風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)燃室式煤粉燃燒器內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響

崔 豫 泓

(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(kāi)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)

0 引 言

工業(yè)鍋爐是繼電站鍋爐外第二大燃煤領(lǐng)域，進(jìn)一步提高煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)裝備與技術(shù)的先進(jìn)性，對(duì)促進(jìn)煤炭清潔高效利用具有重要作用[1]。煤粉燃燒器是煤粉鍋爐燃燒組織的核心設(shè)備，合理的風(fēng)箱結(jié)構(gòu)有助于助燃空氣與煤粉良好摻混，實(shí)現(xiàn)煤粉快速、穩(wěn)定著火[2-3]。尤其是對(duì)于預(yù)燃室式煤粉燃燒器，預(yù)燃室承擔(dān)著煤粉預(yù)熱及初級(jí)火焰的形成，其內(nèi)部空氣動(dòng)力場(chǎng)對(duì)于煤粉穩(wěn)定著火及燃燒至關(guān)重要[4-7]。

為解決燃燒器出口氣流不均的問(wèn)題，一些學(xué)者從改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)及進(jìn)風(fēng)方式角度探究了其對(duì)流場(chǎng)的影響。趙靜等[8]采用激光顆粒成像技術(shù)研究了EI-DRB燃燒器出口流場(chǎng)特性，發(fā)現(xiàn)由于氣流突然轉(zhuǎn)彎造成燃燒器下部風(fēng)速高于上部，使得該燃燒器出口速度分布不均勻，故風(fēng)箱內(nèi)配風(fēng)均勻性對(duì)燃燒器流場(chǎng)均勻性有直接影響。郭育兵[9]為解決某350 MW亞臨界W火焰鍋爐高負(fù)荷下排煙氧含量低，且隨助燃空氣量增大出現(xiàn)燃燒不穩(wěn)、火檢丟失的問(wèn)題，通過(guò)延長(zhǎng)導(dǎo)流通道，加裝導(dǎo)流板等F二次風(fēng)箱改造，消除了F二次風(fēng)(垂直墻最下部F擋板所構(gòu)成的二次風(fēng)道)上翹的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高負(fù)荷下二次風(fēng)分級(jí)送入，顯著改善了爐內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)，確保了高負(fù)荷下煤粉氣流穩(wěn)定著火和火焰穩(wěn)定。張立棟等[10]采用Fluent軟件對(duì)某350 MW電廠(chǎng)分離燃盡風(fēng)風(fēng)箱進(jìn)行了流場(chǎng)模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過(guò)在分離燃盡風(fēng)風(fēng)箱內(nèi)加裝導(dǎo)流板，解決了風(fēng)箱出口速度不均的問(wèn)題；進(jìn)一步延長(zhǎng)內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板長(zhǎng)度，減小外側(cè)導(dǎo)流板半徑等措施，降低了風(fēng)箱阻力及湍流速度，顯著優(yōu)化了分離燃盡風(fēng)入爐空氣動(dòng)力場(chǎng)。范慶偉等[11]研究了某電廠(chǎng)600 MW旋流燃燒器二次風(fēng)箱流量分配特性，結(jié)果表明，旋流燃燒器迎風(fēng)側(cè)出口的氣流流速比背風(fēng)側(cè)低10 m/s左右，提高燃燒器風(fēng)量對(duì)于改善二次風(fēng)分配特性及流動(dòng)特性具有重要影響。王永英等[12-13]、紀(jì)任山等[14]研究了旋流強(qiáng)度等參數(shù)對(duì)雙錐預(yù)燃室內(nèi)冷態(tài)空氣動(dòng)力場(chǎng)特征的影響，揭示了雙錐預(yù)燃室內(nèi)氣流分布的基本特征。

研究表明，通過(guò)調(diào)整鍋爐風(fēng)箱結(jié)構(gòu)或進(jìn)風(fēng)方式，可以?xún)?yōu)化燃燒器出口氣流分布的合理性，顯著改善燃燒組織特性[15-17]。對(duì)于工業(yè)鍋爐煤粉燃燒器來(lái)說(shuō)，單只燃燒器承擔(dān)著重要的燃燒組織功能，決定了工業(yè)鍋爐燃燒特性是否合理。對(duì)于預(yù)燃室工業(yè)鍋爐，煤粉燃燒器尤為關(guān)鍵，預(yù)燃室承擔(dān)著煤粉著火、穩(wěn)燃等關(guān)鍵功能，預(yù)燃室內(nèi)氣流流場(chǎng)的均勻性對(duì)煤粉與助燃空氣混合至關(guān)重要。而風(fēng)箱作為助燃風(fēng)進(jìn)入預(yù)燃室前的重要穩(wěn)壓、導(dǎo)流設(shè)備，其結(jié)構(gòu)的合理性對(duì)助燃風(fēng)進(jìn)入旋流葉片是否均勻以及經(jīng)過(guò)旋流葉片后形成的旋轉(zhuǎn)氣流動(dòng)力場(chǎng)是否均勻等具有重要影響。當(dāng)前針對(duì)預(yù)燃室式旋流燃燒器風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)燃室內(nèi)氣流動(dòng)力場(chǎng)分布均勻性的研究還較為缺乏，助燃風(fēng)經(jīng)風(fēng)箱進(jìn)入旋流葉片前的均勻性以及在預(yù)燃室內(nèi)分布均勻性不明晰，氣流三維速度分布特征也不明確。

筆者以14 MW預(yù)燃室式煤粉燃燒器為研究對(duì)象，采用數(shù)值計(jì)算方法，研究不同進(jìn)風(fēng)方式及風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)預(yù)燃室內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響，探究合理的進(jìn)風(fēng)方式及風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，揭示風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)助燃風(fēng)進(jìn)入切向旋流葉片前的氣流分布均勻性，以及經(jīng)過(guò)切向旋流葉片后預(yù)燃室內(nèi)旋流動(dòng)力場(chǎng)的分布特性，為進(jìn)一步優(yōu)化預(yù)燃室式煤粉燃燒器內(nèi)氣流組織，改善燃燒器燃燒組織特性等提供改進(jìn)依據(jù)。

1 網(wǎng)格模型及邊界條件

1.1 模型建立及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)

14 MW逆噴旋流煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該燃燒器主要由一次風(fēng)管、二次風(fēng)箱、切向旋流葉片和預(yù)燃室等組成。工作原理為：煤粉與一次風(fēng)由一次風(fēng)管進(jìn)入，經(jīng)特殊結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逆噴；自二次風(fēng)道來(lái)的二次風(fēng)先進(jìn)入二次風(fēng)箱，后經(jīng)旋流葉片旋轉(zhuǎn)進(jìn)入預(yù)燃室內(nèi)，與一次風(fēng)粉混合實(shí)現(xiàn)燃燒，最后一并由預(yù)燃室出口噴入爐膛進(jìn)行后續(xù)燃燒。由于一次風(fēng)占比僅為總風(fēng)量的8%左右，絕大部分助燃空氣以二次風(fēng)的形式進(jìn)入預(yù)燃室內(nèi)參與燃燒，因此，二次風(fēng)對(duì)預(yù)燃室內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的均勻性起決定性作用。為了解決實(shí)際應(yīng)用中燃燒器出口氣流偏斜、出口圓周上旋轉(zhuǎn)氣流分布不均等問(wèn)題，采用數(shù)值計(jì)算的方法，探究了風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)其預(yù)燃室內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)的影響。

圖1 14 MW預(yù)燃室式煤粉燃燒器結(jié)構(gòu)

采用ICEM軟件劃分的14 MW逆噴旋流煤粉燃燒器1∶1計(jì)算域網(wǎng)格示意如圖2所示。計(jì)算前首先需要開(kāi)展網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)。本文劃分了100萬(wàn)、150萬(wàn)以及200萬(wàn)3種不同網(wǎng)格數(shù)量的燃燒器計(jì)算域，采用冷態(tài)模擬檢驗(yàn)的方式對(duì)比了預(yù)燃室中心軸線(xiàn)上10個(gè)位置處的速度分布情況。原風(fēng)箱各截面速度均值如圖3所示，可知150萬(wàn)與200萬(wàn)的網(wǎng)格所對(duì)應(yīng)的結(jié)果一致性很強(qiáng)。為了在同等計(jì)算結(jié)果水平下降低計(jì)算量，本文選用的網(wǎng)格數(shù)量為150萬(wàn)。同樣對(duì)于新風(fēng)箱燃燒器開(kāi)展了網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)180萬(wàn)網(wǎng)格即可排除網(wǎng)格數(shù)量對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

圖2 14 MW預(yù)燃室式煤粉燃燒器ICEM計(jì)算域網(wǎng)格示意

圖3 原風(fēng)箱網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

1.2 煤質(zhì)數(shù)據(jù)及邊界條件設(shè)置

本文使用的煤種為神木煙煤，煤粉平均粒徑為75 μm，其工業(yè)及元素分析見(jiàn)表1。經(jīng)計(jì)算，該煤種理論空氣量為6.6 Nm3/kg，因此，當(dāng)過(guò)量空氣系數(shù)選為1.2、供料量1 800 kg/h、風(fēng)溫25 ℃時(shí)，總助燃空氣量約為15 561 m3/h。該燃燒器實(shí)際使用中一次風(fēng)量為恒定值900 m3/h，因此二次風(fēng)總量為14 661 m3/h保持不變，二次風(fēng)經(jīng)過(guò)切向旋流葉片，旋流強(qiáng)度為1.6。數(shù)值計(jì)算中邊界條件的設(shè)置見(jiàn)表2。

表1 煤質(zhì)分析

表2 邊界條件設(shè)置

2 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

本文采用Fluent數(shù)值計(jì)算軟件，對(duì)預(yù)燃室內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)展開(kāi)計(jì)算，數(shù)學(xué)模型主要包括流體力學(xué)控制方程、湍流模型、離散項(xiàng)流動(dòng)模型三大部分。

2.1 流體力學(xué)控制方程

1)連續(xù)性方程[18-19]為

(1)

式中，ρ為流體密度，kg/m3，t為時(shí)間，s；u、v、w分別為x、y、z方向上的速度矢量，m/s。

2)動(dòng)量方程[18-19]為

(2)

(3)

(4)

式中，μ為動(dòng)力黏度，N·s/m2。

3)能量方程[18-19]為

(5)

式中，T為溫度，K；cp為比熱容，J/(kg·K)；k為流體的傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；ST為流體內(nèi)熱源及流體機(jī)械能耗散轉(zhuǎn)化的熱能，J。

2.2 湍流模型

本文二次風(fēng)經(jīng)過(guò)切向旋流葉片后轉(zhuǎn)變?yōu)閺?qiáng)旋轉(zhuǎn)射流，因此湍流模型必須適用于求解強(qiáng)旋流。根據(jù)前人大量試驗(yàn)及模型驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)k-ε模型能較好地求解湍流流動(dòng)，且發(fā)展出了Realizablek-ε模型，針對(duì)強(qiáng)旋轉(zhuǎn)射流可以獲得更準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，本文采用Realizablek-ε雙方程湍流模型[20]求解預(yù)燃室內(nèi)湍流流動(dòng)。

2.3 離散項(xiàng)流動(dòng)模型

預(yù)燃室內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)屬于復(fù)雜的湍流氣固兩相流，目前針對(duì)該情況有2種求解方法：① 采用歐拉-歐拉的連續(xù)介質(zhì)模型，將顆粒視為連續(xù)介質(zhì)項(xiàng)故無(wú)法獲得顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡；② 采用歐拉-拉格朗日的顆粒軌道模型，采用駐點(diǎn)法精確刻畫(huà)煤粉的運(yùn)動(dòng)軌跡。其中，顆粒軌道模型常用于此類(lèi)復(fù)雜的湍流氣固兩相流中，其子模型——隨機(jī)軌道模型更廣泛應(yīng)用于該領(lǐng)域，故本文采用隨機(jī)顆粒軌道模型求解離散項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)果與討論

3.1 原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下預(yù)燃室內(nèi)速度場(chǎng)分布

經(jīng)過(guò)預(yù)燃室中心軸線(xiàn)且與其垂直的6條橫線(xiàn)上，即x/D分別為0.80、1.14、1.64、1.76、2.00和2.50處預(yù)燃室內(nèi)速度場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖4所示(黑線(xiàn)為預(yù)燃室內(nèi)氣流(包含一、二次風(fēng))的合速度，紅線(xiàn)為氣流的軸向速度)。

圖4 不同截面處預(yù)燃室內(nèi)速度場(chǎng)分布曲線(xiàn)(原結(jié)構(gòu))

由圖4可知，在徑向方向上，氣流軸向(x方向)速度整體呈現(xiàn)先由中心低速逐漸增大至峰值，然后下降的趨勢(shì)，具體表現(xiàn)為預(yù)燃室內(nèi)中心區(qū)域(-0.2 m

氣流合速度方面，除x/D=0.80截面外，氣流合速度整體呈現(xiàn)中心低、兩側(cè)高的趨勢(shì)。合速度分布與軸向速度分布存在差異，這是由于旋流二次風(fēng)約占總風(fēng)量的94%，且是強(qiáng)旋流，切向速度分量大于軸向，故合速度分布與軸向速度分布并不一致。靠近預(yù)燃室壁面處軸向速度降到較小值，而合速度幾乎接近最高值，這時(shí)靠近預(yù)燃室壁面風(fēng)量顯著多于中心，故風(fēng)速高。

3.2 改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下預(yù)燃室內(nèi)流場(chǎng)分布

改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)后，經(jīng)過(guò)預(yù)燃室中心軸線(xiàn)且與其垂直的6條橫線(xiàn)上，即x/D分別等于0.80、1.14、1.64、1.76、2.00、2.50處預(yù)燃室內(nèi)速度場(chǎng)分布曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5 不同截面處預(yù)燃室內(nèi)速度場(chǎng)分布曲線(xiàn)(改進(jìn)結(jié)構(gòu))

由圖5可知，改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)后，x/D=1.64及以后截面氣流速度分布特征均與風(fēng)箱未改造前趨勢(shì)相似，即預(yù)燃室內(nèi)氣流速度分布隨徑向距離的增加，整體呈由中心低速逐漸增大至峰值，然后再下降的趨勢(shì)；而當(dāng)x/D=0.8時(shí)，氣流分布特征發(fā)生變化，氣流合速度隨徑向距離的增加，呈現(xiàn)中心略高然后逐漸減小至最低值，然后再上升，最后在靠近預(yù)燃室壁面時(shí)出現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)x/D=1.14時(shí)，只是在靠近預(yù)燃室壁面處未出現(xiàn)最后下降現(xiàn)象，其他趨勢(shì)與x/D=0.8 截面趨勢(shì)一致。

對(duì)比氣流分布均勻性可知，預(yù)燃室前段氣流速度分布對(duì)稱(chēng)性得到改善，使得預(yù)燃室內(nèi)氣流整體分布趨向?qū)ΨQ(chēng)、均勻。

3.3 預(yù)燃室內(nèi)氣流分布均勻性對(duì)比

預(yù)燃室內(nèi)氣流分布均勻性方面，針對(duì)原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，當(dāng)x/D<1.64時(shí)，預(yù)燃室內(nèi)氣流合速度及軸向速度沿中心軸線(xiàn)(R=0)的對(duì)稱(chēng)性不好，越靠近預(yù)燃室前段，氣流存在明顯的偏斜，具體表現(xiàn)為下半部分速度分布略高于上半部分；當(dāng)x/D>1.64時(shí)，隨著氣流逐漸充分發(fā)展，預(yù)燃室內(nèi)氣流偏斜情況基本消除。對(duì)于改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，各截面的速度分布不對(duì)稱(chēng)性幾乎消除。預(yù)燃室前段正是初級(jí)火焰形成、穩(wěn)定火焰的關(guān)鍵階段，該部分氣流不均勻分布對(duì)于組織燃燒、控制NOx和實(shí)現(xiàn)煤粉高效燃燒均產(chǎn)生不利影響。

采用不均勻值σ(標(biāo)準(zhǔn)差除以平均值)定量考察溫度、速度的不均勻度，具體為

(6)

兩風(fēng)箱各截面速度不均勻度如圖6所示，可知改進(jìn)風(fēng)箱各截面速度不均勻度均小于原風(fēng)箱，特別是在x/D=2.50時(shí)，原風(fēng)箱不均勻度達(dá)到了0.362，而改進(jìn)風(fēng)箱僅有0.220，即在預(yù)燃室后半部分，改進(jìn)風(fēng)箱內(nèi)氣流的均勻性相比于原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下更佳。

圖6 兩風(fēng)箱各截面速度不均勻度

為了直觀(guān)反映氣流經(jīng)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)后預(yù)燃室內(nèi)運(yùn)動(dòng)軌跡，選取氣流自進(jìn)葉片后，預(yù)燃室內(nèi)氣流軌跡，如圖7所示。由圖7(a)可知，原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下，出葉片后氣流在預(yù)燃室前段氣流跡線(xiàn)分布并不規(guī)整，但隨著氣流不斷發(fā)展，在預(yù)燃室中段后，旋轉(zhuǎn)角度以及氣流分布接近均勻，這一現(xiàn)象同預(yù)燃室內(nèi)速度分布規(guī)律(圖3)一致。

圖7 預(yù)燃室內(nèi)氣流跡線(xiàn)

由圖7(b)可知，改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)后，進(jìn)葉片前及出葉片后氣流在預(yù)燃室內(nèi)氣流旋轉(zhuǎn)角度和分布較為規(guī)整，這與大風(fēng)箱改善風(fēng)箱內(nèi)氣壓平衡、增加進(jìn)葉片前氣流分布均勻性有較大關(guān)系，同時(shí)這一現(xiàn)象與預(yù)燃室內(nèi)速度分布規(guī)律(圖5)一致。

二次風(fēng)經(jīng)二次風(fēng)管道進(jìn)入風(fēng)箱后，繞過(guò)導(dǎo)流錐進(jìn)入葉片，形成強(qiáng)旋轉(zhuǎn)氣流。預(yù)燃室內(nèi)旋轉(zhuǎn)氣流的對(duì)稱(chēng)性和風(fēng)箱結(jié)構(gòu)影響二次風(fēng)整流、穩(wěn)壓作用，而切向旋流葉片呈嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)、均勻分布，故進(jìn)入葉片的氣流分布是否均勻直接決定二次風(fēng)在預(yù)燃室分布的均勻性。選取垂直于葉片的截面(圖8)進(jìn)一步考察不同風(fēng)箱結(jié)構(gòu)對(duì)二次風(fēng)進(jìn)入葉片均勻性的影響情況，如圖9所示。

圖8 垂直葉片截面示意

圖9 垂直葉片截面的速度分布

對(duì)比圖9可知，二次風(fēng)經(jīng)兩葉片之間的入口進(jìn)入葉片后形成旋轉(zhuǎn)氣流，原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下部分葉片之間的速度明顯高于其他葉片，即原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下進(jìn)入葉片之間的風(fēng)量不相等，同時(shí)燃燒器中心區(qū)域的速度分布也存在顯著的不均勻性。而對(duì)于改進(jìn)風(fēng)箱后，任意兩切向旋流葉片之間二次風(fēng)風(fēng)速不存在明顯的高速區(qū)，即葉片之間的進(jìn)風(fēng)量接近相等，這為出葉片后(燃燒器中心黃色速度區(qū)域)氣流的對(duì)稱(chēng)性創(chuàng)造了基本條件。通過(guò)改變風(fēng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增大風(fēng)箱容積，提高了風(fēng)箱穩(wěn)壓能力，較好消除了二次風(fēng)由風(fēng)管進(jìn)風(fēng)不均導(dǎo)致預(yù)燃室內(nèi)氣流分布不均的情況。

4 結(jié) 論

1)原風(fēng)箱及改進(jìn)風(fēng)箱結(jié)構(gòu)下，截面氣流速度分布趨勢(shì)相似：二次風(fēng)風(fēng)速在預(yù)燃室中心(R/D=0)呈低速區(qū)；隨徑向距離R/D增加，氣流速度逐漸增大至速度峰值；隨徑向距離R/D進(jìn)一步增加，氣流速度逐漸減小，在靠近預(yù)燃室壁面處(R/D最大)氣流速度略低于速度峰值。

2)通過(guò)改變風(fēng)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、增大風(fēng)箱容積，提高了風(fēng)箱穩(wěn)壓能力，使進(jìn)入旋流葉片的氣流分布更加均勻，在x/D=2.50時(shí)，原風(fēng)箱不均勻度達(dá)0.362，而改進(jìn)風(fēng)箱僅0.220，即在預(yù)燃室后半部分，相比原風(fēng)箱結(jié)構(gòu)，改進(jìn)風(fēng)箱內(nèi)氣流的均勻性更好。

3)擴(kuò)大風(fēng)箱容積，在確保同等風(fēng)量的情況下，可降低風(fēng)箱截面速度，有效消除二次風(fēng)由風(fēng)管進(jìn)風(fēng)時(shí)不均導(dǎo)致預(yù)燃室內(nèi)氣流分布不均的情況。