摘　要　提出一、二次风双重复合旋流燃烧的方法,分析其对燃烧过程的有效作用. 该方法可使低负荷燃烧可靠性增强、燃烧效率提高、煤种的适应性大为改善.
关键词　复合旋流; 燃烧器; 低负荷; 稳燃
分类号　TK222.23

Mechanism and Application of Twofold
Whirl Burner Steady Flam

Li Fangyue　Zhang Yongfu
　　(Department of Power Engineering, Southeast University, Nanjing 210096)

Abstract:　This paper presents a new method of causing the twofold whirls in the primary air coal mixture and the secondary air for the whirl burner, and analyses its effective function on the combustion process. By this way, the fire condition reliability for the part load, the combustion efficiency, and the combustion suitability for the variety of the coal are greatly improved on three 410 t/h boilers.
Key words:　twofold whirl; burner; part load; steady flame
1　稳燃技术的发展
　　煤粉锅炉的稳燃技术应该能够适应煤种变化和负荷变动,并达到各项燃烧性能指标——炉内合理的温度分布、浓度分布、飞灰可燃物含量和对有害成分(NO_x,SO₂)的控制. 近年来,国内外有关研究单位和专业公司在煤粉燃烧器的稳燃性能方面进行了大量的研究和应用,如华中理工大学早期研究的从钝体燃烧及后来发展的开缝式钝体燃烧器;浙江大学研究的浓淡分离型燃烧器;清华大学在80年代研究的船型燃烧器,目前亦从事富集型煤粉燃烧器的研究与应用(浓淡型);美国CE燃烧公司研究的揉合了钝体和浓淡分离两类技术的WR燃烧器;B&W公司研究的二次风双调节旋流燃烧器等. 本文重点叙述东南大学最近研究和应用的一、二次风复合旋流燃烧器.
2　复合旋流燃烧器的机理
2.1　复合旋流的空气动力特性
　　旋流式燃烧器工作时,均有供着火燃烧的含粉一次风和供其余燃烧所需的二次风.目前国产的或引进的旋流式燃烧器的二次风均为旋转气流,而一次风则以直流形式为多,出口处两股同轴的直流和旋流气流相互干扰,二次风旋流强度衰减较快,对于由旋流产生高温回流区的作用也受到削弱.一、二次风复合旋流属共轴环套复合旋转射流.
　　在复合旋转射流的作用下,形成强大的中心回流和外围回流2个回流区,如图1所示. 这种共轴环套旋流具有各自的不同旋流强度,各自的旋转角度、质量流量(流速)是不同的,二次风的旋流强度可以调节. 因此,燃烧器出口的流动形态非常复杂. 从图1中可以看出,回流区3提供了着火燃烧的高温源,回流区边界7外缘正是一次风中煤粉的富集区,既有外界充分的二次风氧浓度,又有高煤粉浓度,形成了燃烧物质高速反应的条件.

图1　二重复合旋转射流流动示意图
1—一次风旋流叶片;2—二次风旋流叶片;3—回流区;4—卷吸外界气体;
5—轴向速度分布;6—切向速度分布;7—回流区边界;8—高温、高浓度边界
2.2　燃烧的强化和稳定
　　炉内煤粉燃烧的稳定和强化在技术上高度统一. 煤粉火焰稳定的关键是强化燃烧过程的初始阶段. 在锅炉燃用的煤粉粒径状态下,加热速度为10⁴　℃/s,挥发分析出3%～4%以后,这部分挥发分先作均相着火燃烧,在0.03～0.05 s以后气态均相和固态多相着火燃烧同时进行,在0.08 s以后,挥发分大量析出,直到0.15 s时,挥发分析出超过80%,固定碳亦完成燃烧反应的60%,温度升高达1 300～1 500 ℃. 有些试验表明:在燃烧初期阶段0.2 s内完成80%的煤粉燃烧,而剩余的20%煤粉需要4倍的时间才能完成,还有些专家根据大量试验认为:90%的煤粉燃烧只需炉内10%的时间,然而剩余10%的煤粉的燃尽则需要90%的时间来完成^［1］. 可见,大量煤粉燃烧是在初期完成的,这就要求我们首先要注重关键的初始阶段的燃烧强化.
　　对于复合旋流燃烧器,主要应组织好初始的着火燃烧. 一次风由原直流形式改变为旋流形式,煤粉气流喷入炉内时生成了一股新的旋转射流,周界高温二次风旋流内缘的扩散面积增加,传输动量亦增加,使一次风混合物外缘煤粉的加热和燃烧的条件得到充分改善;同时,一、二次风旋流产生的中心回流随着旋流强度的增加而增加,大量高温烟气回流直接加热一次风煤粉流中较细的颗粒. 有利于煤粉的着火,这就遵循了初始着火的必要条件:增加回流热量和提高对流换热系数. 而且一、二次风复合旋流进一步带动了炉内气流的旋转和扰动,气体团和固体颗粒两相之间的脉动度大为增加,火焰内部物质的有效行程(非火焰几何行程)和固体颗粒的自身高频旋转次数可增加到原来的几倍,有利于促进煤粉在炉内的燃尽程度.
　　一次风气粉两相混合物在管内产生旋流的同时,固相煤粉的离心力高于气相侧,并向旋流外边界聚集,形成一个伞形的高浓度煤粉区. 在燃烧化学反应中,燃烧速度ω和反应物的氧浓度C_O2和煤粉浓度C_p成正比,即

式中,E,R,T分别为煤粉燃烧反应的活化能、气体常数、燃烧反应温度.
　　当相同质量的反应物参与燃烧反应,尤其是燃烧器出口属气固多相燃烧动力反应区,具有较高的氧浓度,提高煤粉浓度的聚集程度参与着火边界区的燃烧,将会提高该区域的燃烧反应速度. 旋流一次风产生的煤粉浓淡两相分离是连续性变化的,从工作过程来看,卷吸的高温气流中氧的补充配给也是恰到好处的. 因此,火焰的传播也具有较好的连续性. 在高浓度煤粉区,旋流卷吸高温气流也强,火焰传播速度也高,这可以从火焰传播速度u_f公式反映出来:

式中,a,ρ,c_p分别为导温系数、密度、定压比容;Q为可燃物的反应热;T₀,T_lr分别为初始温度、理论燃烧温度;C为可燃物浓度.
　　综上所述,复合旋流燃烧器实现了强化燃烧所必需的三大要素:高温度、高浓度和强混合程度. 为低氧燃烧提供了有利条件,对控制SO₂,NO_x有害物的排放,以及降低排烟温度起到十分有益的作用.
3　设计和应用
　　原普通旋流燃烧器一次风(气粉混合物)呈直流的特性,其自身不能产生回流热,并削弱二次风产生的回流,煤粉燃烧所需的着火热不足,平直流中的煤粉颗粒脉动度亦不足. 因此,对原始设计曾有些说法,认为旋流式燃烧器初期动量较大,后期动量不足,只宜烧烟煤(挥发份高的煤),而不宜烧挥发份较低的劣质烟煤、贫煤和无烟煤. 正是基于原旋流燃烧器动量不足的特点,设计成一、二次风复合旋流,增强了回流着火热 、扰动度、火焰合理的充满度,强化整个燃烧过程,使其成为一种高效多功能的新型燃烧器.
　　旋流式燃烧器一般均有安装油枪的中心管,因此一次风管的通道基本上呈一环形通道,考虑到尽可能小的流动阻力,复合旋流燃烧器一次风的旋流叶片宜定型为轴向叶片,叶片的数目应根据一次风通道的截面变化率、叶片旋流角度、叶片轴向宽度、前后遮盖度等来确定,以使通道内流体的无效扰动度最小. 叶片的流线应考虑过渡区的流动阻力和磨损,不宜采用直叶片,流线形状采用等角速度扭转曲线,为考虑通道内环管的阻力特性,内环旋流角应小于外环旋流角5°～8°,叶片的旋流角度应根据不同的煤种范围与旋流强度相适应进行设计. 在叶片的安装中应考虑叶片热膨胀的自由度.
　　谏壁发电厂4^#～6^#(410 t/h)炉采用风扇磨直吹式制粉系统,风扇磨叶轮撞击板的磨损寿命一般为450个工作小时,在叶轮更换周期内,28,100,200,300,400 h共5个阶段,进行了技术跟踪测试考核,观察磨煤机叶轮磨损变化和复合旋流燃烧器工作性能相互之间的关系,自投运15个月以来,复合旋流燃烧器始终着火稳定,飞灰可燃物明显下降,燃料适应性强,晚间低负荷不投助燃油. 现场长期考核主要统计数据对比如表1所示.

表1　主要技术参数统计值

注:① 45%负荷时投运7^#,8^#,11^#,12^#(复合旋流燃烧器)和9^#,10^#六个下排燃烧器,不投油稳燃,试验时间4.5 h(夜间).
② 改造前70%负荷时,需投助燃油枪.
4　结　论
　　1) 复合旋流燃烧器具有优化燃烧的综合条件,提高了锅炉低负荷燃烧的稳定性、煤种变化的适应性和燃烧效率.
　　2) 复合旋流燃烧器能够采用低氧燃烧,有利于控制有害物(NO_x,SO₂)的排放量.
　　3) 旋流叶片用于煤粉气流中,并在喷嘴出口处受到炉内高温辐射,应具有较好的耐热耐磨性能,在设计中应予以专门考虑.
   作者简介：第一作者:女,1951年生,讲师.
   作者单位：东南大学动力工程系, 南京 210096
参考文献
1　张松寿. 工程燃烧学. 上海:上海交通大学出版社,1987. 276～282

收稿日期:1998-09-15.