煤粉爐再燃噴口流場冷態實驗研究

張俊峰

【摘 要】以某100t/h鍋爐為原型搭建冷態實驗臺，研究再燃燃燒器噴口流場特性及其對爐內上升氣流覆蓋效果的影響，并采用標準k-ε湍流模型對其進行數值模擬。結果表明：再燃區采用八個噴口比四個噴口更能使爐膛內氣流充滿度強，再燃氣流對爐膛內上升氣流覆蓋效果更好；在各噴口氣流速度不變的工況下，爐膛四角入射角為14.17°、側墻中心處入射角為84.57°再燃氣流對上二次風的覆蓋效果最好；在保持該入射角度不變的情況下，四角再燃氣流速度為50m/s，側墻中心處再燃氣流速度為50m/s時（工況3），再燃氣流對上二次風的覆蓋效果最好。

【關鍵詞】煤粉爐；再燃噴口；冷態流場；數值模擬

再燃是一種很有前途的脫氮方法[1]，因其投運成本低、脫氮效率高等優點而受到廣泛重視。天然氣由于本身不含氮、灰和硫，且能比其它燃料產生更多的烴根，被認為是最理想、使用最為廣泛的再燃燃料。近年來許多國家都對天然氣再燃降低NOx機理的研究發現，再燃燃料中含氮組分HCN對再燃過程有著重要的影響。Patry和Engel[2]在研究氮氧化物和甲烷的反應后認為其生成產物為HCN、水和氫氣，發現約有70%的NOx在相對短的時間內實現了轉化。該項技術的關鍵之一是再燃氣體燃料與爐內煙氣的混合特性[3]，所以，研究再燃噴口射流流場特性對探討爐內氣體混合特點、及其對降低NOx的影響有重要意義。

本文考慮到僅由爐膛四角射入的天然氣與爐內煙氣混合程度較差，降低再燃還原NOx的效果，因此，設計時在四側爐墻中心處各增加一個再燃噴口以提高再燃氣體在爐內的充滿度，實現再燃區八點噴射，達到有效降低NOx的目的。文中采用相似模化理論用速度表征濃度，將兩相流處理為單相流體，通過數值模擬與冷態實驗研究的方法，研究再燃區噴口數目、氣流入射角度，再燃氣流速度等對爐內流場影響，為優化天然氣再燃技術及工程應用提供參考。

1 實驗介紹

1.1 實驗裝置

以某100t/h鍋爐為原型，根據1：5的比例搭建冷態實驗臺，實驗系統由三部分組成：鍋爐爐膛，燃燒器組件和送風管路。整個爐膛用有機玻璃制造，燃燒器組件由下至上依次為下一次風噴口、下二次風噴口、上一次噴口、上二次風噴口、再燃氣體噴口和燃盡風噴口，再燃區八個噴口在爐膛同一截面上分布示意圖如圖1所示。本實驗的工質為空氣，測量儀器為熱球風速儀，實驗中測試區及爐膛一角測點坐標布置如圖2所示：x軸為以噴口中心為原點的氣流軸線；y軸為沿燃燒器噴口的水平軸線；O點為燃燒器噴口中心。

1.2 實驗參數

根據相似理論，選擇鍋爐實際運行參數進行冷態?；嬎?，可得到冷態實驗再燃各噴口出口風速，冷態實驗參數與實際運行參數對照表如表1所示。

根據研究內容，本實驗安排了6種工況進行測試，各工況冷態實驗參數如表2所示。

2 實驗與數值計算理論基礎

2.1 實驗原理

根據相似?；碚?，冷態實驗必須遵循以下原則[4]：（1）模型與實物保持幾何相似；（2）模型與實物在對應的工況下，保證氣流運動狀態進入自?；瘏^；（3）模型與實物的各股氣流動量比相等。

由于模型與實物的一二次風動量比相等[[5-6]，即：

根據實物不同噴口的運行參數，可得到冷態模型的各噴口參數。

2.2 數值計算數學模型

鍋爐內的氣體流動是一種三維湍流流動，大量的研究表明，采用標準k-ω雙方程模型具有較好的適應性。在三維直角坐標系中，根據Navier-Stokes方程，可得到氣相湍流控制方程組，其通用形式為[7]：

入口邊界條件：一次風V1=11.4m/s，二次風V2=22.6m/s，再燃風V3=51m/s，燃盡風V4=29m/s；出口邊界條件：爐膛出口負壓取運行值-50Pa；壁面邊界條件：無速度滑移和無質量滲透條件。其中，邊界上的湍動能k=■I■■，湍動能耗散率ε=0.093/4■，湍流強度I=0.16Re-1/8，湍流長度尺寸l=0.007L。

本次冷態鍋爐數值模擬采用SIMPLE算法對各個變量的方程組進行迭代求解[8]，SIMPLE算法是一種求解壓力耦合方程組的半隱式方法，主要用于不可壓縮流場的數值模擬計算。SIMPLE算法主要利用“猜測-修正”的方法，在交錯網格的基礎上來計算壓力場，從而達到求解動量方程的目的。

3 結果分析

實驗測量了6種工況下，爐膛四角處再燃噴口和上二次風噴口截面上5組無量綱距離X/b（X/b=1，2.5，5， 7.5，10，噴口的寬度b為2cm）測點上的風速，在每組X/b測點上，在噴口中心左右側每隔2cm進行速度測量，將測量的結果與數值模擬的結果進行對比，本文重點分析爐膛中心處（X/b=7.5，10）流場分布情況。

3.1 再燃噴口數目對再燃氣流覆蓋效果的影響

大量研究表明沿爐膛水平截面，爐內氣流濃度剖面分布同速度剖面分布將存在相似性[9]，因此本次實驗中可以用速度的分布來表征濃度的分布[10]。

工況1與工況2中再燃氣流高速噴入爐膛，在噴口前端（X/b=1，2.5，5），由于風速大，氣流剛性強，再燃氣流與上二次風的速度中心軸線大致重合，再燃氣流速度在-2

由圖3（a）可知，當氣流接近爐膛中心處（X/b=7.5）時，工況1由于再燃氣流速率出現衰減，再燃氣流在爐內旋轉氣流沖擊下向鍋爐爐墻一側偏斜[11]，其速度最大值出現在Y/b=1附近；相比于工況2的氣流偏斜率要小。由圖3（b）可知，工況1再燃氣流的最大值為13.1m/s，不能明顯高于上二次風速，表示該處再燃氣流覆蓋效果較差。而在工況2中，由于鍋爐四側墻中心處增設了再燃噴口，通過周圍氣流的卷吸作用，從而保證了四角側再燃風有足夠大的動量，能夠射入爐膛旋轉氣流中心，對上二次風的覆蓋率更高。

3.2 側墻中心處再燃氣流入射角度對覆蓋效果的影響

對于燃煤鍋爐，切圓直徑是爐內氣流流動狀態的重要特征[8]，理想的爐內氣流流動狀態是在爐膛中心形成合適的圓形旋轉火焰[12-13]。

在保證再燃風速及上二次風速不變的情況下，改變側墻中心處再燃氣流入射角度，由90°逐漸調整至74.57°，由圖4（a）可以看出，在遠離噴口的位置（x/b=7.5）處，隨著入射角度的降低，工況2，3，4的再燃氣流中心處最大速度點分別出現在y/b=0.5，1，1.5左右，該現象表明在不同的入射角度下，由于四側墻中心處再燃氣流與四角側的再燃氣流混合強度不同，從而引起四角側再燃氣流偏斜率的差異，最終形成不同直徑的切圓。

工況4再燃氣流中心處最大速度點出現在y/b=1.5，再燃氣流偏斜率最大，在爐內形成較大的切圓，切圓直徑過大，使再燃氣流容易貼墻，在實際運行中易造成水冷壁的結渣[14]。

根據圖4（b）可知，工況2，3中再燃氣流速度在-2

3.3 側墻中心處再燃氣流速度對覆蓋效果的影響

通過研究側墻中心處再燃噴口不同的入射角度對爐內再燃氣流覆蓋效果的影響發現，當四角側再燃氣流入射角度為41.17°，四墻側再燃氣流入射角度為84.57°時，再燃氣流能很好的覆蓋上二次風射流。在該入射角度不變的前提下，改變其入射氣流速度，其結果如下。

由圖5可知，工況5下，四角再燃噴口（X/b=1，2.5，5））氣流高速噴入爐膛，剛性較強，計算值與模擬值吻合度較好，但是由于側墻中心處再燃氣流以84.57°射入爐膛，對四角側再燃氣流產生了一個橫向推動力，兩股氣流相互卷吸，抵消了部分動量，故四角再燃氣流沿著噴口軸線衰減速度加快，在爐膛中間區域（x/b=7.5，10），再燃氣流速度無法完全明顯的高于上二次風氣流流速，在實際運行時，爐膛的高溫火焰處NOX生成含量相對較高，如果再燃氣流在該區域無法完全包圍住爐膛內旋轉氣流，容易造成脫硝效率的下降。

工況3下，在噴口出口處（x/b=1，2.5，5）四角再燃氣流與上二次風氣流的最高速度中軸線大致保持吻合，并且在-2

在工況6下，由于側墻中心處再燃氣流風速大，剛性強，在沿著噴口軸線上對四角再燃氣流產生了劇烈的沖擊作用，雖然在此工況下，四角側再燃氣流在-2

4 結論

（1）天然氣再燃技術中，再燃燃燒器采用分別在爐膛四角和側墻中心處布置八個噴口比僅在爐膛四角布置四個噴口的降低NOx效果好，八點噴射的再燃氣流對爐內上升氣流覆蓋效果更好，有利于脫硝效率的提高；

（2）再燃燃燒器采用八個噴口時，再燃氣流入射角度對于爐內上升氣流的覆蓋效果有較大的影響，其中，在各噴口再燃氣流速度不變的情況下，爐膛四角氣流以41.17°射入，側墻中心處氣流以84.57°射入，再燃氣流對上二次風的覆蓋效果最好。

（3）再燃氣流速度的大小對降低NOx也有一定的影響，在保持四角噴口入射角為41.17°、側墻噴口入射角為84.57不變的情況下，四角側再燃氣流速度為51m/s、四側墻中心處再燃氣流速度為51m/s時，再燃氣流對上二次風的覆蓋效果最好。

【參考文獻】

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[責任編輯：湯靜]