牛 芳

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013；3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

0 引 言

預(yù)燃室、旋流、鈍體等技術(shù)廣泛應(yīng)用在燃?xì)?、燃油和燃煤領(lǐng)域，其中預(yù)燃室能夠?yàn)槊悍廴紵峁┝己玫念A(yù)熱條件，大幅度節(jié)約點(diǎn)火和穩(wěn)燃用油，具有快速穩(wěn)定著火的特性，因此在煤粉工業(yè)鍋爐中得到廣泛應(yīng)用[1]。煤粉旋流燃燒器預(yù)燃室穩(wěn)定火焰機(jī)理已開(kāi)展了大量研究，徐旭常等[2]研究表明：針對(duì)旋流燃燒器，預(yù)燃室氣流結(jié)構(gòu)湍流強(qiáng)度較強(qiáng)，有助于風(fēng)粉混合煤粉著火，增加火焰穩(wěn)定性；陳迪訓(xùn)等[3]研究了貧煤燃燒器內(nèi)雙回流穩(wěn)燃腔的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)雙回流穩(wěn)燃腔對(duì)于低揮發(fā)分煤種具有更好的穩(wěn)燃和燃盡效果；太原理工大學(xué)金燕團(tuán)隊(duì)[4-10]研發(fā)撞擊預(yù)燃式煤粉燃燒器并針對(duì)此款燃燒器的流場(chǎng)分布開(kāi)展研究。朱建飛等[4-5]通過(guò)數(shù)值模擬方法研究該燃燒器出口的流場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)燃燒器出口回流區(qū)長(zhǎng)度與二次風(fēng)速成正比，回流區(qū)直徑與旋流強(qiáng)度成正比；董小林等[6-7]通過(guò)冷態(tài)試驗(yàn)研究撞擊濃縮預(yù)燃室煤粉燃燒器的流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)二次風(fēng)旋流強(qiáng)度增大會(huì)使射流擴(kuò)展角增大，預(yù)燃室壁面易出現(xiàn)結(jié)焦現(xiàn)象；王帥等[8-9]研究撞擊濃縮預(yù)燃室煤粉燃燒器的氣固兩相流動(dòng)特性，發(fā)現(xiàn)二次風(fēng)進(jìn)口角度對(duì)煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡影響較大。李經(jīng)寬等[10]利用數(shù)值模擬研究了撞擊預(yù)燃式煤粉燃燒器的燃燒特性，發(fā)現(xiàn)風(fēng)粉在預(yù)燃室內(nèi)可達(dá)1 300 K，有利于劣質(zhì)煤的穩(wěn)定燃燒。

煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司自主研發(fā)的預(yù)燃室逆噴旋流煤粉燃燒器具有點(diǎn)火迅速、穩(wěn)定燃燒、節(jié)能減排的效果，但煤種適應(yīng)性差。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)預(yù)燃室穩(wěn)燃機(jī)理的研究局限于旋流煤粉燃燒器領(lǐng)域，鮮見(jiàn)針對(duì)逆噴射流煤粉燃燒器預(yù)燃室的穩(wěn)燃機(jī)理研究。為了進(jìn)一步拓寬煤種適應(yīng)性，優(yōu)化預(yù)燃室逆噴旋流燃燒器，本文采用飄帶法[11]和熱膜熱線(xiàn)風(fēng)速儀[12]等冷態(tài)試驗(yàn)方法研究在逆向射流和旋流工況下，預(yù)燃室對(duì)煤粉燃燒器流場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 試 驗(yàn)

1.1 燃燒器

試驗(yàn)對(duì)象為20 t/h預(yù)燃室逆噴旋流煤粉燃燒器，如圖1所示，該燃燒器由一次風(fēng)管、回流帽、內(nèi)外二次風(fēng)管以及預(yù)燃室組成。一次風(fēng)攜帶煤粉經(jīng)回流帽逆噴進(jìn)入燃燒器，內(nèi)二次風(fēng)道內(nèi)置角度為50°的軸向葉片，外二次風(fēng)為直流風(fēng)，起到冷卻預(yù)燃室壁面的作用。

圖1 20 t/h逆噴旋流煤粉燃燒器示意Fig.1 Structure diagram of the 20 t/h reverse-swirl pulverized coal burner

1.2 冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)

燃燒器冷態(tài)試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪腔诘葴啬；恚瑢⑷紵骺s小1∶2設(shè)計(jì)。在等溫模化過(guò)程中須遵循3個(gè)原則[13]：① 模型與原燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)相似；② 保證模型中的氣流進(jìn)入第二自模化區(qū)；③ 保證進(jìn)入模型的空氣動(dòng)量比與原燃燒器運(yùn)行中的空氣動(dòng)量比相等。經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)中一次風(fēng)管、內(nèi)外二次風(fēng)管中氣流的最低雷諾數(shù)分別為27 416、20 000和30 049，均大于進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)所需的雷諾數(shù)。冷態(tài)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)、管道、質(zhì)量流量計(jì)、逆噴旋流燃燒器冷態(tài)模型以及熱線(xiàn)風(fēng)速儀等組成(圖2)。

圖2 冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Cold test system

1.3 測(cè)量方法

本試驗(yàn)利用Dantec Multichannel熱線(xiàn)風(fēng)速儀[14]測(cè)量無(wú)預(yù)燃室和有預(yù)燃室2種工況下燃燒器內(nèi)速度和湍流強(qiáng)度分布。在測(cè)量過(guò)程中由于風(fēng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，氣流溫度與室溫會(huì)有微小差異，因此用溫度探頭做溫度補(bǔ)償校正，整個(gè)測(cè)量過(guò)程中速度測(cè)量誤差在±0.03 m/s以?xún)?nèi)。利用飄帶法測(cè)量回流區(qū)的形狀以及大小[15]，飄帶網(wǎng)格的距離為0.3 m，測(cè)量誤差在±0.03 m以?xún)?nèi)。

1.4 試驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理

冷態(tài)試驗(yàn)工況見(jiàn)表1，A、B分別為無(wú)預(yù)燃室和有預(yù)燃室工況。為了更好地比較A和B兩個(gè)工況下的流場(chǎng)分布，軸向速度以無(wú)量綱形式(V/V0)表示，其中V為測(cè)點(diǎn)的測(cè)量速度，V0為回流帽處的理論

表1 試驗(yàn)工況

平均速度。湍流度T的計(jì)算公式為

T=V′/V

(1)

式中，V′為測(cè)點(diǎn)的湍流脈動(dòng)速度的均方根。

相對(duì)回流率是衡量回流區(qū)內(nèi)相對(duì)回流量大小的重要參數(shù)[16]。本試驗(yàn)相對(duì)回流率qrm定義為回流區(qū)內(nèi)測(cè)量截面上軸向回流流量與該工況下一次風(fēng)流量的比值，計(jì)算公式為

(2)

式中，ρ為空氣密度，kg/m3；Va為測(cè)量截面上回流區(qū)內(nèi)的軸向平均速度，m/s；Xmax為測(cè)量截面上回流區(qū)直徑，m；mrpa為一次風(fēng)的質(zhì)量流量，kg/s。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

回流區(qū)的邊界、軸向速度分布、湍流強(qiáng)度及相對(duì)回流率是評(píng)價(jià)燃燒器性能的核心指標(biāo)。測(cè)量和分析預(yù)燃室對(duì)逆噴旋流煤粉燃燒器回流區(qū)邊界、軸向速度分布、湍流強(qiáng)度及相對(duì)回流率具有重要意義。

2.1 回流區(qū)邊界

圖3 回流區(qū)邊界Fig.3 Recirculation zone boundary

為定性研究預(yù)燃室對(duì)回流區(qū)的影響規(guī)律，特別是確定回流區(qū)的區(qū)域范圍，利用飄帶法測(cè)量有無(wú)預(yù)燃室2種工況下的回流區(qū)邊界，結(jié)果如圖3所示?？芍?種工況下所形成的回流區(qū)的整體形狀類(lèi)似環(huán)形。在有預(yù)燃室工況下，在截面X/D=1.4～1.8，回流區(qū)直徑達(dá)到最大0.86D；在無(wú)預(yù)燃室情況下，最寬處直徑位置前移至截面X/D=0.8，最寬處直徑為0.97D。在X/D<1.3區(qū)域內(nèi)，無(wú)預(yù)燃室工況的回流區(qū)區(qū)域大于有預(yù)燃室的工況，這是由于預(yù)燃室角度較小，抑制氣流在徑向方向上的發(fā)展造成的；在1.32.3區(qū)域，預(yù)燃室對(duì)回流區(qū)區(qū)域的影響基本可忽略不計(jì)，即預(yù)燃室對(duì)燃燒器流場(chǎng)的作用區(qū)域?yàn)閄/D<2.3。從回流區(qū)面積來(lái)看，由于預(yù)燃室對(duì)氣流的擠壓作用，無(wú)預(yù)燃室的回流區(qū)面積大于有預(yù)燃室的回流區(qū)面積，但設(shè)計(jì)煤粉燃燒器時(shí)，回流區(qū)面積適中最好，因?yàn)樵诳紤]煤粉穩(wěn)定著火的同時(shí)應(yīng)避免回流區(qū)面積過(guò)大造成預(yù)燃室壁面超溫或結(jié)焦現(xiàn)象發(fā)生。

2.2 軸向平均速度

為了定量研究燃燒器內(nèi)部流場(chǎng)分布，本文利用Dantec Multichannel熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量無(wú)預(yù)燃室和有預(yù)燃室2種工況下燃燒器內(nèi)速度和湍流強(qiáng)度分布。2種工況的軸向無(wú)量綱平均速度分布如圖4所示，速度為負(fù)的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū)?？芍诨亓鲄^(qū)內(nèi)，2種工況在X/D<0.6區(qū)域內(nèi)，軸向速度沿著徑向方向分布均勻，在X/D>0.6區(qū)域，軸向速度沿著徑向方向逐漸下降。在有預(yù)燃室的工況下軸向平均速度值低于無(wú)預(yù)燃室的工況，這是由于一次風(fēng)經(jīng)回流帽逆向進(jìn)入燃燒器，在預(yù)燃室的作用下二次風(fēng)在徑向方向上的速度衰減變?nèi)酰S向速度變大，這是對(duì)逆向一次風(fēng)作用力大造成的；在截面R/D=0.17、X/D=2.6處，2個(gè)工況的軸向速度相差較小，這說(shuō)明預(yù)燃室在該區(qū)域?qū)亓鲄^(qū)內(nèi)的速度分布影響較小。在二次風(fēng)區(qū)域內(nèi)，X/D<0.6區(qū)域，無(wú)預(yù)燃室工況出現(xiàn)峰值且峰值沿著軸向方向逐漸減小，該峰值主要是由外二次風(fēng)形成；有預(yù)燃室工況的軸向速度沿著徑向方向逐漸增大，在預(yù)燃室壁面處達(dá)到最大值。在X/D>1.6區(qū)域內(nèi)，無(wú)預(yù)燃室工況峰值消失，有預(yù)燃室工況速度分布均勻，均表明內(nèi)外二次風(fēng)已經(jīng)完全混合。

圖4 軸向無(wú)量綱平均速度Fig.4 Axial dimensionless mean velocity profiles

2.3 湍流強(qiáng)度

2種工況的湍流強(qiáng)度分布如圖5所示?？芍诨亓鲄^(qū)內(nèi)，2種工況下，X/D<0.6區(qū)域內(nèi)，湍流度均沿徑向方向分布均勻，在X/D>0.6區(qū)域內(nèi)，湍流度均沿著徑向方向逐漸增大。2種工況對(duì)比，有預(yù)燃室工況湍流度顯著增加，結(jié)合速度分布來(lái)看，有預(yù)燃室工況形成的回流區(qū)具有速度低、湍流強(qiáng)度大等特點(diǎn)。實(shí)際工程運(yùn)行過(guò)程中，低速有利于穩(wěn)定火焰，高湍流度動(dòng)量交換強(qiáng)烈有利于風(fēng)粉混合，無(wú)論從流場(chǎng)的速度分布還是從湍流強(qiáng)度來(lái)看，預(yù)燃室的存在更有利于煤粉的穩(wěn)定燃燒。在二次風(fēng)區(qū)域內(nèi)，X/D<0.6區(qū)域，有預(yù)燃室工況的湍流強(qiáng)度沿著徑向方向逐漸降低，射流剛性強(qiáng)。實(shí)際工程運(yùn)行中，預(yù)燃室壁面氣流剛性較強(qiáng)有利于保護(hù)壁面，避免預(yù)燃室高溫?zé)龤Щ蚍e灰結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。X/D>1.6區(qū)域，有預(yù)燃室工況湍流度沿著徑向方向有增大趨勢(shì)，無(wú)預(yù)燃室工況在截面X/D=2附近分布較為均勻，在截面X/D=2.6附近再次出現(xiàn)峰值。

圖5 湍流度分布Fig.5 Turbulence intensity distribution

2.4 相對(duì)回流率

回流區(qū)高溫?zé)煔獾南鄬?duì)回流率是設(shè)計(jì)煤粉燃燒器的重要指標(biāo)。針對(duì)2種工況，計(jì)算得到相對(duì)回流率分布如圖6所示。可知有預(yù)燃室相對(duì)回流率低于無(wú)預(yù)燃室的工況，有預(yù)燃室相對(duì)回流率最大值為0.99，而無(wú)預(yù)燃室的相對(duì)回流率最大值為1.17；預(yù)燃室相對(duì)回流率出現(xiàn)的位置在X/D=1處，而有預(yù)燃室的工況相對(duì)回流率最大值出現(xiàn)的位置后移至X/D=1.6。這是因?yàn)轭A(yù)燃室的圓錐形特殊結(jié)構(gòu)造成的。結(jié)合圖3和圖5可以得出圓錐形預(yù)燃室抑制了逆噴旋流燃燒器內(nèi)回流區(qū)的形成。設(shè)計(jì)燃燒器時(shí)應(yīng)合理控制截面X/D=1.6處的高溫?zé)煔饣亓髁?，避免預(yù)燃室內(nèi)出現(xiàn)局部高溫、預(yù)燃室結(jié)焦現(xiàn)象的發(fā)生。

圖6 相對(duì)回流率分布Fig.6 Relative reverse flow rate distribution

3 結(jié) 論

1)預(yù)燃室不改變逆噴旋流煤粉燃燒器回流區(qū)環(huán)形的形狀，預(yù)燃室對(duì)X/D<1.3區(qū)域的回流區(qū)起到抑制作用，對(duì)1.32.3區(qū)域的的影響可忽略不計(jì)。在預(yù)燃室的作用下，回流區(qū)最寬處的直徑從0.97D降低到0.86D，最大相對(duì)回流率位置從截面X/D=1后移到截面X/D=1.6處，相對(duì)回流率從1.17減小至0.99。

2)預(yù)燃室對(duì)二次風(fēng)區(qū)域內(nèi)的軸向平均速度和湍流度分布規(guī)律影響較大。無(wú)預(yù)燃室工況下，在X/D<0.6區(qū)域內(nèi)，速度和湍流度均出現(xiàn)峰值，在X/D>1.6區(qū)域內(nèi)峰值消失，內(nèi)外二次風(fēng)完全混合；有預(yù)燃室工況下，在X/D<0.6區(qū)域速度沿著徑向方向逐漸增大，湍流度沿著徑向方向逐漸減小，在X/D>1.6區(qū)域，速度和湍流度沿著徑向方向分布均勻。

3)由于預(yù)燃室作用，逆噴旋流煤粉燃燒器回流區(qū)具有軸向速度較低和湍流度大等特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行中利于煤粉穩(wěn)定燃燒；且預(yù)燃室壁面氣流速度較大，剛性強(qiáng)，避免預(yù)燃室壁面超溫或結(jié)焦現(xiàn)象發(fā)生。