双调风旋流生物质燃烧机出口流场的数值仿真研究
以某电厂600 MW机组锅炉的单个DRB-42型双调风旋流生物质燃烧机为例，通过CFX软件模拟研究一次风速、外二次风叶片角度对燃烧器出口流场的影响。结果表明：适当减小一次风速可增大回流区，有利于煤粉的着火，但过低的一次风速会使一、二次风的后期混合变弱，不利于煤粉的稳定着火；随外二次风叶片角度的增大，火炬长度明显增大，推迟了外二次风与一次风的混合，降低了着火稳定性，同时易引起燃烧器对面水冷壁的结渣；随外二次风叶片角度的减小，旋流强度增大，煤粉气流的最大轴向速度和最大切向速度的衰减加快；当外二次风叶片角度过小时，较大的旋流强度使火焰尾部形成开放式气流同时在尾部中心出现回流区，将降低燃烧器的使用寿命并对着火稳定性产生不利影响。旋流燃烧器利用旋流热流形成有利于着火的高温
烟气回流区，使气流强烈混合，强化了煤粉的着火和燃烧。目前，我国引进的300 MW及以上容量机组锅炉大多采用双调风旋流燃烧器口]。旋流燃烧器的燃烧效果很大程度上取决于炉内空气动力场，而炉内空气动力场的研究主要依靠实际锅炉的冷态试验。近十多年来，炉内空气动力场理论的形成和计算机技术以及计方法的迅速发展使炉内流场的数值求解成为可能口1]。
本文以某电厂600 MW机组锅炉的DRB-42型双调风旋流燃烧器为例，采用CFX软件对单个旋流燃烧器进行数值模拟，研究一次风速和外二次风叶片角度对燃烧器出口流场、回流区的位置和大小、速度的衰减以及射流扩张角等的影响。
1 DRB-42型生物质燃烧机
DRB-42型双调风旋流燃烧器为美国B＆．W公司2000年开发的第3代低NO，旋流煤粉燃烧器，其结构如图1所示。该燃烧器的主要特点是将二次风由3个通道送入炉膛，由内向外依次为过渡二次风、内二次风和外二次风；内、外二次风通道均装有轴向可动叶片，使内、外二次风旋转；过渡二次风为直流风，进入炉膛后在富燃料火焰燃烧区和内二次风射流间形成过渡区，起缓冲作用，从而推迟内二次风与着火后煤粉气流的混含，使配风后移，强化空气分级，增强了煤粉气流卷吸火焰核心区高温烟气的作用，达到稳燃的目的；过渡二次风射流可将火焰区外侧的可燃气体引向火焰中心，降低火焰外侧富氧区域NO，的生成量。一次风管内壁加装用以优化煤粉气流流场的导向器，以改善一次风出口的煤粉分布，并适当阻挡煤粉过快地向外扩散，导向器后装设均流装置，以使周向的煤粉浓度均匀。与第2代低NO，旋流煤粉燃烧机相比，该燃烧机可大幅降低NO，的生成量。
2 物理模型与数学模型
图lDRB-42型双调风旋流燃烧器结构示意
计算域为单个旋流燃烧日附近的区域，大致为2个燃烧器之间的水冷壁和炉膛。采用结构化网格划分，总网格数为67万左右（图2）。
采用数值计算的方法对旋流燃烧器内气体的流动过程进行模拟‘朝，须建立湍流气相流动模型。本文按不可压稳态流动计算，各控制方程的一般形式描述为：
3 计算工况
根据锅炉实际工况下的一次风速、过渡二次风速、内二次风速和外二次风速，按照等温模化原理，计算6个工况下模化的一、二次风速，结果如表1所示。
4 结果与分析
4.1 计算模型准确性验证
利用热线风速仪分别测量了冷态动力场基础工况下一次风、过渡风、内二次风及外二次风通道出口处的轴向速度和切向速度，并通过飘带观察燃烧器的回流医和气流扩展角，将试验结果与基础工况的数值模拟结果进行比较（图3）。图3数值计算结果与现场试验结果比较
由图3可见，数值计算结果与现场冷态动力场试验测量结果基本吻合，回流区大小、形状以及气流扩展角的大小基本相同，表明本文建立的燃烧器模型可较准确地模拟现场冷态动力场。
4.2一次风速对燃烧机出口流场的影响
工况1、2、3是在保证基础工况其它参数不变的前提下仅改变一次风速的大小。图4为3种工况下燃烧器出口的流场分布。可见，随一次风速的增大，出口回流区变短，回流区直径变小，射流扩展角减小，表明适当减小一次风速可增大回流区，有利于煤粉的着火。当一次风速为13 m/s时，燃烧器出口沿轴向出现了3个回流区，说明较小的一次风速导致气流刚性过小，使得一、二次风的后期混合变弱，这一点从图5也可看出。
燃烧器出口煤粉气流最大轴向速度的衰减曲线。可见，随一次风速的增大，最大轴向速度衰减变慢；当一次风速过小时，火焰尾部过大的烟气回流量会稀释着火区域的氧浓度，不利于煤粉的稳定着火。因此，对于特定的锅炉存在一个最佳一次风速。
4.3 外二次风叶片角度对燃烧器出口流场的影响工况1、4、5、6是在保证基础工况其它参数不变的前提下仅改变外二次风旋流叶片的角度。图6为4种工况下燃烧器出口的流场分布。
随外二次风叶片角度的增大，回流区有拉长的趋势，但回流直径几乎不变。当外二次风叶片角度由60。逐渐增大到70。、75。时，火焰中心长度增加，推迟了外二次风与一次风的混合，因此在下游不能及时提供燃烧后期所需氧量，降低了着火的稳定性。同时，较长的火炬长度很可能引起燃烧器对面水冷壁结渣。当外二次风叶片角度由60。减小到40。时，在火焰尾部形成了开放式气流，燃烧产生的烟气逼近燃烧器壁面，增加了壁面耐火材料的热负荷，可能会降低燃烧器的使用寿命。另外，在尾部中心出现了回流区，卷吸的烟气会降低一次风中煤粉的浓度和火焰温度，对着火稳定性产生不利影响。
图7、图8分别为不同的外二次风叶片角度下最大轴向速度与最大切向速度的衰减曲线。可以看出，旋流叶片角度越小，即旋流强度越大，最大轴向速度和最大切向速度衰减越快。
5 结 论
(1)适当减小一次风速可增大回沆区，有利于煤粉的着火。但是，过低的一次风速会使一、二次风的后期混合减弱，不利于煤粉的稳定着火。因此，对于特定的锅炉存在1个最佳一次风速。
(2)随外二次风叶片角度的增大，回流区有拉长的趋势，但回流直径几乎不变。当外二次风叶片角度由60。逐渐增大到70。、75。时，火焰中心长度明显增大，推迟了外二次风与一次风的混合，降低了着火稳定性，同时可能引起燃烧器对面水冷壁的结渣。随外二次风叶片角度减小，旋流强度增大，最大轴向速度和最大切向速度的衰减加快。当外二次风叶片角度较小时，较大的旋流强度会使火焰尾部形成开放式气流，燃气逼近燃烧器壁面，降低燃烧器使用寿命。
(3)火焰长度和燃烧器出口流场不仅受直流一次风速的影响，还受到二次风旋流强度的影响。因此，在实际中应选择合适的风速和旋流强度，以实现燃烧器的最优运行。
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