一种带乏气风的浓淡旋流燃烧器结构的设计及优化★

边彩霞， 王伟成

（南京工程学院， 江苏 南京 210000）

引言

近几年来，在煤炭质量、燃烧技术、运行方式和水平等多种因素的影响下，常规电站锅炉在运行过程中通常存在如下主要问题[1]：锅炉调峰能力差、NOx排放量高、低负荷稳燃性能差、燃料燃烧效率低、高温腐蚀和结渣等。因此电力工业迫切需要发展能同时解决或改善上述问题的燃烧技术。浓淡燃烧技术在解决煤粉燃烧的高效、稳燃、防结渣、低污染等问题方面具有强大的技术优势[2-5]，近几年来得到了较快的发展和推广。进行新型浓淡燃烧器的研发是目前煤粉燃烧学领域的热点课题。本文在B&W公司研发的低NOx双调风旋流燃烧器（DRB-XCL型）的基础上，提出了四种煤粉浓淡分离设计方案，并通过数值模拟的方法，对四种方案的浓淡分离效果进行了比较，以期对现有旋流燃烧器的低氮改进及稳燃性能提高提供参考。

1 物理模型

DRB-XCL 型燃烧器的结构如图1 所示，该燃烧器一次风采用直流形式且无浓淡分离装置，二次风采用分级配风方式，分为内二次风及外二次风，皆为旋流风且旋转方向相同。为了进一步提高该燃烧器在低负荷下的稳燃性能，并进一步降低NOx的排放。本文在燃烧器原结构的基础上提出了A、B、C、D四种浓淡分离方案（如图2 所示）。四种方案的共同之处在于维持原燃烧器基本结构不变，只在一次风入口管道上部加装了一个乏气风管道，其目的是将一次风分为浓淡两股，煤粉浓度较高的一股仍沿着一次风管道进入炉膛，煤粉浓度较低的一股则进入乏气风管道，并通过该管道进入炉膛。不同的是方案B 在方案A 的基础上在燃烧器弯管处加装一个分离阀块，方案C 在方案B 的基础上改变了乏气风管的管径，将乏气风管径改为0.18 m，方案D 将乏气风管道改为了渐缩型管道，管道入口管径为0.3 m，出口管径为0.18 m。

图1 DRB-XCL 型燃烧器结构图（单位：mm）

图2 四种浓淡分离方案

2 数学模型

由于本课题为圆形射流，所以本文采用Realizablek-ε 双方程模型作为湍流气相流动模型，离散相采用颗粒随机轨道模型，应用控制容积法，对微分方程进行了离散化处理。微分方程的通用形式为：

式中：Ø 为待解的变量；等号左边分别为瞬时相和对流相；等号右边依次分别为扩散项、源项、颗粒相。

3 数值模拟结果分析

3.1 浓淡分离效果比较

表1 四种方案的浓淡分离效果比较

3.2 一次风和乏气风出口速度比较

考虑到增加了乏气风管道后会使原来的一次风喷口风速有所降低，这样会使得煤粉的着火时机提前，很可能会导致燃烧器喷口结渣甚至被烧坏。所以本文对四种方案中一次风和乏气风出口的速度也进行了比较，见表2。根据计算结果发现，方案A 和方案B 的一次风出口速度偏低，乏气风出口速度更低，只有15.5 m/s，浓淡喷口的速度比较大，这会使煤粉的着火时机提前，对燃烧器的安全运行非常不利。而方案C 提高了一次风和乏气风出口速度，且使浓淡喷口的速度比降为1.359，使煤粉的着火时机更加合理，燃烧器的运行相对更加安全。方案D 在方案C的基础上将浓淡喷口的速度比降为1.114，进一步缩小了一次风和乏气风出口的速度差距。从煤粉的燃烧时机方面来看，方案D 设计最为合理。

表2 四种方案的浓淡口速度比较

4 结论

在B&W 公司DRB-XCL 型旋流燃烧器的基础上，提出了四种煤粉浓淡分离设计方案，并对四种方案进行了数值模拟。根据模拟结果得到如下结论：

1）方案A 和方案B 的浓淡分离效果不理想，一次风出口速度和乏气风出口速度偏低，会使得煤粉的着火时机提前，很可能会导致燃烧器喷口结渣甚至被烧坏；

2）方案C 和方案D 的浓淡分离效果较好，一次风出口速度和乏气风出口速度适中。且方案D 的浓淡口速度比接近1，更加有利于对着火时机的把握，燃烧器的运行更加安全；

3）综合考虑浓淡分离效果和煤粉的着火时机，四种设计方案中方案D 最优。