多級調(diào)風(fēng)預(yù)燃式旋流燃燒器冷態(tài)試驗研究

牛艷青，薛旭峰，張 浩，惠世恩

(西安交通大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引 言

在節(jié)能環(huán)保的時代背景下，清潔高效燃燒器是能源開發(fā)利用的重要研究內(nèi)容[1-2]，能提高鍋爐效率，減少污染物排放。通常在燃煤鍋爐中采用四角直流燃燒器和旋流燃燒器。雖然我國電站鍋爐煤粉燃燒多采用直流切圓燃燒方式，但工業(yè)鍋爐多采用旋流燃燒器，且數(shù)量巨大[3-5]。因此，設(shè)計一種煤種適應(yīng)性廣、燃燒效率高且污染物排放低的旋流燃燒器具有重要意義。

國內(nèi)外旋流燃燒器研發(fā)已取得顯著成效，尤其對于煤粉旋流燃燒器預(yù)燃室穩(wěn)定火焰機(jī)理的研究。徐旭常等[6]研究表明：針對旋流燃燒器，預(yù)燃室氣流結(jié)構(gòu)湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，有助于風(fēng)粉混合煤粉著火，增加火焰穩(wěn)定性；陳迪訓(xùn)和邱紀(jì)華[7]研究了貧煤燃燒器內(nèi)雙回流穩(wěn)燃腔的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)雙回流穩(wěn)燃腔對于低揮發(fā)分煤種具有更好的穩(wěn)燃和燃盡效果；胡蔭平和寬鴻祥[8]設(shè)計了一種帶有預(yù)燃室的新型煤粉燃燒器，解決了低熱值燃料燃燒困難的問題，達(dá)到穩(wěn)定著火和燃燒的效果。同時，李爭起等[9]提出了一種中心給粉旋流煤粉燃燒器，不僅為煤粉穩(wěn)定燃燒提供了良好的條件，還達(dá)到了低NOx燃燒的效果。

此外，文獻(xiàn)[10-12]研究表明，煤粉空氣分級燃燒可以將助燃空氣分級送入爐膛，在爐膛內(nèi)從空間上營造出富燃料的主燃區(qū)、還原區(qū)和富氧的燃盡區(qū)3個燃燒區(qū)域，形成了良好的還原性氣氛，有效抑制了NOx的生成，是一種從源頭上減少NOx排放的技術(shù)。楊建成等[13]、李高亮等[14]通過試驗研究了高燃料氮煙煤在空氣分級燃燒時的NOx排放特性，發(fā)現(xiàn)空氣分級燃燒技術(shù)可以有效降低燃料型氮氧化物的排放量?；诖?，王春昌和王志剛[15]提出了雙分級可調(diào)低NOx燃燒技術(shù)，通過再燃燃料的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)燃燒方式在空氣分級燃燒與燃料分級燃燒技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換。

為進(jìn)一步改進(jìn)空氣分級燃燒技術(shù)，降低NOx排放，達(dá)到燃煤鍋爐燃用劣質(zhì)煤的穩(wěn)燃效果，筆者結(jié)合煤粉鍋爐穩(wěn)燃技術(shù)與空氣分級燃燒技術(shù)，提出了一種帶有預(yù)燃室的多級調(diào)風(fēng)旋流燃燒器，在預(yù)燃室之前分別設(shè)有一次風(fēng)、直流內(nèi)二次風(fēng)和旋流內(nèi)二次風(fēng)，預(yù)燃室內(nèi)側(cè)連接著具有一定角度的外二次風(fēng)管，一次風(fēng)管內(nèi)設(shè)有穩(wěn)焰齒和煤粉濃縮環(huán)，采用一種新型三孔探針測量冷態(tài)試驗下燃燒器內(nèi)回流區(qū)的空氣動力特性。試驗得出該燃燒器在多重空氣分級的條件下，達(dá)到了良好的低負(fù)荷穩(wěn)燃特性、跨負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)能力及低NOx燃燒的良好效果。

課題組的熱態(tài)研究表明[16]該種新型低氮旋流燃燒器在空氣分級的條件下可以形成一定的還原性氛圍，達(dá)到良好的低氮燃燒效果，在與預(yù)燃室內(nèi)煤粉預(yù)熱燃燒[17]的協(xié)同作用下，生成高還原性氛圍，在控制NOx排放的同時，達(dá)到劣質(zhì)煤穩(wěn)燃效果。這種帶有預(yù)燃室的低NOx旋流燃燒器在29 MW工業(yè)煤粉爐上可將NOx排放濃度降低至212 mg/m3。為深入優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計，筆者通過?；鋺B(tài)試驗方法，探究了不同風(fēng)配比與回流區(qū)空氣動力特性之間的關(guān)系，以期為燃燒器的設(shè)計提供參考。

1 試 驗

1.1 試驗系統(tǒng)

冷態(tài)模型試驗臺是基于等溫?；母拍?，以模型∶原型(尺寸)為1∶3的前提下設(shè)計，試驗系統(tǒng)如圖1所示。該燃燒器由一次風(fēng)管、直流內(nèi)二次風(fēng)管、旋流內(nèi)二次風(fēng)管、外二次風(fēng)管和預(yù)燃室組成。在進(jìn)行冷態(tài)試驗時保證模型數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的一致性、氣流運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)入自?；瘏^(qū)、各個邊界條件的一致性。經(jīng)計算，一次風(fēng)管、直流內(nèi)二次風(fēng)管、旋流內(nèi)二次風(fēng)管和外二次風(fēng)管的最低Re(雷諾數(shù))分別為148 310、299 558、358 929和41 881，均大于流動進(jìn)入自?；瘏^(qū)的臨界Re，此時可認(rèn)為歐拉數(shù)Eu和Re之間的影響作用大幅減小，Eu值穩(wěn)定不變，氣流的流動幾乎不受慣性力的影響，而Re值的影響幾乎可以忽略不計。冷態(tài)試驗系統(tǒng)中燃燒器出口速度分布通過一種新型三孔速度測量探針測量，通過旋轉(zhuǎn)探針角度可以測量測點(diǎn)的三維速度大小和方向，通過探針連接的U型管液位差正負(fù)確定回流區(qū)及其邊界。測量燃燒器出口截面左側(cè)的點(diǎn)時，通過壓差P2-P3計算測點(diǎn)的軸向速度，通過壓差P1-P3計算測點(diǎn)的切向速度；通過熱線風(fēng)速儀對三孔探針進(jìn)行速度修正系數(shù)的標(biāo)定。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

1.2 試驗工況

冷態(tài)試驗的目的在于探究不同風(fēng)配比對旋流燃燒器回流區(qū)的空氣動力特性的影響。試驗工況見表1。

表1 冷態(tài)試驗工況

在總風(fēng)量不變的前提下，通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)率與旋流內(nèi)二次風(fēng)率、一次風(fēng)率與外二次風(fēng)率、旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率，探究了不同風(fēng)配比對預(yù)燃室內(nèi)及預(yù)燃室出口區(qū)域各測量截面的軸向速度分布、回流區(qū)大小、截面最大回流率的影響，試驗中中心風(fēng)管未通風(fēng)。

測量燃燒器出口速度分布時，考慮到預(yù)燃室內(nèi)靠近一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)出口各噴口處的速度梯度變化較大，在這些噴口截面的測點(diǎn)布置較密，遠(yuǎn)離噴口位置的區(qū)域測點(diǎn)布置較稀。本次冷態(tài)試驗在沿燃燒器出口軸線方向布置17排測點(diǎn)，如圖2所示。

為了便于數(shù)據(jù)測量與處理，取200 mm作為模型化燃燒器當(dāng)量直徑(B=200 mm)進(jìn)行測量點(diǎn)位置的無量化處理。圖2中C為同一個截面上兩相鄰測點(diǎn)之間的距離，l為2個相鄰截面之間的距離。

圖2 冷態(tài)試驗測點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points for cold experiment

定義以燃燒器出口軸線為x軸方向，一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)出口截面為x=0，定義相對距離X=x/B(測量截面與噴口截面之間的距離與當(dāng)量直徑的比值)，以燃燒器出口截面徑向為y軸方向。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地分析燃燒器出口速度分布、射流衰減、回流區(qū)特性，根據(jù)三孔探針實(shí)測各截面的速度分布值，按無量綱回流區(qū)長度、寬度、回流區(qū)面積以及截面最大回流率對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比。

無量綱回流區(qū)長度L為回流區(qū)結(jié)束點(diǎn)距燃燒器噴口的距離Le和回流區(qū)起始點(diǎn)距燃燒器噴口的距離Ls之差與燃燒器噴口當(dāng)量直徑B之比

L=(Le-Ls)/B。

(1)

無量綱回流區(qū)寬度W為實(shí)際回流區(qū)最大寬度Wmax與燃燒器噴口尺寸Wb之比

W=Wmax/Wb。

(2)

定義燃燒器出口區(qū)域軸向速度為負(fù)的區(qū)域面積為回流區(qū)面積，且以預(yù)燃室出口的面積進(jìn)行無因次處理得到無量綱回流區(qū)面積A。

回流率f為某個截面上回流流量Qx與總流量Q之比

(3)

式中，xmax為測量截面上回流區(qū)最大直徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；u為測量截面上回流區(qū)內(nèi)的軸向平均速度，m/s；x為回流區(qū)直徑，m。

截面最大回流率fmax反應(yīng)了燃燒器卷吸高溫?zé)煔獾哪芰Υ笮　?/p>

2 結(jié)果與分析

在標(biāo)準(zhǔn)工況下，即一次風(fēng)率、直流內(nèi)二次風(fēng)率、旋流內(nèi)二次風(fēng)率和旋流外二次風(fēng)率分別為20.8、10.5、32.5和36.2時，燃燒器出口區(qū)域速度分布曲線如圖3所示。其中水平黑線為爐膛不同的截面，水平黑線上方的測點(diǎn)代表軸向速度為正值，其余線為不同截面不同測點(diǎn)軸向速度連線，當(dāng)三孔探針連接的U型管液位差為0時，所測測點(diǎn)即為預(yù)燃室中心回流區(qū)的邊界點(diǎn)，回流區(qū)的包絡(luò)線由黑色曲線連接而成。預(yù)燃室內(nèi)速度為負(fù)的區(qū)域為回流區(qū)，由于試驗中中心管未通風(fēng)，在直流內(nèi)二次風(fēng)的高速引射作用下，速度曲線的分布在L=0的截面出現(xiàn)了中心管附近凸、一次風(fēng)管附近凹、一次風(fēng)管的當(dāng)量直徑外又凸的現(xiàn)象。在L=0的截面上，預(yù)燃室中心開始出現(xiàn)回流區(qū)，隨著軸向距離的增加，回流區(qū)逐漸擴(kuò)張，在L=0.2和L=0.3的截面之間，回流區(qū)趨于閉合，形成了完整回流區(qū)?；亓鲄^(qū)卷吸高溫?zé)煔?，使煤粉在預(yù)燃室內(nèi)貧氧狀況下升溫，釋放揮發(fā)分，在直流內(nèi)二次風(fēng)的作用下，可以有效避免旋流內(nèi)二次風(fēng)和一次風(fēng)的提前混合，形成一定的還原區(qū)氣氛，使揮發(fā)分中的氮被還原成N2，實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒，提高了煤種適應(yīng)性。

圖3 燃燒器出口區(qū)域速度分布Fig.3 Velocity distribution of burner outlet area

2.1 一次風(fēng)率與旋流內(nèi)二次風(fēng)率配比

一次風(fēng)與旋流內(nèi)二次風(fēng)對回流區(qū)特性的影響如圖4所示，總風(fēng)量不變時，隨著一次風(fēng)率從15.8增長到20.8再到25.8，回流區(qū)長度由1.37變化到1.31再到0.25；寬度由0.88變化到0.83再到0.33；截面最大回流率由0.42變化到0.26再到0.18。這是由于具有一定剛性的一次風(fēng)流動方向與回流區(qū)氣流方向相反，隨著一次風(fēng)增加，其對回流區(qū)的抵制作用增加；此外由于總風(fēng)量不變，一次風(fēng)增加意味著旋流內(nèi)二次風(fēng)減小，導(dǎo)致旋流內(nèi)二次風(fēng)在預(yù)燃室內(nèi)形成的負(fù)壓減少，回流區(qū)長度和寬度及回流率均減小。

圖4 一次風(fēng)與旋流內(nèi)二次風(fēng)對回流區(qū)特性的影響Fig.4 Effect of primary wind and secondary air in swirl on the characteristics of recirculation zone

隨著一次風(fēng)率從15.8增長到20.8再到25.8，回流區(qū)的面積由0.96變化到1.50再到0.06，先增大后減小。在一次風(fēng)增加的初期，由于一次風(fēng)會在煤粉濃縮器以及穩(wěn)焰齒的作用下產(chǎn)生一個徑向速度，其在內(nèi)外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)射流的影響下于燃燒器噴口附近形成一個負(fù)壓區(qū)域，具有一定的回流能力，隨著一次風(fēng)的增加，回流區(qū)面積隨之增加。而隨著一次風(fēng)繼續(xù)增加，由于較大的一次風(fēng)和直流內(nèi)二次風(fēng)具有很強(qiáng)的剛性，會將預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)沖散，只會在一次風(fēng)兩側(cè)形成較小的回流區(qū)，從而導(dǎo)致回流區(qū)面積急劇減小。可見在熱態(tài)試驗中，攜帶有煤粉的一次風(fēng)氣流在射入預(yù)燃室內(nèi)時，在煤粉濃縮器以及穩(wěn)焰齒的作用下產(chǎn)生一定的回流區(qū)，卷吸部分高溫?zé)煔?，具有一定的穩(wěn)燃效果，但過高的一次風(fēng)率會導(dǎo)致二次風(fēng)形成的預(yù)燃室中心回流區(qū)受到較大沖擊，嚴(yán)重影響燃燒器的穩(wěn)燃效果。此外在冷態(tài)試驗中發(fā)現(xiàn)隨著旋流內(nèi)二次風(fēng)的急劇降低，預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)幾乎完全消失，因此旋流內(nèi)二次風(fēng)是預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)生成的根本原因。

2.2 一次風(fēng)率與外二次風(fēng)率配比影響

一次風(fēng)與外二次風(fēng)對回流區(qū)特性的影響如圖5所示，在總風(fēng)量不變的前提下，由于一次風(fēng)氣流方向與回流區(qū)氣流方向相反，隨著一次風(fēng)率從15.8增長到20.8再到25.8，一次風(fēng)對回流區(qū)氣流的削弱作用越強(qiáng)，而外二次風(fēng)的減少會導(dǎo)致其形成的旋轉(zhuǎn)射流在預(yù)燃室內(nèi)形成的負(fù)壓降低，回流區(qū)的起始位置后移，結(jié)束位置前移，從而導(dǎo)致回流區(qū)長度、寬度及回流率均減小。觀察到外二次風(fēng)減少到一定程度時，預(yù)燃室內(nèi)只有旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的中心回流區(qū)與一次風(fēng)形成的部分負(fù)壓區(qū)域，導(dǎo)致燃燒器回流效果較差，卷吸高溫?zé)煔饽芰λp，無法達(dá)到設(shè)計要求。

圖5 一次風(fēng)與外二次風(fēng)對回流區(qū)特性的影響Fig.5 Effect of primary wind and outside secondary wind on the characteristics of recirculation zone

隨著一次風(fēng)率從15.8增長到20.8再到25.8，回流區(qū)的面積由0.9變化到1.50再到0.62，先增加后減小。當(dāng)總風(fēng)量不變的情況下，在一定范圍內(nèi)隨著一次風(fēng)的增加，一次風(fēng)在噴口附近形成的負(fù)壓區(qū)域而形成的回流區(qū)也會增加，此時回流區(qū)面積呈現(xiàn)隨著一次風(fēng)的增加而增加的趨勢。而隨著一次風(fēng)的持續(xù)增大，外二次風(fēng)減小，其在爐內(nèi)形成的旋轉(zhuǎn)射流減少，且在較強(qiáng)剛性的一次風(fēng)高速射流和直流二次風(fēng)射流的作用下，回流區(qū)面積急劇降低。觀察到隨著外二次風(fēng)的急劇降低，預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域幾乎觀察不到回流區(qū)，可見外二次風(fēng)是預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域回流區(qū)生成的根本原因。

2.3 旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率配比影響

旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率變化對回流區(qū)特性的影響如圖6所示。

由圖6可知，在總風(fēng)量不變的前提下，隨著外二次風(fēng)率從31.2增長到41.2再到46.2，回流區(qū)長度先從1.226增加到1.232，然后迅速減小到0.260。在外二次風(fēng)增加的初期，旋流內(nèi)二次風(fēng)減小，此時在一次風(fēng)和直流風(fēng)的沖擊作用下，旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的

圖6 旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率變化對回流區(qū)特性的影響Fig.6 Effect of secondary air in swirl and outside secondary wind on the characteristics of recirculation zone

回流區(qū)在軸線的交匯截面稍后移，回流區(qū)的長度略增加。而隨著外二次風(fēng)繼續(xù)增加，旋流二次風(fēng)形成的中心回流區(qū)越來越小，在被具有很大比例的直流一次風(fēng)沖擊后，回流區(qū)長度急劇縮短，由旋流二次風(fēng)形成的回流區(qū)最終消失，剩余的回流區(qū)只是由直流一次風(fēng)高速射流形成的回流區(qū)與外二次風(fēng)形成的部分回流區(qū)組成，此時回流區(qū)的閉合點(diǎn)迅速提前，回流作用顯著變?nèi)?。因此避免外二次風(fēng)率過高具有重要意義。

回流區(qū)的寬度和面積均隨著外二次風(fēng)率從31.2增加到41.2，先緩慢減小，而當(dāng)外二次風(fēng)率增加到46.2時，由于旋流內(nèi)二次風(fēng)強(qiáng)度過低，導(dǎo)致預(yù)燃室的中心幾乎沒有回流區(qū)，預(yù)燃室內(nèi)只有幾塊分散的回流區(qū)，此時寬度和面積急劇降低。

隨著外二次風(fēng)率從31.2增加到41.2再到46.2，回流區(qū)截面最大回流率由最開始的0.20降低到0.15再降低到0.11，呈逐漸減小的趨勢。雖然外二次風(fēng)會在預(yù)燃室中心外圍形成部分回流區(qū)，但外二次風(fēng)在與徑向成一定的角度下射入，在預(yù)燃室外形成一定的旋流效果，同時以一種類似于“風(fēng)膜”的氣流將預(yù)燃室中心回流區(qū)包裹起來，這股氣流一方面具有一定的回流能力，可以卷吸外部空氣，另一方面又會阻礙外部的氣體被中心回流區(qū)卷吸。伴隨著旋流內(nèi)二次風(fēng)的減小，中心回流區(qū)回流能力減弱，這3者綜合作用表現(xiàn)為回流區(qū)截面最大回流率隨著外二次風(fēng)率的增加而逐漸減小。

燃燒器熱態(tài)燃燒過程中，旋流內(nèi)二次風(fēng)決定了燃燒器卷吸高溫?zé)煔獾哪芰Γ?dāng)旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的回流區(qū)受到影響時，燃燒器的回流效果幾乎消失。外二次風(fēng)主導(dǎo)形成了預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域的回流區(qū)，并起到了混合二次風(fēng)與一次風(fēng)的作用，當(dāng)外二次風(fēng)率過高時會嚴(yán)重影響旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的中心回流區(qū)，使該種帶有預(yù)燃室旋流燃燒器的劣質(zhì)煤穩(wěn)燃效果較差，無法達(dá)到設(shè)計要求。

3 結(jié) 論

1)提出了一種多級調(diào)風(fēng)預(yù)燃式旋流燃燒器，基于空氣分級理念同時設(shè)計了一次風(fēng)、直流內(nèi)二次風(fēng)，旋流內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)，在預(yù)燃室內(nèi)形成回流區(qū)，實(shí)現(xiàn)了低NOx燃燒和煤種適應(yīng)性好。隨一次風(fēng)率增加(旋流內(nèi)二次風(fēng)率或外二次風(fēng)率下降)，回流區(qū)長度、寬度以及回流率逐漸下降，但回流區(qū)面積先增加后下降，試驗工況為20.8%時達(dá)到最大值。

2)預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)主要由旋流內(nèi)二次風(fēng)及外二次風(fēng)引起，旋流內(nèi)二次風(fēng)決定了預(yù)燃室中心的回流區(qū)，外二次風(fēng)決定了預(yù)燃室內(nèi)四周的回流區(qū)。

3)旋流內(nèi)二次風(fēng)率37.5%、外二次風(fēng)率31.2%時，回流區(qū)長度、寬度、回流區(qū)面積以及回流率最大，回流效果最好。