预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器流场特性作用研究

牛 芳

(1.煤科院节能技术有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013；3.国家能源煤炭高效利用与节能减排技术装备重点实验室，北京 100013)

0 引 言

预燃室、旋流、钝体等技术广泛应用在燃气、燃油和燃煤领域，其中预燃室能够为煤粉燃烧提供良好的预热条件，大幅度节约点火和稳燃用油，具有快速稳定着火的特性，因此在煤粉工业锅炉中得到广泛应用[1]。煤粉旋流燃烧器预燃室稳定火焰机理已开展了大量研究，徐旭常等[2]研究表明：针对旋流燃烧器，预燃室气流结构湍流强度较强，有助于风粉混合煤粉着火，增加火焰稳定性；陈迪训等[3]研究了贫煤燃烧器内双回流稳燃腔的燃烧特性，发现双回流稳燃腔对于低挥发分煤种具有更好的稳燃和燃尽效果；太原理工大学金燕团队[4-10]研发撞击预燃式煤粉燃烧器并针对此款燃烧器的流场分布开展研究。朱建飞等[4-5]通过数值模拟方法研究该燃烧器出口的流场分布，发现燃烧器出口回流区长度与二次风速成正比，回流区直径与旋流强度成正比；董小林等[6-7]通过冷态试验研究撞击浓缩预燃室煤粉燃烧器的流场特性，发现二次风旋流强度增大会使射流扩展角增大，预燃室壁面易出现结焦现象；王帅等[8-9]研究撞击浓缩预燃室煤粉燃烧器的气固两相流动特性，发现二次风进口角度对煤粉颗粒运动轨迹影响较大。李经宽等[10]利用数值模拟研究了撞击预燃式煤粉燃烧器的燃烧特性，发现风粉在预燃室内可达1 300 K，有利于劣质煤的稳定燃烧。

煤科院节能技术有限公司自主研发的预燃室逆喷旋流煤粉燃烧器具有点火迅速、稳定燃烧、节能减排的效果，但煤种适应性差。国内外学者针对预燃室稳燃机理的研究局限于旋流煤粉燃烧器领域，鲜见针对逆喷射流煤粉燃烧器预燃室的稳燃机理研究。为了进一步拓宽煤种适应性，优化预燃室逆喷旋流燃烧器，本文采用飘带法[11]和热膜热线风速仪[12]等冷态试验方法研究在逆向射流和旋流工况下，预燃室对煤粉燃烧器流场的影响规律。

1 试 验

1.1 燃烧器

试验对象为20 t/h预燃室逆喷旋流煤粉燃烧器，如图1所示，该燃烧器由一次风管、回流帽、内外二次风管以及预燃室组成。一次风携带煤粉经回流帽逆喷进入燃烧器，内二次风道内置角度为50°的轴向叶片，外二次风为直流风，起到冷却预燃室壁面的作用。

图1 20 t/h逆喷旋流煤粉燃烧器示意Fig.1 Structure diagram of the 20 t/h reverse-swirl pulverized coal burner

1.2 冷态试验台

燃烧器冷态试验模型是基于等温模化原理，将燃烧器缩小1∶2设计。在等温模化过程中须遵循3个原则[13]：① 模型与原燃烧器的几何结构相似；② 保证模型中的气流进入第二自模化区；③ 保证进入模型的空气动量比与原燃烧器运行中的空气动量比相等。经计算，试验中一次风管、内外二次风管中气流的最低雷诺数分别为27 416、20 000和30 049，均大于进入第二自模化区所需的雷诺数。冷态试验台试验系统由风机、管道、质量流量计、逆喷旋流燃烧器冷态模型以及热线风速仪等组成(图2)。

图2 冷态试验系统Fig.2 Cold test system

1.3 测量方法

本试验利用Dantec Multichannel热线风速仪[14]测量无预燃室和有预燃室2种工况下燃烧器内速度和湍流强度分布。在测量过程中由于风机长时间运转，气流温度与室温会有微小差异，因此用温度探头做温度补偿校正，整个测量过程中速度测量误差在±0.03 m/s以内。利用飘带法测量回流区的形状以及大小[15]，飘带网格的距离为0.3 m，测量误差在±0.03 m以内。

1.4 试验工况及数据处理

冷态试验工况见表1，A、B分别为无预燃室和有预燃室工况。为了更好地比较A和B两个工况下的流场分布，轴向速度以无量纲形式(V/V0)表示，其中V为测点的测量速度，V0为回流帽处的理论

表1 试验工况

平均速度。湍流度T的计算公式为

T=V′/V

(1)

式中，V′为测点的湍流脉动速度的均方根。

相对回流率是衡量回流区内相对回流量大小的重要参数[16]。本试验相对回流率qrm定义为回流区内测量截面上轴向回流流量与该工况下一次风流量的比值，计算公式为

(2)

式中，ρ为空气密度，kg/m3；Va为测量截面上回流区内的轴向平均速度，m/s；Xmax为测量截面上回流区直径，m；mrpa为一次风的质量流量，kg/s。

2 试验结果及分析

回流区的边界、轴向速度分布、湍流强度及相对回流率是评价燃烧器性能的核心指标。测量和分析预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器回流区边界、轴向速度分布、湍流强度及相对回流率具有重要意义。

2.1 回流区边界

图3 回流区边界Fig.3 Recirculation zone boundary

为定性研究预燃室对回流区的影响规律，特别是确定回流区的区域范围，利用飘带法测量有无预燃室2种工况下的回流区边界，结果如图3所示。可知2种工况下所形成的回流区的整体形状类似环形。在有预燃室工况下，在截面X/D=1.4～1.8，回流区直径达到最大0.86D；在无预燃室情况下，最宽处直径位置前移至截面X/D=0.8，最宽处直径为0.97D。在X/D<1.3区域内，无预燃室工况的回流区区域大于有预燃室的工况，这是由于预燃室角度较小，抑制气流在径向方向上的发展造成的；在1.32.3区域，预燃室对回流区区域的影响基本可忽略不计，即预燃室对燃烧器流场的作用区域为X/D<2.3。从回流区面积来看，由于预燃室对气流的挤压作用，无预燃室的回流区面积大于有预燃室的回流区面积，但设计煤粉燃烧器时，回流区面积适中最好，因为在考虑煤粉稳定着火的同时应避免回流区面积过大造成预燃室壁面超温或结焦现象发生。

2.2 轴向平均速度

为了定量研究燃烧器内部流场分布，本文利用Dantec Multichannel热线风速仪测量无预燃室和有预燃室2种工况下燃烧器内速度和湍流强度分布。2种工况的轴向无量纲平均速度分布如图4所示，速度为负的区域为回流区。可知在回流区内，2种工况在X/D<0.6区域内，轴向速度沿着径向方向分布均匀，在X/D>0.6区域，轴向速度沿着径向方向逐渐下降。在有预燃室的工况下轴向平均速度值低于无预燃室的工况，这是由于一次风经回流帽逆向进入燃烧器，在预燃室的作用下二次风在径向方向上的速度衰减变弱，轴向速度变大，这是对逆向一次风作用力大造成的；在截面R/D=0.17、X/D=2.6处，2个工况的轴向速度相差较小，这说明预燃室在该区域对回流区内的速度分布影响较小。在二次风区域内，X/D<0.6区域，无预燃室工况出现峰值且峰值沿着轴向方向逐渐减小，该峰值主要是由外二次风形成；有预燃室工况的轴向速度沿着径向方向逐渐增大，在预燃室壁面处达到最大值。在X/D>1.6区域内，无预燃室工况峰值消失，有预燃室工况速度分布均匀，均表明内外二次风已经完全混合。

图4 轴向无量纲平均速度Fig.4 Axial dimensionless mean velocity profiles

2.3 湍流强度

2种工况的湍流强度分布如图5所示。可知在回流区内，2种工况下，X/D<0.6区域内，湍流度均沿径向方向分布均匀，在X/D>0.6区域内，湍流度均沿着径向方向逐渐增大。2种工况对比，有预燃室工况湍流度显著增加，结合速度分布来看，有预燃室工况形成的回流区具有速度低、湍流强度大等特点。实际工程运行过程中，低速有利于稳定火焰，高湍流度动量交换强烈有利于风粉混合，无论从流场的速度分布还是从湍流强度来看，预燃室的存在更有利于煤粉的稳定燃烧。在二次风区域内，X/D<0.6区域，有预燃室工况的湍流强度沿着径向方向逐渐降低，射流刚性强。实际工程运行中，预燃室壁面气流刚性较强有利于保护壁面，避免预燃室高温烧毁或积灰结焦现象的发生。X/D>1.6区域，有预燃室工况湍流度沿着径向方向有增大趋势，无预燃室工况在截面X/D=2附近分布较为均匀，在截面X/D=2.6附近再次出现峰值。

图5 湍流度分布Fig.5 Turbulence intensity distribution

2.4 相对回流率

回流区高温烟气的相对回流率是设计煤粉燃烧器的重要指标。针对2种工况，计算得到相对回流率分布如图6所示。可知有预燃室相对回流率低于无预燃室的工况，有预燃室相对回流率最大值为0.99，而无预燃室的相对回流率最大值为1.17；预燃室相对回流率出现的位置在X/D=1处，而有预燃室的工况相对回流率最大值出现的位置后移至X/D=1.6。这是因为预燃室的圆锥形特殊结构造成的。结合图3和图5可以得出圆锥形预燃室抑制了逆喷旋流燃烧器内回流区的形成。设计燃烧器时应合理控制截面X/D=1.6处的高温烟气回流量，避免预燃室内出现局部高温、预燃室结焦现象的发生。

图6 相对回流率分布Fig.6 Relative reverse flow rate distribution

3 结 论

1)预燃室不改变逆喷旋流煤粉燃烧器回流区环形的形状，预燃室对X/D<1.3区域的回流区起到抑制作用，对1.32.3区域的的影响可忽略不计。在预燃室的作用下，回流区最宽处的直径从0.97D降低到0.86D，最大相对回流率位置从截面X/D=1后移到截面X/D=1.6处，相对回流率从1.17减小至0.99。

2)预燃室对二次风区域内的轴向平均速度和湍流度分布规律影响较大。无预燃室工况下，在X/D<0.6区域内，速度和湍流度均出现峰值，在X/D>1.6区域内峰值消失，内外二次风完全混合；有预燃室工况下，在X/D<0.6区域速度沿着径向方向逐渐增大，湍流度沿着径向方向逐渐减小，在X/D>1.6区域，速度和湍流度沿着径向方向分布均匀。

3)由于预燃室作用，逆喷旋流煤粉燃烧器回流区具有轴向速度较低和湍流度大等特点，实际运行中利于煤粉稳定燃烧；且预燃室壁面气流速度较大，刚性强，避免预燃室壁面超温或结焦现象发生。