靖劍平，張春明，孫 微，李爭起

(1.環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心，北京100082;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150001)

0 引言

采用旋流燃燒器燃用劣質(zhì)煤時(shí)，普遍存在煤粉氣流穩(wěn)燃性能差、飛灰含碳量高、NOx排放量高及水冷壁高溫腐蝕和結(jié)渣等問題，在徑向濃淡燃燒器和強(qiáng)化點(diǎn)火雙調(diào)風(fēng)燃燒器的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的中心給粉旋流燃燒器可有效地解決上述問題［1－3］。中心給粉旋流燃燒器的內(nèi)二次風(fēng)葉片是固定的軸向彎曲葉片，外二次風(fēng)葉片是可調(diào)節(jié)的切向葉片，不同的切向葉片角度會(huì)形成不同的空氣動(dòng)力場，進(jìn)而會(huì)對爐內(nèi)煤粉的燃燒和NOx的生成產(chǎn)生影響。因此有必要研究不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器的氣固流動(dòng)特性，分析其對煤粉燃燒和NOx生成特性的影響。

三維激光多普勒測速儀(PDA)可用于測量氣固兩相流場［4－6］。本文利用三維PDA研究中心給粉旋流燃燒器的氣固兩相流動(dòng)特性，測量了燃燒器出口不同截面處的三維平均速度和顆粒體積流量，分析了不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器不同截面的速度場和濃度場，獲得了最佳切向葉片角度。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

采用丹麥丹迪公司制造的PDA測量系統(tǒng)，其粒徑和速度測量范圍分別為0.5～1 000 μ m和－500～500 m/s［5］，平均速度、粒徑和顆粒體積流量的不確定性分別為1%，4%和30%。

試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，中心給粉旋流燃燒器模型如圖2所示。試驗(yàn)臺(tái)由引風(fēng)機(jī)、給粉機(jī)、燃燒器模型、試驗(yàn)筒體和旋風(fēng)分離器組成。玻璃微珠經(jīng)給粉機(jī)進(jìn)入濃一次風(fēng)道，隨濃一次風(fēng)從模型燃燒器噴入試驗(yàn)筒內(nèi)，最后進(jìn)入到旋風(fēng)分離器內(nèi)，經(jīng)分離后返回到料斗中重復(fù)上述循環(huán)。給粉量由變頻器控制給粉機(jī)轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)，總風(fēng)量由變頻器控制引風(fēng)機(jī)出力，燃燒器的濃、淡一次風(fēng)量及內(nèi)、外二次風(fēng)風(fēng)量由各引風(fēng)管道的閥門控制，在每個(gè)引風(fēng)管上安裝有靠背管測量風(fēng)量。濃一次風(fēng)中的顆粒濃度為0.20 kg/kg。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)簡圖Fig.1 Schematic drawing of test facility

圖2 中心給粉燃燒器模型(單位:mm)Fig.2 Model of centrally fuel－rich swirl burner

以在1 025 t/h鍋爐上實(shí)際應(yīng)用的中心給粉旋流燃燒器為原型，按幾何相似設(shè)計(jì)中心給粉燃燒器模型，模型與原型的比例為1∶7。試驗(yàn)段筒體直徑與中心給粉燃燒器外二次風(fēng)噴口直徑比為4.05，當(dāng)該比值大于3即被認(rèn)為是低限制流動(dòng)［7］。

試驗(yàn)中燃燒器運(yùn)行參數(shù)如表1所示。試驗(yàn)時(shí)一些小顆粒會(huì)丟失，因此玻璃微珠要定期更換以維持相同的粒徑。用0～10 μm的玻璃微珠示蹤氣相流動(dòng)特性，用10～100 μm的玻璃微珠示蹤固相流動(dòng)特性。測量了x/d=0.1，0.3，0.5，0.7，1.0，1.5和2.5共7個(gè)截面的氣固流動(dòng)特性，其中x是沿射流方向到燃燒器出口的距離，d是外二次風(fēng)噴口直徑，為214 mm，分析了氣固兩相的三維速度及體積流量分布。

表1 不同切向葉片角度下冷態(tài)流動(dòng)試驗(yàn)參數(shù)Table.1 Cold airflow experiment parameters for differenttangential vane angles

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

不同切向葉片角度下中心給粉旋流燃燒器各截面氣固兩相軸向平均速度分布如圖3所示。對于三種切向葉片角度，在x/d=0.3的截面，都出現(xiàn)了明顯的回流區(qū)。隨著切向葉片角度的減小，回流區(qū)尺寸明顯增加，這是由于二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度隨切向葉片角度的減小而增強(qiáng)，有利于氣流向外側(cè)擴(kuò)散，中心負(fù)壓區(qū)增大。當(dāng)葉片角度從45°減小到25°時(shí)，旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度明顯增加。在x/d=0.1～0.7截面，三種工況的氣、固兩相軸向速度呈雙峰分布，隨著一、二次風(fēng)的擴(kuò)散，沿燃燒器射流方向測得兩個(gè)軸向速度峰值都逐漸減小，而且靠近邊壁的軸向速度峰值位置向壁面移動(dòng)。隨著切向葉片角度的減小，靠近壁面的軸向速度峰值越高，靠近中心線的速度峰值越低。在燃燒器中心線附近，氣、固兩相速度存在滑移，固相速度大于氣相速度，也就是說固相速度變化滯后于氣相。在x/d=1.0的截面，靠近邊壁的軸向速度峰值消失，表明一、二次風(fēng)已經(jīng)較充分的混合。

圖3 三種切向葉片角度下氣固兩相軸向平均速度分布(x單位:mm)Fig.3 Profiles of axial mean velocities with threetangential vane angles

由圖4可知，在x/d=0.1～0.5截面，三種工況下的氣固兩相徑向速度呈雙峰分布，靠近燃燒器中心的峰區(qū)為一次風(fēng)粉流動(dòng)區(qū)域，靠近邊壁的峰區(qū)為二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域，靠近邊壁的峰值始終高于靠近中心的峰值;隨著切向葉片角度的減小，靠近邊壁的速度峰值增大，這是由于切向葉片角度減小，切向的動(dòng)量增加，旋轉(zhuǎn)能力增強(qiáng)，對一次風(fēng)粉的帶動(dòng)作用增強(qiáng)，顆粒易于被二次風(fēng)攜帶。隨著一次風(fēng)粉向二次風(fēng)的擴(kuò)散，二次風(fēng)向邊壁擴(kuò)散，三種工況下徑向速度峰值逐漸減小，兩個(gè)峰值都位置向邊壁移動(dòng);隨著射流的進(jìn)一步發(fā)展，徑向速度進(jìn)一步降低并趨于平緩。在x/d=0.1～0.7截面，三種工況下中心給粉燃燒器在中心線附近的徑向速度為負(fù)值，說明一次風(fēng)粉向燃燒器中心流動(dòng)，中心線附近區(qū)域的顆粒濃度增加。

圖4 三種切向葉片角度下氣固兩相徑向平均速度分布(x單位:mm)Fig.4 Profiles of radial mean velocities with threetangential vane angles

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，在x/d=0.1～0.5截面，三種工況下的氣固兩相切向速度具有明顯的單峰值分布，切向速度峰值位于切向出口區(qū)域，并且隨著切向葉片角度的減小，切向速度峰值增大，這是因?yàn)榍邢蛉~片角度減小，二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)能力增強(qiáng)，風(fēng)粉混合物的切向速度都增加。在x/d=0.7以后的截面，切向速度峰值消失，切向速度趨于平緩，相比于軸向和徑向速度，切向速度衰減較快。由于一次風(fēng)為直流射流及回流區(qū)內(nèi)以軸向回流流動(dòng)為主，因此在中心回流區(qū)和一次風(fēng)出口處切向速度值均很小。

圖5 三種切向葉片角度下氣固兩相切向平均速度分布Fig.5 Profiles of tangential mean velocities with threetangential vane angles

如圖6所示，在x/d=0.1～0.7之間的截面，三種切向葉片角度下的顆粒體積流量呈雙波峰雙波谷分布，隨著射流的發(fā)展，燃燒器中心區(qū)域的顆粒體積流量明顯降低。在x/d=1.0以后截面，靠近壁面的顆粒體積流量峰值消失。由于切向葉片角度減小后，二次風(fēng)動(dòng)量增大，二次風(fēng)對一次風(fēng)粉的帶動(dòng)作用增強(qiáng)，加強(qiáng)了一次風(fēng)粉沿徑向的擴(kuò)散，易于混入二次風(fēng)中，降低了中心線區(qū)域的顆粒體積濃度，增大了二次風(fēng)中顆粒體積濃度，因此在x/d=0.1～0.7之間的截面，隨著切向葉片角度減小，靠近中心線的顆粒體積流量峰值減小，二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域的顆粒體積流量峰值增加。對于切向葉片角度為25°時(shí)，在x/d=1.0之后的截面，顆粒體積流量最大值出現(xiàn)在壁面附近區(qū)域，而對于切向葉片角度為35°和45°時(shí)，在x/d=1.5之后的截面，顆粒體積流量最大值才出現(xiàn)在壁面附近區(qū)域。

圖6 三種切向葉片角度下顆粒體積流量分布(x單位:mm)Fig.6 Particle volume flux profiles with threetangential vane angles

3 結(jié)論

采用PDA對中心給粉旋流燃燒器氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論如下:

(1)中心給粉旋流燃燒器的平均軸向速度和徑向速度呈雙峰分布，平均切向速度呈單峰分布;隨著切向葉片角度的減小，不同方向的平均速度峰值均增加，回流區(qū)尺寸也有所增加。

(2)在x/d=0.1～0.7截面，顆粒體積流量呈雙波峰和雙波谷分布，隨著切向葉片角度的減小，中心區(qū)域的顆粒體積流量峰值減小，而二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域的峰值增加。當(dāng)切向葉片角度為25°時(shí)，在x/d=1.0之后的截面，顆粒體積流量最大值出現(xiàn)在壁面附近區(qū)域，而對于切向葉片角度為35°和45°時(shí)，在x/d=1.5之后的截面，顆粒體積流量最大值出現(xiàn)在壁面附近區(qū)域。

(3)當(dāng)切向葉片角度為35°時(shí)，中心給粉旋流燃燒器具有較好的速度分布和顆粒體積流量分布，既能夠保證煤粉的及時(shí)著火和穩(wěn)定燃燒，又能夠降低NOx的生成及防止燃燒器噴口區(qū)域結(jié)渣。

［1］靖劍平，李爭起，陳志超，等.中心給粉燃燒器在燃用煙煤1 025 t/h鍋爐上的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2008，28(2):1－7.

［2］Li ZQ，Sun R，Chen LZ，Wan ZX，Wu SH，Qin YK.Effect of primary air flow types in particle distributions in the near swirl burner region［J］.Fuel，2002，81:829－835.

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［7］Weber R，Visser BM，Bousan F.Assessment of turbulence modeling for engineering prediction of swirling vortices in the near burner zone［J］.Int.J.Heat Fluid Flow，1990，11:225－235.