四墻切圓濃淡燃燒器射流特性的實(shí)驗(yàn)研究

秦 明，吳少華，郭建明，陳 建，孔 超，陳力哲

(1．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院燃燒研究所，黑龍江 哈爾濱 150001;

2．哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)處，黑龍江 哈爾濱 150046)

我國是煤炭的生產(chǎn)和消費(fèi)大國，煤炭的主要用途是火力發(fā)電［1］。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭燃燒對(duì)環(huán)境的污染也愈來愈嚴(yán)重。隨著我國環(huán)境保護(hù)的加強(qiáng)，污染物排放標(biāo)準(zhǔn)也愈加嚴(yán)格，為此，我國的火力發(fā)電機(jī)組正向大容量、高參數(shù)的方向發(fā)展;同時(shí)各種低污染燃燒技術(shù)也開始廣泛采用。煤粉的濃淡燃燒技術(shù)就是主要的措施之一［2］。

在電站鍋爐的煤粉切圓燃燒方式中，燃燒器基本都布置在爐膛角部，建立一個(gè)假象切圓，形成所謂的“四角切圓”燃燒。而隨著鍋爐容量和參數(shù)的提高，每只燃燒器噴口的數(shù)量也有所增加，燃燒器的高寬比提高，氣流剛性的減弱、煙溫偏差等問題也更加突出。為了緩解角式切圓燃燒方式的不足，在一些大型超臨界、超超臨界的電站鍋爐中，出現(xiàn)了一種新型的切圓燃燒方式，即墻式切圓布置燃燒器方式［3－4］。Yan 等人［5］用數(shù)值模擬對(duì)四墻切圓與四角切圓的燃燒特性進(jìn)行了對(duì)比分析。

對(duì)于切圓燃燒，噴口射流不同會(huì)產(chǎn)生不同程度的偏轉(zhuǎn)。產(chǎn)生射流偏轉(zhuǎn)除了射流自身的動(dòng)量大小以外，主要有以下幾個(gè)方面的原因［6］:

(1)射流兩側(cè)補(bǔ)氣條件的差異;(2)旋轉(zhuǎn)氣流對(duì)射流方向的影響;(3)相鄰上游噴口射流對(duì)下游噴口射流的擠壓。而含有煤粉的一次風(fēng)如果剛性較弱，偏斜嚴(yán)重，則易在爐內(nèi)壁面產(chǎn)生結(jié)焦、高溫腐蝕等不利影響。

本實(shí)驗(yàn)的研究目的就是研究這種新型的墻式切圓燃燒器爐內(nèi)冷態(tài)空氣流場(chǎng)的流動(dòng)特性。此外，煤粉濃淡燃燒主要分為垂直濃淡和水平濃淡燃燒兩種方式。本文對(duì)這兩種燃燒器一次風(fēng)的氣流特性進(jìn)行了比較。

本研究采用實(shí)驗(yàn)室冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)，用PDA 顆粒測(cè)量來研究兩種不同的墻式布置切圓濃淡燃燒器的氣流特性。

1 實(shí)驗(yàn)與分析

1．1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)以一臺(tái)660 M W 超臨界鍋爐和一臺(tái)600 MW 超超臨界鍋爐的墻式切圓燃燒器為原型，進(jìn)行了爐內(nèi)冷態(tài)?；瘜?shí)驗(yàn)研究。本文將660 MW 鍋爐燃燒器稱為燃燒器Ⅰ，將600 MW 鍋爐燃燒器稱為燃燒器Ⅱ。燃燒器水平布置示意圖如圖1 所示。

燃燒器Ⅰ燃用的是褐煤，采用水平濃淡燃燒器，燃燒器噴口布置如圖2 所示。燃燒器Ⅱ燃用的是煙煤，采用垂直濃淡燃燒器，燃燒器噴口布置如圖3 所示。圖中SA 為二次風(fēng)，PA 代表一次風(fēng)，OIL 為點(diǎn)火用油噴口。

圖1 燃燒器墻式切圓布置示意圖

圖2 燃燒器Ⅰ噴口布置圖

圖3 燃燒器Ⅱ噴口布置圖

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)采用幾何尺寸?；?。由于本?；瘜?shí)驗(yàn)的兩個(gè)原型一方面爐膛尺寸不同，但寬深比基本相同，另一方面燃燒器噴口形式不同，但在爐膛橫截面布置的相對(duì)位置基本相同。因此，針對(duì)兩個(gè)不同的原型，本實(shí)驗(yàn)裝置采用同一爐膛模型和不同燃燒器模型，即模型爐膛尺寸同為1 200 mm(寬)×1 180 mm(深)，從而對(duì)燃燒器Ⅰ，模型比例為1∶17，對(duì)燃燒器Ⅱ，模型比例為1∶14．7。燃燒器模型為可以更換形式。實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置見圖4。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)保證各噴口氣流進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)并且一二次風(fēng)動(dòng)量比與原型相等［7］。

此外，燃燒器后部采用軟管連接，每個(gè)軟管配手動(dòng)球閥來調(diào)節(jié)風(fēng)量。每個(gè)軟管裝配靠背管和U 型管測(cè)量風(fēng)壓，并經(jīng)過標(biāo)定，用來換算風(fēng)量。

本實(shí)驗(yàn)研究采用三維粒子動(dòng)態(tài)分析儀PDA(Particle Dynamic Analyzer)測(cè)量來研究射流特性。PDA 儀器可以用來測(cè)量氣固兩項(xiàng)流動(dòng)參數(shù)［8－9］。實(shí)驗(yàn)時(shí)在噴口內(nèi)通入玻璃微珠粉，其平均粒徑為30 μm，以代表煤粉顆粒。圖5 為實(shí)驗(yàn)時(shí)所用玻璃微珠粉的粒度分布。PDA 的測(cè)量區(qū)域見圖6。

1．2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)時(shí)給粉噴口選定為下數(shù)第三層一次風(fēng)口。將實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)調(diào)整到設(shè)計(jì)的運(yùn)行參數(shù)，然后采用PDA進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí)，由于測(cè)量角度的限制，同一工況下，需要移動(dòng)測(cè)量儀器，分兩次完成測(cè)量實(shí)驗(yàn)，然后數(shù)據(jù)處理時(shí)再疊加。

(1)燃燒器Ⅰ的實(shí)驗(yàn)

圖7 表示的是燃燒器Ⅰ測(cè)量區(qū)域的速度場(chǎng)和濃度場(chǎng)，這里濃度指顆粒在測(cè)量區(qū)域的分布數(shù)量，速度的單位為m/s。圖中y 軸為后墻，x、y 軸單位為mm。

圖5 玻璃微珠粉粒徑分布

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)裝置

圖6 PDA 的測(cè)量區(qū)域

圖7 燃燒器Ⅰ測(cè)量結(jié)果

圖8 燃燒器Ⅱ測(cè)量結(jié)果

從PDA 的測(cè)量結(jié)果看，對(duì)于濃度場(chǎng)，壁面附近的顆粒數(shù)不大，表明煤粉顆粒濃度不高，顆粒貼壁不嚴(yán)重;從速度場(chǎng)看，一次風(fēng)射流剛性較好，射流衰減的較慢。但同時(shí)也應(yīng)注意，噴口附近的貼壁速度是較高的，達(dá)10 m/s 左右。

(2)燃燒器Ⅱ的實(shí)驗(yàn)

燃燒器Ⅱ的PDA 實(shí)驗(yàn)仍然是在下數(shù)第三層一次風(fēng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

與燃燒器Ⅰ的測(cè)量結(jié)果相比，燃燒器Ⅱ壁面區(qū)域顆粒濃度較高，顆粒向壁面偏斜明顯，而且射流偏斜比較嚴(yán)重，說明當(dāng)燃燒器噴口的高寬比過大，則氣流的剛性明顯減弱，氣流易貼壁。

比較而言，對(duì)于燃燒器Ⅰ，每組燃燒器的高/寬比約為6;而燃燒器Ⅱ由于沒有分組，整體燃燒器的高/寬比則達(dá)到19，因此燃燒器Ⅱ的射流偏斜程度明顯。

2 結(jié)論

通過用PDA 測(cè)量，對(duì)采用兩種濃淡燃燒方式的一次風(fēng)射流進(jìn)行的研究表明:

(1)實(shí)驗(yàn)表明，比較而言，水平濃淡燃燒的一次風(fēng)氣流向爐壁的偏離較小，而且氣流速度衰減的也較慢，表明水平濃淡燃燒器的氣流剛性較強(qiáng)，而其原因在于采用垂直濃淡燃燒器的噴口數(shù)量較多，導(dǎo)致燃燒器的高寬比更大，致使氣流剛性較弱;

(2)對(duì)于四墻切圓，采用水平濃淡燃燒時(shí)，一次風(fēng)口附近的貼壁風(fēng)速較高，應(yīng)予以注意;

(3)對(duì)于大型鍋爐，一般每只燃燒器噴口數(shù)量比較多，燃燒器的高/寬比比較大，即燃燒器比較瘦高時(shí)，這時(shí)在采用大切圓的墻式布置燃燒器時(shí)，噴口應(yīng)該采用分組布置，這樣可以降低每組燃燒器的高寬比，提高氣流的剛性，從而有效減輕氣流貼壁的狀況。

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