1　引言

　　在煤粉锅炉燃烧过程中，燃烧器占有极为重要的地位。旋流燃烧器具有对周围介质高的卷吸
率，在出口处能快速混合的特点，有利于缩短火焰长度；气流的强烈旋转形成回流区，提高了火焰稳定性；旋转射流较直流射流的射程短，这就减少了火焰碰撞冲刷炉膛水冷壁的机会，炉墙的结渣及腐蚀易于控制，延长了锅炉寿命等优点而在国内外得到广泛的应用^［1］。
　　　　近年来随着我国电力事业的发展，电力工业对煤粉燃烧器提出了新的要求，即：高燃烧效率，低负荷稳燃及煤种的适应性，低污染，防结渣，防高温腐蚀。这就对煤粉燃烧器的设计提出了新的要求。在总结国内外技术的基础上，哈尔滨工业大学开发出了径向浓淡旋流煤粉燃烧器^［2］，它是一种具有明确浓淡分离分流、分级燃烧概念的新型燃烧器，其射流过程是自内向外依次为浓一次风、淡一次风、旋流二次风和直流二次风。在一次风管中装有浓缩器将一次风粉分离成浓淡两股，靠近中心风管为浓煤粉气流，其相邻外侧为淡煤粉气流，二次风分为直流和旋流两部分；在每一风口有适当角度的扩口与之相配合，因此新型燃烧器将浓淡燃烧与分级燃烧有机的结合为一体。
　　由于在各喷口均有扩口，燃烧器扩口的结构不仅影响着气相流动特性而且对煤粉流动特性也将产生影响^［3］。由图1可见淡一次风扩口位于淡一次风和旋流二次风之间，因此它对二次风出口的流动方向、出口风速、一次风与二次风的混合均有一定的影响。本文对不同淡一次风扩口角度的情况下燃烧器出口的气固流动特性进行了研究，为工业应用提供依据。

图1　燃烧器扩口示意图
Fig.1　Diagram of swirl burner outlets

2　试验系统及测试方法

　　试验系统如图2所示，包括试验段、供风、送粉、粉尘收集、PDA测试系统。试验段是一沿射流(轴向)流动方向高为2m，内径为700mm的圆柱形筒体。燃烧器模型安装在筒体上部中心位置。

图2　试验系统图
Fig.2　Test system

　　测试系统采用DANTEC(丹迪)公司生产的二维激光粒子动态分析仪(DualPDA)，它是一种非接触的测试方式，既不影响流场也不影响粒子，是当今测量颗粒动态特性的最先进的工具之一。它可以在不干扰流场的情况下，同时采集气固两相速度和颗粒粒径信号，进而可以分析出时间、空间内的颗粒浓度分布、两相滑移速度、各种脉动指数和湍动能分布等。整个测试系统由5W氩离子激光器、发射器、信号处理器、光学镜头、计算机、远控坐标架等组成。接收方式采用前向30°折射模式。
　　试验用示踪粒子为玻璃微珠，球形度在85%以上，平均粒径为45μm，其真实密度为2500kg/m³，与煤粉特性接近，可以较好的满足实时性和可靠性的要求。试验过程中监视燃烧器出口处的平均粒径，若粒径变化较大，即加入新的玻璃微珠，淘汰旧的玻璃微珠，从而保持进入燃烧器的玻璃微珠粒径分布稳定。
　　燃烧器模型与原型之间按相似准则以1∶6制成,一次风为直流,旋流二次风旋流器为轴向弯曲叶片。在试验中保持燃烧器进入自模化区，燃烧器模型与原型的动量比相等。每个工况沿射流流动方向(轴向)取六个测量截面(x/d＝0.11，0.28，0.51，1，2.03，3.05，x为测量截面距喷口距离，mm，d为燃烧器喷口外径d＝177mm),在轴线附近测点加密。每个截面沿直径方向取40～45个测点，每个测点采样为1000个数据点。

3　试验结果分析

　　在燃烧器其它结构尺寸不变，淡一次风扩口角度α_d分别取为10°、22.5°、30°的情况下，对燃烧器出口流场进行了测量。在分析结果时，气相采用粒径为0～10μm的颗粒作为示踪粒子，颗粒相采用粒径为10～100μm的颗粒作为示踪粒子。其中R为测点距筒壁的距离，mm，坐标原点为筒体边壁。需要说明的是，由于测点较密工况22.5°图中未给出。
　　图3为气相轴向平均速度分布图。由图可见随着淡一次风扩口扩角α_d的增大，轴向速度的峰值沿半径方向向外围移动，峰值略有减小，且随射流的发展衰减很快。这表明随α_d的增大，其扩展作用加强，射流的混合强度相应加强，致使射流衰减加快，从而使旋转气流的轴向速度减小；另外由于α_d增大，射流的扩展角增大，射流的横截面相应的增大，也导致轴向速度降低。
　　图4、5分别为回流区相对直径、射流扩展角随α_d的变化趋势，其中D为回流区直径，mm，L为射流边界距射流中心的距离，mm。此处射流扩展角是将轴向速度沿径向衰减为该断面处最大速度的1/2倍位置处作为射流边界而得到的扩展角，称为半速扩展角α_1/2。由图可见回流区直径随扩口扩角α_d的增大而增大，射流扩展角也有相同趋势。这是由于淡一次风扩口的存在，对旋流二次风有导流作用，α_d的增大，迫使旋流二次风沿径向向外扩展，气流径向动量增大，使射流的回流区和扩展角增大；二次风的向外扩展也降低了对一次风的约束作用，使一次风向外膨胀，造成中心区域负压增大；同时α_d的增大，使淡一次风喷口面积增大，一次风速度相应的减小，较小的一次风速也是增大回流区直径和射流扩展角的有利因素。回流区尺寸的增大也使得回流量相应的增大，这有利于强化煤粉的燃烧。另外，文［4］在单相试验台上曾就淡一次风扩口的阻力特性进行过研究，结果表明α_d的增大，会增大对二次风的阻碍作用，从而增大二次风的阻力系数。
　　湍动能代表气流脉动的强度。从气相湍动能分布图(图6)上可以看出，回流区内湍动能小，脉动强度较弱；回流区边界和旋流二次风主流区内由于存在较大的速度剪切层，湍动能大，脉动强度高。由于气流的扩展和湍流输运作用，湍流脉动的水平不断衰减，射流后期湍动能趋于平缓。在截面x/d＝0.11～0.51之间，与10°扩口相比，30°扩口在回流区附近有更大的湍动能， 这表明α_d的增大，加大了一、二次风之间的速度梯度和对气流的扰动，使气流的湍流能量水平大幅度提高。湍流能量的提高能加强气流之间动量和质量的交换，有利于提高燃烧反应速度，并增加火焰传播速度，有利于煤粉的着火和燃烧。

图3　不同淡一次风扩口扩角下气相轴向平均速度(m*s^－1)
Fig.3　Axial mean velocity of air at different lean primary air outlet angle

图4　α_d对回流区直径的影响
Fig.4　Effects of lean primary air outlet angle
on the diameter of recirculation zone

图5　射流半扩展角受α_d的影响
Fig.5　Effects of lean primary air outlet angle
on the half expanding angle of jet

　　颗粒粒径为颗粒直径大小按个数平均的平均直径d₁₀。从图7的颗粒粒径分布图上可见，粒径分布的规律相同。由于一次风为直流，因而颗粒保持直流流动的特点，较大的颗粒由于惯性而继续前进，较小的颗粒受气流的影响易扩散至二次风和中心回流区中。因此，在x/d＝0.11～0.51的区域中，中心回流区和边壁附近颗粒平均粒径较小，回流区外颗粒粒径较大。随着射流的发展，颗粒逐渐混合均匀，使得以后各截面的颗粒平均粒径趋于均匀分布。
　　颗粒浓度取为颗粒相对数密度C/C_max(颗粒数密度为单位体积内的颗粒数，C为每一测点的颗粒数密度，C_max为该截面颗粒数密度最大值)。由图8可以看出，在每一个截面均由一个浓度的峰值，即在回流区附近存在一个较大的颗粒浓度梯度。相对于30°扩口的颗粒浓度分布，10°扩口的颗粒浓度的峰值更靠近中心回流区，在x/d＝0.11～0.51截面之间，其边壁附近的颗粒浓度也较低，这是由于10°扩口对一次风的约束作用较强，阻碍了一次风沿径向的膨胀，使得一次风向外扩散的速率较慢，更多的颗粒停留在中心区域，使得该区域颗粒浓度较高，在x/d＝1以后，随着射流的发展颗粒才扩散开来。对于α_d＝30°扩口，由于扩口对一次风的导流作用较大 ，引起了一次风的向外膨胀，使得靠近高温回流区处煤粉浓度的降低，不利于形成有利于火焰稳定的高温、高浓度区域，将影响煤粉的着火和稳燃。因此，从燃烧的角度来看的，α_d选取不易过大。较小的α_d，有利于保持一次风中较高的煤粉浓度，发挥高浓度煤粉良好的着火特性，使煤粉气流着火提前，提高燃烧效率。同时也可使一次风气流在氧浓度不高的环境中燃烧，有利于减少NOx的生成。

图6　不同淡一次风扩口扩角下气相湍动能(m^2.s^－2)
Fig.6　Turbulent kinetic energy of air at different lean primary air outlet angle

图7　不同淡一次风扩口扩角下颗粒平均粒径(μm)
Fig.7　Particle mean diameter at different lean primary air outlet angle

图8　不同淡一次风扩口扩角下颗粒浓度分布(c/c_max)
Fig.8　Particle concentration at different lean primary air outlet angle

4　结论

　　通过以上分析我们可以得出以下结论：
　　(1)淡一次风扩口角度α_d的增大，将气流沿径向导向外侧，使得中心回流区尺寸增大，射流扩角增大，回流量增大，对劣质煤的燃烧有利。但过大的扩口角度，对一次风的导流作用加强，使得煤粉浓度的峰值沿径向外移，导致回流区附近颗粒浓度降低，不利于强化煤粉燃烧和NOx的降低。
　　(2)随着淡一次风扩口角度α_d的增大，使出口气流的湍流脉动水平明显提高，强化了气流之间的热量和质量交换，对煤粉的着火和稳燃均十分有利。但淡一次风扩口角度的进一步增大，会增大二次风的阻力，削弱旋流二次风的强度。因此淡一次风扩口角度的选取在结合具体炉型和煤种来考虑的同时，还应与扩口口径、喷口流速相匹配。

基金项目：国家九.五重点科技攻关和国家教委博士点基金资助项目(97021307)。
　

参考文献：

［1］Syred N，Beer J M．Combustion in swirling flow［J］.A Review． Flame， 1974，23：43～201.
［2］秦裕琨等.一种径向浓淡旋流燃烧器［P］.中国专利, ZL 93 2 44359，1993，1.
［3］Abbas T，et al．The influence of near burner region aerodynamics on the formation and emission of nitrogen oxides in a pulverized coal-fire furner［J］．Combustion and Flame．1991，91：346～363.
［4］马春元 ．径向浓缩旋流煤粉燃烧器的试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，1996，9.