煤粉炉再燃喷口流场冷态实验研究

【摘 要】以某100t/h锅炉为原型搭建冷态实验台，研究再燃燃烧器喷口流场特性及其对炉内上升气流覆盖效果的影响，并采用标准k-ε湍流模型对其进行数值模拟。结果表明：再燃区采用八个喷口比四个喷口更能使炉膛内气流充满度强，再燃气流对炉膛内上升气流覆盖效果更好；在各喷口气流速度不变的工况下，炉膛四角入射角为14.17°、侧墙中心处入射角为84.57°再燃气流对上二次风的覆盖效果最好；在保持该入射角度不变的情况下，四角再燃气流速度为50m/s，侧墙中心处再燃气流速度为50m/s时（工况3），再燃气流对上二次风的覆盖效果最好。

【关键词】煤粉炉；再燃喷口；冷态流场；数值模拟

再燃是一种很有前途的脱氮方法[1]，因其投运成本低、脱氮效率高等优点而受到广泛重视。天然气由于本身不含氮、灰和硫，且能比其它燃料产生更多的烃根，被认为是最理想、使用最为广泛的再燃燃料。近年来许多国家都对天然气再燃降低NOx机理的研究发现，再燃燃料中含氮组分HCN对再燃过程有着重要的影响。Patry和Engel[2]在研究氮氧化物和甲烷的反应后认为其生成产物为HCN、水和氢气，发现约有70%的NOx在相对短的时间内实现了转化。该项技术的关键之一是再燃气体燃料与炉内烟气的混合特性[3]，所以，研究再燃喷口射流流场特性对探讨炉内气体混合特点、及其对降低NOx的影响有重要意义。

本文考虑到仅由炉膛四角射入的天然气与炉内烟气混合程度较差，降低再燃还原NOx的效果，因此，设计时在四侧炉墙中心处各增加一个再燃喷口以提高再燃气体在炉内的充满度，实现再燃区八点喷射，达到有效降低NOx的目的。文中采用相似模化理论用速度表征浓度，将两相流处理为单相流体，通过数值模拟与冷态实验研究的方法，研究再燃区喷口数目、气流入射角度，再燃气流速度等对炉内流场影响，为优化天然气再燃技术及工程应用提供参考。

1 实验介绍

1.1 实验装置

以某100t/h锅炉为原型，根据1：5的比例搭建冷态实验台，实验系统由三部分组成：锅炉炉膛，燃烧器组件和送风管路。整个炉膛用有机玻璃制造，燃烧器组件由下至上依次为下一次风喷口、下二次风喷口、上一次喷口、上二次风喷口、再燃气体喷口和燃尽风喷口，再燃区八个喷口在炉膛同一截面上分布示意图如图1所示。本实验的工质为空气，测量仪器为热球风速仪，实验中测试区及炉膛一角测点坐标布置如图2所示：x轴为以喷口中心为原点的气流轴线；y轴为沿燃烧器喷口的水平轴线；O点为燃烧器喷口中心。

1.2 实验参数

根据相似理论，选择锅炉实际运行参数进行冷态模化计算，可得到冷态实验再燃各喷口出口风速，冷态实验参数与实际运行参数对照表如表1所示。

根据研究内容，本实验安排了6种工况进行测试，各工况冷态实验参数如表2所示。

2 实验与数值计算理论基础

2.1 实验原理

根据相似模化理论，冷态实验必须遵循以下原则[4]：（1）模型与实物保持几何相似；（2）模型与实物在对应的工况下，保证气流运动状态进入自模化区；（3）模型与实物的各股气流动量比相等。

由于模型与实物的一二次风动量比相等[[5-6]，即：

根据实物不同喷口的运行参数，可得到冷态模型的各喷口参数。

2.2 数值计算数学模型

锅炉内的气体流动是一种三维湍流流动，大量的研究表明，采用标准k-ω双方程模型具有较好的适应性。在三维直角坐标系中，根据Navier-Stokes方程，可得到气相湍流控制方程组，其通用形式为[7]：

入口边界条件：一次风V1=11.4m/s，二次风V2=22.6m/s，再燃风V3=51m/s，燃尽风V4=29m/s；出口边界条件：炉膛出口负压取运行值-50Pa；壁面边界条件：无速度滑移和无质量渗透条件。其中，边界上的湍动能k=■I■■，湍动能耗散率ε=0.093/4■，湍流强度I=0.16Re-1/8，湍流长度尺寸l=0.007L。

本次冷态锅炉数值模拟采用SIMPLE算法对各个变量的方程组进行迭代求解[8]，SIMPLE算法是一种求解压力耦合方程组的半隐式方法，主要用于不可压缩流场的数值模拟计算。SIMPLE算法主要利用“猜测-修正”的方法，在交错网格的基础上来计算压力场，从而达到求解动量方程的目的。

3 结果分析

实验测量了6种工况下，炉膛四角处再燃喷口和上二次风喷口截面上5组无量纲距离X/b（X/b=1，2.5，5， 7.5，10，喷口的宽度b为2cm）测点上的风速，在每组X/b测点上，在喷口中心左右侧每隔2cm进行速度测量，将测量的结果与数值模拟的结果进行对比，本文重点分析炉膛中心处（X/b=7.5，10）流场分布情况。

3.1 再燃喷口数目对再燃气流覆盖效果的影响

大量研究表明沿炉膛水平截面，炉内气流浓度剖面分布同速度剖面分布将存在相似性[9]，因此本次实验中可以用速度的分布来表征浓度的分布[10]。

工况1与工况2中再燃气流高速喷入炉膛，在喷口前端（X/b=1，2.5，5），由于风速大，气流刚性强，再燃气流与上二次风的速度中心轴线大致重合，再燃气流速度在-2

由图3（a）可知，当气流接近炉膛中心处（X/b=7.5）时，工况1由于再燃气流速率出现衰减，再燃气流在炉内旋转气流冲击下向锅炉炉墙一侧偏斜[11]，其速度最大值出现在Y/b=1附近；相比于工况2的气流偏斜率要小。由图3（b）可知，工况1再燃气流的最大值为13.1m/s，不能明显高于上二次风速，表示该处再燃气流覆盖效果较差。而在工况2中，由于锅炉四侧墙中心处增设了再燃喷口，通过周围气流的卷吸作用，从而保证了四角侧再燃风有足够大的动量，能够射入炉膛旋转气流中心，对上二次风的覆盖率更高。

3.2 侧墙中心处再燃气流入射角度对覆盖效果的影响

对于燃煤锅炉，切圆直径是炉内气流流动状态的重要特征[8]，理想的炉内气流流动状态是在炉膛中心形成合适的圆形旋转火焰[12-13]。

在保证再燃风速及上二次风速不变的情况下，改变侧墙中心处再燃气流入射角度，由90°逐渐调整至74.57°，由图4（a）可以看出，在远离喷口的位置（x/b=7.5）处，随着入射角度的降低，工况2，3，4的再燃气流中心处最大速度点分别出现在y/b=0.5，1，1.5左右，该现象表明在不同的入射角度下，由于四侧墙中心处再燃气流与四角侧的再燃气流混合强度不同，从而引起四角侧再燃气流偏斜率的差异，最终形成不同直径的切圆。

工况4再燃气流中心处最大速度点出现在y/b=1.5，再燃气流偏斜率最大，在炉内形成较大的切圆，切圆直径过大，使再燃气流容易贴墙，在实际运行中易造成水冷壁的结渣[14]。

根据图4（b）可知，工况2，3中再燃气流速度在-2

3.3 侧墙中心处再燃气流速度对覆盖效果的影响

通过研究侧墙中心处再燃喷口不同的入射角度对炉内再燃气流覆盖效果的影响发现，当四角侧再燃气流入射角度为41.17°，四墙侧再燃气流入射角度为84.57°时，再燃气流能很好的覆盖上二次风射流。在该入射角度不变的前提下，改变其入射气流速度，其结果如下。

由图5可知，工况5下，四角再燃喷口（X/b=1，2.5，5））气流高速喷入炉膛，刚性较强，计算值与模拟值吻合度较好，但是由于侧墙中心处再燃气流以84.57°射入炉膛，对四角侧再燃气流产生了一个横向推动力，两股气流相互卷吸，抵消了部分动量，故四角再燃气流沿着喷口轴线衰减速度加快，在炉膛中间区域（x/b=7.5，10），再燃气流速度无法完全明显的高于上二次风气流流速，在实际运行时，炉膛的高温火焰处NOX生成含量相对较高，如果再燃气流在该区域无法完全包围住炉膛内旋转气流，容易造成脱硝效率的下降。

工况3下，在喷口出口处（x/b=1，2.5，5）四角再燃气流与上二次风气流的最高速度中轴线大致保持吻合，并且在-2

在工况6下，由于侧墙中心处再燃气流风速大，刚性强，在沿着喷口轴线上对四角再燃气流产生了剧烈的冲击作用，虽然在此工况下，四角侧再燃气流在-2

4 结论

（1）天然气再燃技术中，再燃燃烧器采用分别在炉膛四角和侧墙中心处布置八个喷口比仅在炉膛四角布置四个喷口的降低NOx效果好，八点喷射的再燃气流对炉内上升气流覆盖效果更好，有利于脱硝效率的提高；

（2）再燃燃烧器采用八个喷口时，再燃气流入射角度对于炉内上升气流的覆盖效果有较大的影响，其中，在各喷口再燃气流速度不变的情况下，炉膛四角气流以41.17°射入，侧墙中心处气流以84.57°射入，再燃气流对上二次风的覆盖效果最好。

（3）再燃气流速度的大小对降低NOx也有一定的影响，在保持四角喷口入射角为41.17°、侧墙喷口入射角为84.57不变的情况下，四角侧再燃气流速度为51m/s、四侧墙中心处再燃气流速度为51m/s时，再燃气流对上二次风的覆盖效果最好。

【参考文献】

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[4]李之光.相似与模化[M].北京：国防工业出版社，1982.

[5]岑可法.锅炉燃烧试验研究方法及测量技术[M].水利电力出版社，1987.

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[7]陶文铨.数值传热学.2版[M].西安：西安交通大学出版社，2001.

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[责任编辑：汤静]

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