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多級(jí)調(diào)風(fēng)預(yù)燃式旋流燃燒器冷態(tài)試驗(yàn)研究

2021-11-19 11:43:10牛艷青薛旭峰惠世恩
潔凈煤技術(shù) 2021年5期
關(guān)鍵詞:風(fēng)率冷態(tài)旋流

牛艷青,薛旭峰,張 浩,惠世恩

(西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

0 引 言

在節(jié)能環(huán)保的時(shí)代背景下,清潔高效燃燒器是能源開發(fā)利用的重要研究?jī)?nèi)容[1-2],能提高鍋爐效率,減少污染物排放。通常在燃煤鍋爐中采用四角直流燃燒器和旋流燃燒器。雖然我國(guó)電站鍋爐煤粉燃燒多采用直流切圓燃燒方式,但工業(yè)鍋爐多采用旋流燃燒器,且數(shù)量巨大[3-5]。因此,設(shè)計(jì)一種煤種適應(yīng)性廣、燃燒效率高且污染物排放低的旋流燃燒器具有重要意義。

國(guó)內(nèi)外旋流燃燒器研發(fā)已取得顯著成效,尤其對(duì)于煤粉旋流燃燒器預(yù)燃室穩(wěn)定火焰機(jī)理的研究。徐旭常等[6]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)和邱紀(jì)華[7]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;胡蔭平和寬鴻祥[8]設(shè)計(jì)了一種帶有預(yù)燃室的新型煤粉燃燒器,解決了低熱值燃料燃燒困難的問題,達(dá)到穩(wěn)定著火和燃燒的效果。同時(shí),李爭(zhēng)起等[9]提出了一種中心給粉旋流煤粉燃燒器,不僅為煤粉穩(wěn)定燃燒提供了良好的條件,還達(dá)到了低NOx燃燒的效果。

此外,文獻(xiàn)[10-12]研究表明,煤粉空氣分級(jí)燃燒可以將助燃空氣分級(jí)送入爐膛,在爐膛內(nèi)從空間上營(yíng)造出富燃料的主燃區(qū)、還原區(qū)和富氧的燃盡區(qū)3個(gè)燃燒區(qū)域,形成了良好的還原性氣氛,有效抑制了NOx的生成,是一種從源頭上減少NOx排放的技術(shù)。楊建成等[13]、李高亮等[14]通過試驗(yàn)研究了高燃料氮煙煤在空氣分級(jí)燃燒時(shí)的NOx排放特性,發(fā)現(xiàn)空氣分級(jí)燃燒技術(shù)可以有效降低燃料型氮氧化物的排放量?;诖?,王春昌和王志剛[15]提出了雙分級(jí)可調(diào)低NOx燃燒技術(shù),通過再燃燃料的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)燃燒方式在空氣分級(jí)燃燒與燃料分級(jí)燃燒技術(shù)之間的轉(zhuǎn)換。

為進(jìn)一步改進(jìn)空氣分級(jí)燃燒技術(shù),降低NOx排放,達(dá)到燃煤鍋爐燃用劣質(zhì)煤的穩(wěn)燃效果,筆者結(jié)合煤粉鍋爐穩(wěn)燃技術(shù)與空氣分級(jí)燃燒技術(shù),提出了一種帶有預(yù)燃室的多級(jí)調(diào)風(fēng)旋流燃燒器,在預(yù)燃室之前分別設(shè)有一次風(fēng)、直流內(nèi)二次風(fēng)和旋流內(nèi)二次風(fēng),預(yù)燃室內(nèi)側(cè)連接著具有一定角度的外二次風(fēng)管,一次風(fēng)管內(nèi)設(shè)有穩(wěn)焰齒和煤粉濃縮環(huán),采用一種新型三孔探針測(cè)量冷態(tài)試驗(yàn)下燃燒器內(nèi)回流區(qū)的空氣動(dòng)力特性。試驗(yàn)得出該燃燒器在多重空氣分級(jí)的條件下,達(dá)到了良好的低負(fù)荷穩(wěn)燃特性、跨負(fù)荷靈活調(diào)節(jié)能力及低NOx燃燒的良好效果。

課題組的熱態(tài)研究表明[16]該種新型低氮旋流燃燒器在空氣分級(jí)的條件下可以形成一定的還原性氛圍,達(dá)到良好的低氮燃燒效果,在與預(yù)燃室內(nèi)煤粉預(yù)熱燃燒[17]的協(xié)同作用下,生成高還原性氛圍,在控制NOx排放的同時(shí),達(dá)到劣質(zhì)煤穩(wěn)燃效果。這種帶有預(yù)燃室的低NOx旋流燃燒器在29 MW工業(yè)煤粉爐上可將NOx排放濃度降低至212 mg/m3。為深入優(yōu)化燃燒器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),筆者通過?;鋺B(tài)試驗(yàn)方法,探究了不同風(fēng)配比與回流區(qū)空氣動(dòng)力特性之間的關(guān)系,以期為燃燒器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

冷態(tài)模型試驗(yàn)臺(tái)是基于等溫?;母拍?,以模型∶原型(尺寸)為1∶3的前提下設(shè)計(jì),試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該燃燒器由一次風(fēng)管、直流內(nèi)二次風(fēng)管、旋流內(nèi)二次風(fēng)管、外二次風(fēng)管和預(yù)燃室組成。在進(jìn)行冷態(tài)試驗(yàn)時(shí)保證模型數(shù)據(jù)與實(shí)際設(shè)備的一致性、氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入自?;瘏^(qū)、各個(gè)邊界條件的一致性。經(jīng)計(jì)算,一次風(fēng)管、直流內(nèi)二次風(fēng)管、旋流內(nèi)二次風(fēng)管和外二次風(fēng)管的最低Re(雷諾數(shù))分別為148 310、299 558、358 929和41 881,均大于流動(dòng)進(jìn)入自?;瘏^(qū)的臨界Re,此時(shí)可認(rèn)為歐拉數(shù)Eu和Re之間的影響作用大幅減小,Eu值穩(wěn)定不變,氣流的流動(dòng)幾乎不受慣性力的影響,而Re值的影響幾乎可以忽略不計(jì)。冷態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)中燃燒器出口速度分布通過一種新型三孔速度測(cè)量探針測(cè)量,通過旋轉(zhuǎn)探針角度可以測(cè)量測(cè)點(diǎn)的三維速度大小和方向,通過探針連接的U型管液位差正負(fù)確定回流區(qū)及其邊界。測(cè)量燃燒器出口截面左側(cè)的點(diǎn)時(shí),通過壓差P2-P3計(jì)算測(cè)點(diǎn)的軸向速度,通過壓差P1-P3計(jì)算測(cè)點(diǎn)的切向速度;通過熱線風(fēng)速儀對(duì)三孔探針進(jìn)行速度修正系數(shù)的標(biāo)定。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Experiment system

1.2 試驗(yàn)工況

冷態(tài)試驗(yàn)的目的在于探究不同風(fēng)配比對(duì)旋流燃燒器回流區(qū)的空氣動(dòng)力特性的影響。試驗(yàn)工況見表1。

表1 冷態(tài)試驗(yàn)工況

在總風(fēng)量不變的前提下,通過調(diào)節(jié)一次風(fēng)率與旋流內(nèi)二次風(fēng)率、一次風(fēng)率與外二次風(fēng)率、旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率,探究了不同風(fēng)配比對(duì)預(yù)燃室內(nèi)及預(yù)燃室出口區(qū)域各測(cè)量截面的軸向速度分布、回流區(qū)大小、截面最大回流率的影響,試驗(yàn)中中心風(fēng)管未通風(fēng)。

測(cè)量燃燒器出口速度分布時(shí),考慮到預(yù)燃室內(nèi)靠近一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)出口各噴口處的速度梯度變化較大,在這些噴口截面的測(cè)點(diǎn)布置較密,遠(yuǎn)離噴口位置的區(qū)域測(cè)點(diǎn)布置較稀。本次冷態(tài)試驗(yàn)在沿燃燒器出口軸線方向布置17排測(cè)點(diǎn),如圖2所示。

為了便于數(shù)據(jù)測(cè)量與處理,取200 mm作為模型化燃燒器當(dāng)量直徑(B=200 mm)進(jìn)行測(cè)量點(diǎn)位置的無(wú)量化處理。圖2中C為同一個(gè)截面上兩相鄰測(cè)點(diǎn)之間的距離,l為2個(gè)相鄰截面之間的距離。

圖2 冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Layout of measuring points for cold experiment

定義以燃燒器出口軸線為x軸方向,一次風(fēng)和內(nèi)二次風(fēng)出口截面為x=0,定義相對(duì)距離X=x/B(測(cè)量截面與噴口截面之間的距離與當(dāng)量直徑的比值),以燃燒器出口截面徑向?yàn)閥軸方向。

1.3 數(shù)據(jù)處理

為了更好地分析燃燒器出口速度分布、射流衰減、回流區(qū)特性,根據(jù)三孔探針實(shí)測(cè)各截面的速度分布值,按無(wú)量綱回流區(qū)長(zhǎng)度、寬度、回流區(qū)面積以及截面最大回流率對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比。

無(wú)量綱回流區(qū)長(zhǎng)度L為回流區(qū)結(jié)束點(diǎn)距燃燒器噴口的距離Le和回流區(qū)起始點(diǎn)距燃燒器噴口的距離Ls之差與燃燒器噴口當(dāng)量直徑B之比

L=(Le-Ls)/B。

(1)

無(wú)量綱回流區(qū)寬度W為實(shí)際回流區(qū)最大寬度Wmax與燃燒器噴口尺寸Wb之比

W=Wmax/Wb。

(2)

定義燃燒器出口區(qū)域軸向速度為負(fù)的區(qū)域面積為回流區(qū)面積,且以預(yù)燃室出口的面積進(jìn)行無(wú)因次處理得到無(wú)量綱回流區(qū)面積A。

回流率f為某個(gè)截面上回流流量Qx與總流量Q之比

(3)

式中,xmax為測(cè)量截面上回流區(qū)最大直徑,m;ρ為空氣密度,kg/m3;u為測(cè)量截面上回流區(qū)內(nèi)的軸向平均速度,m/s;x為回流區(qū)直徑,m。

截面最大回流率fmax反應(yīng)了燃燒器卷吸高溫?zé)煔獾哪芰Υ笮 ?/p>

2 結(jié)果與分析

在標(biāo)準(zhǔn)工況下,即一次風(fēng)率、直流內(nèi)二次風(fēng)率、旋流內(nèi)二次風(fēng)率和旋流外二次風(fēng)率分別為20.8、10.5、32.5和36.2時(shí),燃燒器出口區(qū)域速度分布曲線如圖3所示。其中水平黑線為爐膛不同的截面,水平黑線上方的測(cè)點(diǎn)代表軸向速度為正值,其余線為不同截面不同測(cè)點(diǎn)軸向速度連線,當(dāng)三孔探針連接的U型管液位差為0時(shí),所測(cè)測(cè)點(diǎn)即為預(yù)燃室中心回流區(qū)的邊界點(diǎn),回流區(qū)的包絡(luò)線由黑色曲線連接而成。預(yù)燃室內(nèi)速度為負(fù)的區(qū)域?yàn)榛亓鲄^(qū),由于試驗(yàn)中中心管未通風(fēng),在直流內(nèi)二次風(fēng)的高速引射作用下,速度曲線的分布在L=0的截面出現(xiàn)了中心管附近凸、一次風(fēng)管附近凹、一次風(fēng)管的當(dāng)量直徑外又凸的現(xiàn)象。在L=0的截面上,預(yù)燃室中心開始出現(xiàn)回流區(qū),隨著軸向距離的增加,回流區(qū)逐漸擴(kuò)張,在L=0.2和L=0.3的截面之間,回流區(qū)趨于閉合,形成了完整回流區(qū)。回流區(qū)卷吸高溫?zé)煔?,使煤粉在預(yù)燃室內(nèi)貧氧狀況下升溫,釋放揮發(fā)分,在直流內(nèi)二次風(fēng)的作用下,可以有效避免旋流內(nèi)二次風(fēng)和一次風(fēng)的提前混合,形成一定的還原區(qū)氣氛,使揮發(fā)分中的氮被還原成N2,實(shí)現(xiàn)低NOx燃燒,提高了煤種適應(yīng)性。

圖3 燃燒器出口區(qū)域速度分布Fig.3 Velocity distribution of burner outlet area

2.1 一次風(fēng)率與旋流內(nèi)二次風(fēng)率配比

一次風(fēng)與旋流內(nèi)二次風(fēng)對(duì)回流區(qū)特性的影響如圖4所示,總風(fēng)量不變時(shí),隨著一次風(fēng)率從15.8增長(zhǎng)到20.8再到25.8,回流區(qū)長(zhǎng)度由1.37變化到1.31再到0.25;寬度由0.88變化到0.83再到0.33;截面最大回流率由0.42變化到0.26再到0.18。這是由于具有一定剛性的一次風(fēng)流動(dòng)方向與回流區(qū)氣流方向相反,隨著一次風(fēng)增加,其對(duì)回流區(qū)的抵制作用增加;此外由于總風(fēng)量不變,一次風(fēng)增加意味著旋流內(nèi)二次風(fēng)減小,導(dǎo)致旋流內(nèi)二次風(fēng)在預(yù)燃室內(nèi)形成的負(fù)壓減少,回流區(qū)長(zhǎng)度和寬度及回流率均減小。

圖4 一次風(fēng)與旋流內(nèi)二次風(fēng)對(duì)回流區(qū)特性的影響Fig.4 Effect of primary wind and secondary air in swirl on the characteristics of recirculation zone

隨著一次風(fēng)率從15.8增長(zhǎng)到20.8再到25.8,回流區(qū)的面積由0.96變化到1.50再到0.06,先增大后減小。在一次風(fēng)增加的初期,由于一次風(fēng)會(huì)在煤粉濃縮器以及穩(wěn)焰齒的作用下產(chǎn)生一個(gè)徑向速度,其在內(nèi)外二次風(fēng)旋轉(zhuǎn)射流的影響下于燃燒器噴口附近形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)域,具有一定的回流能力,隨著一次風(fēng)的增加,回流區(qū)面積隨之增加。而隨著一次風(fēng)繼續(xù)增加,由于較大的一次風(fēng)和直流內(nèi)二次風(fēng)具有很強(qiáng)的剛性,會(huì)將預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)沖散,只會(huì)在一次風(fēng)兩側(cè)形成較小的回流區(qū),從而導(dǎo)致回流區(qū)面積急劇減小??梢娫跓釕B(tài)試驗(yàn)中,攜帶有煤粉的一次風(fēng)氣流在射入預(yù)燃室內(nèi)時(shí),在煤粉濃縮器以及穩(wěn)焰齒的作用下產(chǎn)生一定的回流區(qū),卷吸部分高溫?zé)煔猓哂幸欢ǖ姆€(wěn)燃效果,但過高的一次風(fēng)率會(huì)導(dǎo)致二次風(fēng)形成的預(yù)燃室中心回流區(qū)受到較大沖擊,嚴(yán)重影響燃燒器的穩(wěn)燃效果。此外在冷態(tài)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)隨著旋流內(nèi)二次風(fēng)的急劇降低,預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)幾乎完全消失,因此旋流內(nèi)二次風(fēng)是預(yù)燃室內(nèi)中心回流區(qū)生成的根本原因。

2.2 一次風(fēng)率與外二次風(fēng)率配比影響

一次風(fēng)與外二次風(fēng)對(duì)回流區(qū)特性的影響如圖5所示,在總風(fēng)量不變的前提下,由于一次風(fēng)氣流方向與回流區(qū)氣流方向相反,隨著一次風(fēng)率從15.8增長(zhǎng)到20.8再到25.8,一次風(fēng)對(duì)回流區(qū)氣流的削弱作用越強(qiáng),而外二次風(fēng)的減少會(huì)導(dǎo)致其形成的旋轉(zhuǎn)射流在預(yù)燃室內(nèi)形成的負(fù)壓降低,回流區(qū)的起始位置后移,結(jié)束位置前移,從而導(dǎo)致回流區(qū)長(zhǎng)度、寬度及回流率均減小。觀察到外二次風(fēng)減少到一定程度時(shí),預(yù)燃室內(nèi)只有旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的中心回流區(qū)與一次風(fēng)形成的部分負(fù)壓區(qū)域,導(dǎo)致燃燒器回流效果較差,卷吸高溫?zé)煔饽芰λp,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 一次風(fēng)與外二次風(fēng)對(duì)回流區(qū)特性的影響Fig.5 Effect of primary wind and outside secondary wind on the characteristics of recirculation zone

隨著一次風(fēng)率從15.8增長(zhǎng)到20.8再到25.8,回流區(qū)的面積由0.9變化到1.50再到0.62,先增加后減小。當(dāng)總風(fēng)量不變的情況下,在一定范圍內(nèi)隨著一次風(fēng)的增加,一次風(fēng)在噴口附近形成的負(fù)壓區(qū)域而形成的回流區(qū)也會(huì)增加,此時(shí)回流區(qū)面積呈現(xiàn)隨著一次風(fēng)的增加而增加的趨勢(shì)。而隨著一次風(fēng)的持續(xù)增大,外二次風(fēng)減小,其在爐內(nèi)形成的旋轉(zhuǎn)射流減少,且在較強(qiáng)剛性的一次風(fēng)高速射流和直流二次風(fēng)射流的作用下,回流區(qū)面積急劇降低。觀察到隨著外二次風(fēng)的急劇降低,預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域幾乎觀察不到回流區(qū),可見外二次風(fēng)是預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域回流區(qū)生成的根本原因。

2.3 旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率配比影響

旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率變化對(duì)回流區(qū)特性的影響如圖6所示。

由圖6可知,在總風(fēng)量不變的前提下,隨著外二次風(fēng)率從31.2增長(zhǎng)到41.2再到46.2,回流區(qū)長(zhǎng)度先從1.226增加到1.232,然后迅速減小到0.260。在外二次風(fēng)增加的初期,旋流內(nèi)二次風(fēng)減小,此時(shí)在一次風(fēng)和直流風(fēng)的沖擊作用下,旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的

圖6 旋流內(nèi)二次風(fēng)率與外二次風(fēng)率變化對(duì)回流區(qū)特性的影響Fig.6 Effect of secondary air in swirl and outside secondary wind on the characteristics of recirculation zone

回流區(qū)在軸線的交匯截面稍后移,回流區(qū)的長(zhǎng)度略增加。而隨著外二次風(fēng)繼續(xù)增加,旋流二次風(fēng)形成的中心回流區(qū)越來(lái)越小,在被具有很大比例的直流一次風(fēng)沖擊后,回流區(qū)長(zhǎng)度急劇縮短,由旋流二次風(fēng)形成的回流區(qū)最終消失,剩余的回流區(qū)只是由直流一次風(fēng)高速射流形成的回流區(qū)與外二次風(fēng)形成的部分回流區(qū)組成,此時(shí)回流區(qū)的閉合點(diǎn)迅速提前,回流作用顯著變?nèi)?。因此避免外二次風(fēng)率過高具有重要意義。

回流區(qū)的寬度和面積均隨著外二次風(fēng)率從31.2增加到41.2,先緩慢減小,而當(dāng)外二次風(fēng)率增加到46.2時(shí),由于旋流內(nèi)二次風(fēng)強(qiáng)度過低,導(dǎo)致預(yù)燃室的中心幾乎沒有回流區(qū),預(yù)燃室內(nèi)只有幾塊分散的回流區(qū),此時(shí)寬度和面積急劇降低。

隨著外二次風(fēng)率從31.2增加到41.2再到46.2,回流區(qū)截面最大回流率由最開始的0.20降低到0.15再降低到0.11,呈逐漸減小的趨勢(shì)。雖然外二次風(fēng)會(huì)在預(yù)燃室中心外圍形成部分回流區(qū),但外二次風(fēng)在與徑向成一定的角度下射入,在預(yù)燃室外形成一定的旋流效果,同時(shí)以一種類似于“風(fēng)膜”的氣流將預(yù)燃室中心回流區(qū)包裹起來(lái),這股氣流一方面具有一定的回流能力,可以卷吸外部空氣,另一方面又會(huì)阻礙外部的氣體被中心回流區(qū)卷吸。伴隨著旋流內(nèi)二次風(fēng)的減小,中心回流區(qū)回流能力減弱,這3者綜合作用表現(xiàn)為回流區(qū)截面最大回流率隨著外二次風(fēng)率的增加而逐漸減小。

燃燒器熱態(tài)燃燒過程中,旋流內(nèi)二次風(fēng)決定了燃燒器卷吸高溫?zé)煔獾哪芰?,?dāng)旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的回流區(qū)受到影響時(shí),燃燒器的回流效果幾乎消失。外二次風(fēng)主導(dǎo)形成了預(yù)燃室內(nèi)外圍區(qū)域的回流區(qū),并起到了混合二次風(fēng)與一次風(fēng)的作用,當(dāng)外二次風(fēng)率過高時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響旋流內(nèi)二次風(fēng)形成的中心回流區(qū),使該種帶有預(yù)燃室旋流燃燒器的劣質(zhì)煤穩(wěn)燃效果較差,無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 論

1)提出了一種多級(jí)調(diào)風(fēng)預(yù)燃式旋流燃燒器,基于空氣分級(jí)理念同時(shí)設(shè)計(jì)了一次風(fēng)、直流內(nèi)二次風(fēng),旋流內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng),在預(yù)燃室內(nèi)形成回流區(qū),實(shí)現(xiàn)了低NOx燃燒和煤種適應(yīng)性好。隨一次風(fēng)率增加(旋流內(nèi)二次風(fēng)率或外二次風(fēng)率下降),回流區(qū)長(zhǎng)度、寬度以及回流率逐漸下降,但回流區(qū)面積先增加后下降,試驗(yàn)工況為20.8%時(shí)達(dá)到最大值。

2)預(yù)燃室內(nèi)回流區(qū)主要由旋流內(nèi)二次風(fēng)及外二次風(fēng)引起,旋流內(nèi)二次風(fēng)決定了預(yù)燃室中心的回流區(qū),外二次風(fēng)決定了預(yù)燃室內(nèi)四周的回流區(qū)。

3)旋流內(nèi)二次風(fēng)率37.5%、外二次風(fēng)率31.2%時(shí),回流區(qū)長(zhǎng)度、寬度、回流區(qū)面積以及回流率最大,回流效果最好。

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