配風(fēng)方式對花瓣燃燒器出口流場影響的研究

李慧君，賈寶桐

（華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，河北保定071003）

隨著電力行業(yè)穩(wěn)燃和低氮排放目標的提出［1］，旋流燃燒器改造方便、穩(wěn)燃能力突出的特點越加明顯，因此受到眾多電廠的青睞.花瓣燃燒器［2-4］是針對我國低品質(zhì)煤種穩(wěn)燃和低負荷運行等問題提出的一種新型旋流燃燒器.此種燃燒器由于一次風(fēng)噴口類似花瓣而得名，在燃燒器出口處能形成軸向和徑向回流區(qū)，軸向回流區(qū)中煙氣以接觸面的層流換熱方式使煤粉迅速達到著火熱，徑向回流區(qū)中風(fēng)粉以對流方式吸收熱量，此外煤粉在徑向回流區(qū)中反復(fù)循環(huán)，這種特殊的流場形式既增強了煤粉與高溫?zé)煔獾膿Q熱強度，又延長了煤粉在回流區(qū)的停留時間，有效解決了低品質(zhì)煤穩(wěn)燃的問題.

目前，花瓣燃燒器已得到業(yè)內(nèi)認可，在利港、西柏坡等電廠長時間的實驗表明，此種燃燒器對低揮發(fā)分煤種的適應(yīng)性較強，但易出現(xiàn)燃燒器結(jié)渣和NOx排放量高的問題.對于旋流燃燒器而言，調(diào)整一、二次風(fēng)的配風(fēng)方式是改善其燃燒能力的核心技術(shù)［5］，可有效解決其結(jié)渣和污染物排放量高等問題.周志軍等［6］采用溫度示蹤法研究了一、二次風(fēng)的混合情況，分析了冷態(tài)煤粉濃度的分布及煤粉高濃度區(qū)域的大小，得到了最佳工況，能減少NOx的生成；劉建忠等［7］利用氣體示蹤法研究由弱旋流（一次風(fēng)）燃燒器和直流（側(cè)面二次風(fēng)）燃燒器組成的燃燒器一、二次風(fēng)混合擴散特性，得到各截面混合物濃度和混合強度分布規(guī)律；林正春等［8］采用示蹤一次風(fēng)的方法發(fā)現(xiàn)，旋流強度過大易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象，形成開式火焰，使燃燒器磨損.

目前，對花瓣燃燒器的研究多基于現(xiàn)場實驗，成本巨大，而通過CFD 軟件進行模擬具有短計算周期和低成本的優(yōu)點，在研究中被廣泛應(yīng)用.筆者采用Fluent軟件模擬一、二次風(fēng)配風(fēng)方式對花瓣燃燒器出口流場的影響，為此種燃燒器的工程應(yīng)用提供一定的參考.

1 模型建立

以某電廠花瓣燃燒器為模擬對象，一次風(fēng)管噴口類似花瓣，如圖1所示.在每個瓣峰上安裝了片狀小鈍體，x軸通過瓣峰中心，y軸通過瓣谷中心，噴口中心為坐標原點.

圖1 一次風(fēng)管示意圖Fig.1 Schematic diagram of the primary air duct

燃燒器的結(jié)構(gòu)和整體示意圖見圖2.其中一次風(fēng)采用直流送風(fēng)方式，內(nèi)、外二次風(fēng)為旋流送風(fēng).一次風(fēng)管中安裝了均流環(huán)，通過彎管的煤粉可以形成外濃內(nèi)淡的煤粉分布.對圖2（a）中模型按1∶1的比例進行建模，鍋爐側(cè)用長6 m 的圓形長筒代替，如圖2（b）所示.由于內(nèi)二次風(fēng)入口為水平軸向，故內(nèi)二次風(fēng)速度分解為軸向速度和切向速度；外二次風(fēng)入口在側(cè)面，外二次風(fēng)速度可分解為徑向速度和切向速度.

圖2 燃燒器模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of the burner model

冷態(tài)實驗為湍流流動，采用可實現(xiàn)κ-ε模型，能夠準確反映湍流狀態(tài)下的旋轉(zhuǎn)流動［9-11］.在邊界層設(shè)置中，根據(jù)實際工況，按照等溫模化原理［12-14］轉(zhuǎn)化成模擬工況，進行一、二次風(fēng)的設(shè)置，從而進行模擬.

2 模型準確性驗證

為驗證上述模型的準確性，首先通過飄帶法測量設(shè)計工況下動力場實驗的回流區(qū)大小，根據(jù)此工況下的一、二次風(fēng)速度，計算出對應(yīng)的模擬工況參數(shù)，即一次風(fēng)速度為16 m／s，內(nèi)二次風(fēng)軸向和切向速度分別為26m／s和28m／s，外二次風(fēng)徑向和切向速度分別為-9m／s和6m／s.根據(jù)所得一、二次風(fēng)速度，對燃燒器出口流場進行模擬，確定瓣谷中心y-z面與瓣峰中心x-z面的回流區(qū)大小，與實驗測得的回流區(qū)進行比較，結(jié)果如圖3所示.瓣峰和瓣谷后都出現(xiàn)了較大的回流區(qū)，且模擬與實驗所得回流區(qū)大小基本一致，說明此模型能較為準確地反映實際運行情況.

3 花瓣燃燒器流場特性分析

3.1 一次風(fēng)的影響

在一、二次風(fēng)的共同作用下，燃燒器出口處產(chǎn)生回流區(qū)，大量高溫?zé)煔饣亓鳎姑悍垩杆龠_到著火熱.一次風(fēng)的存在改變了中心風(fēng)壓，會直接影響燃燒器的出口流場分布.花瓣燃燒器瓣峰后的回流區(qū)出現(xiàn)在一、二次風(fēng)之間，通過剪切層面的接觸換熱加熱煤粉，且能避免煤粉與二次風(fēng)的過早混合，有很好的穩(wěn)燃效果，故分析不同一次風(fēng)速度下瓣峰中心x-z面的流場分布，得到回流區(qū)隨一次風(fēng)速度調(diào)整的變化規(guī)律，便于尋找較優(yōu)的一次風(fēng)速度以提高設(shè)備燃燒能力.

圖3 回流區(qū)大小的比較Fig.3 Size comparison of recirculation zones

保證葉片角度不變，改變內(nèi)二次風(fēng)合速度以及一次風(fēng)速度的大小，各數(shù)值模擬工況如表1所示.

表1 數(shù)值模擬工況（一）Tab.1 Numerical simulation conditions（I） m／s

由于一次風(fēng)的存在產(chǎn)生了中心風(fēng)壓［12］，當(dāng)一次風(fēng)速度增大時，中心風(fēng)壓升高，二次風(fēng)在中心形成的負壓相應(yīng)降低，回流區(qū)隨之變小.如圖4所示，隨著一次風(fēng)速度的增大，燃燒器出口處的回流區(qū)有減小的趨勢，當(dāng)一次風(fēng)速度過大時，不能產(chǎn)生回流區(qū).當(dāng)一次風(fēng)速度較小時，其剛度較弱，回流區(qū)前部微微向z方向凹陷；隨著一次風(fēng)速度的增大，回流區(qū)凹陷明顯，當(dāng)一次風(fēng)速度增大到一定值時，中心大回流區(qū)被一次風(fēng)分割為2個對稱的小回流區(qū).另一方面，當(dāng)一次風(fēng)速度一定時，若保持內(nèi)二次風(fēng)葉片角度不變，只增大內(nèi)二次風(fēng)合速度，二次風(fēng)旋流作用增強，中心真空度提高，回流區(qū)會隨之變大，如圖4（a）～圖4（c）所示，煤粉在更大的回流區(qū)中能充分吸收高溫?zé)煔獾臒崃浚紵鞯姆€(wěn)燃能力得到提高.

盡管回流區(qū)越大，煤粉吸熱量越多，但大量煙氣回流、逼近燃燒器表面，容易降低燃燒器壽命.而若改變一次風(fēng)速度的大小，由于其剛度的改變能調(diào)整回流區(qū)中心的位置，可有效防止燃燒器結(jié)渣等問題的發(fā)生.圖5給出了內(nèi)二次風(fēng)合速度為40m／s時不同一次風(fēng)速度下模型中心線上軸向速度的變化.由圖5可知，在z＝0m 前，軸向速度變化規(guī)律相近；在z＝0～2m 內(nèi)，當(dāng)一次風(fēng)速度較小時，出現(xiàn)了不同程度的負軸向速度，說明一次風(fēng)速度越小，回流區(qū)越靠近燃燒器；在z＝2 m 后，各曲線變化趨于平緩，當(dāng)一次風(fēng)速度為8m／s時，中心回流區(qū)較大，此時一次風(fēng)速度較小，明顯限制了一次風(fēng)對煤粉的輸運能力，如圖4（a）所示；在z＝0.5m 處已經(jīng)出現(xiàn)負軸向速度，大量煙氣回流，靠近燃燒器表面，使其溫度迅速升高，容易導(dǎo)致設(shè)備壽命降低.而當(dāng)一次風(fēng)速度增大后，回流區(qū)中心與燃燒器出口距離明顯增大，不易出現(xiàn)結(jié)渣現(xiàn)象.

因此，一次風(fēng)的存在使回流區(qū)變小，降低了穩(wěn)燃能力，但可以調(diào)整回流區(qū)中心的位置，避免燃燒器因溫度過高而產(chǎn)生結(jié)渣等問題.對于花瓣燃燒器而言，隨著一次風(fēng)速度的增大，回流區(qū)有減小的趨勢；若一次風(fēng)速度過大，不易出現(xiàn)軸向回流區(qū)；若一次風(fēng)速度過小，回流煙氣距燃燒器出口過近，容易導(dǎo)致燃燒器使用壽命降低；當(dāng)一次風(fēng)速度一定時，增大內(nèi)二次風(fēng)合速度，回流區(qū)增大，回流煙氣增多，穩(wěn)燃能力提高.在工程應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮穩(wěn)燃效果和設(shè)備性能，選擇適當(dāng)?shù)囊淮物L(fēng)速度，提高燃燒器的穩(wěn)燃能力.

3.2 內(nèi)二次風(fēng)的影響

二次風(fēng)分為內(nèi)、外2種旋流風(fēng)，以此保證煤粉的分級燃燒.由于內(nèi)二次風(fēng)的旋流作用是形成回流區(qū)的重要因素［9］，故分析不同內(nèi)二次風(fēng)切向速度下的出口流場，得到內(nèi)二次風(fēng)速度對花瓣燃燒器回流區(qū)的影響，為提高此種燃燒器的穩(wěn)燃能力提供參考.

將內(nèi)二次風(fēng)在切向和軸向進行速度分解，改變內(nèi)二次風(fēng)切向速度，其他速度相同，外二次風(fēng)徑向和切向速度分別為-8.5 m／s和5.3 m／s，合速度為10m／s，徑向速度為負表示其速度方向沿半徑指向圓心，各數(shù)值模擬工況如表2所示.調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)切向速度等效于改變了內(nèi)二次風(fēng)的葉片角度.

圖4 瓣峰中心x-z 面回流區(qū)分布圖Fig.4 Schematic diagram of the recirculation zone in x-zsection of the petal peak center

圖5 燃燒器中心線上軸向速度的變化Fig.5 Changes of axial velocity in the burner center

表2 數(shù)值模擬工況（二）Tab.2 Numerical simulation conditions（II）m／s

燃燒器的一次風(fēng)管為花瓣形，瓣峰形擴口的存在使此處內(nèi)二次風(fēng)的流通面積減小，而瓣谷處收縮的一次風(fēng)管使內(nèi)二次風(fēng)的流通面積相對增大，所以在2個瓣峰間產(chǎn)生了徑向壓差，形成了徑向回流區(qū).當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)從噴口處流出，受到外二次風(fēng)的旋流作用，小回流區(qū)相對于其瓣谷位置有了一定的偏移，移動到瓣峰后.同時，由于瓣谷形向內(nèi)收縮的風(fēng)管使一次風(fēng)有了向中心運動的趨勢，在出口中心附近也形成了類似回流區(qū)的區(qū)域.這2種回流區(qū)使得一次風(fēng)在徑向上有了向中心運動的趨勢，故稱為徑向回流區(qū)，如圖6中的徑向速度流場所示，此區(qū)域內(nèi)的流體速度方向沿半徑指向圓心.正是因為這些徑向回流區(qū)的存在使部分煤粉向中心運動，煤粉在噴口附近反復(fù)循環(huán)，避免了與二次風(fēng)的過早混合，易形成缺氧狀態(tài)，有效降低了NOx的生成量，同時徑向運動的煤粉與軸向回流煙氣進行對流換熱，使煤粉迅速達到著火熱，提高了燃燒器的穩(wěn)燃能力.

內(nèi)二次風(fēng)軸向速度決定了其風(fēng)量，而切向速度決定了旋流作用的大小，所以表2的3種工況中內(nèi)二次風(fēng)總風(fēng)量一定，而旋流作用不同.當(dāng)風(fēng)量一定時，隨著內(nèi)二次風(fēng)切向速度的減小，瓣谷處產(chǎn)生的徑向回流區(qū)的徑向速度相對增大，回流區(qū)有增大的趨勢；因為內(nèi)二次風(fēng)旋流作用較小時的離心作用弱，一次風(fēng)向中心運動的速度更大，中心回流區(qū)也相應(yīng)增大.如圖6中的徑向速度流場所示，內(nèi)二次風(fēng)切向速度越小，徑向回流區(qū)越大.另一方面，增大內(nèi)二次風(fēng)切向速度，二次風(fēng)旋流作用增強，會卷吸部分一次風(fēng)，使一次風(fēng)剛度減弱，等效于減小了一次風(fēng)速度，軸向回流區(qū)隨之增大.在圖6軸向速度流場中，當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)切向速度較大時，形成明顯的軸向回流區(qū)；當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)切向速度減小時，軸向回流區(qū)變小，說明內(nèi)二次風(fēng)切向速度越大，越易形成軸向回流區(qū).因此在一定范圍內(nèi)，隨著內(nèi)二次風(fēng)切向速度的增大，徑向回流區(qū)變小，但軸向回流區(qū)增大.

一般而言，燃燒不同的煤種時，最佳內(nèi)二次風(fēng)切向速度不同.對于易燃煤粉，可適當(dāng)減小內(nèi)二次風(fēng)切向速度，增大徑向回流區(qū)，增強出口處煤粉混合程度，提高煤粉濃度，降低著火熱；對于難燃煤粉，可增大內(nèi)二次風(fēng)切向速度，通過形成較大的軸向回流區(qū)來提高穩(wěn)燃能力.

圖6 不同截面徑向和軸向速度流場Fig.6 Radial and axial velocities field in different cross sections

4 結(jié) 論

（1）通過數(shù)值模擬所得花瓣燃燒器的流場特性與實驗結(jié)果基本吻合.

（2）一次風(fēng)的存在使軸向回流區(qū)減小，但能調(diào)整其與燃燒器出口的距離，避免結(jié)渣等問題的發(fā)生.隨著一次風(fēng)速度的增大，回流區(qū)有減小的趨勢；當(dāng)一次風(fēng)速度較小時，回流高溫?zé)煔廨^多，降低了燃燒器壽命；當(dāng)一次風(fēng)速度較大時，不易形成回流區(qū)，燃燒效果較差.

（3）在一定范圍內(nèi)保證內(nèi)二次風(fēng)葉片角度不變，隨著內(nèi)二次風(fēng)速度的增大，回流區(qū)變大，煤粉能更充分地吸收煙氣熱量，燃燒器穩(wěn)燃能力提高.

（4）調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)葉片角度，隨著內(nèi)二次風(fēng)切向速度的增大，徑向回流區(qū)變小，軸向回流區(qū)增大.當(dāng)燃燒易燃煤粉時，為改善燃燒效果，應(yīng)考慮減小內(nèi)二次風(fēng)切向速度，增大徑向回流區(qū)；當(dāng)燃燒難燃煤粉時，應(yīng)適當(dāng)增大內(nèi)二次風(fēng)切向速度，形成較大的軸向回流區(qū).

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