煤的燃燒是水泥工業(yè)一個(gè)長(zhǎng)期研究的課題。其中低揮發(fā)分煤由于其揮發(fā)分少，著火點(diǎn)高，給燃用造成了很大的困難。在伎用低揮發(fā)分煤時(shí)，火焰的氣體流場(chǎng)是非常重要的，因?yàn)榈蛽]發(fā)分燃料揮發(fā)分含量低，揮發(fā)分燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以使炭粒加熱到著火溫度而使燃燒持續(xù)進(jìn)行。確保低揮發(fā)分煤持續(xù)點(diǎn)燃的最簡(jiǎn)便方法是增加火焰內(nèi)循環(huán)量，使下游熾熱的燃燒產(chǎn)物回流到火焰根部以提高該處一次風(fēng)和煤粉溫度。 由數(shù)值模擬結(jié)果可知：當(dāng)旋流風(fēng)速度增大時(shí)，旋流強(qiáng)度增加，回流區(qū)2回流效應(yīng)增強(qiáng)，回流的高溫?zé)煔饬吭龆，使煤粉迅速升溫燃燒。但由于低揮發(fā)分煤的燃燼時(shí)間長(zhǎng)，僅增加旋流風(fēng)速度，容易造成燃燒區(qū)延長(zhǎng)，不滿足水泥快冷快燒的要求，不利于提高水泥質(zhì)量。因此，減小旋流角以提高旋流強(qiáng)度是燃燒低揮發(fā)分煤必要的手段。同樣，僅減小旋流角以提高旋流強(qiáng)度也是不可取的，由圖4可見(jiàn)，僅減小旋流角將使燃燒區(qū)過(guò)分靠近生物質(zhì)燃燒機(jī)出口，從而使生物質(zhì)燃燒機(jī)變形，影響生物質(zhì)燃燒機(jī)的使用壽命，同時(shí)由于局部溫度過(guò)高也容易形成NO。污染環(huán)境。因此在水泥工業(yè)的實(shí)際應(yīng)用中燃用低揮發(fā)分煤時(shí)應(yīng)在提高旋流風(fēng)的速度的同時(shí)減小旋流以形成合理的溫度場(chǎng)，滿足水泥生產(chǎn)的要求。 3 結(jié)論 a·通過(guò)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的數(shù)值模擬，結(jié)果表明：旋流風(fēng)速度增加，回流區(qū)尺寸增大，且相對(duì)中心線外移；旋流角減小，回流區(qū)延軸向前移，回流區(qū)尺寸也增大。 b．對(duì)于永泥工業(yè)用低揮發(fā)分煤的燃燒的理論分析結(jié)合數(shù)值模擬的結(jié)果表明：應(yīng)在提高旋流風(fēng)的速度的同時(shí)減小旋流角，以形成合理的溫度場(chǎng)，滿足水泥生產(chǎn)的要求。 |
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