劉鵬中，牛 芳，崔豫泓，王鵬濤，羅 偉，周建明

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司，北京 100013)

煤炭在我國一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中的基礎(chǔ)地位短期內(nèi)不會發(fā)生根本變化[1]，高效清潔燃燒始終是其加工利用的重要研究方向[2]。煤粉燃燒器作為鍋爐核心部件，是決定燃燒效率和NOx排放的關(guān)鍵技術(shù)裝備[3]。在旋流煤粉燃燒器中，一次風(fēng)攜帶煤粉進(jìn)入燃燒器，在燃燒器出口區(qū)域進(jìn)行著火燃燒，旋流二次風(fēng)形成回流穩(wěn)定燃燒同時補(bǔ)入剩余空氣促進(jìn)煤粉下游燃盡。其中一次風(fēng)攜帶煤粉的流動特性是實(shí)現(xiàn)煤粉高效低氮燃燒的重要基礎(chǔ)，決定了旋流燃燒器出口區(qū)域的流動特性、燃燒特性及鍋爐燃燒效率和NOx排放。

就目前旋流煤粉燃燒器出口截面的一次風(fēng)粉的流動特性而言，主要有直流、旋流的流動類型(flow type)，濃淡分離(fuel bias)，有無中心風(fēng)(with or without central air)，及獨(dú)特逆向射流(reverse jet)4類進(jìn)入方式。其中LI等[4]在旋流燃燒器出口氣固流動特性方面研究了流動類型的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)直流流動下顆粒更多分布在中心回流區(qū)內(nèi)，回流區(qū)邊界及邊壁區(qū)域的顆粒質(zhì)量濃度較低，可有效抑制NOx生成和避免爐內(nèi)結(jié)渣；同時該課題組借助徑向濃淡旋流燃燒器對濃淡分離進(jìn)入方式的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)內(nèi)濃外淡更符合燃料、空氣多次分級燃燒理念[5]，利于降低NOx同時不影響燃燒效率[6]。2種低氮旋流燃燒器氣固流動特性也表明，采用內(nèi)濃外淡的徑向濃淡旋流燃燒器氣固流動速度衰減較快，顆粒在其中心回流區(qū)內(nèi)停留時間較長，優(yōu)于外濃內(nèi)淡的EI-DR旋流燃燒器[7]，然而采用外濃內(nèi)淡的HT-NR3旋流燃燒器則同樣保持較好的低氮效果[8]，說明風(fēng)粉進(jìn)入方式應(yīng)保障煤粉在高溫還原性回流區(qū)內(nèi)具有一定質(zhì)量濃度及停留時間。中心風(fēng)作為旋流煤粉燃燒器重要調(diào)節(jié)手段[9]，是出口區(qū)域燃燒特性的重要影響因素，西安熱工院針對HT-NR3旋流燃燒器中心風(fēng)的影響進(jìn)行研究，給出不同煤種及擴(kuò)口結(jié)構(gòu)下合理中心風(fēng)率[10]。

近年來，煤科院節(jié)能技術(shù)有限公司(簡稱“煤科院”)致力于煤粉工業(yè)鍋爐系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，對采用風(fēng)粉逆向射流進(jìn)入方式的旋流燃燒器進(jìn)行大量研究及應(yīng)用，紀(jì)任山[11]首先研究其在工業(yè)鍋爐中的燃燒特性并給出操作優(yōu)化建議，隨后姜思源等[12]對其燃燒中等揮發(fā)分煙煤進(jìn)行模擬研究，但逆向射流與旋流作用的耦合機(jī)理是不清晰的，SONG等[13]對該燃燒器2次風(fēng)道及鈍體改造后的回流區(qū)及燃燒特性進(jìn)行研究，表明改造后煤粉在逆向射流與切向旋流形成的耦合回流區(qū)停留時間增加，NOx及飛灰殘?zhí)窟M(jìn)一步下降。賈楠等[14-15]對逆向射流技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，并對雙通道逆噴旋流燃燒器進(jìn)行流動特性及燃燒特性研究，為其煤粉燃燒效率及NOx排放提供理論基礎(chǔ)。

為了更清晰認(rèn)知一次風(fēng)粉流動特性中逆向射流與直流進(jìn)入方式的差異，筆者以適用于煤粉工業(yè)鍋爐的預(yù)燃室多通道逆噴旋流燃燒器為基礎(chǔ)，在14 MW煤粉燃燒試驗(yàn)臺架上，從預(yù)燃室內(nèi)燃燒特性和預(yù)燃室外火焰特性對比研究其影響，為煤粉工業(yè)鍋爐核心燃燒裝置的風(fēng)粉進(jìn)入方式提供借鑒。

1 煤粉燃燒試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

采用14 MW煤粉燃燒試驗(yàn)系統(tǒng)，如圖1所示主要由風(fēng)機(jī)、供料、點(diǎn)火、測量裝置、燃燒器等組成。多通道逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)如圖2所示，一次風(fēng)管中的風(fēng)粉混合物經(jīng)回流帽強(qiáng)制變向，以逆向射流方式進(jìn)入預(yù)燃室，二次風(fēng)分級為內(nèi)外二次風(fēng)，內(nèi)二次風(fēng)通道設(shè)置軸向旋流葉片形成強(qiáng)旋流，其葉片組成可動軸向旋流葉輪調(diào)節(jié)旋流強(qiáng)度，外二次風(fēng)為高速直流，預(yù)燃室為小角度擴(kuò)錐形，其外為直流三次風(fēng)通道。以圖2燃燒器為基礎(chǔ)去掉預(yù)燃室內(nèi)一次風(fēng)管及回流帽結(jié)構(gòu)，形成圖3所示旋流燃燒器，一次風(fēng)粉以直流方式進(jìn)入預(yù)燃室，其通道出口安裝穩(wěn)燃齒。試驗(yàn)中，助燃油首先被點(diǎn)燃，隨后儲罐內(nèi)煤粉同一次風(fēng)混合后進(jìn)入燃燒器，待煤粉燃燒穩(wěn)定后關(guān)閉助燃油并開始數(shù)據(jù)測量，所需工況風(fēng)量在點(diǎn)火前完成調(diào)節(jié)。

圖2 逆噴旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of the reverse jet swirl burner

圖3 旋流燃燒器結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic diagram of the swirl burner

測量截面及測點(diǎn)位置如圖2和3所示，以燃燒器出口截面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，X為距離燃燒器出口軸向距離，R為距離燃燒器中心軸線徑向距離建立坐標(biāo)系；試驗(yàn)測量截面選取X=268，536，670，804 mm截面，各截面距離預(yù)燃室內(nèi)壁面10 mm作為第1測點(diǎn)，后續(xù)間隔50 mm，最后測點(diǎn)為1次風(fēng)管及回流帽邊壁和中心軸線。

測量對象為預(yù)燃室內(nèi)溫度及組分體積分?jǐn)?shù)分布和預(yù)燃室外火焰形態(tài)尺寸。其中溫度測量采用0～1 000 ℃，0～1 300 ℃不銹鋼K型熱電偶，記錄波動范圍在±10 ℃的穩(wěn)定值作為該測點(diǎn)溫度值。煙氣組分采用水冷裝置進(jìn)行取樣，樣品通過過濾裝置進(jìn)行煙氣和煤焦分離，最后使用MRU VARIO PLUS增強(qiáng)型煙氣分析儀完成煙氣組分測量；測量過程持續(xù)2 min獲取60組數(shù)據(jù)，取30 s穩(wěn)定數(shù)據(jù)，其均值作為該測點(diǎn)煙氣組分值，測量誤差小于±2%?；鹧媾臄z采用高速攝像機(jī)(PHANTOM C110)及配套應(yīng)用軟件，選取分辨率為1 080×504，曝光時間為200 μs、采樣率為1 700 fps 等相機(jī)參數(shù)拍攝8 337張火焰照片；參考標(biāo)尺固定在燃燒器中心軸線截面。

1.2 試驗(yàn)煤種及工況

試驗(yàn)所用的煤粉為神府煙煤，元素分析和工業(yè)分析見表1，低位發(fā)熱量Qnet為27 200 kJ/kg。

表1 試驗(yàn)煤種的煤質(zhì)特性

試驗(yàn)工況的主要參數(shù)見表2，其中供料器采用相同赫茲數(shù)，供料速率為1 140 kg/h，試驗(yàn)中對其進(jìn)行3次共30 min測量，誤差為±8%，滿足試驗(yàn)需求；一次風(fēng)量相同保證煤粉以相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)入燃燒器；內(nèi)二次風(fēng)通道中軸向可動旋流器位置不變，保持旋流數(shù)S=1.6；內(nèi)外二次風(fēng)量采用1∶1運(yùn)行條件，降低風(fēng)量比的干擾影響。

表2 實(shí)驗(yàn)工況及運(yùn)行參數(shù)

2 結(jié)果與討論

試驗(yàn)結(jié)果分為預(yù)燃室內(nèi)溫度分布、組分體積分?jǐn)?shù)分布和預(yù)燃室外火焰尺寸3部分討論逆向射流和直流進(jìn)入方式的差異，具體分析如下。

2.1 預(yù)燃室內(nèi)溫度分布

逆向射流和直流進(jìn)入方式(工況1和工況2)在預(yù)燃室內(nèi)的溫度分布如圖4所示。工況2沿徑向方向的溫度變化趨勢相同，升高至峰值后逐漸降低，由內(nèi)外二次風(fēng)與一次風(fēng)粉的不完全混合燃燒造成；外二次風(fēng)作為邊壁風(fēng)使距離預(yù)燃室內(nèi)壁面10 mm測點(diǎn)處溫度均低于400 ℃，避免高溫腐蝕現(xiàn)象發(fā)生。在X=268 mm截面，逆向射流的溫度整體低于直流，大量低溫二次風(fēng)與小股高溫逆向風(fēng)粉在預(yù)燃室上游相遇導(dǎo)致溫度降低，而直流著火位置靠前，到該截面時已充分燃燒；在X=536～804 mm區(qū)域，逆向射流的溫度逐漸超過直流，且一次風(fēng)管邊壁溫度高于800 ℃，表明煤粉逆向運(yùn)動過程中因其減速前行[14]可充分升溫?zé)峤猓瑫r一次風(fēng)粉與旋流內(nèi)二次風(fēng)的完全混合使燃燒強(qiáng)度增加，導(dǎo)致溫度峰值升高至1 255 ℃；而1次風(fēng)粉直流運(yùn)動過程中，旋流內(nèi)二次風(fēng)與其混合較弱，限制燃燒強(qiáng)度，導(dǎo)致溫度峰值變化較小，最高為1 096 ℃，中心軸線較低溫度表明煤粉依舊進(jìn)行不完全燃燒過程。最終煤粉自身升溫?zé)峤膺^程、一次風(fēng)粉與二次風(fēng)混合程度及燃燒區(qū)域不同導(dǎo)致逆向射流與直流溫度分布不同。

2.2 預(yù)燃室內(nèi)組分體積分?jǐn)?shù)分布

逆向射流和直流進(jìn)入方式在預(yù)燃室內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)、CO體積分?jǐn)?shù)分布如圖5，6所示。從預(yù)燃室內(nèi)壁面到中心區(qū)域，兩工況O2體積分?jǐn)?shù)快速下降至1%以下，CO體積分?jǐn)?shù)則快速升高至50 000×10-6甚至更高；二次風(fēng)中的O2向內(nèi)擴(kuò)散，被可燃物快速消耗降低，中心區(qū)域則不完全燃燒產(chǎn)生大量CO，形成中心區(qū)域強(qiáng)還原性氣氛抑制NOx生成；同時預(yù)燃室內(nèi)壁面形成空氣層，避免熔融煤渣在壁面結(jié)焦。對比組分體積分?jǐn)?shù)分布發(fā)現(xiàn)，逆向射流在預(yù)燃室上游O2體積分?jǐn)?shù)高于直流，而下游O2體積分?jǐn)?shù)較低CO體積分?jǐn)?shù)較高，形成環(huán)狀還原性氣氛區(qū)域，表明預(yù)燃室內(nèi)煤粉燃燒強(qiáng)度提升，燃燒份額增大；同時O2體積分?jǐn)?shù)衰減過程中，逆向射流的平均衰減速率為0.139%/mm，直流進(jìn)入方式在預(yù)燃室上游速率為0.135%/mm而下游為0.080%/mm，表明直流在下游因徑向距離增加O2徑向擴(kuò)散較慢使燃燒強(qiáng)度降低，導(dǎo)致煤粉燃燒份額變小。

圖4 不同工況下預(yù)燃室內(nèi)不同截面沿徑向方向的溫度分布Fig.4 Temperature profiles along radial direction in pre-chamber with different conditions

2.3 預(yù)燃室外火焰形態(tài)

圖7為高速相機(jī)捕獲的實(shí)際火焰圖像及處理后黑白圖像。其處理方法[16]如圖8所示，具體為選取所需火焰圖像(圖8(a))，灰度處理后得到不同像素點(diǎn)上的灰度值(圖8(b))，隨機(jī)選擇穿過火焰的若干條垂線，對其灰度值進(jìn)行分布統(tǒng)計(jì)，選取體現(xiàn)火焰全部形態(tài)的灰度限定值(圖8(c))，利用限定值將灰度圖像轉(zhuǎn)化為0～1分布的黑白圖像(圖8(d))，其中1為白色代表火焰形態(tài)，根據(jù)白色占據(jù)的像素區(qū)域，得到火焰的像素長度及直徑和發(fā)散角度，對比參考標(biāo)尺在火焰圖像中的像素長度及高度，得到火焰實(shí)際長度及直徑和發(fā)散角度，見表3。

圖5 不同工況下預(yù)燃室內(nèi)不同截面沿徑向方向的O2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.5 O2 concentration profiles along radial direction in pre-chamber with different conditions

圖6 不同工況下預(yù)燃室內(nèi)不同截面沿徑向方向的CO體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 CO concentration profiles along radial direction in pre-chamber with different conditions

圖7 不同工況下預(yù)燃室外火焰形態(tài)Fig.7 Flame shape beyond pre-chamber outlet with different conditions

圖8 火焰圖像處理方法Fig.8 Method of flame image processing

表3 不同工況下火焰形態(tài)尺寸

在圖8的所有圖像中，火焰旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定前行，表面呈褶皺形態(tài)，表明預(yù)燃室外流場穩(wěn)定，且湍流有利于熱量質(zhì)量交換及火焰?zhèn)鞑?，促進(jìn)煤焦燃盡。逆向射流的火焰形態(tài)粗短且發(fā)散較好，亮度較高，其火焰長度和直徑分別2 697 mm和760 mm，發(fā)散角度為24.11°，原因?yàn)閮?nèi)二次風(fēng)作用下，逆向煤粉轉(zhuǎn)變?yōu)樾餍问角靶?，且預(yù)燃室內(nèi)燃燒份額較高，導(dǎo)致預(yù)燃室外煤粉燃燒的溫度較高但火焰行程較短；直流的火焰形態(tài)細(xì)長且發(fā)散較小，亮度略微降低，其火焰長度和直徑分別為5 747 mm和536 mm，發(fā)散角度為7.81°，原因?yàn)楦咚僦绷鲃傂暂^強(qiáng)，內(nèi)二次風(fēng)與其混合較弱，預(yù)燃室內(nèi)燃燒份額較低，導(dǎo)致預(yù)燃室外煤粉燃燒溫度略低但火焰行程大幅增加。

預(yù)燃室內(nèi)溫度分布、組分體積分?jǐn)?shù)分布及預(yù)燃室外火焰形態(tài)在不同區(qū)域以不同方式展現(xiàn)了煤粉燃燒過程，其中前者是后者的基礎(chǔ)；2區(qū)域燃燒特性結(jié)合可反映逆向射流和直流進(jìn)入方式的差異。

3 結(jié) 論

(1)逆向射流在預(yù)燃室上游溫度較低而下游逐漸升高，直流在預(yù)燃室內(nèi)溫度變化較?。活A(yù)燃室結(jié)構(gòu)高溫腐蝕現(xiàn)象不會發(fā)生。

(2)逆向射流在預(yù)燃室內(nèi)形成環(huán)形強(qiáng)還原性區(qū)域，各截面O2體積分?jǐn)?shù)衰減較快；直流在預(yù)燃室內(nèi)形成中心強(qiáng)還原性區(qū)域，上游截面O2體積分?jǐn)?shù)衰減較快，下游截面衰減較慢。

(3)逆向射流在預(yù)燃室外形成明亮但粗短發(fā)散的火焰形態(tài)，火焰區(qū)域較小行程較短；直流在預(yù)燃室外形成亮度較低但細(xì)長的火焰形態(tài)，火焰區(qū)域較大行程較長。

(4)風(fēng)粉逆向射流和直流進(jìn)入方式均可避免NOx大量生成，但逆向射流在預(yù)燃室內(nèi)煤粉燃燒份額較高，直流燃燒份額較低；逆向射流在預(yù)燃室外火焰行程短，直流火焰行程大幅延長。