煤粉爐再燃噴口流場冷態(tài)實驗研究

張俊峰

【摘 要】以某100t/h鍋爐為原型搭建冷態(tài)實驗臺，研究再燃燃燒器噴口流場特性及其對爐內(nèi)上升氣流覆蓋效果的影響，并采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型對其進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明：再燃區(qū)采用八個噴口比四個噴口更能使?fàn)t膛內(nèi)氣流充滿度強(qiáng)，再燃?xì)饬鲗t膛內(nèi)上升氣流覆蓋效果更好；在各噴口氣流速度不變的工況下，爐膛四角入射角為14.17°、側(cè)墻中心處入射角為84.57°再燃?xì)饬鲗ι隙物L(fēng)的覆蓋效果最好；在保持該入射角度不變的情況下，四角再燃?xì)饬魉俣葹?0m/s，側(cè)墻中心處再燃?xì)饬魉俣葹?0m/s時（工況3），再燃?xì)饬鲗ι隙物L(fēng)的覆蓋效果最好。

【關(guān)鍵詞】煤粉爐；再燃噴口；冷態(tài)流場；數(shù)值模擬

再燃是一種很有前途的脫氮方法[1]，因其投運(yùn)成本低、脫氮效率高等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛重視。天然氣由于本身不含氮、灰和硫，且能比其它燃料產(chǎn)生更多的烴根，被認(rèn)為是最理想、使用最為廣泛的再燃燃料。近年來許多國家都對天然氣再燃降低NOx機(jī)理的研究發(fā)現(xiàn)，再燃燃料中含氮組分HCN對再燃過程有著重要的影響。Patry和Engel[2]在研究氮氧化物和甲烷的反應(yīng)后認(rèn)為其生成產(chǎn)物為HCN、水和氫氣，發(fā)現(xiàn)約有70%的NOx在相對短的時間內(nèi)實現(xiàn)了轉(zhuǎn)化。該項技術(shù)的關(guān)鍵之一是再燃?xì)怏w燃料與爐內(nèi)煙氣的混合特性[3]，所以，研究再燃噴口射流流場特性對探討爐內(nèi)氣體混合特點(diǎn)、及其對降低NOx的影響有重要意義。

本文考慮到僅由爐膛四角射入的天然氣與爐內(nèi)煙氣混合程度較差，降低再燃還原NOx的效果，因此，設(shè)計時在四側(cè)爐墻中心處各增加一個再燃噴口以提高再燃?xì)怏w在爐內(nèi)的充滿度，實現(xiàn)再燃區(qū)八點(diǎn)噴射，達(dá)到有效降低NOx的目的。文中采用相似?；碚撚盟俣缺碚鳚舛龋瑢上嗔魈幚頌閱蜗嗔黧w，通過數(shù)值模擬與冷態(tài)實驗研究的方法，研究再燃區(qū)噴口數(shù)目、氣流入射角度，再燃?xì)饬魉俣鹊葘t內(nèi)流場影響，為優(yōu)化天然氣再燃技術(shù)及工程應(yīng)用提供參考。

1 實驗介紹

1.1 實驗裝置

以某100t/h鍋爐為原型，根據(jù)1：5的比例搭建冷態(tài)實驗臺，實驗系統(tǒng)由三部分組成：鍋爐爐膛，燃燒器組件和送風(fēng)管路。整個爐膛用有機(jī)玻璃制造，燃燒器組件由下至上依次為下一次風(fēng)噴口、下二次風(fēng)噴口、上一次噴口、上二次風(fēng)噴口、再燃?xì)怏w噴口和燃盡風(fēng)噴口，再燃區(qū)八個噴口在爐膛同一截面上分布示意圖如圖1所示。本實驗的工質(zhì)為空氣，測量儀器為熱球風(fēng)速儀，實驗中測試區(qū)及爐膛一角測點(diǎn)坐標(biāo)布置如圖2所示：x軸為以噴口中心為原點(diǎn)的氣流軸線；y軸為沿燃燒器噴口的水平軸線；O點(diǎn)為燃燒器噴口中心。

1.2 實驗參數(shù)

根據(jù)相似理論，選擇鍋爐實際運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行冷態(tài)?；嬎?，可得到冷態(tài)實驗再燃各噴口出口風(fēng)速，冷態(tài)實驗參數(shù)與實際運(yùn)行參數(shù)對照表如表1所示。

根據(jù)研究內(nèi)容，本實驗安排了6種工況進(jìn)行測試，各工況冷態(tài)實驗參數(shù)如表2所示。

2 實驗與數(shù)值計算理論基礎(chǔ)

2.1 實驗原理

根據(jù)相似?；碚?，冷態(tài)實驗必須遵循以下原則[4]：（1）模型與實物保持幾何相似；（2）模型與實物在對應(yīng)的工況下，保證氣流運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)；（3）模型與實物的各股氣流動量比相等。

由于模型與實物的一二次風(fēng)動量比相等[[5-6]，即：

根據(jù)實物不同噴口的運(yùn)行參數(shù)，可得到冷態(tài)模型的各噴口參數(shù)。

2.2 數(shù)值計算數(shù)學(xué)模型

鍋爐內(nèi)的氣體流動是一種三維湍流流動，大量的研究表明，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω雙方程模型具有較好的適應(yīng)性。在三維直角坐標(biāo)系中，根據(jù)Navier-Stokes方程，可得到氣相湍流控制方程組，其通用形式為[7]：

入口邊界條件：一次風(fēng)V1=11.4m/s，二次風(fēng)V2=22.6m/s，再燃風(fēng)V3=51m/s，燃盡風(fēng)V4=29m/s；出口邊界條件：爐膛出口負(fù)壓取運(yùn)行值-50Pa；壁面邊界條件：無速度滑移和無質(zhì)量滲透條件。其中，邊界上的湍動能k=■I■■，湍動能耗散率ε=0.093/4■，湍流強(qiáng)度I=0.16Re-1/8，湍流長度尺寸l=0.007L。

本次冷態(tài)鍋爐數(shù)值模擬采用SIMPLE算法對各個變量的方程組進(jìn)行迭代求解[8]，SIMPLE算法是一種求解壓力耦合方程組的半隱式方法，主要用于不可壓縮流場的數(shù)值模擬計算。SIMPLE算法主要利用“猜測-修正”的方法，在交錯網(wǎng)格的基礎(chǔ)上來計算壓力場，從而達(dá)到求解動量方程的目的。

3 結(jié)果分析

實驗測量了6種工況下，爐膛四角處再燃噴口和上二次風(fēng)噴口截面上5組無量綱距離X/b（X/b=1，2.5，5， 7.5，10，噴口的寬度b為2cm）測點(diǎn)上的風(fēng)速，在每組X/b測點(diǎn)上，在噴口中心左右側(cè)每隔2cm進(jìn)行速度測量，將測量的結(jié)果與數(shù)值模擬的結(jié)果進(jìn)行對比，本文重點(diǎn)分析爐膛中心處（X/b=7.5，10）流場分布情況。

3.1 再燃噴口數(shù)目對再燃?xì)饬鞲采w效果的影響

大量研究表明沿爐膛水平截面，爐內(nèi)氣流濃度剖面分布同速度剖面分布將存在相似性[9]，因此本次實驗中可以用速度的分布來表征濃度的分布[10]。

工況1與工況2中再燃?xì)饬鞲咚賴娙霠t膛，在噴口前端（X/b=1，2.5，5），由于風(fēng)速大，氣流剛性強(qiáng)，再燃?xì)饬髋c上二次風(fēng)的速度中心軸線大致重合，再燃?xì)饬魉俣仍?2

由圖3（a）可知，當(dāng)氣流接近爐膛中心處（X/b=7.5）時，工況1由于再燃?xì)饬魉俾食霈F(xiàn)衰減，再燃?xì)饬髟跔t內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流沖擊下向鍋爐爐墻一側(cè)偏斜[11]，其速度最大值出現(xiàn)在Y/b=1附近；相比于工況2的氣流偏斜率要小。由圖3（b）可知，工況1再燃?xì)饬鞯淖畲笾禐?3.1m/s，不能明顯高于上二次風(fēng)速，表示該處再燃?xì)饬鞲采w效果較差。而在工況2中，由于鍋爐四側(cè)墻中心處增設(shè)了再燃噴口，通過周圍氣流的卷吸作用，從而保證了四角側(cè)再燃風(fēng)有足夠大的動量，能夠射入爐膛旋轉(zhuǎn)氣流中心，對上二次風(fēng)的覆蓋率更高。

3.2 側(cè)墻中心處再燃?xì)饬魅肷浣嵌葘Ω采w效果的影響

對于燃煤鍋爐，切圓直徑是爐內(nèi)氣流流動狀態(tài)的重要特征[8]，理想的爐內(nèi)氣流流動狀態(tài)是在爐膛中心形成合適的圓形旋轉(zhuǎn)火焰[12-13]。

在保證再燃風(fēng)速及上二次風(fēng)速不變的情況下，改變側(cè)墻中心處再燃?xì)饬魅肷浣嵌?，?0°逐漸調(diào)整至74.57°，由圖4（a）可以看出，在遠(yuǎn)離噴口的位置（x/b=7.5）處，隨著入射角度的降低，工況2，3，4的再燃?xì)饬髦行奶幾畲笏俣赛c(diǎn)分別出現(xiàn)在y/b=0.5，1，1.5左右，該現(xiàn)象表明在不同的入射角度下，由于四側(cè)墻中心處再燃?xì)饬髋c四角側(cè)的再燃?xì)饬骰旌蠌?qiáng)度不同，從而引起四角側(cè)再燃?xì)饬髌甭实牟町?，最終形成不同直徑的切圓。

工況4再燃?xì)饬髦行奶幾畲笏俣赛c(diǎn)出現(xiàn)在y/b=1.5，再燃?xì)饬髌甭首畲?，在爐內(nèi)形成較大的切圓，切圓直徑過大，使再燃?xì)饬魅菀踪N墻，在實際運(yùn)行中易造成水冷壁的結(jié)渣[14]。

根據(jù)圖4（b）可知，工況2，3中再燃?xì)饬魉俣仍?2

3.3 側(cè)墻中心處再燃?xì)饬魉俣葘Ω采w效果的影響

通過研究側(cè)墻中心處再燃噴口不同的入射角度對爐內(nèi)再燃?xì)饬鞲采w效果的影響發(fā)現(xiàn)，當(dāng)四角側(cè)再燃?xì)饬魅肷浣嵌葹?1.17°，四墻側(cè)再燃?xì)饬魅肷浣嵌葹?4.57°時，再燃?xì)饬髂芎芎玫母采w上二次風(fēng)射流。在該入射角度不變的前提下，改變其入射氣流速度，其結(jié)果如下。

由圖5可知，工況5下，四角再燃噴口（X/b=1，2.5，5））氣流高速噴入爐膛，剛性較強(qiáng)，計算值與模擬值吻合度較好，但是由于側(cè)墻中心處再燃?xì)饬饕?4.57°射入爐膛，對四角側(cè)再燃?xì)饬鳟a(chǎn)生了一個橫向推動力，兩股氣流相互卷吸，抵消了部分動量，故四角再燃?xì)饬餮刂鴩娍谳S線衰減速度加快，在爐膛中間區(qū)域（x/b=7.5，10），再燃?xì)饬魉俣葻o法完全明顯的高于上二次風(fēng)氣流流速，在實際運(yùn)行時，爐膛的高溫火焰處NOX生成含量相對較高，如果再燃?xì)饬髟谠搮^(qū)域無法完全包圍住爐膛內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流，容易造成脫硝效率的下降。

工況3下，在噴口出口處（x/b=1，2.5，5）四角再燃?xì)饬髋c上二次風(fēng)氣流的最高速度中軸線大致保持吻合，并且在-2

在工況6下，由于側(cè)墻中心處再燃?xì)饬黠L(fēng)速大，剛性強(qiáng)，在沿著噴口軸線上對四角再燃?xì)饬鳟a(chǎn)生了劇烈的沖擊作用，雖然在此工況下，四角側(cè)再燃?xì)饬髟?2

4 結(jié)論

（1）天然氣再燃技術(shù)中，再燃燃燒器采用分別在爐膛四角和側(cè)墻中心處布置八個噴口比僅在爐膛四角布置四個噴口的降低NOx效果好，八點(diǎn)噴射的再燃?xì)饬鲗t內(nèi)上升氣流覆蓋效果更好，有利于脫硝效率的提高；

（2）再燃燃燒器采用八個噴口時，再燃?xì)饬魅肷浣嵌葘τ跔t內(nèi)上升氣流的覆蓋效果有較大的影響，其中，在各噴口再燃?xì)饬魉俣炔蛔兊那闆r下，爐膛四角氣流以41.17°射入，側(cè)墻中心處氣流以84.57°射入，再燃?xì)饬鲗ι隙物L(fēng)的覆蓋效果最好。

（3）再燃?xì)饬魉俣鹊拇笮档蚇Ox也有一定的影響，在保持四角噴口入射角為41.17°、側(cè)墻噴口入射角為84.57不變的情況下，四角側(cè)再燃?xì)饬魉俣葹?1m/s、四側(cè)墻中心處再燃?xì)饬魉俣葹?1m/s時，再燃?xì)饬鲗ι隙物L(fēng)的覆蓋效果最好。

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[責(zé)任編輯：湯靜]