徑向濃淡旋流煤粉燃燒器流動特性研究及應用

為了綜合解決煤粉燃燒過程中存在的低負荷穩燃能力差，燃燒效率低，氮氧化物（NOx）排放，爐膛水冷壁的結渣和高溫腐蝕等問題，哈爾濱工業大學提出並開發了徑向濃淡旋流煤粉燃燒器^［¹^］，結構如圖1。文［2］中Vu利用球型五孔探針和一維熱線風速儀對同軸旋轉組合射流進行了研究，測量了時均流場和湍流特性參數。馬春元^［³^］對徑向濃淡旋流煤粉燃燒器單相射流進行了試驗研究，研究了旋流強度、一次風噴口結構對燃燒器出口單相流場的影響。李爭起^［⁴^］利用相位多普勒激光測速儀（PDA）對濃淡型旋流燃燒器和雙蝸殼型旋流燃燒器出口氣固兩相射流流動特性進行了對比試驗研究，發現濃淡型燃燒器在中心迴流區邊界形成較高煤粉濃度，而雙蝸殼型燃燒器煤粉高濃度區處於二次風流動區域內，不利於煤粉氣流的穩定著火。由於一次風率和旋流二次風率（旋流二次風風量占整個二次風風量的比例）是旋流燃燒器的主要設計和運行參數，本文利用一維熱膜風速儀，對新型濃淡型旋流燃燒器在不同一次風率和旋流二次風率下進行了單相冷態試驗研究，並給出其工業應用的情況。

2　單相冷態試驗研究

2．1　試驗台及試驗方法

試驗採用的旋流燃燒器模型與實物的比例為1：3，噴口外徑為d＝372 mm，中心風和一次風擴口均具有一定的張角。二次風旋流器採用軸向固定彎曲葉片，直流二次風為無旋流的純直流風（見圖1）。旋流二次風風率的大小。測量了燃燒器出口旋流流場中時均速度和湍流量的分佈。

　試驗中採用了美國TSI公司生產的IFA300型熱膜風速儀對湍流流場進行測量，利用飄帶法來確定空間氣流速度的方向，利用一維熱膜探針多方位轉動法^［⁵^～⁷^］實現空間三維時均速度和脈動速度的分解測量，據文［5］分析，時均速度的測量誤差在17％以內，湍流應力的測量除了u′w′誤差較大，在50％以上外，其他湍流應力的測量誤差均在20％以內。試驗中利用熱膜探針測得燃燒器出口流量與各風道內已標定的笛型管所測總流量相比較，流量誤差在12％以內。

2．2　一次風率的影響
一次風率影響試驗工況參數如表1。一次風率的變化將會在整個旋轉射流中心引起射流流動結構的變化如圖2。增加不旋轉的一次風量，與旋流二次風混合后，使整個出口氣流的旋流強度下降，如表1。由於中心擴錐和一次風擴口的影響，增加的一次風量直接進入中心迴流區的份額較小，氣流流動初期中心迴流區範圍各工況接近，射流擴展角變化不大。一定範圍內增加一次風量會提高一次風出口動量，中心迴流區的後部迴流範圍有所增大（如圖2（a）中r₁＝30％的工況），一次風率超過一定數值后，射流後期旋轉動量消弱較大，中心迴流區後部迴流範圍收縮。相對迴流率q_r_m（軸向最大迴流流量與一次風入口流量的比值）在一次風率小於30％時變化不大，而一次風率超過30％以後，相對迴流率隨一次風率增加而減小，當r₁＝40％時相對迴流率
較r₁＝19．5％時減小了15％。

不同一次風率下軸向和切向湍流正應力無因次分佈如圖3，湍流正應力在射流發展初期表現強烈的非均勻性和各向異性，軸向和切向的湍流輸運能力較強，徑向的湍流脈動在初期數值較小，而隨著氣流向下游擴展才有所增加。迴流區內部湍流應力小、脈動強度較弱，迴流區邊界和旋流二次風主流內部湍流應力高，因此在旋轉射流發展初期，迴流區邊界附近是湍流正應力水平較高的區域。這裡傳熱、傳質強度大並且煙氣溫度高，是燃燒反應的有利區域。由於氣流的擴展和湍流輸運作用，湍流脈動水平不斷衰減，射流後期湍流脈動趨於各向同性。由圖3可見，適當加大一次風率，提高了一次風出口徑向動量，正應力的峰值沿徑向向外移動，湍流脈動強度提高，r₁＝30％時氣流出口處的湍流脈動強度比較r₁＝19．5％時提高了近1倍，有利於提高一、二次風之間的傳熱、傳質強度和氣相揮發分的湍流化學反應速度，強化了燃燒反應過程。繼續提高一次風率會導致二次風出口風速相應下降，一、二風之間
速度差值減小，氣流湍流脈動強度反而降低。

2．3　旋流二次風率的影響

旋流二次風率變化的試驗參數如表2。射流迴流區和擴展角隨旋流二次風率的變化如圖4a，旋流二次風量減小消弱了二次風的旋流強度如表2，與一次風相比，旋流二次風風量減小使射流旋流強度降低幅度更大，同時具有一定剛性的直流二次風從外側增強了壓縮旋轉射流作用，射流擴展角下降。r₂ _x＝75％時，旋轉射流的擴展受到一定壓縮，中心迴流區變成細長型。當r₂ _x＝65％時，二次風旋轉能力大幅度下降，氣流被強烈壓縮，氣流擴展角大幅度減小，中心迴流區直徑及長度減小近一半。旋流二次風率的變化對相對迴流率的影響也很大（圖4b），q_r_m由r₂ _x＝85％、75％時的2下降至r₂ _x＝65％的0．3左右，下降了近80％。

在不同旋流二次風率下，軸向、切向湍流正應力的無因次分佈如圖5。可見在迴流區邊界處及旋流二次風與直流二次風交匯處是湍流脈動水平較高的區域，這是由於這一區域存在較大速度梯度剪切層和高速的直流二次風與旋流二次風相互強烈摻混而引起的，旋流二次風率的變化會改變高氣流湍流脈動強度的位置和大小。適當減小旋流二次風風量（r₂ _x＝75％），直流二次風出口動量加大，湍流脈動水平可提高兩倍以上。然而繼續減小旋流二次風風量（r₂ _x＝65％），直流二次風的出口動量繼續增加，各噴口的出口風速差值減小，引起正應力的峰值向燃燒器軸線方向移動，射流的湍流脈動水平在流場內普遍下降^［⁷^］。

3　熱態工業性試驗

徑向濃淡旋流煤粉燃燒器在山東黃島發電廠一台670 t／h燃用貧煤鍋爐上應用，採用較低的一次風率和較高的旋流二次風率（r₁＝19．5％，r₂ _x＝85％）。運行情況表明，在滿負荷下運行，鍋爐燃燒效率為96．37％，爐膛出口處NOx排放量為280μL ／L（折O₂＝6．0％），鍋爐長期運行沒有出現爐膛結渣和水冷壁管高溫腐蝕的問題。同時鍋爐在電負荷為110MW（52％額定電負荷）可長時間無助燃油穩定運行^［⁷^］。
新型旋流燃燒器在遼寧清河發電廠一台670 t／h燃用煙煤鍋爐上應用，採用高的一次風率和旋流二次風率（r₁＝38％，r₂ _x＝90％）。運行情況表明，滿負荷下燃燒效率為98．56％，NOx排放量為151μL／L（折O₂＝6％），同時鍋爐可在機組電負荷100MW（50％額定負荷）長時間無助燃油穩定運行。

4　結論

通過對徑向濃淡旋流煤粉燃燒器單相冷態試驗和工業性試驗，可以得出以下結論：
（1）一次風率的變化，對徑向濃淡旋流煤粉燃燒器出口流場結構具有一定的影響，但較旋流二次風率的影響小，適當提高一次風率，使軸向速度峰值外移，加大中心迴流區範圍，提高了整個射流的湍流脈動水平，但一次風率過大則使中心迴流區縮小和湍流脈動水平下降。
（2）旋流二次風率的變化，可大幅度地改變二次風的旋流強度和旋轉射流的流動範圍，對出口射流流場有較強的調節作用。適當減小旋流二次風率，能夠提高出口旋轉射流的湍流脈動水平，加強一、二次風後期混合，但過大地減小旋流二次風率，中心迴流區範圍、迴流量及湍流脈動水平均減小。
（3）對於燃用貧煤和煙煤兩台670t／h鍋爐的熱態試驗表明，徑向濃淡旋流煤粉燃燒器採用不同的一次風率和旋流二次風率均取得較好的效果。在鍋爐滿負荷下，保證了高的燃燒效率，較低的NOx排放水平，基本消除爐膛結渣和水冷壁高溫腐蝕，同時鍋爐能夠在50％額定負荷下無助燃油長時間穩定運行。

參考文獻：
［1］　李爭起．一種用於蝸殼式旋流煤粉燃燒器改造的新技術［J］．熱能動力工程，1997，30（1）：217－219．

［2］　Bach T Vu，et al．Flo w measurements in a model swirl co mbustor
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［3］　馬春元，等．徑向濃淡旋流煤粉燃燒器的冷態試驗研究［J］．動力工程，1997，17（1）：10－15．

［4］　李爭起，等．徑向濃淡旋流煤粉燃燒器氣固兩相流動特性的實驗研究及其對燃燒的影響［J］．中國電機工程學報，1999，19（5）：18－23．

［5］　Janjua SI，et al．Turbulence measurements in confined jets using arotating single－wire probe technique［J］．AIAAJournal，1983，21：
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［6］　鄭楚光，等．測量三維流場及溫度場的雙熱線多方位轉動法［J］．空氣動力學報，1993，11（1）：1－8．

［7］　孫銳．徑向濃淡旋流煤粉燃燒器流動特性試驗研究及數值模擬［D］．哈爾濱：哈爾濱工業大學，1998．