一種新型旋流燃燒器的工作特性研究

王慧青, 羅 睿, 周屈蘭, 田明泉, 趙欽新, 惠世恩

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安 710049;2.新疆澤普石油基地塔西南電力工程部,喀什 844808)

隨著我國(guó)電力工業(yè)的高速發(fā)展及電力裝機(jī)容量的不斷增大,對(duì)煤炭資源的消耗也日漸增加,使得煤炭資源日益緊缺.同時(shí)煤的大量燃燒產(chǎn)生數(shù)量可觀的氮氧化物(NOx)、硫氧化物等大氣污染物,對(duì)人類賴以生存的自然環(huán)境造成了一定的破壞[1].在資源緊缺和環(huán)境惡化的雙重壓力下,開發(fā)清潔高效的能源利用技術(shù)勢(shì)在必行.

旋流燃燒是當(dāng)前電站鍋爐爐內(nèi)燃燒過(guò)程所采用的主要方式之一.經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外各大公司及科研機(jī)構(gòu)在傳統(tǒng)旋流燃燒器的基礎(chǔ)上加入了新的設(shè)計(jì)理念,提出了一系列性能更加優(yōu)越的新型旋流燃燒器[2-8],在穩(wěn)定燃燒、提高燃燒效率和控制NO x污染物排放等方面取得了較大的進(jìn)步.

筆者針對(duì)我國(guó)動(dòng)力用煤特點(diǎn),參考國(guó)內(nèi)外各種低NOx旋流燃燒器的設(shè)計(jì)特點(diǎn),提出了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高效、穩(wěn)定、低污染燃燒的新型旋流燃燒器.為了進(jìn)一步了解該新型燃燒器的各項(xiàng)性能,采用熱線風(fēng)速儀對(duì)燃燒器出口的空氣動(dòng)力場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試,并以等速取樣法研究了燃燒器氣固兩相流動(dòng)狀態(tài).

1 新型旋流燃燒器簡(jiǎn)介

新型旋流燃燒器采用雙調(diào)風(fēng)結(jié)構(gòu)為基本框架,為徑向濃淡型低NO x旋流燃燒器.在多種技術(shù)與結(jié)構(gòu)的綜合作用下,新型燃燒器能夠?qū)崿F(xiàn)較高的燃燒效率、良好的著火穩(wěn)燃性能和在火焰內(nèi)形成還原性氣氛抑制NOx的生成.要求新型燃燒器能夠適用于大容量600 MW等級(jí)鍋爐機(jī)組,燃用煤種可變,并能有效地防止結(jié)渣和高溫腐蝕,其結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 新型旋流燃燒器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.1 Structural diagram of the new swirl burner

新型燃燒器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下:

(1)煤粉濃縮器設(shè)計(jì)為撞擊擋塊,利用煤粉氣流的慣性進(jìn)行濃淡分離,擋塊位置可調(diào),從而實(shí)現(xiàn)煤粉氣流濃淡的調(diào)節(jié).

(2)一次風(fēng)通道中設(shè)置濃淡氣流隔板,防止分離后的濃、淡煤粉氣流出現(xiàn)再混合現(xiàn)象,一次風(fēng)采用旋流形式由蝸殼進(jìn)入燃燒器.

(3)穩(wěn)燃器采用齒形環(huán)結(jié)構(gòu),一次風(fēng)擴(kuò)口采用獨(dú)有的內(nèi)齒錐形擴(kuò)口.

(4)內(nèi)、外二次風(fēng)旋流的調(diào)節(jié)采用可調(diào)性能較好的軸向可動(dòng)葉輪.

2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)圖見圖2.該系統(tǒng)以高壓風(fēng)機(jī)作為氣源,從風(fēng)機(jī)流出的空氣首先進(jìn)入母管,母管上連接有各類風(fēng)的輸送管道,每根輸送管道都裝有用于調(diào)節(jié)流量的閘閥和U型差壓計(jì).母管中的空氣流入各輸送管道,通過(guò)管道上的調(diào)節(jié)裝置可以控制燃燒器各類風(fēng)的風(fēng)量,之后進(jìn)入燃燒器模型,最終形成共軸復(fù)合旋轉(zhuǎn)射流射入大空間.流動(dòng)趨于穩(wěn)定后,燃燒器出口射流將在空間內(nèi)形成穩(wěn)態(tài)流場(chǎng),這時(shí)使用熱線風(fēng)速儀測(cè)試不同截面的速度分布,從而得到燃燒器出口空氣動(dòng)力場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù).

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

燃燒器模型與原型的幾何比例為1∶5.5.試驗(yàn)中采用等速取樣法研究燃燒器中氣固兩相流動(dòng)特性,由取樣槍對(duì)燃燒器出口不同位置進(jìn)行顆粒取樣,并通過(guò)對(duì)濾筒截留顆粒的分析掌握出口處顆粒相的濃淡分布,了解燃燒器的濃淡分離性能.

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

取燃燒器內(nèi)二次風(fēng)管直徑為當(dāng)量直徑deq,定義無(wú)量綱坐標(biāo)X=x/d eq.在燃燒器出口附近X=0～1.5區(qū)域設(shè)置6個(gè)測(cè)量截面,其間距為10 mm.在射流末端X=2.0～5.0區(qū)域設(shè)置4個(gè)測(cè)量截面,其間距為20mm.

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了能夠更加直觀地對(duì)燃燒器出口空氣動(dòng)力場(chǎng)特性進(jìn)行分析,本文采用如下無(wú)量綱參數(shù).

(1)軸線無(wú)量綱速度,定義為軸線上某點(diǎn)當(dāng)?shù)厮俣萿與燃燒器出口當(dāng)量速度之比.

燃燒器出口當(dāng)量速度為:

式中:Q代表各類風(fēng)的風(fēng)量;ρ為空氣密度;deq為當(dāng)量直徑,一般取內(nèi)二次風(fēng)管內(nèi)徑.

(2)截面回流率,定義為某一截面上回流流量與總流量之比.

式中:r i、r o分別為回流區(qū)內(nèi)、外邊界半徑.

(3)截面湍動(dòng)度,定義為速度脈動(dòng)量的均方根值與時(shí)均速度之比,就全流場(chǎng)來(lái)講,這里的時(shí)均速度應(yīng)當(dāng)采用當(dāng)量速度u eq

式中:u′x、u′y、u′z 分別為當(dāng)?shù)?x 、y、z 三個(gè)方向的脈動(dòng)速度.

3.1 噴口結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)的影響

應(yīng)用4種噴口進(jìn)行了試驗(yàn),工況1為新型噴口,工況2僅安裝齒形環(huán),工況3僅安裝內(nèi)齒錐形擴(kuò)口,工況4為普通噴口,其結(jié)果見圖3.

圖3 不同噴口結(jié)構(gòu)對(duì)軸線無(wú)量綱速度和截面回流率的影響Fig.3 Effect of spout structure on axial nondimensional velocity and section reflux ratio

相比普通噴口(工況4),新型燃燒器噴口能夠在很大程度上對(duì)出口流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化,提高回流速度及總回流量.齒形環(huán)能夠促進(jìn)濃一次風(fēng)與中心回流區(qū)的湍動(dòng)混合,提高射流發(fā)展前期的湍動(dòng)水平.一般認(rèn)為內(nèi)齒錐形擴(kuò)口具有雙重作用:一是壓迫一次風(fēng)靠近中心回流區(qū),延遲一、二次風(fēng)的摻混,從而增強(qiáng)射流后期混合;二是齒形錐本身能夠增強(qiáng)前期的湍動(dòng),對(duì)風(fēng)粉混合物的著火燃燒有一定的幫助.

3.2 旋流強(qiáng)度對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)的影響

對(duì)3種不同旋流強(qiáng)度的二次風(fēng)進(jìn)行了試驗(yàn),工況1采用強(qiáng)旋流二次風(fēng),工況5、工況6逐步減弱旋流強(qiáng)度,其結(jié)果見圖4.

旋流強(qiáng)度的大小對(duì)于組織燃燒有較重要的意義,減弱旋流強(qiáng)度對(duì)回流區(qū)不利,但能夠使射流行程增加.

3.3 配風(fēng)份額對(duì)燃燒器出口流場(chǎng)的影響

進(jìn)行了5種不同配風(fēng)的試驗(yàn).工況1為標(biāo)準(zhǔn)工況,采用額定配風(fēng),一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的風(fēng)速分別為17.2m/s、25.1 m/s和 35.1 m/s.工況9在保持總風(fēng)量不變的前提下,維持一次風(fēng)份額一定,增大內(nèi)二次風(fēng),減小外二次風(fēng);而工況11則是減小內(nèi)二次風(fēng),增大外二次風(fēng).工況13是減小一次風(fēng)率,將這部分風(fēng)量加入到內(nèi)二次風(fēng)中;工況15是減小一次風(fēng)率,增大外二次風(fēng)率.結(jié)果分別見圖5和圖6.

配風(fēng)對(duì)回流率有一定影響,減小一次風(fēng)率、增大內(nèi)二次風(fēng)率都是增大回流率的有效手段,但只要配風(fēng)的變化處在一定的范圍內(nèi),新型燃燒器具有一定的自調(diào)節(jié)性能,將不會(huì)對(duì)流場(chǎng)造成太大影響.

圖4 不同旋流強(qiáng)度對(duì)軸線無(wú)量綱速度和截面回流率的影響Fig.4 Effect of intensity on axial nondimen sional velocity and section reflux ratio

圖5 一次風(fēng)率不變、改變二次風(fēng)配比對(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響Fig.5 Effect of secondary air distribution on aerodynamic field,at a fixed primary air rate

圖6 減小一次風(fēng)率并分別增大內(nèi)、外二次風(fēng)率對(duì)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響Fig.6 Effect of reducing primary air rate and raising inside/outside secondary air rate on aerodynamic field

3.4 噴口結(jié)構(gòu)對(duì)湍動(dòng)混合特性的影響

4種噴口結(jié)構(gòu)(見3.1節(jié))對(duì)湍動(dòng)混合特性的影響見圖7.從圖7可以看出,工況2和工況3的湍動(dòng)度水平整體較高,裝在濃一次風(fēng)通道出口的齒形環(huán)對(duì)增強(qiáng)外一次風(fēng)與內(nèi)側(cè)中心回流區(qū)的混合作用明顯,氣流通過(guò)齒形環(huán)后將在背風(fēng)側(cè)形成數(shù)量眾多的旋渦,從而使湍動(dòng)混合增強(qiáng).內(nèi)齒錐形擴(kuò)口一般具有雙重作用,對(duì)前期混合起到了加強(qiáng)的作用,能夠破碎外一次風(fēng),將部分動(dòng)量轉(zhuǎn)化為湍動(dòng)能,同時(shí)壓迫其向中心回流區(qū)靠近,促進(jìn)與中心回流區(qū)的熱質(zhì)交換;內(nèi)齒錐形擴(kuò)口結(jié)構(gòu)能夠起到隔離一次風(fēng)與二次風(fēng)的作用,延遲一次風(fēng)與二次風(fēng)的混合,保留一定動(dòng)量到射流末端,這對(duì)于強(qiáng)化射流后期混合很有效果,巧妙地解決了普通旋流燃燒器后期混合不足的問(wèn)題.從工況4可以看出,普通的噴口結(jié)構(gòu)雖然前期旋轉(zhuǎn)射流的混合比較強(qiáng)烈,但隨著氣流動(dòng)量的衰減,湍動(dòng)度水平也在急劇下降,后期湍動(dòng)顯得十分微弱,整體湍動(dòng)水平并不高.而具有新型噴口的工況1則不僅前期混合劇烈,且后期仍具有相當(dāng)?shù)耐膭?dòng)度,整體湍動(dòng)水平強(qiáng)于工況4.

圖7 不同噴口結(jié)構(gòu)對(duì)截面最大湍動(dòng)度和軸線湍動(dòng)度的影響Fig.7 Effect of spout structure on maximum section turbulence and axial turbulence

軸線湍動(dòng)度主要表征的是中心回流區(qū)的湍動(dòng)水平,該參數(shù)能夠衡量燃燒器的著火及穩(wěn)燃性能.可以看到,新的噴口結(jié)構(gòu)提高了軸線附近的湍動(dòng)水平,這對(duì)于風(fēng)粉混合物與回流高溫?zé)煔獾幕旌?、促進(jìn)煤粉顆粒迅速升溫著火、析出揮發(fā)分形成還原性氣氛及降低NO x排放都具有重要意義.

3.5 總旋流強(qiáng)度的提出

考慮各層風(fēng)對(duì)總旋流強(qiáng)度的影響,射流整體的總旋流強(qiáng)度為:

式中:Mi為氣流的旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩;Qi為氣流的質(zhì)量流率;K i為氣流軸向動(dòng)量;L為旋轉(zhuǎn)射流出口定向尺寸.

新型燃燒器的 fre,max和n*的擬合直線見圖8.

根據(jù)圖8可得最大回流率與總旋流強(qiáng)度n*的線性擬合公式:

圖8 最大回流率隨總旋流強(qiáng)度n*的變化Fig.8 Relationship between maximum reflux ratio and total swirl in tensity

該擬合直線與實(shí)際數(shù)據(jù)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)r為0.886 04,因此可以應(yīng)用該公式對(duì)燃燒器出口空氣動(dòng)力場(chǎng)的回流區(qū)特性進(jìn)行一定的預(yù)測(cè).

3.6 煤粉濃縮器濃淡分離效果測(cè)試

旋流燃燒器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,攜帶煤粉顆粒的一次風(fēng)經(jīng)過(guò)濃縮器時(shí),由于慣性力及離心力作用可實(shí)現(xiàn)濃淡分離.冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中采用了幾何縮小的燃燒器模型,因此有必要對(duì)氣固兩相流動(dòng)中存在的顆粒相進(jìn)行?；?氣固兩相試驗(yàn)?zāi)；笞袷厮雇锌怂瓜嗨茰?zhǔn)則,斯托克斯數(shù)用來(lái)衡量顆粒跟隨氣流運(yùn)動(dòng)的能力.

測(cè)量時(shí)使用等速取樣槍分別在燃燒器一次風(fēng)噴口濃淡兩側(cè)多次取樣,對(duì)于不帶濃縮器的工況,可以認(rèn)為一次風(fēng)通道外側(cè)為濃側(cè),內(nèi)側(cè)為淡側(cè).可以看出,即使在不安裝濃縮器的情況下,一次風(fēng)也呈現(xiàn)出外濃內(nèi)淡的煤粉濃度分布,其原因主要是一次風(fēng)粉混合物切向進(jìn)入燃燒器,呈旋流狀態(tài),在離心力的作用下,顆粒相被甩向外側(cè),而氣相則分布比較均勻,這就造成了出口的濃淡分離效果.隨著一次風(fēng)速的提高,濃淡分離比有所增大,但帶濃縮器工況的濃淡分離比始終高于無(wú)濃縮器的工況.在燃燒器實(shí)際運(yùn)行時(shí)的一次風(fēng)速取值范圍內(nèi),濃縮器可將濃淡分離比提高到4∶1以上,而依靠旋轉(zhuǎn)慣性進(jìn)行濃淡分離的工況,濃淡分離比一般保持在3∶1左右(圖9).

圖9 燃燒器出口濃淡分離比與一次風(fēng)速的關(guān)系Fig.9 Relationship between dense-dilute ratio and primary air velocity at burner outlet

4 燃燒器出口空氣動(dòng)力場(chǎng)特性分析

新型燃燒器具有優(yōu)越的空氣動(dòng)力場(chǎng),其主要優(yōu)點(diǎn)為:

(1)回流率與普通燃燒器相比略有提高,并具有一定的自調(diào)節(jié)性能,在配風(fēng)波動(dòng)的情況下能夠使流場(chǎng)在一定范圍內(nèi)維持穩(wěn)定狀態(tài).

(2)增強(qiáng)了燃燒器出口軸線上的湍動(dòng)水平,同時(shí)在高濃度煤粉氣流與回流高溫?zé)煔饣旌蠀^(qū)域形成眾多破碎渦,強(qiáng)化傳熱、傳質(zhì)過(guò)程,有利于煤粉氣流的著火.

(3)在一定程度上延緩了一、二次風(fēng)的混合,促使煤粉燃燒初期還原性貧氧氣氛的形成,這是抑制NOx生成的有效手段.

(4)濃一次風(fēng)具有較長(zhǎng)的射流周界,增大了其與周圍高溫介質(zhì)的接觸面積,有利于燃燒化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行.

(5)截面整體湍動(dòng)度水平尤其是在關(guān)鍵混合區(qū)域的湍動(dòng)度水平較高.

旋流燃燒器運(yùn)行過(guò)程中的配風(fēng)參數(shù)變化能夠起到調(diào)節(jié)空氣動(dòng)力場(chǎng)的作用,以便適應(yīng)不同煤種的燃燒.由于易燃煤種揮發(fā)分析出較快、反應(yīng)能力強(qiáng)、初期對(duì)氧量的消耗快,因此應(yīng)當(dāng)選取較大內(nèi)二次風(fēng),較早地完成補(bǔ)氧過(guò)程;而難燃煤種需要維持燃燒反應(yīng)進(jìn)行的高溫環(huán)境,應(yīng)延緩二次風(fēng)的混入,選用較小的內(nèi)二次風(fēng)和較大的外二次風(fēng).對(duì)于該型燃燒器,適用于煙煤燃燒的工況參數(shù)為:一次風(fēng)速17 m/s,內(nèi)二次風(fēng)速26 m/s,外二次風(fēng)速36 m/s,即試驗(yàn)中工況1;而燃用貧煤時(shí)推薦使用的工況參數(shù)為:一次風(fēng)速12m/s,內(nèi)二次風(fēng)速25m/s,外二次風(fēng)速41 m/s,即試驗(yàn)中工況15.

5 試驗(yàn)誤差說(shuō)明

5.1 空氣動(dòng)力場(chǎng)試驗(yàn)誤差

空氣動(dòng)力場(chǎng)的測(cè)量工作采用熱線風(fēng)速儀來(lái)完成,經(jīng)標(biāo)定后其誤差范圍可控制在±2%以內(nèi).測(cè)量過(guò)程中,由于送風(fēng)機(jī)來(lái)流溫度變化且與標(biāo)定時(shí)的氣流溫度不同,通過(guò)溫度修正可消除溫差對(duì)儀表造成的影響;燃燒器出口為開闊的外部大氣空間,大氣流動(dòng)可能對(duì)試驗(yàn)造成影響,盡量選擇晴朗無(wú)風(fēng)的大氣條件,誤差范圍可控制在±5%.

5.2 氣固兩相流試驗(yàn)誤差

兩相流試驗(yàn)的測(cè)量工作采用等速取樣稱重法完成,由于最終所得數(shù)據(jù)為顆粒濃度比值,顆粒濃度測(cè)量中所引入的誤差經(jīng)該方法處理可以抵消.

6 結(jié) 論

(1)新型燃燒器的噴口結(jié)構(gòu)具有一定的創(chuàng)新性,能夠有效地優(yōu)化出口空氣動(dòng)力場(chǎng),有利于煤粉氣流的著火和穩(wěn)燃.在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,通過(guò)對(duì)配風(fēng)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)空氣動(dòng)力場(chǎng)的目的,可以適應(yīng)不同煤種的燃燒.

(2)使用了總旋流強(qiáng)度n*的概念,該參數(shù)能夠在一定程度上反映空氣動(dòng)力場(chǎng)的特征.

(3)提出了一種由多級(jí)分離塊組成的煤粉濃縮器,促使新型燃燒器濃淡型燃燒過(guò)程的實(shí)現(xiàn).

[1] 夏小霞,王志奇,徐順生,等.煤粉鍋爐低 NOx燃燒器的研究及應(yīng)用[J].工業(yè)加熱,2008,37(3):20-23.XIA Xiaoxia,WANG Zhiqi,XU Shunsheng,et a l.Research and application of low NOxburners on pulverized coal boiler[J].Industrial Heating,2008,37(3):20-23.

[2] 周屈蘭.徑向濃淡式雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].西安:西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院,2001.

[3] XUE Shan,HUI Shi'en,LIU Taisheng,eta l.Experimental investigation on NOxemission and carbon burnout from a radially biased pulverized coal whirl burner[J].Fuel Processing Technology,2009,90(9):1142-1147.

[4] MASAYOSHIK,HIROFUM I T,H ISAO M,et al.Scale-up of advanced low NOxand high turndown pulverized coal burner[J].Journal of the Japan Institute of Energy,1999,78(6):404-415.

[5] 林正春,范衛(wèi)東,李友誼,等.一種低NOx旋流燃燒器流場(chǎng)特性的研究[J].動(dòng)力工程,2008,28(3):355-360.LIN Zhengchun,FAN Weidong,LI Youyi,eta l.Experiment research on aerodynamics field characteristic of a low NOxswirl burner[J].Journal of Power Engineering,2008,28(3):355-360.

[6] 趙伶玲,周強(qiáng)泰.旋流燃燒器的穩(wěn)燃及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].動(dòng)力工程,2006,26(1):74-80.ZHAO Ling ling,ZHOU Qiangtai.Combustion stability of swirl burners and their structural optimization[J].Journal of Power Engineering,2006,26(1):74-80.

[7] 邵杰.新型低NOx旋流燃燒器冷態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].杭州:浙江大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,2008.

[8] 趙伶玲,周強(qiáng)泰,趙長(zhǎng)遂.花瓣燃燒器流場(chǎng)特性分析與研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù),2007,13(1):20-24.ZH AO Lingling,ZHOU Qiangtai,ZHAO Changsui.Study on flow field characteristic of petal swirl burner[J].Journal of Combustion Science and Technology,2007,13(1):20-24.