切向葉片角度對中心給粉旋流燃燒器氣固流動特性影響

靖劍平，張春明，孫 微，李爭起

(1.環境保護部核與輻射安全中心，北京100082;2.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

采用旋流燃燒器燃用劣質煤時，普遍存在煤粉氣流穩燃性能差、飛灰含碳量高、NOx排放量高及水冷壁高溫腐蝕和結渣等問題，在徑向濃淡燃燒器和強化點火雙調風燃燒器的基礎上發展而來的中心給粉旋流燃燒器可有效地解決上述問題［1－3］。中心給粉旋流燃燒器的內二次風葉片是固定的軸向彎曲葉片，外二次風葉片是可調節的切向葉片，不同的切向葉片角度會形成不同的空氣動力場，進而會對爐內煤粉的燃燒和NOx的生成產生影響。因此有必要研究不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器的氣固流動特性，分析其對煤粉燃燒和NOx生成特性的影響。

三維激光多普勒測速儀(PDA)可用于測量氣固兩相流場［4－6］。本文利用三維PDA研究中心給粉旋流燃燒器的氣固兩相流動特性，測量了燃燒器出口不同截面處的三維平均速度和顆粒體積流量，分析了不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器不同截面的速度場和濃度場，獲得了最佳切向葉片角度。

1 試驗系統介紹

采用丹麥丹迪公司制造的PDA測量系統，其粒徑和速度測量范圍分別為0.5～1 000 μ m和－500～500 m/s［5］，平均速度、粒徑和顆粒體積流量的不確定性分別為1%，4%和30%。

試驗臺如圖1所示，中心給粉旋流燃燒器模型如圖2所示。試驗臺由引風機、給粉機、燃燒器模型、試驗筒體和旋風分離器組成。玻璃微珠經給粉機進入濃一次風道，隨濃一次風從模型燃燒器噴入試驗筒內，最后進入到旋風分離器內，經分離后返回到料斗中重復上述循環。給粉量由變頻器控制給粉機轉速來實現，總風量由變頻器控制引風機出力，燃燒器的濃、淡一次風量及內、外二次風風量由各引風管道的閥門控制，在每個引風管上安裝有靠背管測量風量。濃一次風中的顆粒濃度為0.20 kg/kg。

圖1 試驗臺簡圖Fig.1 Schematic drawing of test facility

圖2 中心給粉燃燒器模型(單位:mm)Fig.2 Model of centrally fuel－rich swirl burner

以在1 025 t/h鍋爐上實際應用的中心給粉旋流燃燒器為原型，按幾何相似設計中心給粉燃燒器模型，模型與原型的比例為1∶7。試驗段筒體直徑與中心給粉燃燒器外二次風噴口直徑比為4.05，當該比值大于3即被認為是低限制流動［7］。

試驗中燃燒器運行參數如表1所示。試驗時一些小顆粒會丟失，因此玻璃微珠要定期更換以維持相同的粒徑。用0～10 μm的玻璃微珠示蹤氣相流動特性，用10～100 μm的玻璃微珠示蹤固相流動特性。測量了x/d=0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5和2.5共7個截面的氣固流動特性，其中x是沿射流方向到燃燒器出口的距離，d是外二次風噴口直徑，為214 mm，分析了氣固兩相的三維速度及體積流量分布。

表1 不同切向葉片角度下冷態流動試驗參數Table.1 Cold airflow experiment parameters for differenttangential vane angles

2 試驗結果和分析

不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器各截面氣固兩相軸向平均速度分布如圖3所示。對于三種切向葉片角度，在x/d=0.3的截面，都出現了明顯的回流區。隨著切向葉片角度的減小，回流區尺寸明顯增加，這是由于二次風的旋轉強度隨切向葉片角度的減小而增強，有利于氣流向外側擴散，中心負壓區增大。當葉片角度從45°減小到25°時，旋轉強度明顯增加。在x/d=0.1～0.7截面，三種工況的氣、固兩相軸向速度呈雙峰分布，隨著一、二次風的擴散，沿燃燒器射流方向測得兩個軸向速度峰值都逐漸減小，而且靠近邊壁的軸向速度峰值位置向壁面移動。隨著切向葉片角度的減小，靠近壁面的軸向速度峰值越高，靠近中心線的速度峰值越低。在燃燒器中心線附近，氣、固兩相速度存在滑移，固相速度大于氣相速度，也就是說固相速度變化滯后于氣相。在x/d=1.0的截面，靠近邊壁的軸向速度峰值消失，表明一、二次風已經較充分的混合。

圖3 三種切向葉片角度下氣固兩相軸向平均速度分布(x單位:mm)Fig.3 Profiles of axial mean velocities with threetangential vane angles

由圖4可知，在x/d=0.1～0.5截面，三種工況下的氣固兩相徑向速度呈雙峰分布，靠近燃燒器中心的峰區為一次風粉流動區域，靠近邊壁的峰區為二次風流動區域，靠近邊壁的峰值始終高于靠近中心的峰值;隨著切向葉片角度的減小，靠近邊壁的速度峰值增大，這是由于切向葉片角度減小，切向的動量增加，旋轉能力增強，對一次風粉的帶動作用增強，顆粒易于被二次風攜帶。隨著一次風粉向二次風的擴散，二次風向邊壁擴散，三種工況下徑向速度峰值逐漸減小，兩個峰值都位置向邊壁移動;隨著射流的進一步發展，徑向速度進一步降低并趨于平緩。在x/d=0.1～0.7截面，三種工況下中心給粉燃燒器在中心線附近的徑向速度為負值，說明一次風粉向燃燒器中心流動，中心線附近區域的顆粒濃度增加。

圖4 三種切向葉片角度下氣固兩相徑向平均速度分布(x單位:mm)Fig.4 Profiles of radial mean velocities with threetangential vane angles

從圖5中可以發現，在x/d=0.1～0.5截面，三種工況下的氣固兩相切向速度具有明顯的單峰值分布，切向速度峰值位于切向出口區域，并且隨著切向葉片角度的減小，切向速度峰值增大，這是因為切向葉片角度減小，二次風的旋轉能力增強，風粉混合物的切向速度都增加。在x/d=0.7以后的截面，切向速度峰值消失，切向速度趨于平緩，相比于軸向和徑向速度，切向速度衰減較快。由于一次風為直流射流及回流區內以軸向回流流動為主，因此在中心回流區和一次風出口處切向速度值均很小。

圖5 三種切向葉片角度下氣固兩相切向平均速度分布Fig.5 Profiles of tangential mean velocities with threetangential vane angles

如圖6所示，在x/d=0.1～0.7之間的截面，三種切向葉片角度下的顆粒體積流量呈雙波峰雙波谷分布，隨著射流的發展，燃燒器中心區域的顆粒體積流量明顯降低。在x/d=1.0以后截面，靠近壁面的顆粒體積流量峰值消失。由于切向葉片角度減小后，二次風動量增大，二次風對一次風粉的帶動作用增強，加強了一次風粉沿徑向的擴散，易于混入二次風中，降低了中心線區域的顆粒體積濃度，增大了二次風中顆粒體積濃度，因此在x/d=0.1～0.7之間的截面，隨著切向葉片角度減小，靠近中心線的顆粒體積流量峰值減小，二次風流動區域的顆粒體積流量峰值增加。對于切向葉片角度為25°時，在x/d=1.0之后的截面，顆粒體積流量最大值出現在壁面附近區域，而對于切向葉片角度為35°和45°時，在x/d=1.5之后的截面，顆粒體積流量最大值才出現在壁面附近區域。

圖6 三種切向葉片角度下顆粒體積流量分布(x單位:mm)Fig.6 Particle volume flux profiles with threetangential vane angles

3 結論

采用PDA對中心給粉旋流燃燒器氣固兩相流動特性進行了試驗研究，結論如下:

(1)中心給粉旋流燃燒器的平均軸向速度和徑向速度呈雙峰分布，平均切向速度呈單峰分布;隨著切向葉片角度的減小，不同方向的平均速度峰值均增加，回流區尺寸也有所增加。

(2)在x/d=0.1～0.7截面，顆粒體積流量呈雙波峰和雙波谷分布，隨著切向葉片角度的減小，中心區域的顆粒體積流量峰值減小，而二次風流動區域的峰值增加。當切向葉片角度為25°時，在x/d=1.0之后的截面，顆粒體積流量最大值出現在壁面附近區域，而對于切向葉片角度為35°和45°時，在x/d=1.5之后的截面，顆粒體積流量最大值出現在壁面附近區域。

(3)當切向葉片角度為35°時，中心給粉旋流燃燒器具有較好的速度分布和顆粒體積流量分布，既能夠保證煤粉的及時著火和穩定燃燒，又能夠降低NOx的生成及防止燃燒器噴口區域結渣。

［1］靖劍平，李爭起，陳志超，等.中心給粉燃燒器在燃用煙煤1 025 t/h鍋爐上的應用［J］.中國電機工程學報，2008，28(2):1－7.

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