四墙切圆浓淡燃烧器射流特性的实验研究

秦 明，吴少华，郭建明，陈 建，孔 超，陈力哲

(1．哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院燃烧研究所，黑龙江 哈尔滨 150001;

2．哈尔滨锅炉厂有限责任公司 设计处，黑龙江 哈尔滨 150046)

我国是煤炭的生产和消费大国，煤炭的主要用途是火力发电［1］。随着我国经济的快速发展，煤炭燃烧对环境的污染也愈来愈严重。随着我国环境保护的加强，污染物排放标准也愈加严格，为此，我国的火力发电机组正向大容量、高参数的方向发展;同时各种低污染燃烧技术也开始广泛采用。煤粉的浓淡燃烧技术就是主要的措施之一［2］。

在电站锅炉的煤粉切圆燃烧方式中，燃烧器基本都布置在炉膛角部，建立一个假象切圆，形成所谓的“四角切圆”燃烧。而随着锅炉容量和参数的提高，每只燃烧器喷口的数量也有所增加，燃烧器的高宽比提高，气流刚性的减弱、烟温偏差等问题也更加突出。为了缓解角式切圆燃烧方式的不足，在一些大型超临界、超超临界的电站锅炉中，出现了一种新型的切圆燃烧方式，即墙式切圆布置燃烧器方式［3－4］。Yan 等人［5］用数值模拟对四墙切圆与四角切圆的燃烧特性进行了对比分析。

对于切圆燃烧，喷口射流不同会产生不同程度的偏转。产生射流偏转除了射流自身的动量大小以外，主要有以下几个方面的原因［6］:

(1)射流两侧补气条件的差异;(2)旋转气流对射流方向的影响;(3)相邻上游喷口射流对下游喷口射流的挤压。而含有煤粉的一次风如果刚性较弱，偏斜严重，则易在炉内壁面产生结焦、高温腐蚀等不利影响。

本实验的研究目的就是研究这种新型的墙式切圆燃烧器炉内冷态空气流场的流动特性。此外，煤粉浓淡燃烧主要分为垂直浓淡和水平浓淡燃烧两种方式。本文对这两种燃烧器一次风的气流特性进行了比较。

本研究采用实验室冷态模化实验，用PDA 颗粒测量来研究两种不同的墙式布置切圆浓淡燃烧器的气流特性。

1 实验与分析

1．1 实验装置

本实验以一台660 M W 超临界锅炉和一台600 MW 超超临界锅炉的墙式切圆燃烧器为原型，进行了炉内冷态模化实验研究。本文将660 MW 锅炉燃烧器称为燃烧器Ⅰ，将600 MW 锅炉燃烧器称为燃烧器Ⅱ。燃烧器水平布置示意图如图1 所示。

燃烧器Ⅰ燃用的是褐煤，采用水平浓淡燃烧器，燃烧器喷口布置如图2 所示。燃烧器Ⅱ燃用的是烟煤，采用垂直浓淡燃烧器，燃烧器喷口布置如图3 所示。图中SA 为二次风，PA 代表一次风，OIL 为点火用油喷口。

图1 燃烧器墙式切圆布置示意图

图2 燃烧器Ⅰ喷口布置图

图3 燃烧器Ⅱ喷口布置图

实验装置设计采用几何尺寸模化。由于本模化实验的两个原型一方面炉膛尺寸不同，但宽深比基本相同，另一方面燃烧器喷口形式不同，但在炉膛横截面布置的相对位置基本相同。因此，针对两个不同的原型，本实验装置采用同一炉膛模型和不同燃烧器模型，即模型炉膛尺寸同为1 200 mm(宽)×1 180 mm(深)，从而对燃烧器Ⅰ，模型比例为1∶17，对燃烧器Ⅱ，模型比例为1∶14．7。燃烧器模型为可以更换形式。实验台装置见图4。

实验设计参数保证各喷口气流进入第二自模化区并且一二次风动量比与原型相等［7］。

此外，燃烧器后部采用软管连接，每个软管配手动球阀来调节风量。每个软管装配靠背管和U 型管测量风压，并经过标定，用来换算风量。

本实验研究采用三维粒子动态分析仪PDA(Particle Dynamic Analyzer)测量来研究射流特性。PDA 仪器可以用来测量气固两项流动参数［8－9］。实验时在喷口内通入玻璃微珠粉，其平均粒径为30 μm，以代表煤粉颗粒。图5 为实验时所用玻璃微珠粉的粒度分布。PDA 的测量区域见图6。

1．2 实验

实验时给粉喷口选定为下数第三层一次风口。将实验系统调整到设计的运行参数，然后采用PDA进行测量。测量时，由于测量角度的限制，同一工况下，需要移动测量仪器，分两次完成测量实验，然后数据处理时再叠加。

(1)燃烧器Ⅰ的实验

图7 表示的是燃烧器Ⅰ测量区域的速度场和浓度场，这里浓度指颗粒在测量区域的分布数量，速度的单位为m/s。图中y 轴为后墙，x、y 轴单位为mm。

图5 玻璃微珠粉粒径分布

图4 实验台装置

图6 PDA 的测量区域

图7 燃烧器Ⅰ测量结果

图8 燃烧器Ⅱ测量结果

从PDA 的测量结果看，对于浓度场，壁面附近的颗粒数不大，表明煤粉颗粒浓度不高，颗粒贴壁不严重;从速度场看，一次风射流刚性较好，射流衰减的较慢。但同时也应注意，喷口附近的贴壁速度是较高的，达10 m/s 左右。

(2)燃烧器Ⅱ的实验

燃烧器Ⅱ的PDA 实验仍然是在下数第三层一次风，实验结果见图8。

与燃烧器Ⅰ的测量结果相比，燃烧器Ⅱ壁面区域颗粒浓度较高，颗粒向壁面偏斜明显，而且射流偏斜比较严重，说明当燃烧器喷口的高宽比过大，则气流的刚性明显减弱，气流易贴壁。

比较而言，对于燃烧器Ⅰ，每组燃烧器的高/宽比约为6;而燃烧器Ⅱ由于没有分组，整体燃烧器的高/宽比则达到19，因此燃烧器Ⅱ的射流偏斜程度明显。

2 结论

通过用PDA 测量，对采用两种浓淡燃烧方式的一次风射流进行的研究表明:

(1)实验表明，比较而言，水平浓淡燃烧的一次风气流向炉壁的偏离较小，而且气流速度衰减的也较慢，表明水平浓淡燃烧器的气流刚性较强，而其原因在于采用垂直浓淡燃烧器的喷口数量较多，导致燃烧器的高宽比更大，致使气流刚性较弱;

(2)对于四墙切圆，采用水平浓淡燃烧时，一次风口附近的贴壁风速较高，应予以注意;

(3)对于大型锅炉，一般每只燃烧器喷口数量比较多，燃烧器的高/宽比比较大，即燃烧器比较瘦高时，这时在采用大切圆的墙式布置燃烧器时，喷口应该采用分组布置，这样可以降低每组燃烧器的高宽比，提高气流的刚性，从而有效减轻气流贴壁的状况。

［1］张占安，蔡兴国． 考虑碳排放权交易的短期节能调度［J］．电网与清洁能源，2012，28(1):60 －66．

［2］李素芬，刘丽萍，陈贵军，等． 配风方式对四角切圆煤粉锅炉燃烧特性影响数值分析［J］． 大连理工大学学报，2010，50(4):491 －496．

［3］顾玮伦，张健强． 墙式切圆超临界褐煤锅炉燃烧系统特点［J］．锅炉制造，2012，234(4):11 －13．

［4］吴英，毛晓飞，王潜，等．600 MW 四墙切圆燃烧超临界锅炉结焦防治技术［J］．中国电力2013，46(5):1 －5．

［5］Yan LB，He BS，Yao F，et al． Numerical simulation of a 600 MW utility boiler with different tangential arrangements of burners［J］． Energy and Fuels，2012，26(9):5491 －5502．

［6］芩可法，樊建人． 燃烧流体力学［M］． 北京:水力电力出版社，1991．

［7］朱珍锦，张长鲁． 切圆锅炉炉内冷态模化理论研究［J］．中国电机工程学报，2001，21(5):47 －48．

［8］Zheng QL，Feng R，Zhi CC，et al． Experimental investigations into gas/particle flows in a down －fired boiler:influence of down－draft secondary air［J］．Energy ＆ Fuels，2010，24(3):1592 －1602．

［9］Weidong F，Youyi L，Zhengchun L，Mingchuan Z．PDA research on a novel pulverized coal combustion technology for a large utility boiler［J］．Energy，2010，35(5):2148 －2141．