一種新型旋流燃燒器的工作特性研究

王慧青, 羅 睿, 周屈蘭, 田明泉, 趙欽新, 惠世恩

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院,西安 710049;2.新疆澤普石油基地塔西南電力工程部,喀什 844808)

隨著我國電力工業的高速發展及電力裝機容量的不斷增大,對煤炭資源的消耗也日漸增加,使得煤炭資源日益緊缺.同時煤的大量燃燒產生數量可觀的氮氧化物(NOx)、硫氧化物等大氣污染物,對人類賴以生存的自然環境造成了一定的破壞[1].在資源緊缺和環境惡化的雙重壓力下,開發清潔高效的能源利用技術勢在必行.

旋流燃燒是當前電站鍋爐爐內燃燒過程所采用的主要方式之一.經過多年的發展,國內外各大公司及科研機構在傳統旋流燃燒器的基礎上加入了新的設計理念,提出了一系列性能更加優越的新型旋流燃燒器[2-8],在穩定燃燒、提高燃燒效率和控制NO x污染物排放等方面取得了較大的進步.

筆者針對我國動力用煤特點,參考國內外各種低NOx旋流燃燒器的設計特點,提出了一種能夠實現高效、穩定、低污染燃燒的新型旋流燃燒器.為了進一步了解該新型燃燒器的各項性能,采用熱線風速儀對燃燒器出口的空氣動力場進行測試,并以等速取樣法研究了燃燒器氣固兩相流動狀態.

1 新型旋流燃燒器簡介

新型旋流燃燒器采用雙調風結構為基本框架,為徑向濃淡型低NO x旋流燃燒器.在多種技術與結構的綜合作用下,新型燃燒器能夠實現較高的燃燒效率、良好的著火穩燃性能和在火焰內形成還原性氣氛抑制NOx的生成.要求新型燃燒器能夠適用于大容量600 MW等級鍋爐機組,燃用煤種可變,并能有效地防止結渣和高溫腐蝕,其結構見圖1.

圖1 新型旋流燃燒器結構簡圖Fig.1 Structural diagram of the new swirl burner

新型燃燒器的結構特點如下:

(1)煤粉濃縮器設計為撞擊擋塊,利用煤粉氣流的慣性進行濃淡分離,擋塊位置可調,從而實現煤粉氣流濃淡的調節.

(2)一次風通道中設置濃淡氣流隔板,防止分離后的濃、淡煤粉氣流出現再混合現象,一次風采用旋流形式由蝸殼進入燃燒器.

(3)穩燃器采用齒形環結構,一次風擴口采用獨有的內齒錐形擴口.

(4)內、外二次風旋流的調節采用可調性能較好的軸向可動葉輪.

2 試驗系統及試驗方法

2.1 試驗系統

試驗系統圖見圖2.該系統以高壓風機作為氣源,從風機流出的空氣首先進入母管,母管上連接有各類風的輸送管道,每根輸送管道都裝有用于調節流量的閘閥和U型差壓計.母管中的空氣流入各輸送管道,通過管道上的調節裝置可以控制燃燒器各類風的風量,之后進入燃燒器模型,最終形成共軸復合旋轉射流射入大空間.流動趨于穩定后,燃燒器出口射流將在空間內形成穩態流場,這時使用熱線風速儀測試不同截面的速度分布,從而得到燃燒器出口空氣動力場相關數據.

圖2 試驗系統圖Fig.2 Schematic diagram of the experimental setup

燃燒器模型與原型的幾何比例為1∶5.5.試驗中采用等速取樣法研究燃燒器中氣固兩相流動特性,由取樣槍對燃燒器出口不同位置進行顆粒取樣,并通過對濾筒截留顆粒的分析掌握出口處顆粒相的濃淡分布,了解燃燒器的濃淡分離性能.

2.2 測點布置

取燃燒器內二次風管直徑為當量直徑deq,定義無量綱坐標X=x/d eq.在燃燒器出口附近X=0～1.5區域設置6個測量截面,其間距為10 mm.在射流末端X=2.0～5.0區域設置4個測量截面,其間距為20mm.

3 試驗結果與分析

為了能夠更加直觀地對燃燒器出口空氣動力場特性進行分析,本文采用如下無量綱參數.

(1)軸線無量綱速度,定義為軸線上某點當地速度u與燃燒器出口當量速度之比.

燃燒器出口當量速度為:

式中:Q代表各類風的風量;ρ為空氣密度;deq為當量直徑,一般取內二次風管內徑.

(2)截面回流率,定義為某一截面上回流流量與總流量之比.

式中:r i、r o分別為回流區內、外邊界半徑.

(3)截面湍動度,定義為速度脈動量的均方根值與時均速度之比,就全流場來講,這里的時均速度應當采用當量速度u eq

式中:u′x、u′y、u′z 分別為當地 x 、y、z 三個方向的脈動速度.

3.1 噴口結構對燃燒器出口流場的影響

應用4種噴口進行了試驗,工況1為新型噴口,工況2僅安裝齒形環,工況3僅安裝內齒錐形擴口,工況4為普通噴口,其結果見圖3.

圖3 不同噴口結構對軸線無量綱速度和截面回流率的影響Fig.3 Effect of spout structure on axial nondimensional velocity and section reflux ratio

相比普通噴口(工況4),新型燃燒器噴口能夠在很大程度上對出口流場進行優化,提高回流速度及總回流量.齒形環能夠促進濃一次風與中心回流區的湍動混合,提高射流發展前期的湍動水平.一般認為內齒錐形擴口具有雙重作用:一是壓迫一次風靠近中心回流區,延遲一、二次風的摻混,從而增強射流后期混合;二是齒形錐本身能夠增強前期的湍動,對風粉混合物的著火燃燒有一定的幫助.

3.2 旋流強度對燃燒器出口流場的影響

對3種不同旋流強度的二次風進行了試驗,工況1采用強旋流二次風,工況5、工況6逐步減弱旋流強度,其結果見圖4.

旋流強度的大小對于組織燃燒有較重要的意義,減弱旋流強度對回流區不利,但能夠使射流行程增加.

3.3 配風份額對燃燒器出口流場的影響

進行了5種不同配風的試驗.工況1為標準工況,采用額定配風,一次風、內二次風和外二次風的風速分別為17.2m/s、25.1 m/s和 35.1 m/s.工況9在保持總風量不變的前提下,維持一次風份額一定,增大內二次風,減小外二次風;而工況11則是減小內二次風,增大外二次風.工況13是減小一次風率,將這部分風量加入到內二次風中;工況15是減小一次風率,增大外二次風率.結果分別見圖5和圖6.

配風對回流率有一定影響,減小一次風率、增大內二次風率都是增大回流率的有效手段,但只要配風的變化處在一定的范圍內,新型燃燒器具有一定的自調節性能,將不會對流場造成太大影響.

圖4 不同旋流強度對軸線無量綱速度和截面回流率的影響Fig.4 Effect of intensity on axial nondimen sional velocity and section reflux ratio

圖5 一次風率不變、改變二次風配比對空氣動力場的影響Fig.5 Effect of secondary air distribution on aerodynamic field,at a fixed primary air rate

圖6 減小一次風率并分別增大內、外二次風率對空氣動力場的影響Fig.6 Effect of reducing primary air rate and raising inside/outside secondary air rate on aerodynamic field

3.4 噴口結構對湍動混合特性的影響

4種噴口結構(見3.1節)對湍動混合特性的影響見圖7.從圖7可以看出,工況2和工況3的湍動度水平整體較高,裝在濃一次風通道出口的齒形環對增強外一次風與內側中心回流區的混合作用明顯,氣流通過齒形環后將在背風側形成數量眾多的旋渦,從而使湍動混合增強.內齒錐形擴口一般具有雙重作用,對前期混合起到了加強的作用,能夠破碎外一次風,將部分動量轉化為湍動能,同時壓迫其向中心回流區靠近,促進與中心回流區的熱質交換;內齒錐形擴口結構能夠起到隔離一次風與二次風的作用,延遲一次風與二次風的混合,保留一定動量到射流末端,這對于強化射流后期混合很有效果,巧妙地解決了普通旋流燃燒器后期混合不足的問題.從工況4可以看出,普通的噴口結構雖然前期旋轉射流的混合比較強烈,但隨著氣流動量的衰減,湍動度水平也在急劇下降,后期湍動顯得十分微弱,整體湍動水平并不高.而具有新型噴口的工況1則不僅前期混合劇烈,且后期仍具有相當的湍動度,整體湍動水平強于工況4.

圖7 不同噴口結構對截面最大湍動度和軸線湍動度的影響Fig.7 Effect of spout structure on maximum section turbulence and axial turbulence

軸線湍動度主要表征的是中心回流區的湍動水平,該參數能夠衡量燃燒器的著火及穩燃性能.可以看到,新的噴口結構提高了軸線附近的湍動水平,這對于風粉混合物與回流高溫煙氣的混合、促進煤粉顆粒迅速升溫著火、析出揮發分形成還原性氣氛及降低NO x排放都具有重要意義.

3.5 總旋流強度的提出

考慮各層風對總旋流強度的影響,射流整體的總旋流強度為:

式中:Mi為氣流的旋轉動量矩;Qi為氣流的質量流率;K i為氣流軸向動量;L為旋轉射流出口定向尺寸.

新型燃燒器的 fre,max和n*的擬合直線見圖8.

根據圖8可得最大回流率與總旋流強度n*的線性擬合公式:

圖8 最大回流率隨總旋流強度n*的變化Fig.8 Relationship between maximum reflux ratio and total swirl in tensity

該擬合直線與實際數據點的相關系數r為0.886 04,因此可以應用該公式對燃燒器出口空氣動力場的回流區特性進行一定的預測.

3.6 煤粉濃縮器濃淡分離效果測試

旋流燃燒器在實際運行過程中,攜帶煤粉顆粒的一次風經過濃縮器時,由于慣性力及離心力作用可實現濃淡分離.冷態試驗系統中采用了幾何縮小的燃燒器模型,因此有必要對氣固兩相流動中存在的顆粒相進行模化.氣固兩相試驗模化要求遵守斯托克斯相似準則,斯托克斯數用來衡量顆粒跟隨氣流運動的能力.

測量時使用等速取樣槍分別在燃燒器一次風噴口濃淡兩側多次取樣,對于不帶濃縮器的工況,可以認為一次風通道外側為濃側,內側為淡側.可以看出,即使在不安裝濃縮器的情況下,一次風也呈現出外濃內淡的煤粉濃度分布,其原因主要是一次風粉混合物切向進入燃燒器,呈旋流狀態,在離心力的作用下,顆粒相被甩向外側,而氣相則分布比較均勻,這就造成了出口的濃淡分離效果.隨著一次風速的提高,濃淡分離比有所增大,但帶濃縮器工況的濃淡分離比始終高于無濃縮器的工況.在燃燒器實際運行時的一次風速取值范圍內,濃縮器可將濃淡分離比提高到4∶1以上,而依靠旋轉慣性進行濃淡分離的工況,濃淡分離比一般保持在3∶1左右(圖9).

圖9 燃燒器出口濃淡分離比與一次風速的關系Fig.9 Relationship between dense-dilute ratio and primary air velocity at burner outlet

4 燃燒器出口空氣動力場特性分析

新型燃燒器具有優越的空氣動力場,其主要優點為:

(1)回流率與普通燃燒器相比略有提高,并具有一定的自調節性能,在配風波動的情況下能夠使流場在一定范圍內維持穩定狀態.

(2)增強了燃燒器出口軸線上的湍動水平,同時在高濃度煤粉氣流與回流高溫煙氣混合區域形成眾多破碎渦,強化傳熱、傳質過程,有利于煤粉氣流的著火.

(3)在一定程度上延緩了一、二次風的混合,促使煤粉燃燒初期還原性貧氧氣氛的形成,這是抑制NOx生成的有效手段.

(4)濃一次風具有較長的射流周界,增大了其與周圍高溫介質的接觸面積,有利于燃燒化學反應的進行.

(5)截面整體湍動度水平尤其是在關鍵混合區域的湍動度水平較高.

旋流燃燒器運行過程中的配風參數變化能夠起到調節空氣動力場的作用,以便適應不同煤種的燃燒.由于易燃煤種揮發分析出較快、反應能力強、初期對氧量的消耗快,因此應當選取較大內二次風,較早地完成補氧過程;而難燃煤種需要維持燃燒反應進行的高溫環境,應延緩二次風的混入,選用較小的內二次風和較大的外二次風.對于該型燃燒器,適用于煙煤燃燒的工況參數為:一次風速17 m/s,內二次風速26 m/s,外二次風速36 m/s,即試驗中工況1;而燃用貧煤時推薦使用的工況參數為:一次風速12m/s,內二次風速25m/s,外二次風速41 m/s,即試驗中工況15.

5 試驗誤差說明

5.1 空氣動力場試驗誤差

空氣動力場的測量工作采用熱線風速儀來完成,經標定后其誤差范圍可控制在±2%以內.測量過程中,由于送風機來流溫度變化且與標定時的氣流溫度不同,通過溫度修正可消除溫差對儀表造成的影響;燃燒器出口為開闊的外部大氣空間,大氣流動可能對試驗造成影響,盡量選擇晴朗無風的大氣條件,誤差范圍可控制在±5%.

5.2 氣固兩相流試驗誤差

兩相流試驗的測量工作采用等速取樣稱重法完成,由于最終所得數據為顆粒濃度比值,顆粒濃度測量中所引入的誤差經該方法處理可以抵消.

6 結 論

(1)新型燃燒器的噴口結構具有一定的創新性,能夠有效地優化出口空氣動力場,有利于煤粉氣流的著火和穩燃.在實際運行過程中,通過對配風參數的變化實現調節空氣動力場的目的,可以適應不同煤種的燃燒.

(2)使用了總旋流強度n*的概念,該參數能夠在一定程度上反映空氣動力場的特征.

(3)提出了一種由多級分離塊組成的煤粉濃縮器,促使新型燃燒器濃淡型燃燒過程的實現.

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