冷態花瓣形旋流燃燒器回流區特性分析

李慧君，　賈寶桐，　焦英智，　魏　剛

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

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冷態花瓣形旋流燃燒器回流區特性分析

李慧君1，賈寶桐1，焦英智1，魏剛2

(1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北保定 071003；2.國網河北省電力公司電力科學研究院，石家莊 050021)

建立了花瓣形旋流燃燒器的物理模型，采用Fluent軟件對不同內二次風切向速度下花瓣形旋流燃燒器出口的流場進行了數值模擬，分析了其回流區特性，并與冷態下的試驗結果進行比較.結果表明：花瓣形旋流燃燒器能在瓣峰后形成軸向和徑向回流區，徑向的對流換熱能起到很好的穩燃效果，提高了對低品質煤種的適應性；在一定范圍內，切向速度越大，軸向回流區形成越快，但過大的切向速度會使徑向回流區的面積減小.

花瓣形旋流燃燒器； 穩燃； 回流區； 出口流場； 數值模擬

隨著電力行業穩燃和低氮燃燒目標的提出[1]，旋流燃燒器在電廠改造中受到眾多電廠的青睞.旋流燃燒器改造方便，只需在原有燃燒器安裝位置處更換新型低NOx旋流燃燒器即可，無需考慮燃燒器安裝角度和一、二次風集中布置等問題[2].另外，旋流燃燒器的穩燃能力突出，出口處的旋轉射流同時具有向前運動的軸向速度和沿圓周運動的切向速度，其卷吸能力有利于形成高溫煙氣回流區，使得氣流強烈混合[3]；而直流燃燒器通過四角氣流配合形成旋轉氣流，加強煤粉燃燒，倘若四角布置的燃燒器出口氣流方向不是水平方向，極易引起氣流偏斜，造成爐內溫度場和速度場嚴重不均勻[4].因此，相對直流燃燒器，旋流燃燒器在電廠改造和穩燃方面的優勢較明顯.

但我國目前采用的旋流燃燒器大多為引進國外已經成熟的燃燒器，這些燃燒器在燃燒高揮發分煤種時效果較好，在燃燒我國儲量最多的低品質貧煤和煙煤時效果并不理想[5-7]，現場反饋中發現燃燒低品質煤時極易出現爐內結渣甚至高負荷熄火現象.如趙曉光等[8]發現遼寧清河發電有限責任公司由于燃燒褐煤，燃燒器噴口結渣嚴重，排煙溫度偏高，燃燒器熱態調整后,著火情況有所好轉,結渣明顯緩解；高小濤等[9]認為，改變燃燒器參數會影響主燃燒區的氧量水平，更換新型旋流燃燒器能有效提高鍋爐對煙煤的適應能力；林正春等[4]注意到NR3燃燒器回流區為中間環狀結構，能夠保證良好的著火性能，其NOx排放量較低，可滿足國家環保標準要求.燃燒器性能直接影響鍋爐燃燒的穩定性和污染物的排放量，需要對引進的旋流燃燒器進行必要的研究分析，了解其穩燃機理，從而更快地研制出適合燃用我國低品質煤的旋流燃燒器.

趙伶伶等[10-12]研究了一種引進的花瓣形旋流燃燒器(以下簡稱花瓣燃燒器)，該花瓣燃燒器帶有中心風管，在中心風和花瓣穩燃環的共同作用下，每個花瓣后可形成一個徑向回流區，與中心回流區相連，具有較好的穩燃能力.筆者研究的花瓣燃燒器秉承了西門子公司的技術，不設中心風，在一次風管內安裝了均流環，配合花瓣形噴口和一、二次風的旋流作用同樣能形成穩定的回流區，使煤粉穩定燃燒，采用Fluent軟件對新型花瓣燃燒器出口流場進行了模擬，分析其回流區特性.

1　花瓣燃燒器的工作原理

在河北西柏坡發電有限責任公司試用新型花瓣燃燒器，其燃燒狀況良好.由于該花瓣燃燒器的特殊結構，在出口處能同時形成軸向和徑向回流區.在軸向回流區中，一、二次風通過剪切層面的接觸與高溫煙氣進行換熱；在徑向回流區中，煤粉與回流的高溫煙氣形成強烈的對流換熱，獲得穩定燃燒所需要的熱量.

2　物理模型的建立及驗證

2.1物理模型的建立

以某電廠花瓣燃燒器為模擬對象，一次風管噴口類似花瓣，如圖1所示.在每個瓣峰上安裝了片狀小鈍體，在建立的模型中x軸通過瓣峰中心，y軸通過瓣谷中心，噴口中心為坐標原點.

圖1　一次風管示意圖

花瓣燃燒器和整體模型的示意圖如圖2所示.一次風采用直流送風方式，內、外二次風為旋流送風.一次風管中安裝了均流環，通過彎管的煤粉能夠形成外濃內淡的煤粉分布.計算區域為燃燒器本體和其出口2 m×2 m×6 m的長方體，如圖2(b)所示.在邊界層設置中，為更真實地反映對沖式爐膛的實際情況，上下面均設為出口面，左側為墻，其他面為鏡像面，且保證上出口面的壓力比下出口面低，使得爐內氣體整體向上偏移.采用Realizableκ-ε模型能較為準確地反映旋轉流動情況[13].

(a)花瓣燃燒器

(b)整體模型

Fig.2Schematic diagram of the petal-shaped swirl burner and its overall model

2.2模型準確性驗證

為驗證上述模型的準確性，首先通過飄帶法測量動力場試驗的回流區大小，之后根據實際工況，按照等溫模化原理[14]，計算出對應的一、二次風速度，即一次風速度為16 m/s，內二次風軸向和切向速度分別為26 m/s和28 m/s，外二次風徑向和切向速度分別為-8.5 m/s和6.5 m/s.根據所得的一、二次風速度，在上下出口面壓差Δp為2 Pa和4 Pa的情況下，對花瓣燃燒器出口流場進行數值模擬，確定瓣谷中心y-z面與瓣峰中心x-z面的回流區的大小，并與試驗中的回流區大小進行比較，結果見圖3.

(a)y-z面

(b)x-z面

圖3(a)中上下出口面壓差為2 Pa時的上部回流區大于壓差為4 Pa時的上部回流區，且后者回流區明顯小于試驗結果，說明當上下出口面壓差較大時，氣流向上偏轉，會影響上部回流區的大小；圖3(b)中不同壓差下瓣峰中心面的回流區與試驗結果類似.綜上所述，在x軸和y軸方向，上下出口面壓差為2 Pa時的回流區與試驗所得回流區基本一致.

3　回流區特性分析

為了更直觀地說明花瓣燃燒器的穩燃原理，調整內二次風切向速度，保證其他速度不變，其中外二次風合速度為10 m/s,徑向和切向的速度分量比例分別為0.8和0.6，此時等效于外二次風葉片角度恒定，只改變內二次風葉片角度.在上下出口面壓差為2 Pa時，分別對3種工況(見表1)下花瓣燃燒器的出口流場進行模擬.

表1　數值模擬工況

3.1軸向回流區特性分析

3種工況下瓣谷中心y-z面和瓣峰中心x-z面的軸向速度云圖如圖4所示.瓣谷中心y-z面的回流區處在內二次風包圍中，回流的高溫煙氣更多地用于預熱內二次風，而沒有直接給煤粉提供熱量，在一定程度上降低了花瓣燃燒器的穩燃能力.但另一方面，瓣谷側一次風管呈收縮狀，一次風攜帶煤粉進入時煤粉由于慣性向中心流動，這種管型起到了濃縮煤粉的作用，降低了著火熱；同時相比于傳統的中心大回流區，此種對稱型回流區更有利于維持一次風的剛度，有效地降低了燃燒器結渣的可能性.

圖4中瓣峰中心處的軸向回流區處在一次風與內二次風之間，回流的高溫煙氣直接加熱一次風中的煤粉，使煤粉迅速達到著火熱.工況1下瓣峰中心處形成了明顯的對稱型軸向回流區，工況2的回流區有所減小，工況3只在下部出現了模糊的回流區.結合表1中各工況的參數說明，在一定范圍內，內二次風切向速度越大，越容易形成軸向回流區.另一方面，軸向回流區的存在可推遲煤粉與二次風的過早混合，降低了著火熱.

3.2徑向回流區特性分析

圖5為3種工況下z=0.3 m平面處的徑向速度云圖，其中只顯示了速度小于0的負徑向速度.在中心處均出現了負徑向回流區，工況2和工況3在瓣峰后也出現了6個小徑向回流區，其負徑向速度由圓外指向圓心.由圖5可知，當內二次風切向速度過大時，徑向回流區的面積會有所減小.

由于徑向回流區的出現，一部分由瓣峰進入的煤粉有從圓外向圓心運動的趨勢，在出口處反復循環，避免了與旋流二次風過早混合，易形成缺氧狀態，有效降低了NOx的生成量.同時，徑向擴散的煤粉與軸向回流的高溫煙氣進行對流換熱，這種紊流換熱方式遠遠強于煤粉與煙氣在剪切層面的層流換熱方式，使得煤粉迅速達到著火熱，有利于難燃煤粉的著火和燃燒.

綜上所述，花瓣燃燒器主要依靠徑向和軸向回流區來提高穩燃能力.瓣谷后會形成6個軸向回流區，并逐漸擴展成環狀，六邊形一次風的存在加強了剪切層面的層流換熱.瓣峰后形成徑向回流區，使煤粉與回流的高溫煙氣進行對流換熱.在這2類回流區的共同作用下，難燃煤粉與高溫煙氣迅速混合，煤粉充分吸收高溫煙氣熱量，達到著火溫度并充分燃燒，有效提高了旋流燃燒器對低揮發分煤種的適應能力.

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

瓣谷中心y-z面

瓣峰中心x-z面

(a)工況1

(b)工況2

(c)工況3

4　結　論

(1)三維數值模擬可以很好地反映花瓣燃燒器的流場特性，數值模擬結果與試驗結果基本吻合.

(2)花瓣燃燒器在瓣谷處形成6個軸向回流區，與六邊形一次風在剪切層面進行層流換熱，接觸面積增大，換熱加強.

(3)花瓣燃燒器在瓣峰后形成徑向回流區，煤粉與回流的高溫煙氣進行對流換熱，其換熱效果強于傳統燃燒器，這種特殊的換熱方式可以成為旋流燃燒器的一個新研究方向.

(4)在一定范圍內，切向速度越大，軸向回流區形成越快，但過大的切向速度會使徑向回流區的面積減小.

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Characteristic Analysis on Recirculation Zone of a Petal-shaped Swirl Burner Based on Cold-state Conditions

LIHuijun1，JIABaotong1，JIAOYingzhi1，WEIGang2

(1.School of Energy, Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University,Baoding 071003, Hebei Province, China; 2. Hebei Electric Power Research Institute,State Grid Hebei Electric Power Corporation, Shijiazhuang 050021, China)

Based on physical models set up for a petal-shaped swirl burner, numerical simulations were performed to the outlet flow field using Fluent software at different tangential velocities of inner secondary air, so as to analyze the characteristics of the recirculation zone and compare the simulation results with cold-state experimental data. Results show that the petal-shaped swirl burner is able to form both axial and radial recirculation zones in the valley behind petal peak, where the radial convective heat transfer has a good effect on combustion stabilization, thus improving its adaptability to low-quality coal; within a certain range, the greater the tangential velocity is, the faster the axial recirculation zone will be formed, but too high tangential velocity will lead to the reduction of radial recirculation zone.

petal-shaped swirl burner; combustion stabilization; recirculation zone; outlet flow field; numerical simulation

A學科分類號：470.30

2014-04-08

2014-05-26

李慧君(1964-)，男，吉林伊通人，教授，博士，研究方向為：強化換熱.電話(Tel.): 13513322982；E-mail：hj_li009@sina.com.

1674-7607(2015)02-0103-05

TK223.2