一種帶乏氣風(fēng)的濃淡旋流燃燒器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化★

邊彩霞， 王偉成

（南京工程學(xué)院， 江蘇 南京 210000）

引言

近幾年來(lái)，在煤炭質(zhì)量、燃燒技術(shù)、運(yùn)行方式和水平等多種因素的影響下，常規(guī)電站鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中通常存在如下主要問(wèn)題[1]：鍋爐調(diào)峰能力差、NOx排放量高、低負(fù)荷穩(wěn)燃性能差、燃料燃燒效率低、高溫腐蝕和結(jié)渣等。因此電力工業(yè)迫切需要發(fā)展能同時(shí)解決或改善上述問(wèn)題的燃燒技術(shù)。濃淡燃燒技術(shù)在解決煤粉燃燒的高效、穩(wěn)燃、防結(jié)渣、低污染等問(wèn)題方面具有強(qiáng)大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[2-5]，近幾年來(lái)得到了較快的發(fā)展和推廣。進(jìn)行新型濃淡燃燒器的研發(fā)是目前煤粉燃燒學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)課題。本文在B&W公司研發(fā)的低NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器（DRB-XCL型）的基礎(chǔ)上，提出了四種煤粉濃淡分離設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)數(shù)值模擬的方法，對(duì)四種方案的濃淡分離效果進(jìn)行了比較，以期對(duì)現(xiàn)有旋流燃燒器的低氮改進(jìn)及穩(wěn)燃性能提高提供參考。

1 物理模型

DRB-XCL 型燃燒器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，該燃燒器一次風(fēng)采用直流形式且無(wú)濃淡分離裝置，二次風(fēng)采用分級(jí)配風(fēng)方式，分為內(nèi)二次風(fēng)及外二次風(fēng)，皆為旋流風(fēng)且旋轉(zhuǎn)方向相同。為了進(jìn)一步提高該燃燒器在低負(fù)荷下的穩(wěn)燃性能，并進(jìn)一步降低NOx的排放。本文在燃燒器原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提出了A、B、C、D四種濃淡分離方案（如圖2 所示）。四種方案的共同之處在于維持原燃燒器基本結(jié)構(gòu)不變，只在一次風(fēng)入口管道上部加裝了一個(gè)乏氣風(fēng)管道，其目的是將一次風(fēng)分為濃淡兩股，煤粉濃度較高的一股仍沿著一次風(fēng)管道進(jìn)入爐膛，煤粉濃度較低的一股則進(jìn)入乏氣風(fēng)管道，并通過(guò)該管道進(jìn)入爐膛。不同的是方案B 在方案A 的基礎(chǔ)上在燃燒器彎管處加裝一個(gè)分離閥塊，方案C 在方案B 的基礎(chǔ)上改變了乏氣風(fēng)管的管徑，將乏氣風(fēng)管徑改為0.18 m，方案D 將乏氣風(fēng)管道改為了漸縮型管道，管道入口管徑為0.3 m，出口管徑為0.18 m。

圖1 DRB-XCL 型燃燒器結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

圖2 四種濃淡分離方案

2 數(shù)學(xué)模型

由于本課題為圓形射流，所以本文采用Realizablek-ε 雙方程模型作為湍流氣相流動(dòng)模型，離散相采用顆粒隨機(jī)軌道模型，應(yīng)用控制容積法，對(duì)微分方程進(jìn)行了離散化處理。微分方程的通用形式為：

式中：? 為待解的變量；等號(hào)左邊分別為瞬時(shí)相和對(duì)流相；等號(hào)右邊依次分別為擴(kuò)散項(xiàng)、源項(xiàng)、顆粒相。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 濃淡分離效果比較

表1 四種方案的濃淡分離效果比較

3.2 一次風(fēng)和乏氣風(fēng)出口速度比較

考慮到增加了乏氣風(fēng)管道后會(huì)使原來(lái)的一次風(fēng)噴口風(fēng)速有所降低，這樣會(huì)使得煤粉的著火時(shí)機(jī)提前，很可能會(huì)導(dǎo)致燃燒器噴口結(jié)渣甚至被燒壞。所以本文對(duì)四種方案中一次風(fēng)和乏氣風(fēng)出口的速度也進(jìn)行了比較，見(jiàn)表2。根據(jù)計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，方案A 和方案B 的一次風(fēng)出口速度偏低，乏氣風(fēng)出口速度更低，只有15.5 m/s，濃淡噴口的速度比較大，這會(huì)使煤粉的著火時(shí)機(jī)提前，對(duì)燃燒器的安全運(yùn)行非常不利。而方案C 提高了一次風(fēng)和乏氣風(fēng)出口速度，且使?jié)獾瓏娍诘乃俣缺冉禐?.359，使煤粉的著火時(shí)機(jī)更加合理，燃燒器的運(yùn)行相對(duì)更加安全。方案D 在方案C的基礎(chǔ)上將濃淡噴口的速度比降為1.114，進(jìn)一步縮小了一次風(fēng)和乏氣風(fēng)出口的速度差距。從煤粉的燃燒時(shí)機(jī)方面來(lái)看，方案D 設(shè)計(jì)最為合理。

表2 四種方案的濃淡口速度比較

4 結(jié)論

在B&W 公司DRB-XCL 型旋流燃燒器的基礎(chǔ)上，提出了四種煤粉濃淡分離設(shè)計(jì)方案，并對(duì)四種方案進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)模擬結(jié)果得到如下結(jié)論：

1）方案A 和方案B 的濃淡分離效果不理想，一次風(fēng)出口速度和乏氣風(fēng)出口速度偏低，會(huì)使得煤粉的著火時(shí)機(jī)提前，很可能會(huì)導(dǎo)致燃燒器噴口結(jié)渣甚至被燒壞；

2）方案C 和方案D 的濃淡分離效果較好，一次風(fēng)出口速度和乏氣風(fēng)出口速度適中。且方案D 的濃淡口速度比接近1，更加有利于對(duì)著火時(shí)機(jī)的把握，燃燒器的運(yùn)行更加安全；

3）綜合考慮濃淡分離效果和煤粉的著火時(shí)機(jī)，四種設(shè)計(jì)方案中方案D 最優(yōu)。