涡流旋风粉煤燃烧器的温度场和速度场

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1992.04.018 第14卷第4期 北京科技大学学报 Vol.14No.4 1992年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ju1y1992 涡流旋风粉煤燃烧器的温度场和速度场 郭鸿志·苏秋生·郭加一·赵钰慧 摘要：分析了光旋凤粉煤燃烧器具有高捕渣华、高燃尽中，高容积热强度、，低污染等三 高一低旋风然烧的机理，介绍了燃烧器内粘流旋涡速度分布公式及2次风口后倾冷态试验测 定的速度场，并进行了热力计算。 关键词：粘流旋涡，速度场，热通金，理论燃烧温度，火始 Temperalure Field and Velecity Field of the Eddycrust Swirler Powder Coal Burner Guo Hongzhi Su Qiusheng' Guo Jiayi◆Zhao Yuhui' ABSTRACT:The machanism of whirl burning of the eddycrust swirler powder coal burner has been analysed.The coal burner has the advantage of the higher capture,higher carbon burnout,higher volume heat flux and lower pollution. The whirling velocity formulae of the viscosity eddy in the coal burner,the velocity distribution in the cold test under the condition of the secondary tu- yere notch leaning backward,the heating power calculating are also introduced, KEY WORDS:velecity field,viscosity eddy,thermal flux,theoretical burning temperature,flame 1991一12一30收稿 +国家自然科学基金资助项目 ·北京科技大学(University of Science of Technology Bcijing) ··新余钢铁总厂(Xinyu Stecl and Iron Total Works) 参加本工作的还有倪学梓，冯旭，王景甫，徐建石，张建国，邹展等同志 407

第月卷第 期 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 。 口 护 涡流旋风粉煤燃烧器的温度场和速度场 郭鸿志 ‘ 苏秋 生 ’ ‘ 郭加一 ‘ 赵 钮 慧 ‘ 摘 要 分 析 了祸壳旋风 粉 煤燃烧器 具有高捕渣率 、 高 燃 尽 率 、 商容 积热 强 度 、 低污 染等三 高一 低旋风 嫩烧的机 理 ， 介绍 了燃烧器 内粘 流 旋 涡速度分 布公 式及 次 风 口后倾 冷态试验 测 定 的速度场 ，并进行了热 力计算 。 关键词 粘 流 旋涡 ，速度 场 ， 热 通 量 ， 理论 嫩 烧温 度 ， 火 焰 ， ’ “ “ 君 告 奋 “ 夕 晰 曰户甲 。 五 ， ， 飞 五 ， ， 。 ， ， ， ， 一 一 收稿 十 国家 自然科学基金资 助项 目 北京科技大学 新余钢铁总厂 参加 本工作 的还有倪学梓 ， 冯 旭 ， 王 景甫 ， 徐 建石 ， 张 建 国 ， 邹 展等同志 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1992．04．018

我国能源开发和利用的重要战略决策是以煤代油。近年来我国正抓紧研制以煤代油的燃 烧装置。祸壳旋风粉煤燃烧器是一种新型的粉煤燃烧装置，具有捕渣率高、碳的燃尽率高、 燃烧热强度高、污染低等三高一低的优点，其特点是旋风燃烧、液态排渣。因此，这种新型 的燃烧器在电站锅炉、轧钢连续加热炉、锻造室状炉、圆筒火焰炉，以及其他连续运转的工 业炉窑中，有着广阔的应用前景。 1结构原理 涡壳旋风粉煤燃烧器之所以具有三高一低的优点，是由该种新型燃烧器的结构特点所决 定的（见图1）。燃烧器由内涡壳旋风煤粉喷头、 两级燃烧室、渣箱及喇叭形烧嘴砖等部分纽 成。工业性试验表明，煤粉喷头和烧嘴砖的设 计至关重要。祸壳式的喷头比圆筒式的更为合 理。其旋流数为： (R:-R)（R,+2 S1= abR2 (1) 10 式中：a一1次风口高度； 图1钻构示意图 b一1次风口宽度； 1.煤粉喷头：2.1次风口3，前室， 4.2次风口；5挡渣板；6。后室 R1一基圆半径； 7,3次风口；8。烧嘴砖，9。渣箱： R,一点火筒半径。 10,水冷壁。 煤粉喷头1次风口的a、b及与前室扩张段相连 Fig.1 The sketch of the structure of 部分的半径R2皆做成可调尺寸，1次风口高 the burner 度变化对旋流数S:影响不大，主要是为工业性试验时输送煤粉方便。点火筒的位置对S,有 明显影响，当全部拉出时，(1)式中R。=0,显然S:变化较大。对S:影响最为显著的是b与 R2,但调节1次风口宽度b比改变半径Rz更方便可行。圆筒形切向进风煤粉喷头旋流数S1 为： S=(R3-R)(R,-) abR2 (2) 若筒径与涡壳式的基圆相同，则旋流之比S·=S,/S!为： s-8 (3) 显然S·>1,涡壳式喷头的流线方程是： r=R,exp(Octga) (4) 这种喷头的阻力小，形成的空气动力场更为合理。其作用是保证迅速点火，实现稳定燃烧， 使燃烧室迅速形成高温。 408

我国能源开发和利 用的重要战略决策是以煤代油 。 近年来我国正抓紧研制以煤代 油 的燃 烧装置 。 涡 壳旋风粉煤燃烧器 是一种 新型 的粉煤燃烧装置 ， 具 有捕 渣率高 、 碳的 燃尽率高 、 燃烧热强 度 高 、 污染低等三高一低的优点 ， 其特点是旋 风燃烧 、 液态排渣 。 因此 ， 这种新型 的燃烧器在电站 锅炉 、 轧钢连 续加热炉 、 锻造室状炉 、 圆简火焰炉 ， 以及 其他连 续运转的工 业炉 窑 中 ， 有着广 阔的应用前景 。 结构原理 涡 壳旋 风粉煤燃烧器之所 以具有三 高一低的优点 ， 是 由该种 新 型燃烧器 的结 构特点所决 定的 见图 。 燃烧器 由内涡壳旋风煤粉喷头 、 两圾燃烧室 、 渣箱及 喇叭 形烧嘴砖 等 部 分 组 成 。 工业性试验表明 ， 煤粉喷头和烧嘴 砖的设 计至关重要 。 涡 壳式 的喷头 比 圆筒式的更为合 理 。 其旋流数为 二 一 ， 二 一 。 令 式 中 一 次 风 口 高度 一 次 风 口 宽度 一基圆半径 一点火筒半径 。 煤粉喷头 次风 口 的 、 及 与前室扩张段 相连 部分的半径 皆做成可调尺寸 ， 次风 口 高 图 结 构示 意图 煤 粉喷头 次风 口 前室 次风 口 挡渣板 后室 次风 口 ， 烧嘴砖 渣箱 水 冷璧 。 。 度变化 对旋流数 影 响不大 ， 主 要是为工业性试验时输送煤粉 方便 。 点 火筒的位置 对 有 明显影 响 ， 当全部拉 出时 ， 式 中 二 ， 显然 ，变化较 大 。 对 影响最为显著的是 与 ， 但调节 次 风 口 宽度 比改 变半径 更 方便可行 。 圆筒 形切向进风煤粉喷头旋 流 数 会 为 一竺些竺呈尘竺兰 若筒径 与涡壳式的基圆相 同 ， 则旋 流之 比 ’ 二 ， 了 为 一 一 一 显然 》 ， 涡壳式喷头 的流线 方程 是 刀 这种喷头 的阻 力小 ， 形成的空气动力场 更 为 合理 。 其作 用是保 证 迅速点火 ， 实现稳定燃烧 ， 使燃烧室迅速形成 高温

两级燃烧室分级燃烧可以提高捕渣率，降低NOx生成物。前室的空气系数为0.7~0.9。 还原性气氛不仅可以降低NOx的生成量，尚可降低灰渣熔点。灰渣各种成分在纯净状况下的熔 点大多非常高，如Si021625℃，A1203:2050℃，Ca0:2750℃，Fe203:1550℃。但还 原性气氛有利于Fe2O3热分解，超过1200℃以后，FezO,受热分解成FeO,而FeO能组成 多种低熔点共晶体，例知SiO2+AlzO3·2Si02+2Fe0.SiO2熔化温度为(1000~1100)℃， Ca0.Fe0+Ca0.AlzO3为1200℃，2Fe0.Si02+Fe0的为1175℃等r1。热力计算和热 态试验表明，燃烧室温度为(1650~1800)℃，能保证各种煤的灰渣良好熔化。 1次空气与煤粉的混合物自煤粉喷头喷出后，在喷口附近的回流区立即着火，并实现稳 定燃烧。煤粉在高温和加热速率快条件下，产生大量挥发物，挥发物在前室立即燃尽，形成 高温火焰，并使残余焦炭气化，使固态炭转变为气态，进一步燃烧。同时由于2次空气作螺 线旋祸运动，整个燃烧室空间充满火焰，从而提高了容积热强度和碳的燃尽率。由于前室空 气系数为0,7~0.9，仍有一部分CO和H2,以及细小颗粒的煤粉，它们遇3次空气后在炉膛 内燃烧。分级燃烧使N0x降低到(2.5~4.5)×10-2%。 煤粉及熔渣微粒在燃烧室内的运动方程是〔2)： p.7=0 (5) vp=up'v 根据定常及圆球绕流问题的轴对称性，在球坐标下由该方程解得作用于煤粉及熔渣微粒的斯 托克斯阻力D为： D=3muvd (6) 在高速旋转的1、2次风的惯性力及斯托克斯力的作用下，煤粉及熔渣微粒在燃烧室内螺旋 运动，气粒分离的临界粒径d。erit为： d明n=费R, (7) 式中，P,P分别为煤粉，熔渣微粒平均密度与空气密度，V:1,V分别为径向与切向速度。 当粒径d。大于其临界直径，即d,>d。ri:时煤粉及熔渣被甩到器壁着膜，煤粉在器壁继续 燃烧，而d。<d。eri的粉粒则在燃烧空间燃烧，相互碰撞集合，使当d。>d。crit时，又被 甩到器壁，在水冷壁上液化流出。煤粉在燃烧室内的燃烧为空间燃烧与壁面着膜燃烧两种方 式。 2流场图谱 流场结构与特点是研制涡壳旋风粉煤燃烧器的重要依据。粘涡理论比势流理论更符合实 际，对设计新型燃烧器更有指导意义。 切向进入的气流在燃烧器内形成旋转射流。流场的运动方程为： D DE-+ (8) 409

两级燃烧室分 级燃烧 可以提 高捕渣率 ， 降 低 ， 生成物 。 前 室 的空气系数为。 。 一 。 还原性 气氛不仅可以降低 的生成量 ， 尚可降低灰渣熔点 。 灰渣各种 成分在纯净状况下 的熔 点大多非常高 ， 如 ， ， ℃ ， ℃ 。 但还 原性气氛 有利于 ， 热分解 ， 超过 ℃ 以后 ， 受热分解成 ， 而 能组成 多种低熔点共晶体 ， 例 如 一 一 熔化温度为 一 ， ， · · 为 ， · 的为 ℃ 等 〔 ‘ ’ 。 热力计算 和 热 态 试验表明 ， 燃烧室温度为 ℃ ， 能保 证各种煤的灰渣良好熔化 。 次空气与煤粉 的混 合物 自煤粉喷头喷 出后 ， 在喷 口附近的回流 区立 即着火 ， 并 实现稳 定燃烧 。 煤粉在高温和加热速率快条件下 ， 产生大量挥发 物 ， 挥发 物在前 室立即 燃尽 ， 形成 高温火焰 ， 并使残余焦炭气化 ， 使固态炭转变为气态 ， 进 一步燃烧 。 同时 由于 次 空气作 螺 线 旋涡运动 ， 整个燃烧室空间充满火焰 ， 从而提 高 了容积 热强度和碳的燃尽 率 。 由于前室 空 气系数为。 。 。 ， 仍有一部分 和 ， 以及 细小颗粒 的煤粉 ， 它们遇 次空气后在炉 膛 内燃烧 。 分级燃烧使 降低到 一 “ 。 煤粉及熔渣微粒在燃烧室 内的运动 方程 是 〔 “ ’ 代知 犷 二 二 产 犷 根据定常及 圆球绕流问题的轴对称性 ， 在球坐标 下 由该方程解 得作 用于煤粉及 熔渣微粒的斯 托克斯阻 力刀为 万声犷。 在高速旋转的 、 次 风的惯性 力及斯 托克斯 力的 作用下 ， 煤粉及熔渣微粒在燃烧室 内螺旋 运动 ， 气粒分离 的临界粒径 ， 。 、 、 为 芦 犷 一 。 石 。 · “ 石丁不 杯万几 ‘ 式 中 ， ， ， 分别 为煤粉 ， 熔渣微粒平均密度与空 气密度 ， 犷 ， 犷 。 分别为径 向与 切向速度 。 当粒径 ， 大于其临界直径 ， 即 ， 。 ， 、 时煤粉及熔渣被甩到器 壁着膜 ， 媒粉 在器壁 继 续 燃烧 ， 而 。 。 ， 、 的粉粒 则在燃烧空 间燃烧 ， 相互碰撞集合 ， 使当 。 。 时 ， 又 被 甩到 器壁 ， 在水 冷壁上液化流 出 。 煤粉 在燃烧室 内的燃烧为空 间燃烧与壁 面着膜燃烧两种 方 式 。 流场图谱 流场 结 构与特点是研制祸壳旋风粉煤 燃烧器的重要依据 。 粘 涡理论 比势流理论更符合实 际 ， 对设 计新型燃烧器更有指导意义 。 切向进入的气流在燃烧器 内形成旋转射流 。 流场的运动方程为 弓卜 犷 一》 二 户 · 〔 下 〕

根据本构方程，对(8)式两边取旋度，得： +px(店x-px方-px(ho） +p×〔p(apF)+p×{日p…2uce)〕 (9) 若质量力有势，流体为不可压缩粘性流体，则(9)式化为： D星-p)广=v写 (10) 在该燃烧器内采用极坐标形式经化简有： 游() (11) 方程的解涡量5与切向速度V,分别为)： 5=e即(-） (12) ,=1-e0(-2) (13) 图2实线为根据(13)式绘制的粘流旋涡切线速度分布，I区为祸核，I区为粘涡。图2 中虚线为根据势流理论绘制的切线速度分布，两区交界处速度最大。用传统的势流理论 进行分析显然与实际不符，而粘流理论的分析结果与试验相符，涡壳旋风粉煤燃烧器中3个方 向的速度水平，以切向速度”，为最大，轴向速度r次之，径向速度V,最小，且可认为Ψ，《 V,《V,c3。因此，在分析切向速度V,的分布时可不计V,及V,对它的影响。 了试验结果 1.0 3.1轴向速度分布 图3为2次风口后倾时冷态试验轴向速度飞0,5 e 分布4)。由图3可见，燃烧器内有4个回流 区。前区1次风口附近的中心回流区对粉煤迅 速着火和火焰稳定起着重要作用。后区中心回 流区对提高燃烧室温度，强化燃烧过程是有益 的，环形回流区有利于煤粉高速气化燃烧。 图2粘流旋祸的切线速度分布 Fig.2 Distribution of tangentical 3.2切向速度分布 velocity of the viscosity 图4为2次风口后倾时冷态试验切向速度分布〔4)。试验结果表明，燃烧室内最大切向 速度较最大轴向速度几乎大一个数量级3,4)，因此煤粉颗粒分离效果好，煤粉在燃烧室内 410

根据本构方程 ， 对 式两边取旋度 ， 得 。 了 。 火 亨 二 子 一 。 又 粤 。 。 、 户矛 户 〔告 。 · 杯 〕 。 告 。 · 〔 。 〕 〕 。 若质量力有势 ， 流体为 不可压缩粘性流 体 ， 则 式化为 一 替 一 乙 厂一 扩 在 该燃烧器 内采 用极坐标形式经化简有 砖 ， 古 、 玉汀 二 一不 万 、 丽 方程 的解涡量考与切 向速度犷 分别为 〔 艺 ’ 尸 、 了 匕 、 一 万可 一 犷 ， 二 。 汀 〔 一 一 〕 图 实线为根据 式绘制 的粘流旋 祸切线速度分布 ， 区为 祸核 ， 区为粘涡 。 图 中虚线 为根据势流理论绘制的切线速度分布 ， 两区交界处速度犷， 最大 。 用传统的势 流 理 论 进行分析显然与实际不符 ， 而粘流理 论的分析结果与试验相符 。 涡壳 旋风粉煤 燃烧器 中 个 方 向 的速度水平 ， 以切 向速度犷 。 为 最大 ， 轴向速度犷 二 次之 ， 径 向速度犷 最小 ， 且 可 认 为犷 ， 《 二 《 犷 ‘ “ ’ 。 因此 ， 在分析切 向速度 ，的分布 时可不计 ， 及 犷 二 对它 的影 响 。 试 验 结 果 轴向速度分布 图 为 次风 口 后 倾时冷态试验轴向速度 蜚 。 一 一 ， ， ， 一 ’ 一 、 ” 一 ’ ‘ 尸 ， ， 汽 ” 诩 ‘ 、 、 、 分布 〔 ‘ ’ 。 由图 可见 ， 燃烧器 内有 个回流 罗 区 。 前 区 次 风 口 附 近 的 中心 回流区对粉煤迅 速着火和火焰稳定起 着重要作用 。 后区 中心回 流区对提 高燃烧室温度 ， 强 化燃烧过程是 有益 的 ， 环 形回流 区有利于煤粉高速气化燃烧 。 货乓 了 ‘ 一 江 图 粘 流旋涡的切线速度分布 切 向速度分布 图 为 次风 口 后倾时冷态 试验切 向速度分布 ， 速度较 最大轴向速度几乎大一个数量级 〔 “ ， ‘ ， 〔 ， 。 试验结果表 明 ， 燃烧室内最 大 切 向 因此煤粉 颖粒分离效果好 ， 煤粉 在燃烧 室 内

停留时间大大延长，从而达到高燃尽率和高捕渣率。图4与图2是一致的。实验表明，祸粒 半径r:靠近壁面，涡核内切线速度几乎呈线性变化，但在r。:附近，沿r缓和变化，而不像 图2中虚线所示，在r,圆周上有个“突变”，理吃和试验都证明了分析液排渣燃烧器不位 使用势流理论，而必须用粘流理论。 4.5678910 图3轴向速度分布 图上切向速度分布 Fig,3 distribution of the axial Fig.Distribution of the tangentical velocity velocity 4 热力计算 燃烧器内液排渣能否顺利进行，重要条件之一是高温难熔的灰渣得以熔化，为此必须进 行热力计算。下面仅举其中一例。 (1)理论燃烧温度 1rQV.+Q。 a=(1-)C,e7,B+0 (14) 式中B一252kgh,每小时燃煤量； Q一5.272×10kJ/h,燃烧器能力： ?r一燃烧效率，”一未燃尽损失； V。一实际燃烧产物量。 计算得理论燃烧温度t:h=2145℃c53。 (2)热流量9及火焰平均温度tm灰渣热流基本方程为： iwondw 2x岔+ x+ysing=0 (15) 4 =4,”p(） (16) 求解灰渣层厚度X后，则可决定热流量9为： g=-(t.-tg)√m+1D(m+2)(m+3》 2y (t.-t)".sinB iyL =c〔(）‘-(）) (17) 式中：2一灰渣导热系数影 。一灰渣熔化温度； t,tm一炉壁平均温度，火焰平均温度； Y。一灰渣积灰强度； 411

停留时间大大延长 ， 从而达 到 高燃尽率和高捕渣率 。 图 与图 是 一致 的 。 实验 表 明 ， 涡粒 半 径 。 ‘ ，靠近壁 面 ， 涡 核 内切 线速度几乎呈线性 变 化 ， 但 在 。 ‘ ，附近 ， 沿 缓和变化 ， 而 不像 图 中虚线所示 ， 在 ‘ ， ， 圆周 上有个 “ 突变 ” ， 理 论和试验都证 明 了分析液排渣燃烧器不应 使 用势流 理 论 ， 而 必须 用 粘流理 论 。 角节 又 多 石 扭 图 轴 向速度 分 布 图 切 向速度分布 王 热 力 计 算 燃烧器 内液排渣能否顺 利进行 ， 重 要 条件之 一是 高温难熔的灰渣得以熔化 ， 为 此必须进 行热力计算 。 下 面仅举其 中一 例 。 理论燃烧温度 刀 犷 。 一 刀二 犷 。 式 一 ， 每小时燃煤量 一 。 “ ， 燃烧器 能 力 叩 一燃烧效率 物一未燃尽损 失 犷二 一实际燃烧产物量 。 计算得理论燃烧温度 。 、 ℃ 〔 。 ， 热流量 及火焰 平均温度几 灰渣热流基本 方程 为 功 呀二二万万， 乙弄 一 器 · 劣 · ‘ 刀“ 孕二 粉 。 一 ” 子、 劣 求解灰渣层厚度 后 ， 则可决定热流 量 为 。 二 一 “ ， ‘ 。 一 ‘ 丫 一 “ 一 吞 邢 拼 专 夕 、产、， 、 〔 孺 了兰〔 式 中 几 ，一灰渣 导热系数 ， 一炉壁平均温度 ， 火焰平均温度 二 一灰渣熔化温度 夕一灰渣积灰强 度