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.
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.
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.
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.
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
(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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