直流二次风对旋流燃烧器出口混合特性研究

文_却燕平 李炜

1.华电电力科学研究院有限公司；2.杭州华电能源工程有限公司

旋流燃烧器在我国应用越来越广泛，它能够产生明显的中心回流区，卷吸高温烟气，利于燃煤的快速着火与稳定燃烧。本文对带中心钝体的双通道旋流燃烧器出口流场进行数值模拟，通过调整直流二次风率，研究揭示出直流二次风对旋流燃烧器的出口气流混合特性影响。

1 研究对象

本文主要研究对象是带中心钝体的双通道旋流燃烧器，其结构如图1所示。

此燃烧器在一次风出口处配有抛物线钝体。二次风分为直流二次风和旋流二次风。其中外管道为直流二次风管，内管道为旋流二次风管。改变外管道挡板的位置，改变直流二次风量，可以调节直流二次风和旋流二次风的动量比，从而改变射流的旋流强度，调节回流区的大小。

2 计算网格与数值计算方法

本文在SolidWorks里建立燃烧器的模型，再使用ICEM软件对模型划分为非结构化六面体网格。在燃烧器出口等流场复杂的地方对网格进行了加密，总网格数约为80万。本文采用了控制容积法(CVM)和QUICK格式来处理离散化问题；流场计算采用了SIMPLE算法，控制方程组采用了RNG k-ε模型。

3 燃烧器出口混合特性的模拟结果及分析

3.1 燃烧器出口的混合特性

在燃烧器出口装有抛物线形钝体，直流二次风全开时，距离出口1/4D、1/2D、D(D 为直流二次风道的直径)截面上的浓度分布如图2～图4所示。其中图c1、c2、c3分别表示一次风、旋流二次风和直流二次风的浓度。

从图2～图4可以看出，装有抛物线形钝体的燃烧器出口一次风浓度呈现双峰型分布，这两峰之间的区域即为回流区。紧接回流区外的区域个一次风的浓度较高，该区域继续向外，是一个混合较为均匀的区域，一次风、旋流二次风及直流二次风各适当占一部分，直流二次风的比例随直流二次风挡板开度调节而变化。

回流区域内一次风的浓度显著低于对应截面主流中的一次风浓度，说明回流区内进行着强烈的物质交换和能量交换。因此回流区为一次风气流中的煤粉颗粒的着火和燃烧提供了有利条件。

3.2 直流二次风的影响

经验及理论分析都表明，直流二次风风门的挡板开度对混合特性和回流区的宽度均有较大的影响。随直流二次风风门的挡板开度变大，直流二次风率增加，在总二次风量不变的前提下，旋流二次风量、风速下降，直流二次风量、风速增加，总旋流强度减小，回流区的宽度变小。

图5～图7表示在距离燃烧器出口D的截面上，直流二次风风门的挡板开度从全关、半开到全开时的浓度分布情况。

传统的旋流燃烧器没有直流二次风，为了形成较大的回流只有通过增加旋流强度，会造成过大的扩展角，使得大量的二次风与一次风混合过早，气流刚性差，后期混合弱。直流二次风的加入可有效地限制整体射流的扩散角，防止出现气流贴边现象，与传统的旋流燃烧器相比，射流的刚度增加，不会对邻近燃烧器的发展形成干扰，而且在中心回流区结束前的区域，内部射直接混入直流二次风的量很少，这样减少了直流二次风的强度损耗，有力保证足够的后期混合，营造出适宜的温度和组分浓度条件，对煤粉的燃烬十分有利。

同时，直流二次风率的增加，可使燃烧器的旋流强度适当下降，进而减少射流的扩展角及中心回流区，卷吸的回流高温烟气量减少，推迟煤粉着火时间，主流强度减弱较小，推动射流中心回流区可远离燃烧器。同时，一、二次风混合推迟，增强了分级燃烧，使燃烧器区域的温度下降，保证了燃烧器区域不结渣及发生高温腐蚀，有利用降低NOx的排放，所以当锅炉燃用煤质较好或锅炉在较高的负荷下运行时，可适当开大直流二次风门。减小直流二次风门开度，可以降低二次风综合强度，促进混合提前，回流区有所增加，改善煤粉着火条件。因此，通过调节不同的直流二次风率，可适应煤种的变化，实现煤粉燃烧的高效率、稳燃、低污染的要求。

4 结语

本文通过模化计算确定了燃烧器模型入口的速度参数。从模拟流场的速度分布可看出，旋流可以产生回流区卷吸高温烟气，产生剧烈的扰动促进烟风和煤粉的混合，从而有利于改善煤粉着火和稳燃条件。从浓度场的浓度分布可看到，直流二次风风门的挡板开度对混合特性有较大的影响。通过改变直流二次风风门挡板开度可有效地控制混合过程，控制挥发份燃烧的氧浓度，从而有效地抑制NOx的生成，同时，通过调整直流二次风率，可以适应煤种的变化。