立式旋風(fēng)燃燒器冷態(tài)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬研究

徐維暉，黃志豪，房 凡，王為術(shù)，王 涵，何小可

(1.華北水利水電大學(xué) 熱能工程研究中心，河南 鄭州 450045； 2.西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054)

我國(guó)高堿煤儲(chǔ)量巨大，但其堿金屬和堿土金屬含量高，直接燃用時(shí)易導(dǎo)致鍋爐受熱面結(jié)焦結(jié)渣甚至過熱器超溫等問題[1-3]。目前國(guó)內(nèi)在役機(jī)組多采用摻燒或氣化的方式燃用高堿煤，但只能延緩受熱面結(jié)渣沾污，并不能純?nèi)几邏A煤發(fā)電。旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐同時(shí)具有旋風(fēng)爐和液態(tài)排渣鍋爐的特征，能夠降低爐內(nèi)煙氣中堿金屬的含量，有效緩解受熱面沾污，從而實(shí)現(xiàn)純?nèi)几邏A煤發(fā)電[4-5]。爐內(nèi)良好的流場(chǎng)分布是鍋爐高效穩(wěn)定燃燒的前提，于強(qiáng)等[6]研究了燃燒器與再循環(huán)煙氣噴口位置等參數(shù)變化對(duì)雙切圓鍋爐空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響，為新型鍋爐設(shè)計(jì)制造提供了理論指導(dǎo)。楊文闖等[7]針對(duì)W型火焰鍋爐，研究了不同二次風(fēng)入射角度對(duì)爐內(nèi)流動(dòng)特性的影響，得到了爐內(nèi)煙氣充滿度隨二次風(fēng)傾角變化的規(guī)律。Song M等[8]針對(duì)采用多噴射和分級(jí)燃燒技術(shù)的350 MW超臨界鍋爐，研究了不同內(nèi)外二次風(fēng)比例對(duì)爐內(nèi)流場(chǎng)的影響。程秀東等[9]通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了葉片角度對(duì)旋流燃燒器流場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)葉片角度增加會(huì)導(dǎo)致燃燒器內(nèi)回流區(qū)明顯增加。鄭秀平等[10]研究了干擾風(fēng)對(duì)循環(huán)流化床可調(diào)旋風(fēng)分離器分離效率的影響。丘加友[11]通過冷態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了臥式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)流場(chǎng)分布特性，優(yōu)化了燃燒器結(jié)構(gòu)及運(yùn)行參數(shù)。對(duì)于鍋爐內(nèi)部的燃燒特性，通常采用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究。張向宇等[12]數(shù)值研究了準(zhǔn)東煤在旋風(fēng)爐內(nèi)燃燒特性，得到了爐內(nèi)捕渣率沿高度方向的分布規(guī)律。Chen S等[13]針對(duì)四角切圓鍋爐，研究其空氣動(dòng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和組分場(chǎng)分布特性，解決了爐內(nèi)結(jié)渣和高溫腐蝕問題。周科等[14]通過實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了三次風(fēng)葉片角度對(duì)低氮旋流燃燒器流場(chǎng)及燃燒特性，確定了低負(fù)荷穩(wěn)燃最佳葉片傾角。陸羽笛等[15]數(shù)值研究了旋流葉片角度對(duì)燃燒器內(nèi)燃燒特性的影響，研究結(jié)果表明，隨著旋流葉片角度的減小，燃燒區(qū)域溫度上升，污染物排放量增加。

現(xiàn)有的研究工作大多是在四角切圓鍋爐和對(duì)沖燃燒鍋爐上進(jìn)行的，對(duì)于旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐的研究較少。立式旋風(fēng)燃燒器是旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐的關(guān)鍵組成部分，其內(nèi)部良好的空氣動(dòng)力場(chǎng)是旋風(fēng)液態(tài)排渣鍋爐高效穩(wěn)定燃燒的前提。論文采用冷態(tài)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究葉片傾角對(duì)立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力特性及燃燒特性的影響規(guī)律，為立式旋風(fēng)燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 立式旋風(fēng)燃燒器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

立式旋風(fēng)燃燒器冷態(tài)物模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要由一、二次風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管道、流量調(diào)節(jié)閥、風(fēng)速風(fēng)量計(jì)、立式旋風(fēng)燃燒器組成，每個(gè)送風(fēng)管道上均設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥和風(fēng)速風(fēng)量計(jì)，用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)管道內(nèi)風(fēng)量。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中遵循模型與原型嚴(yán)格的幾何相似，進(jìn)入燃燒器的各股氣流均進(jìn)入第二自模化區(qū)，模型與原型動(dòng)量比相似等模化原則。旋風(fēng)燃燒器按照實(shí)際尺寸4∶1比例縮小建造，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主體部分均采用10 mm透明有機(jī)玻璃材料，燃燒器高度為1 750 mm，內(nèi)徑為350 mm，一次風(fēng)入口處設(shè)有角度可調(diào)節(jié)的旋流葉片，二次風(fēng)切向進(jìn)入旋風(fēng)燃燒器。設(shè)定旋風(fēng)燃燒器一次風(fēng)入口風(fēng)速為6 m/s，二次風(fēng)入口風(fēng)速為16.7 m/s，具體實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見表1。由于本實(shí)驗(yàn)主要研究葉片傾角對(duì)立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)流場(chǎng)的影響，在實(shí)驗(yàn)開始前需對(duì)二次風(fēng)量進(jìn)行調(diào)平。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)布置

為了對(duì)立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量，在燃燒器主體兩側(cè)沿高度方向每隔100 mm開一個(gè)直徑為10 mm的測(cè)量孔，共計(jì)15層，不測(cè)量時(shí)用膠帶密封，每個(gè)測(cè)量截面離開中心點(diǎn)每24 mm取一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量旋風(fēng)燃燒器內(nèi)流場(chǎng)速度和方向，圖2為旋風(fēng)燃燒器測(cè)點(diǎn)布置示意。實(shí)驗(yàn)過程中，保證一、二次風(fēng)量不變且穩(wěn)定后，通過熱線風(fēng)速儀對(duì)不同葉片傾角下燃燒器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

2 數(shù)值研究方法及模型

為了對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證并進(jìn)一步研究立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)煤粉燃燒特性，根據(jù)實(shí)際尺寸1∶1建立幾何模型，通過ICEM軟件采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格對(duì)旋風(fēng)燃燒器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格模型如圖3所示。分別選擇網(wǎng)格數(shù)量為52萬、78萬、93萬和124萬的模型進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證，以燃燒器出口軸向速度作為驗(yàn)證指標(biāo)，結(jié)果表明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量從93萬增加到124萬時(shí)，燃燒器出口軸向速度基本無變化，最終確定網(wǎng)格數(shù)量為93萬。旋風(fēng)燃燒器燃用煤種為新疆準(zhǔn)東高堿煤，煤質(zhì)特性見表2。旋風(fēng)燃燒器入口均為質(zhì)量流量入口，一、二次風(fēng)為均等配風(fēng)，一、二次風(fēng)入口質(zhì)量流量分別為3.08、6.16 kg/s；一、二次風(fēng)溫分別為333、603 K；燃燒器出口為自由出流；壁面為絕熱型壁面。

圖3 旋風(fēng)燃燒器網(wǎng)格模型

表2 煤質(zhì)特性

數(shù)值模擬過程采用三維模型穩(wěn)態(tài)計(jì)算，由于旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣流動(dòng)伴隨著強(qiáng)烈的旋流，因此采用RNGk-ε雙方程模型對(duì)此種湍流流動(dòng)進(jìn)行求解。采用歐拉-拉格朗日模型對(duì)煤粉顆粒在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)流動(dòng)過程進(jìn)行求解。在煤粉燃燒的過程中，揮發(fā)分析出模型選用兩步競(jìng)爭(zhēng)模型，焦炭燃燒選用擴(kuò)散動(dòng)力模型，氣相湍流燃燒選用非預(yù)混燃燒模型?？紤]到煤粉燃燒過程中與氣相之間的輻射傳熱，選用P-1輻射模型對(duì)該過程進(jìn)行求解。煤粉燃燒產(chǎn)生的NOx主要分為熱力型NOx、快速型NOx和燃料型NOx，由于煤粉顆粒燃燒生成的快速型NOx所占比例很少，論文僅考慮燃料型及熱力型NOx[16]。

3 結(jié)果分析

3.1 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)

圖4分別為不同葉片傾角下，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度分布圖。由圖4可以看出，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)分布良好，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度變化趨勢(shì)基本相同，在旋風(fēng)燃燒器近壁面處軸向速度最小，在中心軸線約1/3處軸向速度達(dá)到最大值，沿徑向方向呈W型對(duì)稱分布。在靠近一次風(fēng)入口處區(qū)域，由于旋流進(jìn)入的一次風(fēng)與切向進(jìn)入的二次風(fēng)發(fā)生碰撞，導(dǎo)致中心軸線約1/2處區(qū)域軸向速度減小，該區(qū)域氣流擾動(dòng)性較強(qiáng)，可增強(qiáng)煤粉和空氣的混合，強(qiáng)化燃燒和傳熱。由圖4還可以看出，葉片傾角變化對(duì)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響主要體現(xiàn)在旋風(fēng)燃燒器中上部區(qū)域，葉片傾角越大，旋風(fēng)燃燒器中上部區(qū)域軸向速度越小，在旋風(fēng)燃燒器中下部區(qū)域，氣流充分發(fā)展，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器出口軸向速度分布基本一致。

圖4 冷態(tài)實(shí)驗(yàn)燃燒器內(nèi)軸向速度分布

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 速度分布

圖5和圖6分別為不同葉片傾角下立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)截面軸向速度分布和顆粒軌跡分布。由圖5(a)可以看出，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度分布規(guī)律基本相同，在二次風(fēng)入口處區(qū)域，及y=0.4～1.2 m區(qū)域，由于切向進(jìn)入的二次風(fēng)對(duì)燃燒器內(nèi)流場(chǎng)影響較大，導(dǎo)致該區(qū)域軸向速度較低。由圖5(b)可以看出，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度沿徑向方向呈對(duì)稱分布，在燃燒器中心區(qū)域軸向速度最低，隨著葉片傾角的增加，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度減小。數(shù)值研究結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，因此可以采用數(shù)值模擬的方法對(duì)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)燃燒特性進(jìn)行預(yù)測(cè)并研究。由圖6可以看出，煤粉顆粒在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)受到旋流一次風(fēng)和切向二次風(fēng)的作用旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)，切向進(jìn)入的二次風(fēng)加強(qiáng)了煤粉顆粒與空氣的混合，延長(zhǎng)了煤粉在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間，起到了強(qiáng)化燃燒的作用。受到旋風(fēng)燃燒器內(nèi)部強(qiáng)旋流的影響，煤粉顆粒主要分布在旋風(fēng)燃燒器中心軸線2/3處附近，近壁面區(qū)域很少。隨著葉片傾角的增加，煤粉顆粒在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)停留時(shí)間增加。

圖5 不葉片傾角下燃燒器內(nèi)軸向速度分布

圖6 不同葉片傾角顆粒軌跡分布

3.2.2 溫度分布

圖7為不同葉片傾角下立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)截面平均溫度分布。由圖7可以看出，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)截面溫度變化趨勢(shì)相同，在二次風(fēng)入口處區(qū)域，即y=0.4～1.2 m區(qū)域，煤粉與切向進(jìn)入的高溫二次風(fēng)混合并析出水分和揮發(fā)分，該區(qū)域溫度上升較為緩慢，隨后揮發(fā)分燃燒引燃碳粒，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)溫度迅速上升，在出口處溫度達(dá)到最高。由圖7還可以看出，適當(dāng)增加葉片傾角可以提高旋風(fēng)燃燒器內(nèi)燃燒溫度，這是因?yàn)槿~片傾角的增加可以提高煤粉在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間，使煤粉與空氣更好的混合并燃燒，釋放出更多的熱量。當(dāng)葉片傾角為40°時(shí)，旋風(fēng)燃燒器出口處溫度低于葉片傾角為35°工況，這是由于葉片傾角變化主要對(duì)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度造成影響，過大的葉片傾角會(huì)導(dǎo)致旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度過低，煤粉顆粒停留時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致不完全燃燒比例增加，從而導(dǎo)致燃燒溫度降低。不同工況下旋風(fēng)燃燒器出口溫度相差不大，葉片傾角為35°時(shí)旋風(fēng)燃燒器出口溫度最高，為1 612 K。

3.2.3 組分分布

圖8～圖10分別為不同葉片傾角下立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)截面平均CO、O2和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布。由圖8可以看出，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本一致，在二次風(fēng)入口處區(qū)域，煤粉處于初期燃燒階段，不完全燃燒比例較高，生成大量的CO，導(dǎo)致該區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速上升，隨著煤粉的繼續(xù)燃燒，部分CO被氧化生成CO2，導(dǎo)致后續(xù)區(qū)域CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低。葉片傾角為40°時(shí)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，當(dāng)葉片傾角變化范圍在25°～35°時(shí)，旋風(fēng)燃燒器出口處CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨葉片傾角的增加而降低。由圖9和圖10可以看出，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)O2和CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本一致，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直降低，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)一直升高，CO2和O2的分布規(guī)律相反。在二次風(fēng)入口處區(qū)域，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢降低，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)緩慢升高，隨著煤粉和空氣充分混合并劇烈燃燒，消耗大量的O2生成CO和CO2，O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)急劇降低，CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)迅速升高。葉片傾角越大，旋風(fēng)燃燒器出口處O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，表明葉片傾角越大，煤粉燃燒效率越高，當(dāng)葉片傾角變化范圍在25°～35°時(shí)，旋風(fēng)燃燒器出口處CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨葉片傾角的增加而上升。

圖7 不同葉片傾角下燃燒器內(nèi)溫度分布

圖8 不同葉片傾角下CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖9 不同葉片傾角下O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

圖10 不同葉片傾角下CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布

3.2.4 NOx濃度分布

圖11為不同葉片傾角下立式旋風(fēng)燃燒器內(nèi)NOx質(zhì)量濃度分布。由圖11可以看出，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)NOx濃度變化趨勢(shì)基本相同，在旋風(fēng)燃燒器入口至二次風(fēng)入口處區(qū)域，NOx濃度緩慢上升，隨著煤粉與空氣充分混合并劇烈燃燒，大量生成燃料型和熱力型NOx，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)NOx濃度迅速上升并達(dá)到峰值，在旋風(fēng)燃燒器y=2～3 m區(qū)域，部分NOx被煤粉不完全燃燒生成的CO還原成N2，該區(qū)域NOx濃度有所降低，對(duì)應(yīng)的旋風(fēng)燃燒器內(nèi)CO質(zhì)量分?jǐn)?shù)有所降低(見圖8)。由圖11還可以看出，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)NOx濃度峰值隨葉片傾角的增加而上升，這是由于煤粉顆粒在旋風(fēng)燃燒器內(nèi)的停留時(shí)間隨葉片傾角的增加而增加，煤粉燃燒時(shí)生成的含N原子中間產(chǎn)物增加，導(dǎo)致旋風(fēng)燃燒器內(nèi)NO含量增加。隨著葉片傾角的增加，旋風(fēng)燃燒器出口處NOx濃度先降低后升高，葉片傾角為30°時(shí)旋風(fēng)燃燒器出口處NOx濃度最低，當(dāng)葉片傾角從30°增加到40°時(shí)，旋風(fēng)燃燒器出口處NOx濃度上升約171 mg/m3。

圖11 不同葉片傾角下NOx濃度分布

4 結(jié) 論

(1)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力分布良好，不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力特性數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好，可以通過數(shù)值模擬的方法對(duì)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)煤粉燃燒特性進(jìn)行預(yù)測(cè)并研究。

(2)旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度沿徑向方向呈W型對(duì)稱分布，葉片傾角變化主要對(duì)旋風(fēng)燃燒器中上部區(qū)域造成影響，葉片傾角越大，旋風(fēng)燃燒器內(nèi)軸向速度峰值越低，煤粉顆粒停留時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)不同葉片傾角下旋風(fēng)燃燒器內(nèi)溫度分布和組分分布特性具有規(guī)律性，隨著葉片傾角的增加，旋風(fēng)燃燒器出口溫度和CO2質(zhì)量濃度先上升后降低，O2質(zhì)量濃度一直降低，CO質(zhì)量濃度先降低后升高，葉片傾角為30°時(shí)，旋風(fēng)燃燒器出口NOx濃度最低。