冷態(tài)花瓣形旋流燃燒器回流區(qū)特性分析

李慧君，　賈寶桐，　焦英智，　魏　剛

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

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冷態(tài)花瓣形旋流燃燒器回流區(qū)特性分析

李慧君1，賈寶桐1，焦英智1，魏剛2

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北保定 071003；2.國網(wǎng)河北省電力公司電力科學(xué)研究院，石家莊 050021)

建立了花瓣形旋流燃燒器的物理模型，采用Fluent軟件對(duì)不同內(nèi)二次風(fēng)切向速度下花瓣形旋流燃燒器出口的流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了其回流區(qū)特性，并與冷態(tài)下的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.結(jié)果表明：花瓣形旋流燃燒器能在瓣峰后形成軸向和徑向回流區(qū)，徑向的對(duì)流換熱能起到很好的穩(wěn)燃效果，提高了對(duì)低品質(zhì)煤種的適應(yīng)性；在一定范圍內(nèi)，切向速度越大，軸向回流區(qū)形成越快，但過大的切向速度會(huì)使徑向回流區(qū)的面積減小.

花瓣形旋流燃燒器； 穩(wěn)燃； 回流區(qū)； 出口流場； 數(shù)值模擬

隨著電力行業(yè)穩(wěn)燃和低氮燃燒目標(biāo)的提出[1]，旋流燃燒器在電廠改造中受到眾多電廠的青睞.旋流燃燒器改造方便，只需在原有燃燒器安裝位置處更換新型低NOx旋流燃燒器即可，無需考慮燃燒器安裝角度和一、二次風(fēng)集中布置等問題[2].另外，旋流燃燒器的穩(wěn)燃能力突出，出口處的旋轉(zhuǎn)射流同時(shí)具有向前運(yùn)動(dòng)的軸向速度和沿圓周運(yùn)動(dòng)的切向速度，其卷吸能力有利于形成高溫?zé)煔饣亓鲄^(qū)，使得氣流強(qiáng)烈混合[3]；而直流燃燒器通過四角氣流配合形成旋轉(zhuǎn)氣流，加強(qiáng)煤粉燃燒，倘若四角布置的燃燒器出口氣流方向不是水平方向，極易引起氣流偏斜，造成爐內(nèi)溫度場和速度場嚴(yán)重不均勻[4].因此，相對(duì)直流燃燒器，旋流燃燒器在電廠改造和穩(wěn)燃方面的優(yōu)勢較明顯.

但我國目前采用的旋流燃燒器大多為引進(jìn)國外已經(jīng)成熟的燃燒器，這些燃燒器在燃燒高揮發(fā)分煤種時(shí)效果較好，在燃燒我國儲(chǔ)量最多的低品質(zhì)貧煤和煙煤時(shí)效果并不理想[5-7]，現(xiàn)場反饋中發(fā)現(xiàn)燃燒低品質(zhì)煤時(shí)極易出現(xiàn)爐內(nèi)結(jié)渣甚至高負(fù)荷熄火現(xiàn)象.如趙曉光等[8]發(fā)現(xiàn)遼寧清河發(fā)電有限責(zé)任公司由于燃燒褐煤，燃燒器噴口結(jié)渣嚴(yán)重，排煙溫度偏高，燃燒器熱態(tài)調(diào)整后,著火情況有所好轉(zhuǎn),結(jié)渣明顯緩解；高小濤等[9]認(rèn)為，改變?nèi)紵鲄?shù)會(huì)影響主燃燒區(qū)的氧量水平，更換新型旋流燃燒器能有效提高鍋爐對(duì)煙煤的適應(yīng)能力；林正春等[4]注意到NR3燃燒器回流區(qū)為中間環(huán)狀結(jié)構(gòu)，能夠保證良好的著火性能，其NOx排放量較低，可滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求.燃燒器性能直接影響鍋爐燃燒的穩(wěn)定性和污染物的排放量，需要對(duì)引進(jìn)的旋流燃燒器進(jìn)行必要的研究分析，了解其穩(wěn)燃機(jī)理，從而更快地研制出適合燃用我國低品質(zhì)煤的旋流燃燒器.

趙伶伶等[10-12]研究了一種引進(jìn)的花瓣形旋流燃燒器(以下簡稱花瓣燃燒器)，該花瓣燃燒器帶有中心風(fēng)管，在中心風(fēng)和花瓣穩(wěn)燃環(huán)的共同作用下，每個(gè)花瓣后可形成一個(gè)徑向回流區(qū)，與中心回流區(qū)相連，具有較好的穩(wěn)燃能力.筆者研究的花瓣燃燒器秉承了西門子公司的技術(shù)，不設(shè)中心風(fēng)，在一次風(fēng)管內(nèi)安裝了均流環(huán)，配合花瓣形噴口和一、二次風(fēng)的旋流作用同樣能形成穩(wěn)定的回流區(qū)，使煤粉穩(wěn)定燃燒，采用Fluent軟件對(duì)新型花瓣燃燒器出口流場進(jìn)行了模擬，分析其回流區(qū)特性.

1　花瓣燃燒器的工作原理

在河北西柏坡發(fā)電有限責(zé)任公司試用新型花瓣燃燒器，其燃燒狀況良好.由于該花瓣燃燒器的特殊結(jié)構(gòu)，在出口處能同時(shí)形成軸向和徑向回流區(qū).在軸向回流區(qū)中，一、二次風(fēng)通過剪切層面的接觸與高溫?zé)煔膺M(jìn)行換熱；在徑向回流區(qū)中，煤粉與回流的高溫?zé)煔庑纬蓮?qiáng)烈的對(duì)流換熱，獲得穩(wěn)定燃燒所需要的熱量.

2　物理模型的建立及驗(yàn)證

2.1物理模型的建立

以某電廠花瓣燃燒器為模擬對(duì)象，一次風(fēng)管噴口類似花瓣，如圖1所示.在每個(gè)瓣峰上安裝了片狀小鈍體，在建立的模型中x軸通過瓣峰中心，y軸通過瓣谷中心，噴口中心為坐標(biāo)原點(diǎn).

圖1　一次風(fēng)管示意圖

花瓣燃燒器和整體模型的示意圖如圖2所示.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)，通過彎管的煤粉能夠形成外濃內(nèi)淡的煤粉分布.計(jì)算區(qū)域?yàn)槿紵鞅倔w和其出口2 m×2 m×6 m的長方體，如圖2(b)所示.在邊界層設(shè)置中，為更真實(shí)地反映對(duì)沖式爐膛的實(shí)際情況，上下面均設(shè)為出口面，左側(cè)為墻，其他面為鏡像面，且保證上出口面的壓力比下出口面低，使得爐內(nèi)氣體整體向上偏移.采用Realizableκ-ε模型能較為準(zhǔn)確地反映旋轉(zhuǎn)流動(dòng)情況[13].

(a)花瓣燃燒器

(b)整體模型

Fig.2Schematic diagram of the petal-shaped swirl burner and its overall model

2.2模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述模型的準(zhǔn)確性，首先通過飄帶法測量動(dòng)力場試驗(yàn)的回流區(qū)大小，之后根據(jù)實(shí)際工況，按照等溫?；韀14]，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的一、二次風(fēng)速度，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26 m/s和28 m/s，外二次風(fēng)徑向和切向速度分別為-8.5 m/s和6.5 m/s.根據(jù)所得的一、二次風(fēng)速度，在上下出口面壓差Δp為2 Pa和4 Pa的情況下，對(duì)花瓣燃燒器出口流場進(jìn)行數(shù)值模擬，確定瓣谷中心y-z面與瓣峰中心x-z面的回流區(qū)的大小，并與試驗(yàn)中的回流區(qū)大小進(jìn)行比較，結(jié)果見圖3.

(a)y-z面

(b)x-z面

圖3(a)中上下出口面壓差為2 Pa時(shí)的上部回流區(qū)大于壓差為4 Pa時(shí)的上部回流區(qū)，且后者回流區(qū)明顯小于試驗(yàn)結(jié)果，說明當(dāng)上下出口面壓差較大時(shí)，氣流向上偏轉(zhuǎn)，會(huì)影響上部回流區(qū)的大??；圖3(b)中不同壓差下瓣峰中心面的回流區(qū)與試驗(yàn)結(jié)果類似.綜上所述，在x軸和y軸方向，上下出口面壓差為2 Pa時(shí)的回流區(qū)與試驗(yàn)所得回流區(qū)基本一致.

3　回流區(qū)特性分析

為了更直觀地說明花瓣燃燒器的穩(wěn)燃原理，調(diào)整內(nèi)二次風(fēng)切向速度，保證其他速度不變，其中外二次風(fēng)合速度為10 m/s,徑向和切向的速度分量比例分別為0.8和0.6，此時(shí)等效于外二次風(fēng)葉片角度恒定，只改變內(nèi)二次風(fēng)葉片角度.在上下出口面壓差為2 Pa時(shí)，分別對(duì)3種工況(見表1)下花瓣燃燒器的出口流場進(jìn)行模擬.

表1　數(shù)值模擬工況

3.1軸向回流區(qū)特性分析

3種工況下瓣谷中心y-z面和瓣峰中心x-z面的軸向速度云圖如圖4所示.瓣谷中心y-z面的回流區(qū)處在內(nèi)二次風(fēng)包圍中，回流的高溫?zé)煔飧嗟赜糜陬A(yù)熱內(nèi)二次風(fēng)，而沒有直接給煤粉提供熱量，在一定程度上降低了花瓣燃燒器的穩(wěn)燃能力.但另一方面，瓣谷側(cè)一次風(fēng)管呈收縮狀，一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入時(shí)煤粉由于慣性向中心流動(dòng)，這種管型起到了濃縮煤粉的作用，降低了著火熱；同時(shí)相比于傳統(tǒng)的中心大回流區(qū)，此種對(duì)稱型回流區(qū)更有利于維持一次風(fēng)的剛度，有效地降低了燃燒器結(jié)渣的可能性.

圖4中瓣峰中心處的軸向回流區(qū)處在一次風(fēng)與內(nèi)二次風(fēng)之間，回流的高溫?zé)煔庵苯蛹訜嵋淮物L(fēng)中的煤粉，使煤粉迅速達(dá)到著火熱.工況1下瓣峰中心處形成了明顯的對(duì)稱型軸向回流區(qū)，工況2的回流區(qū)有所減小，工況3只在下部出現(xiàn)了模糊的回流區(qū).結(jié)合表1中各工況的參數(shù)說明，在一定范圍內(nèi)，內(nèi)二次風(fēng)切向速度越大，越容易形成軸向回流區(qū).另一方面，軸向回流區(qū)的存在可推遲煤粉與二次風(fēng)的過早混合，降低了著火熱.

3.2徑向回流區(qū)特性分析

圖5為3種工況下z=0.3 m平面處的徑向速度云圖，其中只顯示了速度小于0的負(fù)徑向速度.在中心處均出現(xiàn)了負(fù)徑向回流區(qū)，工況2和工況3在瓣峰后也出現(xiàn)了6個(gè)小徑向回流區(qū)，其負(fù)徑向速度由圓外指向圓心.由圖5可知，當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)切向速度過大時(shí)，徑向回流區(qū)的面積會(huì)有所減小.

由于徑向回流區(qū)的出現(xiàn)，一部分由瓣峰進(jìn)入的煤粉有從圓外向圓心運(yùn)動(dòng)的趨勢，在出口處反復(fù)循環(huán)，避免了與旋流二次風(fēng)過早混合，易形成缺氧狀態(tài)，有效降低了NOx的生成量.同時(shí)，徑向擴(kuò)散的煤粉與軸向回流的高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流換熱，這種紊流換熱方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于煤粉與煙氣在剪切層面的層流換熱方式，使得煤粉迅速達(dá)到著火熱，有利于難燃煤粉的著火和燃燒.

綜上所述，花瓣燃燒器主要依靠徑向和軸向回流區(qū)來提高穩(wěn)燃能力.瓣谷后會(huì)形成6個(gè)軸向回流區(qū)，并逐漸擴(kuò)展成環(huán)狀，六邊形一次風(fēng)的存在加強(qiáng)了剪切層面的層流換熱.瓣峰后形成徑向回流區(qū)，使煤粉與回流的高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流換熱.在這2類回流區(qū)的共同作用下，難燃煤粉與高溫?zé)煔庋杆倩旌?，煤粉充分吸收高溫?zé)煔鉄崃浚_(dá)到著火溫度并充分燃燒，有效提高了旋流燃燒器對(duì)低揮發(fā)分煤種的適應(yīng)能力.

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

4　結(jié)　論

(1)三維數(shù)值模擬可以很好地反映花瓣燃燒器的流場特性，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.

(2)花瓣燃燒器在瓣谷處形成6個(gè)軸向回流區(qū)，與六邊形一次風(fēng)在剪切層面進(jìn)行層流換熱，接觸面積增大，換熱加強(qiáng).

(3)花瓣燃燒器在瓣峰后形成徑向回流區(qū)，煤粉與回流的高溫?zé)煔膺M(jìn)行對(duì)流換熱，其換熱效果強(qiáng)于傳統(tǒng)燃燒器，這種特殊的換熱方式可以成為旋流燃燒器的一個(gè)新研究方向.

(4)在一定范圍內(nèi)，切向速度越大，軸向回流區(qū)形成越快，但過大的切向速度會(huì)使徑向回流區(qū)的面積減小.

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Characteristic Analysis on Recirculation Zone of a Petal-shaped Swirl Burner Based on Cold-state Conditions

LIHuijun1，JIABaotong1，JIAOYingzhi1，WEIGang2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. Hebei Electric Power Research Institute,State Grid Hebei Electric Power Corporation, Shijiazhuang 050021, China)

Based on physical models set up for a petal-shaped swirl burner, numerical simulations were performed to the outlet flow field using Fluent software at different tangential velocities of inner secondary air, so as to analyze the characteristics of the recirculation zone and compare the simulation results with cold-state experimental data. Results show that the petal-shaped swirl burner is able to form both axial and radial recirculation zones in the valley behind petal peak, where the radial convective heat transfer has a good effect on combustion stabilization, thus improving its adaptability to low-quality coal; within a certain range, the greater the tangential velocity is, the faster the axial recirculation zone will be formed, but too high tangential velocity will lead to the reduction of radial recirculation zone.

petal-shaped swirl burner; combustion stabilization; recirculation zone; outlet flow field; numerical simulation

A學(xué)科分類號(hào)：470.30

2014-04-08

2014-05-26

李慧君(1964-)，男，吉林伊通人，教授，博士，研究方向?yàn)椋簭?qiáng)化換熱.電話(Tel.): 13513322982；E-mail：hj_li009@sina.com.

1674-7607(2015)02-0103-05

TK223.2