直流二次風(fēng)對旋流燃燒器出口混合特性研究

文_卻燕平 李煒

1.華電電力科學(xué)研究院有限公司；2.杭州華電能源工程有限公司

旋流燃燒器在我國應(yīng)用越來越廣泛，它能夠產(chǎn)生明顯的中心回流區(qū)，卷吸高溫?zé)煔?，利于燃煤的快速著火與穩(wěn)定燃燒。本文對帶中心鈍體的雙通道旋流燃燒器出口流場進(jìn)行數(shù)值模擬，通過調(diào)整直流二次風(fēng)率，研究揭示出直流二次風(fēng)對旋流燃燒器的出口氣流混合特性影響。

1 研究對象

本文主要研究對象是帶中心鈍體的雙通道旋流燃燒器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

此燃燒器在一次風(fēng)出口處配有拋物線鈍體。二次風(fēng)分為直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)。其中外管道為直流二次風(fēng)管，內(nèi)管道為旋流二次風(fēng)管。改變外管道擋板的位置，改變直流二次風(fēng)量，可以調(diào)節(jié)直流二次風(fēng)和旋流二次風(fēng)的動(dòng)量比，從而改變射流的旋流強(qiáng)度，調(diào)節(jié)回流區(qū)的大小。

2 計(jì)算網(wǎng)格與數(shù)值計(jì)算方法

本文在SolidWorks里建立燃燒器的模型，再使用ICEM軟件對模型劃分為非結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格。在燃燒器出口等流場復(fù)雜的地方對網(wǎng)格進(jìn)行了加密，總網(wǎng)格數(shù)約為80萬。本文采用了控制容積法(CVM)和QUICK格式來處理離散化問題；流場計(jì)算采用了SIMPLE算法，控制方程組采用了RNG k-ε模型。

3 燃燒器出口混合特性的模擬結(jié)果及分析

3.1 燃燒器出口的混合特性

在燃燒器出口裝有拋物線形鈍體，直流二次風(fēng)全開時(shí)，距離出口1/4D、1/2D、D(D 為直流二次風(fēng)道的直徑)截面上的濃度分布如圖2～圖4所示。其中圖c1、c2、c3分別表示一次風(fēng)、旋流二次風(fēng)和直流二次風(fēng)的濃度。

從圖2～圖4可以看出，裝有拋物線形鈍體的燃燒器出口一次風(fēng)濃度呈現(xiàn)雙峰型分布，這兩峰之間的區(qū)域即為回流區(qū)。緊接回流區(qū)外的區(qū)域個(gè)一次風(fēng)的濃度較高，該區(qū)域繼續(xù)向外，是一個(gè)混合較為均勻的區(qū)域，一次風(fēng)、旋流二次風(fēng)及直流二次風(fēng)各適當(dāng)占一部分，直流二次風(fēng)的比例隨直流二次風(fēng)擋板開度調(diào)節(jié)而變化。

回流區(qū)域內(nèi)一次風(fēng)的濃度顯著低于對應(yīng)截面主流中的一次風(fēng)濃度，說明回流區(qū)內(nèi)進(jìn)行著強(qiáng)烈的物質(zhì)交換和能量交換。因此回流區(qū)為一次風(fēng)氣流中的煤粉顆粒的著火和燃燒提供了有利條件。

3.2 直流二次風(fēng)的影響

經(jīng)驗(yàn)及理論分析都表明，直流二次風(fēng)風(fēng)門的擋板開度對混合特性和回流區(qū)的寬度均有較大的影響。隨直流二次風(fēng)風(fēng)門的擋板開度變大，直流二次風(fēng)率增加，在總二次風(fēng)量不變的前提下，旋流二次風(fēng)量、風(fēng)速下降，直流二次風(fēng)量、風(fēng)速增加，總旋流強(qiáng)度減小，回流區(qū)的寬度變小。

圖5～圖7表示在距離燃燒器出口D的截面上，直流二次風(fēng)風(fēng)門的擋板開度從全關(guān)、半開到全開時(shí)的濃度分布情況。

傳統(tǒng)的旋流燃燒器沒有直流二次風(fēng)，為了形成較大的回流只有通過增加旋流強(qiáng)度，會(huì)造成過大的擴(kuò)展角，使得大量的二次風(fēng)與一次風(fēng)混合過早，氣流剛性差，后期混合弱。直流二次風(fēng)的加入可有效地限制整體射流的擴(kuò)散角，防止出現(xiàn)氣流貼邊現(xiàn)象，與傳統(tǒng)的旋流燃燒器相比，射流的剛度增加，不會(huì)對鄰近燃燒器的發(fā)展形成干擾，而且在中心回流區(qū)結(jié)束前的區(qū)域，內(nèi)部射直接混入直流二次風(fēng)的量很少，這樣減少了直流二次風(fēng)的強(qiáng)度損耗，有力保證足夠的后期混合，營造出適宜的溫度和組分濃度條件，對煤粉的燃燼十分有利。

同時(shí)，直流二次風(fēng)率的增加，可使燃燒器的旋流強(qiáng)度適當(dāng)下降，進(jìn)而減少射流的擴(kuò)展角及中心回流區(qū)，卷吸的回流高溫?zé)煔饬繙p少，推遲煤粉著火時(shí)間，主流強(qiáng)度減弱較小，推動(dòng)射流中心回流區(qū)可遠(yuǎn)離燃燒器。同時(shí)，一、二次風(fēng)混合推遲，增強(qiáng)了分級燃燒，使燃燒器區(qū)域的溫度下降，保證了燃燒器區(qū)域不結(jié)渣及發(fā)生高溫腐蝕，有利用降低NOx的排放，所以當(dāng)鍋爐燃用煤質(zhì)較好或鍋爐在較高的負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，可適當(dāng)開大直流二次風(fēng)門。減小直流二次風(fēng)門開度，可以降低二次風(fēng)綜合強(qiáng)度，促進(jìn)混合提前，回流區(qū)有所增加，改善煤粉著火條件。因此，通過調(diào)節(jié)不同的直流二次風(fēng)率，可適應(yīng)煤種的變化，實(shí)現(xiàn)煤粉燃燒的高效率、穩(wěn)燃、低污染的要求。

4 結(jié)語

本文通過?；?jì)算確定了燃燒器模型入口的速度參數(shù)。從模擬流場的速度分布可看出，旋流可以產(chǎn)生回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔猓a(chǎn)生劇烈的擾動(dòng)促進(jìn)煙風(fēng)和煤粉的混合，從而有利于改善煤粉著火和穩(wěn)燃條件。從濃度場的濃度分布可看到，直流二次風(fēng)風(fēng)門的擋板開度對混合特性有較大的影響。通過改變直流二次風(fēng)風(fēng)門擋板開度可有效地控制混合過程，控制揮發(fā)份燃燒的氧濃度，從而有效地抑制NOx的生成，同時(shí)，通過調(diào)整直流二次風(fēng)率，可以適應(yīng)煤種的變化。