直流二次風對旋流燃燒器出口混合特性研究

文_卻燕平 李煒

1.華電電力科學研究院有限公司；2.杭州華電能源工程有限公司

旋流燃燒器在我國應用越來越廣泛，它能夠產生明顯的中心回流區，卷吸高溫煙氣，利于燃煤的快速著火與穩定燃燒。本文對帶中心鈍體的雙通道旋流燃燒器出口流場進行數值模擬，通過調整直流二次風率，研究揭示出直流二次風對旋流燃燒器的出口氣流混合特性影響。

1 研究對象

本文主要研究對象是帶中心鈍體的雙通道旋流燃燒器，其結構如圖1所示。

此燃燒器在一次風出口處配有拋物線鈍體。二次風分為直流二次風和旋流二次風。其中外管道為直流二次風管，內管道為旋流二次風管。改變外管道擋板的位置，改變直流二次風量，可以調節直流二次風和旋流二次風的動量比，從而改變射流的旋流強度，調節回流區的大小。

2 計算網格與數值計算方法

本文在SolidWorks里建立燃燒器的模型，再使用ICEM軟件對模型劃分為非結構化六面體網格。在燃燒器出口等流場復雜的地方對網格進行了加密，總網格數約為80萬。本文采用了控制容積法(CVM)和QUICK格式來處理離散化問題；流場計算采用了SIMPLE算法，控制方程組采用了RNG k-ε模型。

3 燃燒器出口混合特性的模擬結果及分析

3.1 燃燒器出口的混合特性

在燃燒器出口裝有拋物線形鈍體，直流二次風全開時，距離出口1/4D、1/2D、D(D 為直流二次風道的直徑)截面上的濃度分布如圖2～圖4所示。其中圖c1、c2、c3分別表示一次風、旋流二次風和直流二次風的濃度。

從圖2～圖4可以看出，裝有拋物線形鈍體的燃燒器出口一次風濃度呈現雙峰型分布，這兩峰之間的區域即為回流區。緊接回流區外的區域個一次風的濃度較高，該區域繼續向外，是一個混合較為均勻的區域，一次風、旋流二次風及直流二次風各適當占一部分，直流二次風的比例隨直流二次風擋板開度調節而變化。

回流區域內一次風的濃度顯著低于對應截面主流中的一次風濃度，說明回流區內進行著強烈的物質交換和能量交換。因此回流區為一次風氣流中的煤粉顆粒的著火和燃燒提供了有利條件。

3.2 直流二次風的影響

經驗及理論分析都表明，直流二次風風門的擋板開度對混合特性和回流區的寬度均有較大的影響。隨直流二次風風門的擋板開度變大，直流二次風率增加，在總二次風量不變的前提下，旋流二次風量、風速下降，直流二次風量、風速增加，總旋流強度減小，回流區的寬度變小。

圖5～圖7表示在距離燃燒器出口D的截面上，直流二次風風門的擋板開度從全關、半開到全開時的濃度分布情況。

傳統的旋流燃燒器沒有直流二次風，為了形成較大的回流只有通過增加旋流強度，會造成過大的擴展角，使得大量的二次風與一次風混合過早，氣流剛性差，后期混合弱。直流二次風的加入可有效地限制整體射流的擴散角，防止出現氣流貼邊現象，與傳統的旋流燃燒器相比，射流的剛度增加，不會對鄰近燃燒器的發展形成干擾，而且在中心回流區結束前的區域，內部射直接混入直流二次風的量很少，這樣減少了直流二次風的強度損耗，有力保證足夠的后期混合，營造出適宜的溫度和組分濃度條件，對煤粉的燃燼十分有利。

同時，直流二次風率的增加，可使燃燒器的旋流強度適當下降，進而減少射流的擴展角及中心回流區，卷吸的回流高溫煙氣量減少，推遲煤粉著火時間，主流強度減弱較小，推動射流中心回流區可遠離燃燒器。同時，一、二次風混合推遲，增強了分級燃燒，使燃燒器區域的溫度下降，保證了燃燒器區域不結渣及發生高溫腐蝕，有利用降低NOx的排放，所以當鍋爐燃用煤質較好或鍋爐在較高的負荷下運行時，可適當開大直流二次風門。減小直流二次風門開度，可以降低二次風綜合強度，促進混合提前，回流區有所增加，改善煤粉著火條件。因此，通過調節不同的直流二次風率，可適應煤種的變化，實現煤粉燃燒的高效率、穩燃、低污染的要求。

4 結語

本文通過模化計算確定了燃燒器模型入口的速度參數。從模擬流場的速度分布可看出，旋流可以產生回流區卷吸高溫煙氣，產生劇烈的擾動促進煙風和煤粉的混合，從而有利于改善煤粉著火和穩燃條件。從濃度場的濃度分布可看到，直流二次風風門的擋板開度對混合特性有較大的影響。通過改變直流二次風風門擋板開度可有效地控制混合過程，控制揮發份燃燒的氧濃度，從而有效地抑制NOx的生成，同時，通過調整直流二次風率，可以適應煤種的變化。