賈 楠，牛 芳,王鵬濤，王乃繼，周建明，郭 飛，王建朋

(1.煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013; 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013; 3.國(guó)家能源煤炭高效利用與節(jié)能減排技術(shù)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

逆噴旋流燃燒器是一款同時(shí)將逆向射流穩(wěn)燃技術(shù)和旋流穩(wěn)燃技術(shù)耦合適用于煙煤并且已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的煤粉低氮燃燒器，具有著火熱低，點(diǎn)火迅速，啟停時(shí)間短以及節(jié)能減排效果良好等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但是目前該燃燒器的逆向射流耦合旋流穩(wěn)燃機(jī)理方面研究不夠深入，限制了其在低負(fù)荷穩(wěn)燃和寬煤種適應(yīng)性等方面的廣泛應(yīng)用。影響逆噴旋流燃燒器空氣動(dòng)力場(chǎng)和燃燒特性的因素主要包括內(nèi)外二次風(fēng)量比、逆向一次風(fēng)率、旋流強(qiáng)度等。針對(duì)上述影響因素，目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀如下。

20世紀(jì)50年代，SCHAFFER[3]提出逆向射流穩(wěn)定火焰的觀點(diǎn)，但研究初期主要用于燃?xì)忸I(lǐng)域[4-5]。我國(guó)于20世紀(jì)80年代提出利用環(huán)形逆向射流穩(wěn)定和強(qiáng)化水煤漿和低階煤的燃燒，研究表明逆向射流所形成的回流區(qū)前端存在一個(gè)湍動(dòng)強(qiáng)烈、流場(chǎng)混亂的火焰穩(wěn)定區(qū)域，同時(shí)逆向射流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)既能提供煤粉顆粒在回流區(qū)內(nèi)合適的停留時(shí)間又能使火焰穩(wěn)定發(fā)展，其中逆向射流與主流速度比是影響逆向射流回流區(qū)特性的主要影響因素[6-9]。旋流穩(wěn)定擴(kuò)散火焰技術(shù)在燃煤鍋爐應(yīng)用中較為普遍[10]，例如，美國(guó) B&W的DRB(Dual Register Burner)燃燒器，日本Hitachi的HT-NR3(High Temperature NOxReduction)旋流燃燒器，我國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)的徑向濃淡旋流煤粉燃燒器等。靖劍平[11]研究了外二次風(fēng)葉片角度對(duì)IHI雙旋流燃燒器的燃燒特性影響，結(jié)果表明隨著葉片角度從90°降低到35°，在燃燒器中心區(qū)域，O2和NOx濃度降低，在二次風(fēng)區(qū)域，O2體積分?jǐn)?shù)降低，NOx濃度增加。李松[12]研究了內(nèi)外二次風(fēng)量比對(duì)中心給粉旋流燃燒器的影響，結(jié)果表明隨著風(fēng)量比從20∶80增加到60∶40，三維速度峰值逐漸減小，旋流數(shù)降低，相對(duì)回流率減小。楊玉[13]研究了外二次風(fēng)擴(kuò)口角度對(duì)HT-NR3旋流燃燒器的影響，結(jié)果表明隨著角度從30°增加到45°，二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合延緩，回流區(qū)直徑變大，有利于降低NOx濃度。

綜上，逆向射流的火焰穩(wěn)定機(jī)理及旋流燃燒器燃燒特性等方面已經(jīng)做了充分研究，但是逆向射流耦合旋流的研究涉及很少，特別是內(nèi)外二次風(fēng)量比對(duì)逆噴旋流燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和燃燒特性的影響鮮有研究?；诖?，筆者利用飄帶法、熱線風(fēng)速儀和煙氣分析儀分別測(cè)量了不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下逆噴旋流燃燒器的耦合回流區(qū)、速度場(chǎng)、均方根(Root Mean Square,RMS)湍流速度場(chǎng)以及沿程組分濃度分布。

1 試驗(yàn)概況

1.1 流場(chǎng)特性試驗(yàn)

流場(chǎng)特性試驗(yàn)是利用等溫?；碚摚谂c原型比例為1∶2的燃燒器模型上進(jìn)行。?；^程必須遵循3個(gè)原則:① 模型與實(shí)際燃燒器的幾何結(jié)構(gòu)相似;② 保證氣流進(jìn)入第二自模化區(qū);③ 保證進(jìn)入模型的空氣動(dòng)量比與實(shí)際燃燒器運(yùn)行中的空氣動(dòng)量比相等。本試驗(yàn)一次風(fēng)管、內(nèi)外二次風(fēng)管中氣流的最低雷諾數(shù)分別為32 882，20 000和30 049，均大于進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)所需的雷諾數(shù)。

圖1為流場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)。坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置在燃燒器一次風(fēng)管的中心。X為燃燒器軸向方向；R為燃燒器徑向方向；D為外二次風(fēng)管的內(nèi)徑(D=300 mm)。本文利用Dantec Multichannel熱線風(fēng)速儀的一維熱膜探頭55R01對(duì)不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下的軸向平均速度以及軸向RMS速度進(jìn)行了測(cè)量，并且用溫度探頭90P10做了溫度補(bǔ)償，速度測(cè)量誤差在±0.03 m/s以內(nèi)[14]。

圖1 流場(chǎng)試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Airflow experiment system

回流區(qū)邊界通過飄帶網(wǎng)格方法測(cè)量[15]，本文2個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的距離為0.03 m。相對(duì)回流率是衡量逆噴旋流燃燒器回流區(qū)內(nèi)相對(duì)回流量大小的重要參數(shù)[16]。為方便不同內(nèi)外二次風(fēng)量比進(jìn)行對(duì)比，相對(duì)回流率定義為回流區(qū)內(nèi)相應(yīng)測(cè)量截面上軸向回流流量與該內(nèi)外二次風(fēng)量比下逆向一次風(fēng)流量的比值。計(jì)算公式為

(1)

式中，qrm為相對(duì)回流率;ρ為空氣密度,kg/m3;va為測(cè)量截面的負(fù)軸向平均速度,m/s;Xmax為測(cè)量截面上環(huán)形耦合回流區(qū)直徑,m;x為測(cè)量截面上環(huán)形耦合回流區(qū)邊界到燃燒器中心軸線的距離；mrpa為逆向一次風(fēng)的質(zhì)量流量,kg/s。

1.2 燃燒特性試驗(yàn)

圖2為14 MW逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖，該燃燒器由逆噴一次風(fēng)管、內(nèi)外二次風(fēng)管以及預(yù)燃錐組成，其中內(nèi)二次風(fēng)管裝有軸向葉片，角度為60°。燃燒時(shí)，一次風(fēng)攜帶煤粉在逆噴一次風(fēng)管的作用下直接進(jìn)入高溫環(huán)形耦合回流區(qū)中快速著火，之后一次風(fēng)粉發(fā)生轉(zhuǎn)向最后進(jìn)入爐膛中繼續(xù)燃燒。旋流內(nèi)二次風(fēng)強(qiáng)化了耦合回流區(qū)，直流高速外二次風(fēng)起到冷卻預(yù)燃錐內(nèi)壁的作用。

圖2 14 MW逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structure diagram of the 14 MW reverse-swirl burner

燃燒特性試驗(yàn)利用德國(guó)Testo 340煙氣分析儀測(cè)量了燃燒沿程的O2體積分?jǐn)?shù)和NOx質(zhì)量濃度，其測(cè)量誤差分別是± 0.2%和± 5%，測(cè)量截面a，b和c的位置分別位于R/D=0.2，R/D=0.44以及距離預(yù)燃錐內(nèi)壁3 cm處。坐標(biāo)設(shè)置如同流場(chǎng)特性試驗(yàn)。

燃燒特性試驗(yàn)用煤為神府東勝煙煤，其工業(yè)分析和元素分析見表1。

1.3 試驗(yàn)內(nèi)外二次風(fēng)量比

流場(chǎng)特性試驗(yàn)和燃燒特性試驗(yàn)均保證總風(fēng)量不變，改變內(nèi)外二次風(fēng)量比，具體試驗(yàn)內(nèi)外二次風(fēng)量比見表2。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 流場(chǎng)特性

2.1.1耦合回流區(qū)邊界

圖3為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下耦合回流區(qū)邊界圖。結(jié)果表明，在不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下沿燃燒器中心軸線形成的回流區(qū)均呈環(huán)形，這是逆噴旋流燃燒器一次風(fēng)管的特殊結(jié)構(gòu)所造成的。隨著內(nèi)外二次風(fēng)量比從2∶5增加到1∶1，使得燃燒器的旋流強(qiáng)度增加，回流區(qū)面積逐漸增大，最大直徑從0.67D增加到0.87D，長(zhǎng)度不變，在實(shí)際運(yùn)行中，靠近燃燒器出口，直徑較大的回流區(qū)火焰面更加靠近壁面，冷空氣層變薄，預(yù)燃室內(nèi)壁溫度升高，不利于燃燒器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。此外，回流區(qū)變大使得煙氣回流量增加，一次風(fēng)管溫度升高，容易造成損壞，不利于煤粉穩(wěn)定輸送。

表1 煤質(zhì)分析Table 1 Coal quality analysis

表2 試驗(yàn)內(nèi)外二次風(fēng)量比Table 2 Working conditions of experiments

圖3 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的耦合回流區(qū)Fig.3 Annular coupled recirculation zone boundary for different inner/outer secondary air mass flow ratios

2.1.2軸向平均速度分布

圖4為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下軸向平均速度分布圖。3個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比在整個(gè)軸向方向靠近一次風(fēng)管0.13≤R/D≤0.37的區(qū)域內(nèi)部分軸向平均速度為負(fù)，表明該區(qū)域形成一個(gè)貫穿整個(gè)一次風(fēng)管的環(huán)形耦合回流區(qū)。

圖4 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比的軸向平均速度Fig.4 Axial mean velocity profiles for different inner/ outer secondary air mass flow ratios

在0.3≤X/D≤0.8的區(qū)域內(nèi)，耦合回流區(qū)內(nèi)速度分布較為均勻;在二次風(fēng)主流區(qū)域內(nèi)，只有內(nèi)外二次風(fēng)量比為1∶1時(shí)，在靠近燃燒器出口X/D=0.3截面上出現(xiàn)外二次風(fēng)形成的峰值，其他內(nèi)外二次風(fēng)量比下的軸向平均速度均沿著徑向方向逐漸增大，沒有出現(xiàn)峰值，這主要是因?yàn)轭A(yù)燃錐的角度較小，抑制了二次風(fēng)射流在徑向方向上的發(fā)展。在實(shí)際運(yùn)行中，錐壁附近的高速氣流有2個(gè)作用:① 在燃燒器壁面形成了一個(gè)低溫、高氧的環(huán)境，避免燃燒器出現(xiàn)高溫腐蝕;② 燃燒器壁面是一個(gè)高速冷空氣保護(hù)層，防止燃燒器壁面出現(xiàn)積灰結(jié)焦的現(xiàn)象。在X/D≥1.6的區(qū)域內(nèi)，耦合回流區(qū)內(nèi)平均速度沿著徑向方向逐漸減小，這是因?yàn)槟嫦蛏淞靼l(fā)展過程中速度衰減，同時(shí)由于內(nèi)外二次風(fēng)的逐漸混合，二次風(fēng)對(duì)逆向射流的剛性擠壓減弱;在二次風(fēng)主流區(qū)域內(nèi)平均速度較低且分布均勻，這是因?yàn)閮?nèi)二次風(fēng)與外二次風(fēng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完全混合。

2.1.3軸向RMS速度分布

圖5為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下RMS軸向脈動(dòng)速度分布圖。在0.3≤X/D≤0.8的區(qū)域內(nèi)，沿著徑向方向上RMS軸向脈動(dòng)速度有2個(gè)明顯的峰值，結(jié)合耦合回流區(qū)邊界和軸向速度分布可以看出，該區(qū)域的耦合回流區(qū)處于回流區(qū)前端同時(shí)呈現(xiàn)出低速高湍流的特性，這與李勁[9,17]和BOBBA[18-20]所提出的逆向射流火焰穩(wěn)定區(qū)域性質(zhì)相同，他們認(rèn)為逆向射流的滯止區(qū)附近存在一個(gè)對(duì)火焰穩(wěn)定有著關(guān)鍵影響的區(qū)域，該區(qū)域平均速度低但是湍流波動(dòng)劇烈的流場(chǎng)特點(diǎn)加強(qiáng)了燃料和氣流之間的質(zhì)量能量動(dòng)量交換;二次風(fēng)區(qū)域內(nèi)的高脈動(dòng)速度區(qū)域有利于內(nèi)二次風(fēng)與一次風(fēng)粉之間的摻混。預(yù)燃錐壁面氣流的軸向速度越大，脈動(dòng)速度越弱，外二次風(fēng)射流剛性越強(qiáng)，有助于保護(hù)錐壁，從而使燃燒器壁面處于低溫高氧低CO環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)高燃燒效率的前提下避免燃燒器壁面出現(xiàn)高溫腐蝕。內(nèi)外二次風(fēng)量比1∶1的2個(gè)峰值沿著軸向方向逐漸減小，湍流脈動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域位于截面X/D=0.3，內(nèi)外二次風(fēng)量比2∶5峰值沿著軸向方向逐漸增大，湍流脈動(dòng)強(qiáng)烈區(qū)域遷移至截面X/D=0.8，表明內(nèi)外二次風(fēng)量比1∶1的煤粉穩(wěn)定燃燒區(qū)域比內(nèi)外二次風(fēng)量比2∶5更靠近燃燒器出口。內(nèi)外二次風(fēng)量比1∶2峰值在3個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比中最小并且峰值變化也較小。在X/D≥1.6的區(qū)域內(nèi)，耦合回流區(qū)內(nèi)的脈動(dòng)速度均沿著徑向方向逐漸降低，二次風(fēng)區(qū)域的脈動(dòng)速度較小;隨著內(nèi)外二次風(fēng)量比增大，軸向脈動(dòng)速度呈略微增大趨勢(shì)。

圖5 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下軸向RMS速度Fig.5 Axial RMS velocity profiles for different inner/ outer secondary air mass flow ratios

2.1.4相對(duì)回流率

圖6為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下的相對(duì)回流率。沿著軸向方向，3個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比的相對(duì)回流率均先增加后降低，相對(duì)回流率峰值依次為1.29，0.99和0.83，峰值位置均在截面X/D=1.6。隨著內(nèi)外二次風(fēng)量比增大，相對(duì)回流率逐漸增大，但不是以線性增加，這主要因?yàn)榛亓鲄^(qū)是由逆向一次風(fēng)和旋流內(nèi)二次風(fēng)耦合所形成，當(dāng)內(nèi)二次風(fēng)量逐漸增大時(shí)，二者之間存在相互配合的作用，并不是簡(jiǎn)單地疊加。在實(shí)際運(yùn)行過程中，相對(duì)回流量越大，越有利于實(shí)現(xiàn)煤粉穩(wěn)定燃燒。

圖6 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下相對(duì)回流率Fig.6 Relative reverse flow rates for different inner/ outer secondary air mass flow ratios

2.2 燃燒特性

2.2.1O2體積分?jǐn)?shù)分布

圖7為不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下不同徑向測(cè)量截面的O2體積分?jǐn)?shù)分布圖。由圖7可以看出，2個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比下的O2體積分?jǐn)?shù)沿著軸向方向均呈下降趨勢(shì)，隨著內(nèi)外二次風(fēng)量比增加，圖7(a)中O2體積分?jǐn)?shù)有略微的增大趨勢(shì)，整體上相差較小，圖7(b)中O2體積分?jǐn)?shù)明顯增大。這是因?yàn)闇y(cè)量截面b更靠近內(nèi)二次風(fēng)管道。圖7(c)中靠近預(yù)燃錐壁面附近是外二次風(fēng)形成的高速冷空氣層，所以2個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比在該區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)均大于7%，這有利于防止壁面發(fā)生高溫腐蝕現(xiàn)象[21-22]。

圖7 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下O2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 O2 concentrations for different inner/outer secondary air mass flow ratios

2.2.2NOx質(zhì)量濃度分布

圖8為不同內(nèi)外二次風(fēng)比例下不同徑向測(cè)量截面的NOx質(zhì)量濃度分布圖。由圖7可以看出，2個(gè)內(nèi)外二次風(fēng)量比下的NOx質(zhì)量濃度沿著軸向方向均呈先上升后下降趨勢(shì)，隨著內(nèi)二次風(fēng)量增大，在X/D<0.75的區(qū)域，NOx質(zhì)量濃度增大，在X/D>0.75區(qū)域，錐壁面附近NOx質(zhì)量濃度減小。在燃燒器出口，內(nèi)外二次風(fēng)量比10∶23和10∶28在測(cè)量截面b附近NOx質(zhì)量濃度分別為159 mg/m3和112 mg/m3(基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)為9%)，錐壁面附近NOx質(zhì)量濃度分別為314 mg/m3和310 mg/m3(基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)為9%)。NOx質(zhì)量濃度在截面X/D=0.75附近出現(xiàn)峰值，這是因?yàn)槊悍勰鎳娺M(jìn)入預(yù)燃錐到達(dá)截面X/D=0.75附近時(shí)，煤粉開始穩(wěn)定燃燒，且該區(qū)域有足夠的O2，因此火焰強(qiáng)度高，NOx質(zhì)量濃度達(dá)到最大，之后NOx質(zhì)量濃度降低，是因?yàn)槎物L(fēng)剛進(jìn)入燃燒器中溫度較低同時(shí)煤粉濃度也較低。錐壁面附近NOx質(zhì)量濃度比靠近一次風(fēng)管區(qū)域濃度高，是因?yàn)槊悍勰鎳姷竭_(dá)低速區(qū)后被高速正向的二次風(fēng)折返，煤粉在正向流動(dòng)過程中充分燃燒，因此NOx質(zhì)量濃度較大。

圖8 不同內(nèi)外二次風(fēng)量比下NOx質(zhì)量濃度分布Fig.8 NOx concentrations for different inner/outer secondary air mass flow ratios

3 結(jié) 論

(1)流場(chǎng)特性試驗(yàn)中，在0.3≤X/D≤0.8的耦合回流區(qū)內(nèi)速度較低但是湍動(dòng)強(qiáng)烈，有助于煤粉穩(wěn)定燃燒，且內(nèi)外二次風(fēng)量比2∶5在截面X/D=0.8附近脈動(dòng)速度峰值達(dá)到最大。在燃燒特性試驗(yàn)中，內(nèi)外二次風(fēng)量比10∶23和內(nèi)外二次風(fēng)量比10∶28均在截面X/D=0.75附近，火焰穩(wěn)定且強(qiáng)度高。因此，從流場(chǎng)特性和燃燒特性2個(gè)角度均表明，耦合回流區(qū)內(nèi)0.3≤X/D≤0.8的區(qū)域起到穩(wěn)定火焰的作用。

(2)在流場(chǎng)特性試驗(yàn)中，靠近預(yù)燃錐壁面附近形成一個(gè)高速低湍流的空氣保護(hù)層。在燃燒特性試驗(yàn)中，該區(qū)域O2體積分?jǐn)?shù)均大于7%，這有利于防止壁面出現(xiàn)高溫腐蝕現(xiàn)象。

(3)隨著內(nèi)外二次風(fēng)量比增大，耦合回流區(qū)的面積增大，長(zhǎng)度不變，最大直徑從0.67D增加到0.87D，相對(duì)回流率從0.83增加到1.29;測(cè)量截面b的O2體積分?jǐn)?shù)增大，燃燒器出口的NOx質(zhì)量濃度增大分別為159 mg/m3和112 mg/m3(基準(zhǔn)氧體積分?jǐn)?shù)為9%);靠近預(yù)燃錐壁面附近NOx質(zhì)量濃度降低，燃燒器出口的NOx質(zhì)量濃度相差較小。