旋流器和喷嘴对燃烧器性能影响的数值模拟研究

杜佳佳

1 引言

窑头燃烧器是水泥生产的重要设备之一，主要用于将燃料送入回转窑内充分燃烧、加热物料，并形成形状合适的火焰，满足窑内生产工艺要求的温度梯度分布。窑头燃烧器的使用性能将直接影响水泥熟料的质量、窑内氮氧化物的产生量、煤耗和生产线整体的经济效益。

目前，国内外制造窑头燃烧器的厂家很多，国外有法国法孚皮拉德公司的NOVAFLAM型旋流式四风道燃烧器、德国洪堡公司的PYRO-JET型燃烧器、奥地利尤尼兹姆公司的MAS 型燃烧器及丹麦史密斯公司的DUOFLEX 型燃烧器等，国内使用较多的有我公司研发的HP 型强涡流多通道燃烧器、天津水泥工业设计研究院有限公司研发的大推力燃烧器、襄阳中和机电技术有限公司的多通道燃烧器及郑州奥通热力工程有限公司的多通道燃烧器等。厂家不同，燃烧器的结构形式各不相同，通道布置方式也不相同。有的厂家生产的燃烧器通道布置，从外到内依次为轴流风、煤风、旋流风和中心风通道，有的从外到内依次为轴流风、旋流风、煤风和中心风通道[1]。结构形式和通道布置不同，燃烧器的使用性能也大不相同。

我公司研发的HP 型多通道燃烧器通道布置，从外到内依次为轴流风、煤风、旋流风和中心风通道[2][3]。燃烧器工作时，高速的轴流风和旋流风与低速的煤风形成大速差射流，在燃烧器头部周围形成一定的速度场和压力场。从多通道燃烧器喷出的燃烧着的煤粉，除与送煤风预混合外，还要经过轴流风、旋流风和高温二次风的三次扰动与混合。这三次扰动与混合使得风煤混合更为均匀，二次风的回流及时补充了煤粉燃烧所需要的新鲜空气，使煤粉燃烧更为充分。其中，轴流风通过燃烧器端面均匀分布的喷嘴喷出，旋流风通过旋流器喷出，喷嘴和旋流器与燃烧器通过螺纹连接，可更换。回转窑窑内的火焰形状、温度分布和煤粉燃烧程度均通过调节轴流风和旋流风进行控制，轴流风和旋流风通过调节喷嘴和旋流器进行控制，喷嘴和旋流器的性能决定了燃烧器的性能。

目前，HP型多通道燃烧器已成功应用于水泥、镍铁、球团和石灰等行业，效果良好。为进一步提高HP 型多通道燃烧器的使用性能，笔者运用FLUENT数值模拟方法，研究了旋流器旋流角度和喷嘴数量对燃烧器性能的影响，以优化HP 型多通道燃烧器的设计。

2 网格划分、数值模拟模型及边界条件设置

2.1 网格划分

使用三维软件Creo 对5 000t/d 水泥熟料生产线φ4.8m×72m 回转窑和HP 型多通道燃烧器进行建模，然后将模型导入到网格划分软件GAMBIT中进行网格划分，划分结果如图1、图2所示。

图1 燃烧器出口网格划分图

图2 回转窑网格划分图

GAMBIT 软件划分后的三维网格主要为四面体网格和六面体网格，六面体网格一般比四面体网格计算质量高。对网格要求比较高时，使用六面体网格进行计算，计算结果更易收敛。同样的网格尺寸，划分为六面体比划分为四面体的网格数量少很多，计算所需的时间也更短，六面体网格方向与流场方向更相合。如边界层处，六面体网格比四面体网格离散误差小，网格应尽可能划分为六面体。

回转窑的窑门罩、冷却带、烧成带和过渡带等不同区域，按照重要性的不同，对不同区域的网格应采用不同的划分方式，重要区域网格划分可以密一些。回转窑冷却带和烧成带划分应最细，窑门罩稍粗，过渡带最粗。燃烧器的出口是比较重要的位置，应尽可能使用六面体划分网格建模，一些尖角的部位可以使用四面体网格。

2.2 数值模拟模型

水泥回转窑窑内工况比较复杂，存在煤粉燃烧、熟料煅烧、热传导、热辐射和热对流、空气的湍流流动等物理化学过程。为使模拟仿真尽可能贴近实际工况，我们根据回转窑内的流场特点以及HP 型窑头煤粉多通道燃烧器的燃烧特点，将湍流模型选择为k-epsilon 模型。k-epsilon 模型使用方便可靠，收敛性好，计算机内存需求低，比较适合工程应用的研究。辐射模型选择为P1 模型，P1 模型不仅考虑了颗粒相与气相之间的辐射换热及散射作用，而且该模型在求解辐射能量方程时，资源占用较小。化学反应模型选择为species-transport 模型[4]。

2.3 边界条件设置

根据挥发分的含量不同，燃煤可分为无烟煤、烟煤和褐煤等，水泥厂使用较多的是烟煤。本文模拟设置煤粉参数选用某水泥厂实际使用的烟煤，煤粉参数具体见表1。轴流风速、旋流风速等参数模拟边界条件设置见表2。

表1 煤粉的工业分析和元素分析

3 数值模拟分析

3.1 旋流角度的影响

3.1.1 边界条件设置

在保持轴流风速、旋流风速和喷嘴数量等边界条件设置相同的情况下，改变旋流角度的设定值，将模型A1~A4 的旋流角度由37.5°增加到45°。通过对比分析模拟结果，观察旋流角度对回转窑内流场的影响。旋流角度边界条件设置见表3。

表3 旋流角度边界条件设置

3.1.2 温度场分析

对比图3、图4温度云图可以看出，回转窑相同温度梯度层的形状随着旋流角度的增大而变窄变短，即火焰随着旋流角度的增大而变窄变短；黑火头绿色温度层两侧凸起部分的位置，随着旋流角度的增大而靠近燃烧器，黑火头也随着旋流角度的增大变窄变短。

图3 温度云图1

图4 温度云图2

回转窑在中心轴线上的温度是最高的，对比图5 回转窑中心沿轴线方向温度变化曲线可以看出，在回转窑距窑头0~5m 之间，温度曲线基本重合。但从实际数据对比来看，随着旋流角度的增大，在0~5m 之间，A1~A4 温度上升速率加快，相同位置温度逐渐增加，说明A1~A4黑火头逐渐变短；在回转窑距窑头5~25m 之间，随着旋流角度的增大，A1~A4峰值温度降低，相同位置温度也低一些，说明火焰逐渐变短。

图5 回转窑中心沿轴线方向温度变化曲线1

3.1.3 速度场分析

对比图6 和图7 速度云图可以看出，旋流角度的改变对速度影响很小。随着旋流角度的增加，速度梯度层长度方向有变短的趋势，但需要将云图放大才能看出；速度梯度层的宽度方向宽度接近；旋流角度的改变对轴流风道外部的速度梯度影响较小。

图7 速度云图2

回转窑在中心轴线上的速度是最大的，对比图8 的回转窑中心沿轴线方向速度变化曲线可以看出，A1~A4 的速度曲线基本重合，说明旋流角度的改变对速度影响很小。

图8 回转窑中心沿轴线方向速度变化曲线1

3.2 喷嘴数量的影响

3.2.1 模拟设置

在保持轴流风速、旋流风速和旋流角度等边界条件设置相同的情况下，改变喷嘴设置数量，将A5~A8模型的喷嘴由8个增至20个，通过对比分析模拟结果，观察喷嘴数量对回转窑内流场的影响。喷嘴数量边界条件设置见表4。

表4 喷嘴数量边界条件设置

3.2.2 温度场对比

对比图9温度云图可以看出，A5~A7随着喷嘴数量的增加，温度层增长增宽，即火焰变长变粗。而A8的温度层的长度和宽度都小于A7，说明火焰形状与喷嘴数量并非呈线性增长关系，喷嘴数量达到一定时，火焰形状将朝相反方向发展。

图9 温度云图3

对比图10 温度云图可以看出，随着喷嘴数量的增加，黑火头变长变宽，黑火头绿色温度层两侧凸起处，距离燃烧器出口端面越来越远。

图10 温度云图4

对比图11回转窑沿中心轴线方向温度变化曲线可以看出，在回转窑距窑头0~5.9m之间，随着喷嘴数量的增加，相同位置A5~A8温度逐渐降低，说明A5~A8 黑火头逐渐变长；A5~A8 在回转窑距窑头5.9~6.8m 之间，均达到峰值温度，温度峰值的位置逐渐靠近窑尾；在回转窑距窑头6.8~25m 之间，随着喷嘴数量的增加，相同位置A5~A7温度增加，说明火焰逐渐变长。在回转窑距窑头16.5~25m之间，A8温度低于A7，说明了火焰形状并非随喷嘴数量的增加一直变长，当喷嘴达到一定数量时，火焰形状将朝相反方向发展。

图11 回转窑中心沿轴线方向温度变化曲线2

3.2.3 速度场对比

对比图12 和图13 速度云图可以看出，在燃烧器附近，速度层扩张区域的相同位置，喷嘴数量越多，速度梯度层宽度越小，说明喷嘴数量的增多，对气流扩散的约束力增大；随着喷嘴数量的增加，各速度梯度层的长度逐渐增加。

图12 速度云图3

图13 速度云图4

对比图14回转窑中心沿轴线方向速度变化曲线可以看出，在距回转窑窑头1.4~72m 之间，A5~A8 在相同位置，速度逐渐增大，也说明了随着喷嘴数量的增加，各速度梯度层的长度逐渐增加。

图14 回转窑中心沿轴线方向速度变化曲线2

对比图15 速度梯度图可见，随着喷嘴数量的增多，轴流风道外侧的速度梯度层区域增大，说明卷吸二次风的能力随着喷嘴数量的增加而增加。

图15 速度梯度图

4 结语

旋流器和喷嘴是燃烧器的重要部件，二者的性能参数直接影响燃烧器的使用性能。通过用FLUENT方法对HP型多通道燃烧器进行数值模拟分析，可知HP 型多通道燃烧器旋流角度和喷嘴数量对燃烧器有如下影响：

（1）随着旋流角度的增大，火焰形状和黑火头形状均变短变细。旋流角度的改变对速度层的影响很小。

（2）随着喷嘴数量的增加，火焰变长变粗。但火焰形状并不随喷嘴数量的增加而呈线性增长关系，当喷嘴数量达到一定时，火焰形状将朝相反方向发展。随着喷嘴数量的增加，黑火头长度变长变宽，同时，约束气流扩散的力量增大，火焰发散的位置逐渐后移，各速度层长度增加，卷吸二次风的能力增强。

在进行HP 型多通道燃烧器设计时，可以根据以上数值模拟分析结果，结合实际使用经验，调整旋流器的旋流角度和喷嘴数量，优化燃烧器设计。