1 引言
在煤粉鍋爐燃燒過程中，燃燒器佔有極為重要的地位。旋流燃燒器具有對周圍介質高的卷吸
率，在出口處能快速混合的特點，有利於縮短火焰長度；氣流的強烈旋轉形成迴流區，提高了火焰穩定性；旋轉射流較直流射流的射程短，這就減少了火焰碰撞沖刷爐膛水冷壁的機會，爐牆的結渣及腐蝕易於控制，延長了鍋爐壽命等優點而在國內外得到廣泛的應用［1］。
近年來隨著我國電力事業的發展，電力工業對煤粉燃燒器提出了新的要求，即：高燃燒效率，低負荷穩燃及煤種的適應性，低污染，防結渣，防高溫腐蝕。這就對煤粉燃燒器的設計提出了新的要求。在總結國內外技術的基礎上，哈爾濱工業大學開發出了徑向濃淡旋流煤粉燃燒器［2］，它是一種具有明確濃淡分離分流、分級燃燒概念的新型燃燒器，其射流過程是自內向外依次為濃一次風、淡一次風、旋流二次風和直流二次風。在一次風管中裝有濃縮器將一次風粉分離成濃淡兩股，靠近中心風管為濃煤粉氣流，其相鄰外側為淡煤粉氣流，二次風分為直流和旋流兩部分；在每一風口有適當角度的擴口與之相配合，因此新型燃燒器將濃淡燃燒與分級燃燒有機的結合為一體。
由於在各噴口均有擴口，燃燒器擴口的結構不僅影響著氣相流動特性而且對煤粉流動特性也將產生影響［3］。由圖1可見淡一次風擴口位於淡一次風和旋流二次風之間，因此它對二次風出口的流動方向、出口風速、一次風與二次風的混合均有一定的影響。本文對不同淡一次風擴口角度的情況下燃燒器出口的氣固流動特性進行了研究，為工業應用提供依據。
燃燒器擴口示意圖
Fig.1 Diagram of swirl burner outlets
2 試驗系統及測試方法
試驗系統如圖2所示，包括試驗段、供風、送粉、粉塵收集、PDA測試系統。試驗段是一沿射流(軸向)流動方向高為2m，內徑為700mm的圓柱形筒體。燃燒器模型安裝在筒體上部中心位置。
試驗系統圖
Fig.2 Test system
測試系統採用DANTEC(丹迪)公司生產的二維激光粒子動態分析儀(DualPDA)，它是一種非接觸的測試方式，既不影響流場也不影響粒子，是當今測量顆粒動態特性的最先進的工具之一。它可以在不干擾流場的情況下，同時採集氣固兩相速度和顆粒粒徑信號，進而可以分析出時間、空間內的顆粒濃度分佈、兩相滑移速度、各種脈動指數和湍動能分佈等。整個測試系統由5W氬離子激光器、發射器、信號處理器、光學鏡頭、計算機、遠控坐標架等組成。接收方式採用前向30°折射模式。
試驗用示蹤粒子為玻璃微珠，球形度在85%以上，平均粒徑為45μm，其真實密度為2500kg/m3，與煤粉特性接近，可以較好的滿足實時性和可靠性的要求。試驗過程中監視燃燒器出口處的平均粒徑，若粒徑變化較大，即加入新的玻璃微珠，淘汰舊的玻璃微珠，從而保持進入燃燒器的玻璃微珠粒徑分佈穩定。
燃燒器模型與原型之間按相似準則以1∶6製成,一次風為直流,旋流二次風旋流器為軸向彎曲葉片。在試驗中保持燃燒器進入自模化區，燃燒器模型與原型的動量比相等。每個工況沿射流流動方向(軸向)取六個測量截面(x/d＝0.11，0.28，0.51，1，2.03，3.05，x為測量截面距噴口距離，mm，d為燃燒器噴口外徑d＝177mm),在軸線附近測點加密。每個截面沿直徑方向取40～45個測點，每個測點採樣為1000個數據點。
3 試驗結果分析
在燃燒器其它結構尺寸不變，淡一次風擴口角度αd分別取為10°、22.5°、30°的情況下，對燃燒器出口流場進行了測量。在分析結果時，氣相採用粒徑為0～10μm的顆粒作為示蹤粒子，顆粒相採用粒徑為10～100μm的顆粒作為示蹤粒子。其中R為測點距筒壁的距離，mm，坐標原點為筒體邊壁。需要說明的是，由於測點較密工況22.5°圖中未給出。
為氣相軸向平均速度分布圖。由圖可見隨著淡一次風擴口擴角αd的增大，軸向速度的峰值沿半徑方向向外圍移動，峰值略有減小，且隨射流的發展衰減很快。這表明隨αd的增大，其擴展作用加強，射流的混合強度相應加強，致使射流衰減加快，從而使旋轉氣流的軸向速度減小；另外由於αd增大，射流的擴展角增大，射流的橫截面相應的增大，也導致軸向速度降低。
5分別為迴流區相對直徑、射流擴展角隨αd的變化趨勢，其中D為迴流區直徑，mm，L為射流邊界距射流中心的距離，mm。此處射流擴展角是將軸向速度沿徑向衰減為該斷面處最大速度的1/2倍位置處作為射流邊界而得到的擴展角，稱為半速擴展角α1/2。由圖可見迴流區直徑隨擴口擴角αd的增大而增大，射流擴展角也有相同趨勢。這是由於淡一次風擴口的存在，對旋流二次風有導流作用，αd的增大，迫使旋流二次風沿徑向向外擴展，氣流徑向動量增大，使射流的迴流區和擴展角增大；二次風的向外擴展也降低了對一次風的約束作用，使一次風向外膨脹，造成中心區域負壓增大；同時αd的增大，使淡一次風噴口面積增大，一次風速度相應的減小，較小的一次風速也是增大迴流區直徑和射流擴展角的有利因素。迴流區尺寸的增大也使得迴流量相應的增大，這有利於強化煤粉的燃燒。另外，文［4］在單相試驗台上曾就淡一次風擴口的阻力特性進行過研究，結果表明αd的增大，會增大對二次風的阻礙作用，從而增大二次風的阻力係數。
湍動能代表氣流脈動的強度。從氣相湍動能分布圖(圖6)上可以看出，迴流區內湍動能小，脈動強度較弱；迴流區邊界和旋流二次風主流區內由於存在較大的速度剪切層，湍動能大，脈動強度高。由於氣流的擴展和湍流輸運作用，湍流脈動的水平不斷衰減，射流後期湍動能趨於平緩。在截面x/d＝0.11～0.51之間，與10°擴口相比，30°擴口在迴流區附近有更大的湍動能， 這表明αd的增大，加大了一、二次風之間的速度梯度和對氣流的擾動，使氣流的湍流能量水平大幅度提高。湍流能量的提高能加強氣流之間動量和質量的交換，有利於提高燃燒反應速度，並增加火焰傳播速度，有利於煤粉的著火和燃燒。
不同淡一次風擴口擴角下氣相軸向平均速度(m*s－1)
Fig.3 Axial mean velocity of air at different lean primary air outlet angle
αd對迴流區直徑的影響
Fig.4 Effects of lean primary air outlet angle
on the diameter of recirculation zone
射流半擴展角受αd的影響
Fig.5 Effects of lean primary air outlet angle
on the half expanding angle of jet
顆粒粒徑為顆粒直徑大小按個數平均的平均直徑d10。從圖7的顆粒粒徑分布圖上可見，粒徑分佈的規律相同。由於一次風為直流，因而顆粒保持直流流動的特點，較大的顆粒由於慣性而繼續前進，較小的顆粒受氣流的影響易擴散至二次風和中心迴流區中。因此，在x/d＝0.11～0.51的區域中，中心迴流區和邊壁附近顆粒平均粒徑較小，迴流區外顆粒粒徑較大。隨著射流的發展，顆粒逐漸混合均勻，使得以後各截面的顆粒平均粒徑趨於均勻分佈。
顆粒濃度取為顆粒相對數密度C/Cmax(顆粒數密度為單位體積內的顆粒數，C為每一測點的顆粒數密度，Cmax為該截面顆粒數密度最大值)。由圖8可以看出，在每一個截面均由一個濃度的峰值，即在迴流區附近存在一個較大的顆粒濃度梯度。相對於30°擴口的顆粒濃度分佈，10°擴口的顆粒濃度的峰值更靠近中心迴流區，在x/d＝0.11～0.51截面之間，其邊壁附近的顆粒濃度也較低，這是由於10°擴口對一次風的約束作用較強，阻礙了一次風沿徑向的膨脹，使得一次風向外擴散的速率較慢，更多的顆粒停留在中心區域，使得該區域顆粒濃度較高，在x/d＝1以後，隨著射流的發展顆粒才擴散開來。對於αd＝30°擴口，由於擴口對一次風的導流作用較大 ，引起了一次風的向外膨脹，使得靠近高溫迴流區處煤粉濃度的降低，不利於形成有利於火焰穩定的高溫、高濃度區域，將影響煤粉的著火和穩燃。因此，從燃燒的角度來看的，αd選取不易過大。較小的αd，有利於保持一次風中較高的煤粉濃度，發揮高濃度煤粉良好的著火特性，使煤粉氣流著火提前，提高燃燒效率。同時也可使一次風氣流在氧濃度不高的環境中燃燒，有利於減少NOx的生成。
不同淡一次風擴口擴角下氣相湍動能(m2.s－2)
Fig.6 Turbulent kinetic energy of air at different lean primary air outlet angle
不同淡一次風擴口擴角下顆粒平均粒徑(μm)
Fig.7 Particle mean diameter at different lean primary air outlet angle
不同淡一次風擴口擴角下顆粒濃度分佈(c/cmax)
Fig.8 Particle concentration at different lean primary air outlet angle
4 結論
通過以上分析我們可以得出以下結論：
(1)淡一次風擴口角度αd的增大，將氣流沿徑嚮導向外側，使得中心迴流區尺寸增大，射流擴角增大，迴流量增大，對劣質煤的燃燒有利。但過大的擴口角度，對一次風的導流作用加強，使得煤粉濃度的峰值沿徑向外移，導致迴流區附近顆粒濃度降低，不利於強化煤粉燃燒和NOx的降低。
(2)隨著淡一次風擴口角度αd的增大，使出口氣流的湍流脈動水平明顯提高，強化了氣流之間的熱量和質量交換，對煤粉的著火和穩燃均十分有利。但淡一次風擴口角度的進一步增大，會增大二次風的阻力，削弱旋流二次風的強度。因此淡一次風擴口角度的選取在結合具體爐型和煤種來考慮的同時，還應與擴口口徑、噴口流速相匹配。
基金項目：國家九.五重點科技攻關和國家教委博士點基金資助項目(97021307)。
參考文獻：
［1］Syred N，Beer J M．Combustion in swirling flow［J］.A Review． Flame， 1974，23：43～201.
［2］秦裕琨等.一種徑向濃淡旋流燃燒器［P］.中國專利, ZL 93 2 44359，1993，1.
［3］Abbas T，et al．The influence of near burner region aerodynamics on the formation and emission of nitrogen oxides in a pulverized coal-fire furner［J］．Combustion and Flame．1991，91：346～363.
［4］馬春元 ．徑向濃縮旋流煤粉燃燒器的試驗研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業大學，1996，9.
發電設備 變電設備 輸電設備 繼電保護及調度自動化 儀器儀錶 施工及檢修設備 低壓電器類 綜合類 
設備產品與廠家 標準與規定 專業管理 成果與質檢 可靠性 規劃與建設項目 科技成果與新設備應用 