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摘要 陶瓷具有耐高温的特性，多作为内衬应用在多通道煤粉燃烧器上来提高煤燃烧效率。本文通过CFD技术进行数值模拟，分析了温度、速度、NO流场的影响，验证了陶瓷多通道煤粉燃烧器的优越性。
关键词 数值模拟，陶瓷内衬，多通道煤粉燃烧器
1前 言
多通道煤粉燃烧器(或煤粉燃烧器)是近年来开发成功的新型燃烧设备。煤粉通道采用陶瓷复合层，具有磨损极小的显著优点[1]。陶瓷内衬的外层是钢管，内层是刚玉。刚玉层维氏硬度高达1100～1500（洛氏硬度为90～98），耐磨性比碳钢管高20倍以上[1,3]。
数值模拟方法以节省时间、节省人力物力、适应可变因素等诸多优势越来越被人们重视。其前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，后处理过程通常是对生成的数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式给出[2]。本文应用CFD技术模拟陶瓷多通道煤粉燃烧器在窑内的燃烧情况，深化了对基本现象和过程的认识，提高了经济效益。
2陶瓷内衬的制备方法
将粒度一定的Fe2O3粉、Al粉及SiO2粉等，按一定比例配制成铝热剂，充分混合并烘干后，填充于钢管内，点燃钢管上部的反应物料使其发生自蔓延铝热反应(Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ)。该反应产生近3000℃的高温，使反应生成物Al2O3和Fe处于熔融状态， 并在未反应物料上部形成熔池。当燃烧界面到达钢管弧弯处时，通过启动旋转装置，使钢管按箭头方向慢慢旋转，以使燃烧波面和反应熔池始终保持水平。由于熔池中液相铁的密度大于氧化铝熔体的密度，因而在重力的作用下，不互溶的两相熔体分离，使金属铁沉积于熔池底部，氧化铝浮于上部，随着自蔓延反应燃烧波面和反应熔池自上而下的移动和钢管向外散热冷却，氧化铝陶瓷自上而下在钢管内壁结晶凝固，形成一层厚度在0.8～2.5mm的均匀的氧化铝内衬陶瓷涂层。由于氧化铝内衬陶瓷与钢管在热膨胀系数上存在着较大的差异，使钢管对陶瓷层产生较强烈的机械压迫效应，从而使两者在工作状态下能保持良好的结合而不分层。
目前，使用由该方法制备的高耐磨陶瓷内衬钢管的抗磨损能力高，抗流体冲刷能力强。在一次风管中，陶瓷内衬钢管弯管的耐磨性可比厚壁的耐磨铸钢弯管提高5倍以上。据估计，相同规格和长度的管道，陶瓷内衬钢管的重量是耐磨铸钢管或双金属复合管的1/2左右，其每米工程造价可降低30～40%；同时其重量只有铸石管和稀土耐磨钢管的2/5左右，而每米工程造价降低20％以上。在腐蚀或高温场所下使用的陶瓷内衬钢管，其价格只有不锈钢管、镍钛管的几分之一，耐磨性则比碳钢管高20倍以上，比通常粘接而成的刚玉砂轮性能优越得多，因此有很高的使用价值。
3CFD计算过程
3.1 模型建立及网格划分
根据所提供的结构图及相关参数建立三维几何模型（图1），采用Gambit软件建模，然后由Fluent进行求解。由内向外，依次为中心风、旋流风、煤风、直流风通道。旋流风通道采用长螺旋叶片轴流式旋流器，直流风通道在喷口安装了12个周向分布的喷嘴，煤风道运用陶瓷内衬。模型的建立如图2、图3所示。
图1 多通道煤粉燃烧器结构
图2 多通道煤粉燃烧器建模
图3 多通道煤粉燃烧器网格划分
3.2 边界条件的设定
边界条件设定时的各风道运行参数值如下表所示。
3.3 模型选取
由于模拟的是多通道燃烧器在窑内的燃烧情况及组分情况，故采用Fluent6.1.22模型，选取非耦合即分离的求解器，隐式算法，定常的3D空间流动，绝对速度，按单元中的压力梯度计算，指定superficial的多孔介质速度近壁面k-ε湍流模型。
4结果分析
4.1 燃烧过程的温度分布
从图4可以看出，整体火焰颜色分布符合实际燃烧情况，燃烧器外部边界的温度较高，到窑部分温度依次降低。煤粉燃烧时进行热传播，主要通过火焰中高温气体、固体微粒的热辐射把热量传给物料和窑衬，故而壁面处温度最低但不为零。由于燃烧器尺寸相对窑体而言较小，所以燃烧充分看不出回流部分。风道处温度较高，煤风道入口温度最低几乎为零，窑内部分火焰扩散均匀。随着火焰温度的上升，后期烧成带的温度提高。
图4 y＝0面温度分布云图
4.2 燃烧过程速度分布
由图5可以看出，从燃烧器出来的燃料的速度射流影响较大，然后依次降低，窑壁面因设为固定壁故而没有速度。旋流风道和直流风道风速差较大，提高了燃尽率。实际操作中将旋风道风速由传统的120m/s提高到160m/s，直风道由180m/s提高到240m/s，该推力增强了对高温二次风的卷吸能力。煤风采用低速风，可减少燃烧器套管的磨损，提高寿命。根据矢量分布云图可知，从旋风道有旋转速度（箭头所示）产生了切面动量，这样可以通过旋流来卷吸大量的高温烟气加热煤粉，对火焰形状起到了很好的控制。该结构中旋流角度的使用提高了混合效率。同时稳定了火焰，提高了燃烧强度，停留时间分布更为合理，火焰形状满足回转窑烧成的要求。
图5 y＝0面速度和矢量速度分布云图
4.3 污染气体NOx质量分布云图
污染气NOX以NO为主，见图6。参考KHD公司研发的PYRO-Jet燃烧器，实际操作中一次风风量由12%～16%降低到4%～6%，其余的风量由等量的高温二次风替代。其优点是一方面节约了6%～8%的热量，另一方面，从图6的NO云图上可以看出由于燃烧较充分，NO生成量减少[2]。一次风量少，延缓了“高温NOx”形成时所需氧原子的供应时间，而从火焰峰值温度降低和燃烧气体在火焰根部的回流，以及NO沿窑长方向分布曲线平稳可以看出，该结构有效地抑制了NO的产生，达到了节能环保的目的。因此，该结构可有效降低NOx的排放量。
图6 NO质量分布云图
5结论
（1） 陶瓷复合层作为多通道燃烧器的内衬，可以延长其寿命；
（2） CFD技术能很好地模拟出喷煤管在窑炉中燃烧的实际情况，可作为热态实验的可靠依据；
（3） 从预混、旋流、NO方面可看出，该多通道煤粉燃烧器设计合理，与传统设计相比具备很大的优越性。
参考文献
1 张建新等.喷煤管：水泥烧成系统的起搏器[J].China Cement,2005,25～27
2 吴惠英，李建锡等.分解炉内气相湍流流动的数值模拟分析[J].中国水泥，2005，11
3 王建江，赵忠民.新型陶瓷内衬煤粉喷枪的研制[J].炼铁，1998，17（5）：35～37
关键词 数值模拟，陶瓷内衬，多通道煤粉燃烧器
1前 言
多通道煤粉燃烧器(或煤粉燃烧器)是近年来开发成功的新型燃烧设备。煤粉通道采用陶瓷复合层，具有磨损极小的显著优点[1]。陶瓷内衬的外层是钢管，内层是刚玉。刚玉层维氏硬度高达1100～1500（洛氏硬度为90～98），耐磨性比碳钢管高20倍以上[1,3]。
数值模拟方法以节省时间、节省人力物力、适应可变因素等诸多优势越来越被人们重视。其前端处理通常要生成计算模型所必需的数据，后处理过程通常是对生成的数据进行组织和诠释，一般以直观可视的图形形式给出[2]。本文应用CFD技术模拟陶瓷多通道煤粉燃烧器在窑内的燃烧情况，深化了对基本现象和过程的认识，提高了经济效益。
2陶瓷内衬的制备方法
将粒度一定的Fe2O3粉、Al粉及SiO2粉等，按一定比例配制成铝热剂，充分混合并烘干后，填充于钢管内，点燃钢管上部的反应物料使其发生自蔓延铝热反应(Fe2O3+2Al=Al2O3+2Fe+836kJ)。该反应产生近3000℃的高温，使反应生成物Al2O3和Fe处于熔融状态， 并在未反应物料上部形成熔池。当燃烧界面到达钢管弧弯处时，通过启动旋转装置，使钢管按箭头方向慢慢旋转，以使燃烧波面和反应熔池始终保持水平。由于熔池中液相铁的密度大于氧化铝熔体的密度，因而在重力的作用下，不互溶的两相熔体分离，使金属铁沉积于熔池底部，氧化铝浮于上部，随着自蔓延反应燃烧波面和反应熔池自上而下的移动和钢管向外散热冷却，氧化铝陶瓷自上而下在钢管内壁结晶凝固，形成一层厚度在0.8～2.5mm的均匀的氧化铝内衬陶瓷涂层。由于氧化铝内衬陶瓷与钢管在热膨胀系数上存在着较大的差异，使钢管对陶瓷层产生较强烈的机械压迫效应，从而使两者在工作状态下能保持良好的结合而不分层。
目前，使用由该方法制备的高耐磨陶瓷内衬钢管的抗磨损能力高，抗流体冲刷能力强。在一次风管中，陶瓷内衬钢管弯管的耐磨性可比厚壁的耐磨铸钢弯管提高5倍以上。据估计，相同规格和长度的管道，陶瓷内衬钢管的重量是耐磨铸钢管或双金属复合管的1/2左右，其每米工程造价可降低30～40%；同时其重量只有铸石管和稀土耐磨钢管的2/5左右，而每米工程造价降低20％以上。在腐蚀或高温场所下使用的陶瓷内衬钢管，其价格只有不锈钢管、镍钛管的几分之一，耐磨性则比碳钢管高20倍以上，比通常粘接而成的刚玉砂轮性能优越得多，因此有很高的使用价值。
3CFD计算过程
3.1 模型建立及网格划分
根据所提供的结构图及相关参数建立三维几何模型（图1），采用Gambit软件建模，然后由Fluent进行求解。由内向外，依次为中心风、旋流风、煤风、直流风通道。旋流风通道采用长螺旋叶片轴流式旋流器，直流风通道在喷口安装了12个周向分布的喷嘴，煤风道运用陶瓷内衬。模型的建立如图2、图3所示。
图1 多通道煤粉燃烧器结构
图2 多通道煤粉燃烧器建模
图3 多通道煤粉燃烧器网格划分
3.2 边界条件的设定
边界条件设定时的各风道运行参数值如下表所示。
3.3 模型选取
由于模拟的是多通道燃烧器在窑内的燃烧情况及组分情况，故采用Fluent6.1.22模型，选取非耦合即分离的求解器，隐式算法，定常的3D空间流动，绝对速度，按单元中的压力梯度计算，指定superficial的多孔介质速度近壁面k-ε湍流模型。
4结果分析
4.1 燃烧过程的温度分布
从图4可以看出，整体火焰颜色分布符合实际燃烧情况，燃烧器外部边界的温度较高，到窑部分温度依次降低。煤粉燃烧时进行热传播，主要通过火焰中高温气体、固体微粒的热辐射把热量传给物料和窑衬，故而壁面处温度最低但不为零。由于燃烧器尺寸相对窑体而言较小，所以燃烧充分看不出回流部分。风道处温度较高，煤风道入口温度最低几乎为零，窑内部分火焰扩散均匀。随着火焰温度的上升，后期烧成带的温度提高。
图4 y＝0面温度分布云图
4.2 燃烧过程速度分布
由图5可以看出，从燃烧器出来的燃料的速度射流影响较大，然后依次降低，窑壁面因设为固定壁故而没有速度。旋流风道和直流风道风速差较大，提高了燃尽率。实际操作中将旋风道风速由传统的120m/s提高到160m/s，直风道由180m/s提高到240m/s，该推力增强了对高温二次风的卷吸能力。煤风采用低速风，可减少燃烧器套管的磨损，提高寿命。根据矢量分布云图可知，从旋风道有旋转速度（箭头所示）产生了切面动量，这样可以通过旋流来卷吸大量的高温烟气加热煤粉，对火焰形状起到了很好的控制。该结构中旋流角度的使用提高了混合效率。同时稳定了火焰，提高了燃烧强度，停留时间分布更为合理，火焰形状满足回转窑烧成的要求。
图5 y＝0面速度和矢量速度分布云图
4.3 污染气体NOx质量分布云图
污染气NOX以NO为主，见图6。参考KHD公司研发的PYRO-Jet燃烧器，实际操作中一次风风量由12%～16%降低到4%～6%，其余的风量由等量的高温二次风替代。其优点是一方面节约了6%～8%的热量，另一方面，从图6的NO云图上可以看出由于燃烧较充分，NO生成量减少[2]。一次风量少，延缓了“高温NOx”形成时所需氧原子的供应时间，而从火焰峰值温度降低和燃烧气体在火焰根部的回流，以及NO沿窑长方向分布曲线平稳可以看出，该结构有效地抑制了NO的产生，达到了节能环保的目的。因此，该结构可有效降低NOx的排放量。
图6 NO质量分布云图
5结论
（1） 陶瓷复合层作为多通道燃烧器的内衬，可以延长其寿命；
（2） CFD技术能很好地模拟出喷煤管在窑炉中燃烧的实际情况，可作为热态实验的可靠依据；
（3） 从预混、旋流、NO方面可看出，该多通道煤粉燃烧器设计合理，与传统设计相比具备很大的优越性。
参考文献
1 张建新等.喷煤管：水泥烧成系统的起搏器[J].China Cement,2005,25～27
2 吴惠英，李建锡等.分解炉内气相湍流流动的数值模拟分析[J].中国水泥，2005，11
3 王建江，赵忠民.新型陶瓷内衬煤粉喷枪的研制[J].炼铁，1998，17（5）：35～37