２０１６年第１１期（总第１３４期） ＥＮＥＲＧＹ ＡＮＤ ＥＮＥＲＧＹ Ｃ０ＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮ 钰ｉｊ【．暑； 钍 ２０１６年１１月 滴管炉内煤粉燃烧数值模拟 高绪东，朱光俊 （重庆科技学院冶金与材料工程学院，重庆４０１３３１） 摘要：采用Ｆｌｕｅｎｔ软件对小剂量煤粉在滴管炉燃烧过程进行数值模拟，分析了不同富氧率、风温、风速及煤粉给料量 对滴管炉内煤粉燃烧的影响。结果表明：提高风温有利于煤粉燃烧；满足煤粉能完全燃烧所需氧量情况下，适当降低风 速有利于煤粉燃烧，反之，过度提高风速可能导致煤粉不能完全燃烧；提高富氧率能加快煤粉燃烧，导致生成ＣＯ量增 加；一定条件下，煤粉给料量增加，煤粉完全燃烧位置有先增加后减小趋势。 关键词： 滴管炉；数值模拟；影响因素 中图分类号：ＴＫ２２４ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—０８０２一（２０１６）１１－００１９—０２ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｏｆ ＰＩｌｌｖｅｒｉｚｅｄ Ｃｏａｌ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｒｏｐ Ｔｕｂｅ Ｆｕｒｎａｃｅ ＧＡ０ Ｘｕｄｏｎｇ．ＺＨＵ Ｇｕａｎｇｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０１ ３３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ Ｆｌｕｅｎｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ｄｒｏｐ ｔｕｂｅ ｆｕｒｎａｃｅ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｉｆｅｒｅｎｔ ｏｘｙｇｅｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｒａｔｅ，ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｗｉｎｄ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｏｎ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ａｉｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｅｎｏｕｇｈ ｏｘｙｇｅｎ ｎｅｅｄｅｄ ｆｏｒ ｆｕｌｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ，ｉｔ ｉｓ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ｔｏ ｃｏｍｂｕｓｔ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｗｈｅｎ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ｗｉｎｄ ｓｐｅｅｄ ｗｈｉｌｅ ｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｗｉｌｌ ｏｃｃｕｒ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｗａｙ ａｒｏｕｎｄ．Ｔｈｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ｒａｔｅ ｗｉｌｌ ｓｐｅｅｄ ｕｐ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｒａｔｅ ｏｆ ｏｘｙｇｅｎ ｅｎｒｉｃｈｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ Ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ａｆｔｅｒ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｉｒｓｔｌｙ ｕｎｄｅｒ ｃｅｒｔａｉｎ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｄｒｏｐｐｅｒ ｆｕｒｎａｃｅ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ａｆｆｅｃｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ０引言 ． 虑了煤粉重力影响。 中国煤资源较为丰富，同时煤是当前各行业能源 １数学模型及控制方程 需求的主要来源，滴管炉作为一种研究煤粉燃烧特性 本文中气相被看成连续相，流动形式为湍流，混 的重要实验设备，越来越受到重视。国内外学者利用滴 合气体的传热过程采用能量方程描素，主要采用控制 管炉对煤、焦等做过较多研究。马正中等Ⅱ盼析了滴管炉 方程如下同：ａ）质量守恒方程；ｂ）动量守恒方程；Ｃ） 煤反应动力学方面的特点，总结了当前国内外滴管炉的 标准ｋ一 湍流模型；ｄ）ＤＰＭ离散模型。 研制进展；陈路等回分析了滴管炉内煤和石油焦快速热解 及气化反应；叶紫青等【３Ｊ分析了新疆后峡煤挥发分释放 ２几何模型 和形态变化。郝哲夫嗍、Ｈ．Ｙ．Ｐａｒｋ，Ｍ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ［￣、Ｌｕｉｓ 本文采用实验室滴管炉为原型，如图１所示，几何 ＩＤｉｅｚ『ｑ等采用数值模拟方法模拟煤粉在炉膛燃烧过程。 参数如表ｌ所示。表２为煤粉参数为某钢铁厂所用煤粉 本文结合实验室滴管炉参数，采用数值模拟方法， 参数。 研究滴管炉实验过程，部分参数对炉内燃烧过程影响， ３模拟结果 ’ 有助于滴管炉实验方案确定以及滴管炉的设计。研究 特点：ａ）结合高炉所用煤粉性参数进行计算，几何模 ３．１气体温度及速度对煤粉燃烧影响 型以实验室滴管炉为原型１：ｌ建立，模拟结果有实验基 图２是沿滴管炉中心线方向ＣＯ 质量浓度与二次风 础；ｂ）选用非预混燃烧模型，采用标准ｋＬｅｐｓｉｌｏｎ模型 温关系示意图，图２中可见：其它参数不变情况下，二 来模拟燃烧室内的湍流流动，做标准壁面函数方程处 次风分别为３００ Ｋ、４５０ Ｋ、６００ Ｋ、７５０ Ｋ时，ＣＯ２质 理，采用Ｐ一１辐射模型，对挥发份析出采用双方程反应 量浓度达到平衡的位置（煤粉完全燃烧）分别约为１．４９ 模型，对煤粉颗粒表面燃烧使用动力学和扩散速率模 ｍ、１．２３ ｎａ、１．１４ ｉｎ、１．０６ ｉｎ，ＣＯ 质量浓度变化率最 型；ｃ）燃烧模拟中加入了ＤＰＭ（离散相）模型，并考 大的位置（煤粉燃烧最快）分别约为０．９７ ｉｎ、０．７８ ｉｎ、 ０．７１ Ｉｎ、０．６９ Ｉｎ。由此可见：提高二次风温度能加快煤 收稿日期：２０１６—０９—０６ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１３７４２６７） 粉燃烧。 第一作者简介：高绪东，１９８４年生，男，重庆人，２００９年毕业于北 图３是滴管炉沿中心线方向ＣＯ：质量浓度与二次风 京科技大学冶金工程专业，硕士，讲师。 速关系示意图，图３中可见：其它参数不变情况下，二 ・１９・ ２０１６年第１１期 纷ｉｉ【与 钍 ２０１６年１１月 冷却水入 口 度达到平衡的位置（煤粉完全燃烧）分别为１．０８ ｍ、 １．２４ ｍ、１．５７ ｍ，而风速为２ ｍ／ｓ，Ｃ０：质量浓度未达到 平衡。由此可见：满足煤粉能完全燃烧所需氧量情况 下，适当降低风速能促进煤粉燃烧在滴管炉内尽快完 成，反之，风速过大，可能导致煤粉不能完全燃烧。 图１滴管炉结构示意图 表１滴管炉几何参数 米 参数 值 炉膛高 １．５ 炉膛直径 Ｏ．１５ 煤粉入口直径 ０．０１４ 烟气出口直径 ０．０１４ 一次风入口直径 ０．００６ 二次风入口直径 ０．００６ 表２喷吹煤粉性能测定参数 百分号 参数 值 含碳量 ６６ 成分分析 挥发分 ２４ Ｃ ８９．１ Ｈ ３－４ 元素分析 ０ ４．１ Ｎ ２．５ Ｓ ０．９ 图２滴管炉内ＣＯ 质量浓度与二次风温关系图 次风速分别为０．５ ｍ／ｓ、１ ｍ／ｓ、１．５ ｍ／ｓ时，ＣＯ２质量浓 ・２０・ 越 礤 ８ 距滴管炉入口距离／ｍ 图３滴管炉内ＣＯ 质量浓度与二次风速关系图 ３．２富氧率对煤粉燃烧过程影响 图４、图５分别是滴管炉沿中心线方向ＣＯ 和ＣＯ质量 浓度与人口气体速度的关系示意图，图４、图５中可见， 其它参数不变情况下，入口气体富氧率分别为０％、 ５％、１０％、１５％时，．ＣＯ：达到平衡质量浓度位置（煤粉 完全燃烧）分别为１．２１ ｍ、１．１９ ｍ、１．１８ ｍ、１．１７ ｍ； ＣＯ达到平衡质量浓度位置分别为０．９９ ｍ、１．２１ ｍ、１－３１ ｍ、１．２１ １１３、１．１１ ｍ。由此可见：富氧率提高，促进ＣＯ 的生成，同时能加快煤粉燃烧。 堡 《 ０ Ｕ 距滴管炉入口距ｇ／ｍ 图４滴管炉内ＣＯ 质量浓度与二次风富氧率关系图 蔷 瑟 訾 Ｕ 距滴管炉入口距ｇ／ｍ 图５滴管炉内ＣＯ质量浓度与二次风富氧率关系图 （下转６４页） ２０１６年第１１期 钰；夏与 钍 ２０１６年１１月 矿区总体规划、煤炭资源规划、矿业权设置方案和与 煤炭生产开发规划有机衔接的管理新模式，探索煤炭 资源供给与市场需求保持相对平衡的有效办法。 ３．４．２深化行政审批管理改革 依法合规对现有的太原市、县两级煤炭部门行政 审批事项进行清理、精简，坚持效率优先、权责统一， 进一步简化审批和验收程序。 ３．４．３加强煤矿安全监管 始终把煤矿安全作为重中之重来抓，进一步完善 和落实“党政同责、一岗双责、齐抓共管”的安全生 产责任体系，坚持并落实好一系列行之有效的现行安 全监管体制和规章制度，全面落实企业主体责任，确 保安全责任到位、安全投人到位、安全培训到位、安 全管理到位、应急救援到位。对照落实煤矿安全生产 相关规定，对太原全市煤矿实施安全监察，有效防范 事故。按照事故报告和调查处理规定，实事求是、依 法依规、注重实效的处理原则，认真对煤矿伤亡事故 进行调查处置。 ３．４．４强化煤矿环境生态恢复治理 进一步强化太原市生态恢复治理主体责任，对新 建煤矿项目必须实行严格、高标准的环境保护制度， 对已造成环境生态破坏的，要按照“谁破坏、谁治理” 的原则，由相关责任主体实施环境修复治理。 ３．５加强能源领域合作 以合作共赢为导向，要有效整合外需和内需两个 ＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●０资源，从战略高度加强国内外能源领域合作，提升太 原市能源企业的核心竞争力，构筑全方位宽领域的对 外开放格局。 ３．５．１积极支持能源企业转型发展 按照商事登记改革的要求，为太原市能源企业的 分拆与合并积极进行登记；按照“先照后证”的原则， 快速为能源企业办理注册登记；鼓励、引导太原市能 源经营企业投资文化传媒、清洁能源及楼宇经济等服 务业；支持太原市能源企业进行股份制改造，进入资 本市场融资发展。 ３．５．２积极开展能源领域国际交流合作 为充分利用国外资金，深化能源领域合作，重点 是引进先进高效大功率的风能发电、太阳能热利用与 建筑一体化、大型光伏发电等项目，构建太原市对外 开放新格局，实现对外开放新突破。 ４结语 能源是经济发展的基础和动力，新能源的可持续 发展道路的探索仍曲折艰难，新能源发展任重道远。 太原市资源丰富，但现有能源利用方式制约经济和环 境的发展，因此推动能源供给革命、能源消费革命及 推动煤炭管理体制改革，加强能源领域合作，促进能 源利用向高效化、清洁化方向转变，是太原市下一步 能源可持续发展的必由之路。 （责任编辑：高志凤） ●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞●＜＞● （上接２０页） ３．３煤粉量对煤粉燃烧过程影响 图６是滴管炉沿中心线方向ＣＯ：质量浓度与人口煤 粉给料量关系示意图，图６中可见，其它参数不变情况 下，入口煤粉量分别为０．６ ｇ／ｍｉｎ、１．８ ｇ／ｍｉｎ、４．２ ｇ／ｍｉｎ、 ６ ｇ／ｍｉｎ时，ＣＯ：达到平衡质量浓度的位置分别为１．２１ ｍ、１．３１ ｍ、１．３４ ｍ、１．３１ ｍ。由此可见：煤粉给料量 增加，煤粉完全燃烧位置有先增大后减小趋势。 煤粉燃烧在滴管炉内尽快完成，反之，人口风速过大， 可能导致煤粉不能完全燃烧；ｅ）富氧率提高，促进ＣＯ 的生成，同时能加快煤粉燃烧；ｄ１滴管炉小剂量煤粉 给料范围内，煤粉量增加，煤粉完全燃烧位置有先增 大后减小趋势。 参考文献： ［１］马正中墒管炉技术特点及其研究进展［Ｊｊ．洁净煤技术，２００９ （４）：７１—７５． ［２］ 陈路．滴管炉内煤和的快速热解及气化反应研究［Ｄ］．上海： １． 华东理工大学，２０１２． 《 ［３］叶紫青．滴管炉内新疆后峡煤挥发分释放和形态变化［Ｊ］．燃 料化学学报，２０１４（１０１：１１７２—１１７７． ［４］郝哲夫．富氧烟气中煤粉着火的非稳态数值研究［Ｄ］．北京：华 北电力大学，２０１１． １ ５ ｊ Ｈ．Ｙ．Ｐａｒｋ，Ｍ．Ｆａｕｌｋｎｅｒ，Ｍ．Ｄ．Ｔｕｒｒｅｌｌ，ｅｔ ａ１．Ｃｏｕｐｌｅｄ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍ— ｉｃｓ ａｎｄ ｗｈｏｌｅ ｐｌａｎｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏａｌ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｔａｎ— ０ ｕ ０． ｇｅｎｔｉａｌｌｙ－ｆｉｒｅｄｂｏｉｌｅｒ［Ｊ Ｊ．Ｆｕｅｌ，２０１０（８）：２００１－２０１０． 距滴管炉入口距离／ｍ ［６］Ｌｕｉｓ ＩＤｉｅｚ，Ｃｒｉｓｔ６ｂａｌ Ｃｏｒｔ６ｓ，Ｊａｖｉｅｒ Ｐａｌｌａｒ６ｓ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｉｎｖｅｓｔｉ— ｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ ｆｒｏｍ ａ ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｌｙ—ｆｉｒｅｄ ｕｔｉｌｉｔｙ ｂｏｉ— 图６滴管炉内ＣＯ 质量浓度与入口煤粉给料量关系图 ｌｅｒ ｕｎｄｅｒ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ａｎｄ ｏｖｅｒ ｆｉｒｅａｉｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ Ｊ．Ｆｕｅｌ，２００８ （８７）：１２５９—１２６９． ４结语 ａ）提高人口气体温度能加快煤粉燃烧；ｂ）满足煤 粉能完全燃烧所需氧量情况下，适当降低风速能促进 ・［７］ 高绪东．煤粉喷入高炉内燃烧ＳＯ 生成的数值模拟［Ｃ］／／＆－国 冶金自动化信息网２０１５年会论文集．北京：冶金自动化，２０１５． （责任编辑：高志凤） ６４・