弯管偏流导向浓淡燃烧器分离特性的数值模拟

贺 楠，吴 炎

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.淮浙煤电有限责任公司，安徽 淮南 232000)

弯管偏流导向浓淡燃烧器分离特性的数值模拟

贺 楠1，吴 炎2

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.淮浙煤电有限责任公司，安徽 淮南 232000)

针对电站锅炉低负荷时炉内稳燃效果不佳的情况，采用浓淡燃烧方式将煤粉气流分离以改善着火特性。采用RNG(重新标准化)k-ε模型和随机轨道模型模拟弯管偏流导向浓淡燃烧器内煤粉流动特性，以“浓度比”和“速度差”作为评价燃烧器分离特性的指标，考虑了分隔板长度、偏流挡块高度以及风速对煤粉分离效果的影响。计算结果表明：在燃烧器内加装距离弯头为D的分隔板、高度为D/4的偏流挡块并保证风速在23 m/s时，对提高燃烧器的稳燃性能达到最佳。将模拟结果与试验数据进行对比，结果基本一致，可为电厂浓淡燃烧器的改造提供技术支持。

浓淡燃烧器；分隔板；偏流挡块；浓度比；速度差

浓淡型煤粉燃烧器是近年来国内外广泛采用的一种直流燃烧器，最初提出和研制是为了降低锅炉燃烧时NOX的排放量，实际应用中发现，浓淡燃烧器也具有较强的低负荷稳燃能力[1-2]。对于我国普遍采用的直流燃烧器四角切圆燃烧方式，因一次风粉管道的布置特点，锅炉后墙两角的燃烧器不能满足浓侧煤粉向火燃烧的分离条件。因此，可通过在燃烧器内加装偏流挡块和分隔板来调整弯头对煤粉的分离方向[3-5]。

本文以弯管偏流导向浓淡燃烧器[6]为研究对象，首先采用RNG k-ε模型和随机轨道模型对弯管偏流导向浓淡燃烧器内煤粉流动特性进行数值模拟，分析分隔板长度、偏流挡块高度以及风速对煤粉分离效果的影响，然后将数值模拟结果与模拟试验数据进行比较，所得到的规律将对该燃烧器在电厂中的实际应用提供参考价值。

1 研究对象

某厂2号炉为哈尔滨锅炉厂生产的HG-670/140-7型锅炉，该锅炉为超高压参数、一次中间再热、单汽包的自然循环锅炉。锅炉配有四台DTM350/600型钢球磨煤机，制粉系统为中间储仓式，采用热风干燥、乏气送粉。该电厂2012年机组检修，将中间两层燃烧器改造成弯管偏流导向浓淡燃烧器，在直径为480 mm的一次风弯管出口加装偏流挡块和1/2分隔板，使一次风煤粉气流在燃烧器出口分离成浓淡两股气流，两股气流各自偏离其化学当量比，在向火侧形成有利于煤粉着火的“三高区”[7-8]，实现炉内水平方向上的浓淡燃烧，提高了煤粉燃烧的稳定性、减少NOX的形成。弯管偏流导向浓淡燃烧器的结构简图，如图1所示。

图1 弯管偏流导向浓淡燃烧器结构简图

2 数学模型和网格划分

2.1 数学模型

一次风携带煤粉进入弯管，空气与煤粉相互影响，风粉流在弯头出口受偏流挡块的阻挡，速度发生变化。在气流速度快速变化处，RNG k-ε模型比标准k-ε模型具有更精确地预测能力[9-10]，因此采用RNG k-ε模型来模拟气相流动。颗粒相与气相相间耦合，对颗粒轨道的跟踪采用随机轨道模型。

图2 燃烧器网格划分示意图

2.2 网格划分

将模型划分为三个区域，弯头和混合室采用Hex/Wedge网格划分，主燃烧器采用Tet/Hybrid网格划分并对该部分进行局部加密，大量使用结构化网格有利于加快运算速度和迭代收敛。通过对不同数量级的网格进行模拟运算，并对网格敏感无关性进行检验，确定该网格符合计算精度要求。模型与具体网格划分，如图2所示。

2.3 计算工况

计算初始条件：弯头角度为45°；一次风煤粉浓度为0.5 kgC/kgA，煤粉颗粒直径为60 μm，密度为1 350 kg/m3。

工况1：计算不同分隔板长度对煤粉气流分离效果的影响，以高度D/4的等边三角形偏流挡块和进口气流速度23 m/s为基础条件，对分隔板距离弯头长度L分别为0.5D、0.8D、D、1.5D、1.8D进行颗粒轨迹跟踪和数值模拟分析。

工况2：计算不同偏流挡块高度对煤粉气流分离能力的影响，以距离弯头D的分隔板和进口气流速度23 m/s为基础条件，分别对偏流挡块高度为D/3、D/4进行数值模拟对比。

工况3：选择偏流挡块高度为D/4、距离弯头为D的分隔板浓淡燃烧器，对不同的一次风煤粉气流速度进行数值模拟，分析一次风速对煤粉分离效果的影响。

3 数值模拟结果

3.1 分隔板长度对分离效果的影响

由图3、图4可以看出，与分隔板距离弯头的远近无关，浓侧出口气流速度一直高于淡侧出口气流速度，这与试验数据所得到的结果是一致的。煤粉气流在弯头离心力作用下产生的强二次流使主流中的高速流体沿弯管外侧流动，但由于偏流挡块的导向作用，使高速气流偏向浓侧出口，造成浓侧出口气流速度高于淡侧出口气流速度。当分隔板距离弯头长度为0.5D时，偏流挡块对煤粉颗粒的导向作用还没有充分发挥，煤粉气流已经被分隔板分离开，燃烧器出口浓侧煤粉量少于淡侧煤粉量，造成浓度比小于1。因此，分隔板距离弯头过近，偏流挡块的导向作用不能达到浓淡分离的目的，反而增大浓淡两侧速度差，不利于提高燃烧器的稳燃性能。随着分隔板与弯头距离的增大，燃烧器浓淡两侧出口气流速度差减小，浓度比先上升后下降，分隔板距离弯头为D时浓度比达到最大值。分隔板距离弯头过远，经偏流挡块导向作用偏向浓侧的煤粉向淡侧有所恢复，导致燃烧器出口浓淡侧煤粉浓度比下降，速度差也随之减小。

图3 不同分隔板长度下的颗粒相运动轨迹示意图

图4 燃烧器出口浓淡侧速度差和浓度比随分隔板长度变化规律

3.2 偏流挡块高度对分离效果的影响

偏流挡块高度为D/3时，大量煤粉颗粒从浓侧出口流出，计算得到浓淡两侧煤粉浓度比为1.975，浓淡侧出口气流速度差达到12 m/s，燃烧器内阻力也将增大。由图5可知，偏流挡块越高，燃烧器内阻力越大。偏流挡块高度为D/3时，燃烧器压降为1 500 Pa；而偏流挡块高度为D/4时，燃烧器压降仅为1 000 Pa。因此，过高的偏流挡块高度虽然能够得到较好的煤粉浓度比，但是削弱了一次风煤粉气流通过燃烧器的能力且浓淡两侧速度差过高，这对磨煤机出力的要求提高，对延长燃烧器喷嘴的使用寿命、提高煤粉燃烧的稳定性是不利的。

3.3 一次风速对分离效果的影响

工况1、工况2的模拟结果表明，在燃烧器内加装距离弯头为D的分隔板和高度为D/4的偏流挡块时，可以得到最佳的浓度比和速度差，有利于提高燃烧器的稳燃性能。对该浓淡燃烧器，调节一次风进口速度，得到一次风速与浓淡两侧出口煤粉浓度比的关系如图6所示。

图5 不同偏流挡块高度下的静压分布图

图6 燃烧器出口浓淡侧煤粉浓度比随一次风速变化规律

由图6可知，在风速为23 m/s以下时，随风速提高，煤粉颗粒动量增大，惯性增大，气流跟随性较好，经偏流挡块调节方向后容易形成更高的浓度比。当风速超过23 m/s以后，由于气流流经偏流挡块时绕流形成的气流结构不同所致，浓度比下降。

4 结 论

通过数值模拟弯管偏流导向浓淡燃烧器内煤粉流动特性的结果与试验数据对比分析得出：

(1)分隔板距离弯头过近，导致燃烧器浓淡两侧出口气流速度差较大且煤粉浓度比小于1，无法满足浓侧煤粉向火燃烧；分隔板距离弯头过远，导致已经偏向浓侧的煤粉向淡侧有所恢复，浓度比减小，但速度差也随之减小，利于保护燃烧器喷嘴。

(2)增大偏流挡块的高度能够增强煤粉分离效果，但是燃烧器内阻力较D/4高度下加大了500 Pa，浓淡两侧出口速度差达到12 m/s，不利于燃烧器的运行。

(3)在燃烧器内加装距离弯头为D的分隔板和高度为D/4的偏流挡块，可以得到有利于提高燃烧器稳燃性能的最佳浓度比和速度差。

(4)过低或者过高的一次风速均会造成煤粉分离效果不佳，当风速为23 m/s时，煤粉浓度比最大，因此在实际运行中应尽可能保证风速维持在23 m/s。

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Numerical Simulation on Separation Characteristic of an Elbow Bias-Oriented Rich-Lean Burner

He Nan1，Wu Yan2

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012；2.Huaizhe Coal and Electricity Limited Liability Company，Huainan An’hui 232000)

Aiming at the situation that poor quality-ignition occurs occasionally in coal-burning power station，it was thought that the application of rich-lean burner was to change the igniting character through the control of pulverized coal stream direction.By the numerical simulation of the pulverized coal flow characteristics in an elbow bias-oriented rich-lean burner，adopting the RNG k-ε and the stochastic track model，regarding the “concentration ratio” and “speed difference” as the standard of evaluating the separation characteristic of the burner，and at the same time considering the influence of the partition plate length，bias current stopper height and primary wind velocity on the separation effect of pulverized coal.The calculation results show that：Within the burner equipped with the partition plate distanced from elbow for partition of D and bias current stopper height of D/4 and meanwhile ensuring the primary wind velocity 23 m/s，it achieves the best combustion performance to improve the stability of the burner.The numerical simulation and experimental results were compared，the results were basically identical，so as to provide technical assistances for the practical application and improvement of the elbow bias-oriented rich-lean burner.

Rich-lean burner；Partition plate；Bias current stopper；Concentration ratio；Speed difference

2016-11-12

贺 楠(1989-)，女，硕士，助教，主要研究方向：电站大型煤粉锅炉强化燃烧技术.

1005-2992(2017)01-0024-05

TP29

A

电子邮箱： 635869221@qq.com(贺楠)；1052911101@qq,com(吴炎)