一種帶乏氣風的濃淡旋流燃燒器結構的設計及優化★

邊彩霞， 王偉成

（南京工程學院， 江蘇 南京 210000）

引言

近幾年來，在煤炭質量、燃燒技術、運行方式和水平等多種因素的影響下，常規電站鍋爐在運行過程中通常存在如下主要問題[1]：鍋爐調峰能力差、NOx排放量高、低負荷穩燃性能差、燃料燃燒效率低、高溫腐蝕和結渣等。因此電力工業迫切需要發展能同時解決或改善上述問題的燃燒技術。濃淡燃燒技術在解決煤粉燃燒的高效、穩燃、防結渣、低污染等問題方面具有強大的技術優勢[2-5]，近幾年來得到了較快的發展和推廣。進行新型濃淡燃燒器的研發是目前煤粉燃燒學領域的熱點課題。本文在B&W公司研發的低NOx雙調風旋流燃燒器（DRB-XCL型）的基礎上，提出了四種煤粉濃淡分離設計方案，并通過數值模擬的方法，對四種方案的濃淡分離效果進行了比較，以期對現有旋流燃燒器的低氮改進及穩燃性能提高提供參考。

1 物理模型

DRB-XCL 型燃燒器的結構如圖1 所示，該燃燒器一次風采用直流形式且無濃淡分離裝置，二次風采用分級配風方式，分為內二次風及外二次風，皆為旋流風且旋轉方向相同。為了進一步提高該燃燒器在低負荷下的穩燃性能，并進一步降低NOx的排放。本文在燃燒器原結構的基礎上提出了A、B、C、D四種濃淡分離方案（如圖2 所示）。四種方案的共同之處在于維持原燃燒器基本結構不變，只在一次風入口管道上部加裝了一個乏氣風管道，其目的是將一次風分為濃淡兩股，煤粉濃度較高的一股仍沿著一次風管道進入爐膛，煤粉濃度較低的一股則進入乏氣風管道，并通過該管道進入爐膛。不同的是方案B 在方案A 的基礎上在燃燒器彎管處加裝一個分離閥塊，方案C 在方案B 的基礎上改變了乏氣風管的管徑，將乏氣風管徑改為0.18 m，方案D 將乏氣風管道改為了漸縮型管道，管道入口管徑為0.3 m，出口管徑為0.18 m。

圖1 DRB-XCL 型燃燒器結構圖（單位：mm）

圖2 四種濃淡分離方案

2 數學模型

由于本課題為圓形射流，所以本文采用Realizablek-ε 雙方程模型作為湍流氣相流動模型，離散相采用顆粒隨機軌道模型，應用控制容積法，對微分方程進行了離散化處理。微分方程的通用形式為：

式中：? 為待解的變量；等號左邊分別為瞬時相和對流相；等號右邊依次分別為擴散項、源項、顆粒相。

3 數值模擬結果分析

3.1 濃淡分離效果比較

表1 四種方案的濃淡分離效果比較

3.2 一次風和乏氣風出口速度比較

考慮到增加了乏氣風管道后會使原來的一次風噴口風速有所降低，這樣會使得煤粉的著火時機提前，很可能會導致燃燒器噴口結渣甚至被燒壞。所以本文對四種方案中一次風和乏氣風出口的速度也進行了比較，見表2。根據計算結果發現，方案A 和方案B 的一次風出口速度偏低，乏氣風出口速度更低，只有15.5 m/s，濃淡噴口的速度比較大，這會使煤粉的著火時機提前，對燃燒器的安全運行非常不利。而方案C 提高了一次風和乏氣風出口速度，且使濃淡噴口的速度比降為1.359，使煤粉的著火時機更加合理，燃燒器的運行相對更加安全。方案D 在方案C的基礎上將濃淡噴口的速度比降為1.114，進一步縮小了一次風和乏氣風出口的速度差距。從煤粉的燃燒時機方面來看，方案D 設計最為合理。

表2 四種方案的濃淡口速度比較

4 結論

在B&W 公司DRB-XCL 型旋流燃燒器的基礎上，提出了四種煤粉濃淡分離設計方案，并對四種方案進行了數值模擬。根據模擬結果得到如下結論：

1）方案A 和方案B 的濃淡分離效果不理想，一次風出口速度和乏氣風出口速度偏低，會使得煤粉的著火時機提前，很可能會導致燃燒器噴口結渣甚至被燒壞；

2）方案C 和方案D 的濃淡分離效果較好，一次風出口速度和乏氣風出口速度適中。且方案D 的濃淡口速度比接近1，更加有利于對著火時機的把握，燃燒器的運行更加安全；

3）綜合考慮濃淡分離效果和煤粉的著火時機，四種設計方案中方案D 最優。