新能源-原子能

旋流燃燒器旋流燃燒器的特點:①可以避免四角切圓直流燃燒方式產(chǎn)生的爐膛出口扭轉(zhuǎn)殘余導致過熱器區(qū)的熱偏差；②燃燒器均勻布置于爐內(nèi)，入爐熱量比較均勻，可避免因爐膛中部因溫度過高而引起結渣等現(xiàn)象；③各燃燒器單獨組織燃燒，可通過調(diào)整旋流燃燒器的旋流強度，達到調(diào)節(jié)回流區(qū)大小的目的，相互間影響比較??；④對爐膛形狀不如四角切圓直流燃燒方式要求嚴格，不必一定接近正方形，有利于尾部受熱面的方便布置；⑤當鍋爐容量增加時，單只燃燒器的功率不必相應增大，只需相應增加爐膛寬度和燃燒器個數(shù)。分類:根據(jù)旋流器的不同，可將旋流燃燒器分為蝸殼式、軸向葉片式和切向葉片式三大類，而每種類型又可分為下述典型型式：根據(jù)空氣動力特性的不同:單股旋轉(zhuǎn)射流；環(huán)形旋轉(zhuǎn)射流；帶有出口擴錐的旋轉(zhuǎn)射流；一次風直流、二次風旋流的組合旋轉(zhuǎn)射流；同軸的兩股或多股旋轉(zhuǎn)射流；一次風直流、二次風既有旋流又有直流的組合射流；多個旋流燃燒器同向（或異向）旋轉(zhuǎn)的組合等形式。旋轉(zhuǎn)射流各流動參數(shù)變化規(guī)律的示意圖。旋轉(zhuǎn)氣流內(nèi)的每一點采用軸向速度徑向速度，切向速度及靜壓等參數(shù)加以描述。流場按可分為兩個區(qū)域：①外圍區(qū)域，Ⅰ區(qū)，也稱為自由旋渦區(qū)②旋渦核心區(qū)，Ⅱ區(qū)，也稱為準剛體旋轉(zhuǎn)區(qū)、旋渦回流區(qū)外圍區(qū)域和旋渦核心區(qū)的分界處為旋轉(zhuǎn)切向速度最大值處沿射流軸線上軸向速度的衰減規(guī)律"飛邊”現(xiàn)象旋轉(zhuǎn)射流特點：①旋轉(zhuǎn)射流具有內(nèi)回流區(qū)和外回流區(qū)，擴展角也比較大，相對直流射流而言，旋轉(zhuǎn)射流卷吸周圍介質(zhì)的能力強，可以依靠自身的回流區(qū)保持穩(wěn)定著火。②旋轉(zhuǎn)射流出口處速度高，由軸向、徑向和切向速度，氣流的早期混合強烈。③切向速度衰減很迅速，氣流旋轉(zhuǎn)效應消失較快，因此后期混合較弱。④旋轉(zhuǎn)射流的軸向速度衰減也較快，因此射流射程較短。旋流燃燒器的運行特性參數(shù)1、燃燒器的旋流強度旋轉(zhuǎn)（切向）動量矩M和軸向動量矩K之比2、實際旋流強度①燃燒器存在有摩擦損失②實際上氣流旋轉(zhuǎn)時，當無中心管或中心管不大時，氣流中心是回流區(qū)，導致出口軸向速度的面積小于燃燒器的出口截面積通常通過試驗測量燃燒器出口速度場積分求取旋轉(zhuǎn)動量矩M和軸向動量矩K來決定：3、綜合旋流強度

燃燒器分為多通道時:綜合旋流強度4、組合旋轉(zhuǎn)氣流的平均參數(shù)旋流燃燒器出口的平均速度和平均密度5、煙氣回流量中心旋渦回流區(qū)回流量和射流外邊界回流區(qū)回流量圖示出了某旋流燃燒器中心旋渦回流區(qū)和外邊界回流區(qū)尺寸及回流量沿燃燒器出口距離的變化情況回流強度是一個包含回流區(qū)相對直徑、相對長度和相對回流速度的綜合參數(shù)：6、能量利用系數(shù)表示燃燒器內(nèi)阻力大小，定義等于旋流燃燒器入口氣流能量和出口能量之比，即：不同類型旋流燃燒器的能量利用系數(shù)的試驗結果如圖所示。能量利用系數(shù):軸向葉片式旋流燃燒器達85％;蝸殼式旋流燃燒器僅41～47％。7、燃燒器的阻力系數(shù)8、旋轉(zhuǎn)射流擴展角通常用軸向速度為本截面軸向速度最大值的10％處定義為旋轉(zhuǎn)射流的外邊界線。旋轉(zhuǎn)射流外邊界線的夾角則定義為旋轉(zhuǎn)射流擴展角，表征了旋轉(zhuǎn)射流的擴展范圍。典型燃燒的擴展角隨旋流強度變化的關系示于圖。如旋流燃燒器出口有導向擴展角，則會更大一些。擴展角過大，容易造成飛邊或開式中心回流區(qū)，使燃燒不穩(wěn)定，并容易導致燃燒器燒壞及產(chǎn)生結渣；擴展角過小，則會使火焰高溫中心后移，回流區(qū)減小，對著火和燃盡也不利。9、氣流出口不均勻系數(shù)氣流出口不均勻系數(shù)表示了燃燒器出口氣流不均勻程度，是圓周上氣流最大速度與最小速度的差值和圓周上各測點氣流平均速度之比，即：蝸殼式燃燒器的不均勻系數(shù)比葉片式旋流燃燒器的不均勻系數(shù)大。圖示出了某切向葉片旋流燃燒器的不均勻系數(shù)的試驗結果，隨旋流強度的增加，增大；而在同一旋流強度下，不均勻系數(shù)則隨葉片傾斜角的增加而增加。10、燃燒器出口煤粉分配不均勻系數(shù)燃燒器出口煤粉分配不均勻系數(shù)表征燃燒器出口煤粉分布的不均勻程度，為燃燒器內(nèi)最大煤粉濃度（或流量）與最小值之差和煤粉平均濃度（或流量）之比，即：圖示出了蝸殼式燃燒器煤粉分布不均情況11、各燃燒器間空氣分配不均勻系數(shù)各燃燒器間空氣分配不均勻系數(shù)表征各燃燒器件燃燒所需空氣是否分配均勻的系數(shù)12、爐膛充滿系數(shù)爐膛充滿系數(shù)表征火炬在爐內(nèi)的充滿程度，其定義為： 1－總弱風區(qū)面積/燃燒器層爐膛橫截面積由圖可知，旋流燃燒器的爐膛充滿系數(shù)不如四角切向燃燒器，在燃燒器附近尤為明顯，圖還對比了不同試驗條件下，旋流燃燒器和四角燃燒器的爐膛充滿系數(shù)。旋流燃燒器噴出的煤粉在爐內(nèi)的平均停留時間可根據(jù)火焰長度L、爐內(nèi)平均煙速和爐膛充滿度來估算：高溫煙氣回流量隨旋流強度的變化關系煙氣回流量對大多數(shù)現(xiàn)有旋流燃燒器的試驗表明，當旋流強度在1～4的范圍變化時，回流量的調(diào)節(jié)范圍為0.1～0.45，基本能滿足不同煤種著火對回流量的要求。旋流燃燒器中心回流區(qū)長度與旋流燃燒器出口直徑之比隨旋流強度的變化關系如圖(a)所示中心回流區(qū)寬度隨旋流強度的變化則示于圖(b)中,可見隨旋流強度的增大,回流區(qū)寬度相應增大。圖示出了中心回流量沿軸線的變化關系，可見旋流強度稍有增加，回流量就增大很多，但出現(xiàn)最大回流量的位置與基本無關。不同煤燃燒時所需高溫煙氣回流量估算估算的主要模型是：①根據(jù)煤種特性和運行條件確定著火溫度值；②根據(jù)煤中揮發(fā)物含量、著火溫度、一次風量和一次風溫估算穩(wěn)定著火所需的最小煙氣回流量；③根據(jù)計算得到的最小煙氣回流量，通過由試驗獲得的煙氣回流量和旋流燃燒器運行特性的關系曲線，得到旋流燃燒器合適的運行參數(shù)如旋流強度。1、煤粉的著火溫度在絕熱工況下，根據(jù)一定的空氣溫度和煤粉細度，研究煤粉空氣混合物的著火溫度、反應速度及煤粉初始濃度之間的理論關系和近似計算方法，得出一定煤粉濃度下點火和穩(wěn)燃特性，獲得各種工況下的著火溫度。2、加熱煤粉至著火的主要熱源分析求得煤粉的著火溫度后，即可估算出每千克煤粉所需的著火熱量為：煤粉顆粒溫度隨時間的變化可近似寫為：回流加熱所需的加熱時間為：以火炬等輻射為主而略去煙氣回流加熱時所需的加熱時間為：對煤粉輻射加熱至著火比煙氣回流對流加熱至著火所需時間大約大二十倍左右，因此在分析旋流燃燒煤粉火炬著火時可以考慮以高溫煙氣回流為主。3、穩(wěn)定著火所需的最小煙氣回流量計算供給煤粉氣流著火的主要熱源是揮發(fā)分燃燒產(chǎn)生的熱量。各種結構參數(shù)組合的旋流燃燒器運行特性一、環(huán)狀旋流燃燒器的運行特性

環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流主要特點有：①中心管的存在使回流區(qū)更接近旋流燃燒器出口。②環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流的回流區(qū)范圍明顯大于無中心管的旋轉(zhuǎn)射流。③環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流和無中心管的自由旋轉(zhuǎn)射流的最大回流速度比較見圖1，環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流中心回流區(qū)最大回流量和旋流強度的試驗關系曲線如圖2所示，近似計算公式為：④環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流比自由旋轉(zhuǎn)射流軸向速度衰減更快，如圖示。⑤環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流和自由旋轉(zhuǎn)射流切向速度變化規(guī)律如圖所示，可見環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流在出口處中心管附近由于中心管的存在導致出現(xiàn)一切向速度為零的平直段，但離出口不遠處就變成了與自由旋轉(zhuǎn)射流相似的擬旋渦流動。⑥環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流的擴展角大于自由旋轉(zhuǎn)射流，因此環(huán)狀旋轉(zhuǎn)射流更容易產(chǎn)生飛邊現(xiàn)象，在運行中應予以重視。二、旋流和直流組合時的運行特性1、直流和旋流組合時的燃燒器結構組合型式：①一次風為直流或者直流一次風出口加裝穩(wěn)焰器，而二次風為旋轉(zhuǎn)射流；②一次風為直流，二次風分為多股送入，部分為旋流、部分為直流；③一次風為旋轉(zhuǎn)射流，而二次風為直流射流或部分直流、部分旋流的。雙調(diào)風旋流燃燒器簡圖2、流動工況①一次風直流、二次風旋流圖1示出了不同的一二次風質(zhì)量流量比下燃燒器出口中心回流區(qū)最大回流量的變化情況，隨的增大，內(nèi)回流區(qū)內(nèi)的最大回流量逐漸減小，中心直流一次風速進一步增加，中心回流區(qū)最終消失。圖2為不同一二次風量比下,一次風為直流、二次風為旋流的燃燒器中心回流區(qū)尺寸的變化，隨增大，回流區(qū)長度減小，而寬度稍有增加。一二次風之間的混合(1)圖給出了兩直流和一直一旋和兩旋轉(zhuǎn)射流所組合成的燃燒器的混合分數(shù)沿軸向分布的對比情況，圖中混合分數(shù)，值越小，代表二次風混入一次風的量越多，一二次風之間混合越強烈。(2)一次風旋流、二次風直流圖示出了旋轉(zhuǎn)的一次風和不旋轉(zhuǎn)的二次風混合時軸心濃度的衰減規(guī)律，圖中為兩股射流充分混合后的濃度。(3)一次風直流、內(nèi)二次風旋流、外二次風直流的雙調(diào)風旋流燃燒器高速直流風有較強的壓制作用，可有效防止旋轉(zhuǎn)射流截面的急劇擴大而導致氣流貼墻，剛性不足的問題。三、共軸旋流組合的運行特性共軸旋流由各自不同旋流強度的旋轉(zhuǎn)射流組成，旋轉(zhuǎn)方向可以是同向的，也可以是異向的，再加上一次風中煤粉的存在，因而流動比較復雜。圖示出了兩個共軸同向旋轉(zhuǎn)射流的速度分布及靜壓的分布情況，可見由于內(nèi)外旋轉(zhuǎn)射流的相互影響，共軸旋轉(zhuǎn)射流的流動情況十分復雜。①一次風旋流強度對共軸旋流流動特性的影響如圖1所示，二次風旋流強度不變，僅改變一次風旋流強度，隨旋流強度的增加，中心回流區(qū)減小，當從0增至1.35時，中心回流區(qū)長度減小最明顯，回流量變化不大，但略有增加，可見盡管一次風比例較小，但對回流區(qū)的尺寸影響較大。不同下中心回流量、軸線速度和壓力的變化規(guī)律如圖2所示。②二次風旋流強度對共軸旋流流動特性的影響在一次風旋流強度不變,僅改變二次風旋流強度時，中心回流區(qū)的尺寸變化如圖1所示，中心回流量、最大軸向速度和壓力的變化規(guī)律如圖2所示。隨著二次風旋流強度的增加，中心回流量增加，射流的外邊界擴展角有明顯增加，總的卷吸量也增大。③一二次風量比對共軸旋流流動特性的影響一二次風量比變化對回流區(qū)尺寸和回流量都有較大影響，但變化比較復雜，應通過試驗確定合適的風量比。④改變一二次風動量比對共軸旋流流動特性的影響⑤不同旋流強度下一二次風混合特性通過用不同的一二此風溫進行氣流混合試驗研究⑥預混段對共軸氣流混合的影響預混段的長短時決定一二次混合遲早的關鍵因素。帶出口擴口的旋流燃燒器運行特性1、帶有出口擴口的旋流燃燒器分類出口擴口的形式通常有三種，分別為收縮擴口、簡單擴口和柱形擴口。擴口對旋流強度有增強的作用,加裝擴口后逆向回流區(qū)明顯增大。采用漸擴擴口的旋流燃燒器可能形成以下三類典型流動：①當旋流強度較低或不旋轉(zhuǎn)時②中高等旋流強度下③形成附壁射流，產(chǎn)生飛邊附壁現(xiàn)象2、有出口擴口的旋流燃燒器的空氣動力特性①出口擴口增大燃燒器旋流強度②出口擴口形狀對速度場的影響縮放噴嘴不但在射流軸線上的回流速度要比收縮噴嘴大，而且在射流邊界附近的徑向速度也較大，回流區(qū)寬度也要大一些，但其切向速度要小一些。③出口擴口對回流區(qū)尺寸、回流量的影響④出口擴口對射流擴展角的影響⑤擴口對一二次風混合的影響影響一二次風混合強度的主要因素有：(a)在二次風擴口角度一定的條件下，增加一次風擴口角度，則混合減弱，如圖(a)。(b)一二次風動量比和一次風擴口角度一定的條件下，增加二次風擴口角度，則混合加強，如圖(b)。（c）當一二次風擴口角度一定時，如在一次風通道內(nèi)設置有中心管，如中心管上設置有擴口則混合將加強。如圖3-58所示。同時中心管的擴口也相當于在旋流燃燒器出口設置擴錐（d）在其他條件不變的情況下，增大一二次風動量比可使外圍氣流速度提高，擾動增強，內(nèi)外氣流交界面上的速度梯度增大，混合過程增強。如圖3-59所示⑥擴口長度對旋轉(zhuǎn)氣流形態(tài)的影響擴口相對長度減少時，形成開放氣流的氣流動量比范圍增大。3、旋流燃燒器擴口對煤種的適應性①燃燒煙煤、褐煤等易燃煤種，一般擴口不必擴張，采用圓筒形噴口就能達到穩(wěn)定工況，氣相葉片式旋流燃燒器則帶有錐角約為，長為0.4D的擴口。②燃燒無煙煤、貧煤、劣質(zhì)煙煤時，擴口應帶有一定的擴張角。③旋流式燃燒器不宜采用邊緣帶圓角或張角過大而短的擴口，以免形成開放式氣流。④增大中心管直徑并相應增大一、二次風管徑后，旋流燃燒器在無擴口的情況下也能燃用無煙煤或劣質(zhì)煙煤。多個旋流燃燒器運行時的相互作用兩股旋轉(zhuǎn)射流在爐內(nèi)相互作用的流動特性研究結果表明：平行旋轉(zhuǎn)射流組的流動可分為三個具有不同特征的區(qū)域，第一區(qū)域為從燃燒器出口到的截面處，兩個旋轉(zhuǎn)射流都保持各自特性，基本上是獨立的。第二區(qū)域為，兩股射流開始作為一個復合射流擴展；第三個區(qū)域為以后，復合射流具有自由旋轉(zhuǎn)射流的特性。圖示出了兩個反向旋轉(zhuǎn)的旋流燃燒器出口附近軸向速度的分布情況,可見在處,兩股旋轉(zhuǎn)射流已經(jīng)具有單個旋轉(zhuǎn)射流的特性。圖3－63為兩個被加熱的反向旋轉(zhuǎn)射流噴入冷爐燃燒室后在爐內(nèi)形成的溫度場分布，可見在旋流作用下，中心回流區(qū)卷吸了部分周圍的低溫空氣，溫度場在軸心形成了低溫區(qū)，這和軸向速度的分布時類似的，直至后，回流區(qū)才逐漸消失，在后，溫度場分布類似于軸向速度分布變得逐漸平坦。同時可見盡管兩旋流燃燒器間間距為，但在距離燃燒器處兩股旋轉(zhuǎn)射流已開始相互作用，直至才基本作用完畢。二、多個旋流燃燒件旋轉(zhuǎn)火炬的相互作用鍋