彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器分離特性的數(shù)值模擬

賀 楠，吳 炎

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.淮浙煤電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器分離特性的數(shù)值模擬

賀 楠1，吳 炎2

(1.東北電力大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.淮浙煤電有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232000)

針對電站鍋爐低負(fù)荷時爐內(nèi)穩(wěn)燃效果不佳的情況，采用濃淡燃燒方式將煤粉氣流分離以改善著火特性。采用RNG(重新標(biāo)準(zhǔn)化)k-ε模型和隨機(jī)軌道模型模擬彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器內(nèi)煤粉流動特性，以“濃度比”和“速度差”作為評價燃燒器分離特性的指標(biāo)，考慮了分隔板長度、偏流擋塊高度以及風(fēng)速對煤粉分離效果的影響。計算結(jié)果表明：在燃燒器內(nèi)加裝距離彎頭為D的分隔板、高度為D/4的偏流擋塊并保證風(fēng)速在23 m/s時，對提高燃燒器的穩(wěn)燃性能達(dá)到最佳。將模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果基本一致，可為電廠濃淡燃燒器的改造提供技術(shù)支持。

濃淡燃燒器；分隔板；偏流擋塊；濃度比；速度差

濃淡型煤粉燃燒器是近年來國內(nèi)外廣泛采用的一種直流燃燒器，最初提出和研制是為了降低鍋爐燃燒時NOX的排放量，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，濃淡燃燒器也具有較強的低負(fù)荷穩(wěn)燃能力[1-2]。對于我國普遍采用的直流燃燒器四角切圓燃燒方式，因一次風(fēng)粉管道的布置特點，鍋爐后墻兩角的燃燒器不能滿足濃側(cè)煤粉向火燃燒的分離條件。因此，可通過在燃燒器內(nèi)加裝偏流擋塊和分隔板來調(diào)整彎頭對煤粉的分離方向[3-5]。

本文以彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器[6]為研究對象，首先采用RNG k-ε模型和隨機(jī)軌道模型對彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器內(nèi)煤粉流動特性進(jìn)行數(shù)值模擬，分析分隔板長度、偏流擋塊高度以及風(fēng)速對煤粉分離效果的影響，然后將數(shù)值模擬結(jié)果與模擬試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，所得到的規(guī)律將對該燃燒器在電廠中的實際應(yīng)用提供參考價值。

1 研究對象

某廠2號爐為哈爾濱鍋爐廠生產(chǎn)的HG-670/140-7型鍋爐，該鍋爐為超高壓參數(shù)、一次中間再熱、單汽包的自然循環(huán)鍋爐。鍋爐配有四臺DTM350/600型鋼球磨煤機(jī)，制粉系統(tǒng)為中間儲倉式，采用熱風(fēng)干燥、乏氣送粉。該電廠2012年機(jī)組檢修，將中間兩層燃燒器改造成彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器，在直徑為480 mm的一次風(fēng)彎管出口加裝偏流擋塊和1/2分隔板，使一次風(fēng)煤粉氣流在燃燒器出口分離成濃淡兩股氣流，兩股氣流各自偏離其化學(xué)當(dāng)量比，在向火側(cè)形成有利于煤粉著火的“三高區(qū)”[7-8]，實現(xiàn)爐內(nèi)水平方向上的濃淡燃燒，提高了煤粉燃燒的穩(wěn)定性、減少NOX的形成。彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器的結(jié)構(gòu)簡圖，如圖1所示。

圖1 彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器結(jié)構(gòu)簡圖

2 數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格劃分

2.1 數(shù)學(xué)模型

一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入彎管，空氣與煤粉相互影響，風(fēng)粉流在彎頭出口受偏流擋塊的阻擋，速度發(fā)生變化。在氣流速度快速變化處，RNG k-ε模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型具有更精確地預(yù)測能力[9-10]，因此采用RNG k-ε模型來模擬氣相流動。顆粒相與氣相相間耦合，對顆粒軌道的跟蹤采用隨機(jī)軌道模型。

圖2 燃燒器網(wǎng)格劃分示意圖

2.2 網(wǎng)格劃分

將模型劃分為三個區(qū)域，彎頭和混合室采用Hex/Wedge網(wǎng)格劃分，主燃燒器采用Tet/Hybrid網(wǎng)格劃分并對該部分進(jìn)行局部加密，大量使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格有利于加快運算速度和迭代收斂。通過對不同數(shù)量級的網(wǎng)格進(jìn)行模擬運算，并對網(wǎng)格敏感無關(guān)性進(jìn)行檢驗，確定該網(wǎng)格符合計算精度要求。模型與具體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2.3 計算工況

計算初始條件：彎頭角度為45°；一次風(fēng)煤粉濃度為0.5 kgC/kgA，煤粉顆粒直徑為60 μm，密度為1 350 kg/m3。

工況1：計算不同分隔板長度對煤粉氣流分離效果的影響，以高度D/4的等邊三角形偏流擋塊和進(jìn)口氣流速度23 m/s為基礎(chǔ)條件，對分隔板距離彎頭長度L分別為0.5D、0.8D、D、1.5D、1.8D進(jìn)行顆粒軌跡跟蹤和數(shù)值模擬分析。

工況2：計算不同偏流擋塊高度對煤粉氣流分離能力的影響，以距離彎頭D的分隔板和進(jìn)口氣流速度23 m/s為基礎(chǔ)條件，分別對偏流擋塊高度為D/3、D/4進(jìn)行數(shù)值模擬對比。

工況3：選擇偏流擋塊高度為D/4、距離彎頭為D的分隔板濃淡燃燒器，對不同的一次風(fēng)煤粉氣流速度進(jìn)行數(shù)值模擬，分析一次風(fēng)速對煤粉分離效果的影響。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

3.1 分隔板長度對分離效果的影響

由圖3、圖4可以看出，與分隔板距離彎頭的遠(yuǎn)近無關(guān)，濃側(cè)出口氣流速度一直高于淡側(cè)出口氣流速度，這與試驗數(shù)據(jù)所得到的結(jié)果是一致的。煤粉氣流在彎頭離心力作用下產(chǎn)生的強二次流使主流中的高速流體沿彎管外側(cè)流動，但由于偏流擋塊的導(dǎo)向作用，使高速氣流偏向濃側(cè)出口，造成濃側(cè)出口氣流速度高于淡側(cè)出口氣流速度。當(dāng)分隔板距離彎頭長度為0.5D時，偏流擋塊對煤粉顆粒的導(dǎo)向作用還沒有充分發(fā)揮，煤粉氣流已經(jīng)被分隔板分離開，燃燒器出口濃側(cè)煤粉量少于淡側(cè)煤粉量，造成濃度比小于1。因此，分隔板距離彎頭過近，偏流擋塊的導(dǎo)向作用不能達(dá)到濃淡分離的目的，反而增大濃淡兩側(cè)速度差，不利于提高燃燒器的穩(wěn)燃性能。隨著分隔板與彎頭距離的增大，燃燒器濃淡兩側(cè)出口氣流速度差減小，濃度比先上升后下降，分隔板距離彎頭為D時濃度比達(dá)到最大值。分隔板距離彎頭過遠(yuǎn)，經(jīng)偏流擋塊導(dǎo)向作用偏向濃側(cè)的煤粉向淡側(cè)有所恢復(fù)，導(dǎo)致燃燒器出口濃淡側(cè)煤粉濃度比下降，速度差也隨之減小。

圖3 不同分隔板長度下的顆粒相運動軌跡示意圖

圖4 燃燒器出口濃淡側(cè)速度差和濃度比隨分隔板長度變化規(guī)律

3.2 偏流擋塊高度對分離效果的影響

偏流擋塊高度為D/3時，大量煤粉顆粒從濃側(cè)出口流出，計算得到濃淡兩側(cè)煤粉濃度比為1.975，濃淡側(cè)出口氣流速度差達(dá)到12 m/s，燃燒器內(nèi)阻力也將增大。由圖5可知，偏流擋塊越高，燃燒器內(nèi)阻力越大。偏流擋塊高度為D/3時，燃燒器壓降為1 500 Pa；而偏流擋塊高度為D/4時，燃燒器壓降僅為1 000 Pa。因此，過高的偏流擋塊高度雖然能夠得到較好的煤粉濃度比，但是削弱了一次風(fēng)煤粉氣流通過燃燒器的能力且濃淡兩側(cè)速度差過高，這對磨煤機(jī)出力的要求提高，對延長燃燒器噴嘴的使用壽命、提高煤粉燃燒的穩(wěn)定性是不利的。

3.3 一次風(fēng)速對分離效果的影響

工況1、工況2的模擬結(jié)果表明，在燃燒器內(nèi)加裝距離彎頭為D的分隔板和高度為D/4的偏流擋塊時，可以得到最佳的濃度比和速度差，有利于提高燃燒器的穩(wěn)燃性能。對該濃淡燃燒器，調(diào)節(jié)一次風(fēng)進(jìn)口速度，得到一次風(fēng)速與濃淡兩側(cè)出口煤粉濃度比的關(guān)系如圖6所示。

圖5 不同偏流擋塊高度下的靜壓分布圖

圖6 燃燒器出口濃淡側(cè)煤粉濃度比隨一次風(fēng)速變化規(guī)律

由圖6可知，在風(fēng)速為23 m/s以下時，隨風(fēng)速提高，煤粉顆粒動量增大，慣性增大，氣流跟隨性較好，經(jīng)偏流擋塊調(diào)節(jié)方向后容易形成更高的濃度比。當(dāng)風(fēng)速超過23 m/s以后，由于氣流流經(jīng)偏流擋塊時繞流形成的氣流結(jié)構(gòu)不同所致，濃度比下降。

4 結(jié) 論

通過數(shù)值模擬彎管偏流導(dǎo)向濃淡燃燒器內(nèi)煤粉流動特性的結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比分析得出：

(1)分隔板距離彎頭過近，導(dǎo)致燃燒器濃淡兩側(cè)出口氣流速度差較大且煤粉濃度比小于1，無法滿足濃側(cè)煤粉向火燃燒；分隔板距離彎頭過遠(yuǎn)，導(dǎo)致已經(jīng)偏向濃側(cè)的煤粉向淡側(cè)有所恢復(fù)，濃度比減小，但速度差也隨之減小，利于保護(hù)燃燒器噴嘴。

(2)增大偏流擋塊的高度能夠增強煤粉分離效果，但是燃燒器內(nèi)阻力較D/4高度下加大了500 Pa，濃淡兩側(cè)出口速度差達(dá)到12 m/s，不利于燃燒器的運行。

(3)在燃燒器內(nèi)加裝距離彎頭為D的分隔板和高度為D/4的偏流擋塊，可以得到有利于提高燃燒器穩(wěn)燃性能的最佳濃度比和速度差。

(4)過低或者過高的一次風(fēng)速均會造成煤粉分離效果不佳，當(dāng)風(fēng)速為23 m/s時，煤粉濃度比最大，因此在實際運行中應(yīng)盡可能保證風(fēng)速維持在23 m/s。

[1] 李佩直，孫斌.低氮燃燒器的應(yīng)用及燃燒調(diào)整研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2015，35(3)：31-35.

[2] 應(yīng)明良，戴成峰，胡偉鋒，等.600MW機(jī)組對沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運行調(diào)整[J].中國電力，2011，44(4)：55-58.

[3] 周昊，岑可法，樊建人，等.彎頭煤粉濃淡分離器工作特性影響的數(shù)值模擬研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2003，23(1)：132-135.

[4] 康張陽，楊茉，郭春筍.具有偏流塊的彎管文丘里組合濃淡燃燒器數(shù)值分析[J].節(jié)能，2011(7/8)：40-44.

[5] 管曉艷.水平濃淡煤粉燃燒器內(nèi)氣固流動特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2011：3-4.

[6] 辛國華，胡蔭平，雷輝光，等.濃淡燃燒器[P].中國專利，CN93204272.4，1994-01-26.

[7] 閻順林，陳華剛，董標(biāo)，等.劣質(zhì)煤穩(wěn)定燃燒的“三高一強”原則分析[J].鍋爐技術(shù)，2012，43(5)：46-49.

[8] 羅燁兵.濃淡燃燒技術(shù)在直流燃燒鍋爐中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015(6)：12-13.

[9] 江山，張京偉，吳崇建，等.基于FLUENT的90°圓形彎管內(nèi)部流場分析[J].中國艦船研究，2008，3(1)：37-41.

[10] 宋東輝，劉文靜，郭婷婷，等.四角切圓燃燒鍋爐底層燃燒器區(qū)域流場數(shù)值模擬[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2009，29(4)：64-66.

Numerical Simulation on Separation Characteristic of an Elbow Bias-Oriented Rich-Lean Burner

He Nan1，Wu Yan2

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Huaizhe Coal and Electricity Limited Liability Company，Huainan An’hui 232000)

Aiming at the situation that poor quality-ignition occurs occasionally in coal-burning power station，it was thought that the application of rich-lean burner was to change the igniting character through the control of pulverized coal stream direction.By the numerical simulation of the pulverized coal flow characteristics in an elbow bias-oriented rich-lean burner，adopting the RNG k-ε and the stochastic track model，regarding the “concentration ratio” and “speed difference” as the standard of evaluating the separation characteristic of the burner，and at the same time considering the influence of the partition plate length，bias current stopper height and primary wind velocity on the separation effect of pulverized coal.The calculation results show that：Within the burner equipped with the partition plate distanced from elbow for partition of D and bias current stopper height of D/4 and meanwhile ensuring the primary wind velocity 23 m/s，it achieves the best combustion performance to improve the stability of the burner.The numerical simulation and experimental results were compared，the results were basically identical，so as to provide technical assistances for the practical application and improvement of the elbow bias-oriented rich-lean burner.

Rich-lean burner；Partition plate；Bias current stopper；Concentration ratio；Speed difference

2016-11-12

賀 楠(1989-)，女，碩士，助教，主要研究方向：電站大型煤粉鍋爐強化燃燒技術(shù).

1005-2992(2017)01-0024-05

TP29

A

電子郵箱： 635869221@qq.com(賀楠)；1052911101@qq,com(吳炎)