空氣深度分級旋流燃燒器動力場冷態試驗與數值仿真

馬啟磊

(中國大唐集團科學技術研究院有限公司 華東分公司， 合肥 230088)

隨著大量高效低氮燃燒器在火力發電廠的投用，從爐膛燃燒區域減少了NOx的生成量，降低了脫硝系統的運行壓力，對降低污染物排放和緩解空氣預熱器堵塞都起到了重要的作用[1]。

燃燒器通過本身結構使燃料和空氣以一定方式噴出爐膛。燃燒器既是燃料和空氣的輸送通道，也能組織空氣和燃料及時、充分混合，達到迅速著火和穩定燃燒的目的。通過對燃燒輔助風的角度和流量控制，在爐膛內形成合理流場，確保安全、高效、低污染燃燒。對于已投入運行的燃燒器，其設計總風量為定值，須通過調整各層風量分配比例及旋流角度調整燃燒流場，特別是煤質發生變化時，更有必要進行燃燒器優化調整。但在實際運行中因未開展上述工作，出現了大量燃燒器燒損、燃燒器結焦及燃燒不充分等問題。因此，筆者通過現場試驗與數值模擬相結合的方法研究了燃燒器不同配風方式和旋流角度對燃燒流場的影響，指導燃燒器修復，并得到了最佳風量配比和旋流角度等參數。

1 試驗設備

1.1 旋流燃燒器結構

某廠600 MW超臨界鍋爐，配30個旋流燃燒器，前后墻對沖燃燒，單個燃燒器由5個通道組成，通過空氣深度分級達到控制NOx生成量的目的。旋流燃燒器結構見圖1，燃燒器由內向外，中心為中心風，第2層為一次風和煤粉，第3層為直流二次風，第4層為旋流二次風(稱三次風)，第5層為旋流二次風(稱四次風)。兩層旋流二次風各設置旋流角度調節葉片，每個燃燒器設置二次風量總調節機構，直流二次風及三次風各設置風量調節機構。燃燒器設計的主要特點是將主燃燒空氣分為二次風、三次風和四次風，以加大空氣分級程度。二次風、三次風和四次風通過燃燒器內同心的環形通道，在燃燒的不同階段進入爐膛，有助于NOx總量的降低和燃料的燃盡。二次風為直流風，三次風和四次風為軸向旋流風，在燃燒器形成較大面積的環形回流區，完成未燃盡碳的燃燒，并將卷吸高溫煙氣至火焰根部，加熱一次風，點燃煤粉，保持火焰穩定性。同時回流的高溫煙氣含氧量低，有利于NOx還原。每個燃燒器配獨立的風箱，通過擋板調節同層燃燒器的風量。由二次風擋板、三次風擋板，調節每個燃燒器的二次風量、三次風量和四次風量的比例。三次風和四次風旋流器推薦旋流角度均為45°。

圖1 旋流燃燒器結構

中心風一方面向燃燒器中心供給適量的空氣以穩定火焰，同時配合外側的其余風形成環形回流，達到降低NOx生成量的效果。一次風粉經均粉器和文丘里煤粉濃縮器，在一次風管斷面上產生外濃內淡的濃度分布，促進煤粉著火。通過一次風管出口處多齒狀穩燃器，在一次風管的周向上產生煤粉濃淡分離，形成局部還原環境，減少NOx的生成。

1.2 設備運行現狀

設計條件下600 MW額定負荷爐膛出口NOx質量濃度為230 mg/m3，投產15 d后開展的性能考核試驗結果中NOx質量濃度為205 mg/m3。

燃燒器運行3個月后檢查發現了十分嚴重的燃燒器噴口燒損和水冷壁側墻高溫腐蝕問題，實測貼壁區域CO質量濃度達到7 500 mg/m3，且隨著運行時間增長，燃燒器低氮燃燒性能逐漸下降，爐膛出口NOx質量濃度逐漸升高，側墻水冷壁區域CO質量濃度也逐漸升高。分析認為燃燒器流場組織存在缺陷：首先，輔助風分級過多，減少了各級輔助風通流面積并降低了出口速度，造成輔助風動量不足，對噴口冷卻能力不夠；其次，旋流風占比過大，若旋流角度不合理，旋流風量占比過高也會造成一次風和輔助風軸向分速度衰減過快，無法形成足夠面積的風包粉區域，煤粉顆粒向側墻擴散，形成“飛邊”，致使側墻水冷壁區域CO質量濃度升高。

2 數值模擬及結果

2.1 計算方法和條件

采用FLUENT軟件，以一層二次風箱布置的單個燃燒器為對象，根據實際的風箱和燃燒器結構與尺寸建立幾何模型。由于旋流燃燒器的結構比較復雜，采用分區劃分網格的方法，用高質量結構化將中心風、一次風以及二次風、三次風、四次風通道分區劃分網格，并對各部分網格適當加密，以準確模擬其流動特性。

燃燒器中的流動為空氣湍流流動，采用k-ε模型進行模擬[2-3]。模擬設置了7個計算工況，一次風速度取27 m/s，二次風速度和旋流角度取冷態試驗測試典型值，二次風速度分別為25 m/s、30 m/s、35 m/s，三次風與四次風速度分別為30 m/s、40 m/s，旋流角度分別為25°、40°、55°，從燃燒器內部開始計算不同旋流角度及配風方式下燃燒器出口流場變化情況[3-5]。

2.2 計算結果分析

在對直流二次風風量變化的研究中發現，風速從25 m/s上升至35 m/s時，燃燒器出口流場速度分布及回流區大小變化不大，分析認為直流風噴口面積過小，風量占比不大是造成直流風流場調節能力下降的主要原因。筆者重點研究旋流二次風旋流角度及風量對流場的影響。

圖2為不同旋流角度的流場模擬。

圖2 不同旋流角度的流場模擬

旋流角度為25°～40°時，能夠形成較穩定的回流區；旋流角度大于50°達到55°時，回流區和氣流擴散角增大，三、四次風氣流逐漸發散。圖3為軸向速度與旋流角度的關系。

圖3 軸向速度與旋流角度的關系

旋流角度越大，旋流強度相應增加。旋流角度對流場和回流區有重大影響。由速度云圖對比可知：旋流越強，燃燒器出口流場剛度越差，擴散越強烈。由圖3可知：葉片角度越大，中心速度衰減越快。在下面的模擬工況中均選擇旋流角度為40°。

燃燒器設計參數，直流的二次風風量僅占總風量的10%。當旋流角度確定后，剩余可調參數為各層風量，三、四次風風量顯著大于二次風風量，在流場組織中起主導作用。旋流風量(風速)的整體減小對回流區大小和擴展角基本沒有影響(見圖4)；但對最大回流速度影響較大，由5.84 m/s變為3.89 m/s。因此，旋流風量的整體變化只對流場速度影響較大，對流場分布基本沒有影響。

圖4 旋流風量對回流區域大小的影響

因爐膛內布置多只燃燒器，各燃燒器之間流場相互干擾，勢必造成實際流場與模擬計算結果不完全相符，為此開展了現場冷態空氣動力場測試。

3 冷態試驗及分析

停爐檢查發現部分燃燒器直流二次風外套筒存在較嚴重擠壓變形和燒損情況，導致原二次風的流場組織能力嚴重下降，并影響三次風通流面積，破壞三次風流場[5-6]。結合數值模擬計算結果分析認為：在直流二次風門已全開的情況下，三、四次風旋流強度過大是造成回流區離噴口過近引起燃燒器套筒燒損的主要原因。現場檢查燃燒器燒損變形情況見圖5中白圈標注，流速及流場在爐內搭設田字架，利用鐵絲網固定飄帶顯示流場軌跡(見圖6)，并結合火花失蹤法觀測流場分布。

圖5 燃燒器燒損情況

圖6 流場測量方法

冷態空氣動力場試驗遵循相似及模化原理，維持燃燒器進風量接近設計值，以保證各調整工況均進入自模化區[7]。

3.1 燃燒器變形對流場的影響

針對燃燒器燒損情況，利用熱線風速儀在噴口截面圓環上以0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°位置測試軸向風速，見圖7。結果表明：噴口截面一次風速分布較均勻，但三、四次風速在噴口截面分布嚴重不均，各區域風速偏差很大，嚴重影響燃燒器出口流場均勻性。三次風噴口最高軸向速度為21.2 m/s，最低軸向速度為10 m/s；四次風最高軸向速度為15.7 m/s，最低軸向速度為8.6 m/s。

圖7 燃燒器噴口截面風速分布

經燃燒器噴口修復，對局部燒損和變形區域進行了復原處理，再次測試噴口區域各級風速分布，三、四次風速度分布更加均勻，噴口截面各區域軸向風速差別較小。

3.2 旋流角度對冷態流場的影響

試驗測試了葉片角度對燃燒器出口各風速、回流區位置與大小、速度衰減趨勢以及射流擴散角進行的影響。風速及風向仍采用圓周布置8點的方法進行測量，取算術平均值為各級平均風速。在位于燃燒器軸向離噴口0.5 m、1.5 m、3.0 m和5.0 m的位置進行一次風軸向速度測試，三次風軸向速度測點位于燃燒器軸向離噴口0.5 m處。根據日常運行一次風風量計算一次風管內風速25 m/s；中心風風量取設計值5%，風速28 m/s；直流二次風風量取設計值10%，風速35 m/s。

各測點一次風軸向速度見圖8。從圖8中可以看出：一次風軸向速度衰減受旋流角度影響較大，旋流角度由25°調整至55°。

圖8 一次風軸向速度與旋流角度關系

隨著旋流角度的增加，越靠近燃燒器噴口截面，一次風軸向速度衰減越快。當出口距離達到3 m以上時，隨旋流角度變化,風速差距逐漸減小。

三次風噴口截面軸向速度隨旋流角度增大而降低，與流體力學基本規律一致，旋流角度越大，對軸向速度的影響越明顯。這是因為旋流角度對氣流擴散角影響較大，旋流強度增加，氣流切向速度變大，軸向速度降低。不同旋流角度對噴口三次風軸向速度的影響見圖9。

圖9 三次風軸向風速與旋流角度的關系

旋流角度對回流區的大小和位置也有明顯影響，通過煙花示蹤觀測的方法測量了燃燒器出口回流區的大小和位置。

圖10為旋流角度分別為25°和55°時煙花示蹤結果，白色三角形標注點為爐內腳手架支桿，位于燃燒器噴口軸向距離1 m處。

圖10 冷態動力場煙花示蹤

隨著旋流角度增大，三、四次風切向旋轉趨勢變化十分明顯。旋流角度為25°時幾乎不形成明顯回流區，旋流角度為55°時在靠近燃燒器噴口0.4～1.2 m區域直流風與旋流風之間開始形成穩定環形回流區；但距離超過3 m后，回流區基本消失。

4 結語

燃燒器燒損后，爐內流場變化十分明顯，燃燒器性能急劇下降。所以，在旋流燃燒器設計和運行時，應首先保證燃燒器設備安全，具備足夠的冷卻能力。

(1) 旋流角度增加，三、四次風軸向速度降低，一次風軸向速度衰減加快。

(2) 旋流角度增加，回流區更明顯，回流區域更大。旋流角度大于30°能夠形成距離適中、大小合適的穩定環形回流區。

(3) 三、四次風分配比例和旋流角度對噴口冷卻風量及回流區的位置和大小影響較大，應保證直流二次風全開，旋流二次風開度為50%～70%時旋流角度為45°左右。

(4) 為保證燃燒器足夠冷卻能力，運行人員應根據爐膛出口NOx質量濃度，適當減小燃盡風門開度，以提高二次風箱壓力，提高輔助風速度。