0 引 言
以煤炭为基础的能源消费结构在我国不会发生根本性变化[1]，其中高效清洁燃烧是煤炭加工转化的重要研究领域[2]。燃烧器作为煤粉锅炉核心部件，其流动及燃烧特性直接影响燃烧效率和NOx排放，而在体量较小的煤粉工业锅炉中，预燃室旋流燃烧器对炉内的燃烧组织显得更加重要，是煤粉工业锅炉领域持续关注的热点。预燃室旋流燃烧器指在旋流燃烧器上耦合预燃室结构后与炉膛连接，煤粉首先在预燃室内初步着火燃烧，随后预燃烧产物进入炉内继续燃烧，其中预燃室结构的蓄热作用可实现煤粉快速着火稳定燃烧。王进卿等[3]对带钝体的预燃室旋流燃烧器进行流动特性模拟研究，发现预燃室及卧式炉膛内形成较大回流区；朱霖[4]和池俊杰等[5]对该燃烧器在外二次风改为直流后分别进行流动和燃烧特性模拟，同样发现具备较大回流区且NOx排放最低可至331 mg/m3(标准工况下)。而一款中心煤粉逆喷的双锥形预燃室旋流燃烧器首先被纪任山模拟研究[6]，通过运行参数优化煤粉工业锅炉燃烧效率，姜思源等[7]则模拟研究该燃烧器使用中等挥发分烟煤时的燃烧特性；郭猛猛等[8]和SONG等[9]分别对该燃烧器在钝体改造后进行试验和模拟研究，煤粉燃烧效率均得到提升。贾楠等[10]则对新的预燃室逆喷旋流燃烧器进行流动特性及燃烧特性的研究，揭示了逆喷耦合轴向旋流的稳燃低氮特性。龚彦豪和许鑫玮等[11-13]分别对不同预燃室低氮旋流燃烧器的NOx排放进行研究，前者试验结果表明搭配炉膛燃尽风的合理运行工况下NOx可低至231 mg/m3(标准工况下)，而后者试验结果表明NOx排放降低为178 mg/m3(标准工况下)同时锅炉热效率可达91.7%。上述研究均表明煤粉工业锅炉采用的预燃室旋流燃烧器可实现煤粉高效低氮燃烧，促进煤炭节能环保转化利用。但煤粉工业锅炉的实际运行生产中，长期存在低负荷运行及频繁启停情况[14]，对锅炉的稳定运行、燃烧效率及NOx排放提出不同挑战，而预燃室结构除蓄热作用外，还可减缓旋转气流衰减[15]达到强化回流目的以及构建低速流动区域进行稳燃稳焰，可直接实现煤粉工业锅炉低负荷运行。但预燃室旋流燃烧器低负荷下燃烧特性的研究较为缺失，无法对其稳燃低氮等作用机理提供理论分析及数据支撑。
因此，笔者以一款预燃室多通道旋流燃烧器为研究对象，通过预燃室内燃烧特性及预燃室外火焰特性对其低负荷运行的燃烧特性进行试验研究，并分析其关键运行参数的影响，为煤粉工业锅炉低负荷运行燃烧优化提供理论指导及数据支撑。
1 煤粉燃烧试验
1.1 煤粉燃烧试验装置
采用已搭建14 MW煤粉燃烧系统，如图1a所示，主要由风机、供料、点火、测量装置、燃烧器等组成，其详细介绍见先前工作[16-17]。预燃室旋流燃烧器结构如图1b所示，由一次风、内外二次风、三次风通道等组成，其中一次风通道安装稳燃齿，加剧煤粉在一次风通道出口扰动促进煤粉快速着火稳定燃烧；内二次风通道内安置轴向旋流叶片，气流经过叶片后在通道出口以强旋流形式进入预燃室，其中旋流数S被用来表示气流旋转能力的大小，计算公式[18]如下，即
图1 试验系统及燃烧器结构[14]
Fig.1 Diagram of experiment system and burner structure[14]
(1)
其中:di为旋流叶片内径，mm；do为旋流叶片外径，mm；θ为旋流叶片角度，(°)。外二次风以直流形式同内二次风一同进入预燃室，形成低温空气层避免预燃室内壁面高温腐蚀变形情况；三次风包裹在预燃室外壁进入炉内进行后续燃烧。
1.2 试验工况及测量参数
试验过程中，储罐内煤粉在助燃油稳定燃烧后由一次风携带进入燃烧器，燃烧稳定后关闭助燃油并开始测量，各管路所需风量在点火前完成调节。其中煤种采用神府优质烟煤特征见表1；低负荷下煤粉供料装置稳定性较差及流场难以组织，因此试验在46%负荷、过量空气系数1.63、内二次风旋流数S=1.6下进行，主要运行参数内外二次风量比为变量工况，具体参数见表2。
表1 试验煤种煤质特性
Table 1 Characteristics of experimental coal
工业分析/%VadAadMadFCad元素分析/%CadHadOadNadSadQnet/(kJ·kg-1)33.607.025.6253.76 61.544.1611.640.820.4327 200
表2 试验变量及工况参数
Table 2 Experimental operation conditions and parameters
工况(不同内外二次风量比)2∶11∶11∶2供料量/(kg·h-1)840840840一次风量/(kg·h-1)900900900一次风速/(m·s-1)26.326.326.3内二次风量/(kg·h-1)5 3493 9372 625内二次风速/(m·s-1)30.722.615.1内二次风旋流数1.61.61.6外二次风量/(kg·h-1)2 6253 9375 349外二次风速/(m·s-1)18.928.338.5三次风量/(kg·h-1)2 6252 6252 625三次风速/(m·s-1)24.024.024.0预燃室内过量空气系数1.631.631.63
测量对象为预燃室内的温度分布、组分体积分数分布及预燃室外的火焰特性。其中组分测量包括水冷取样枪、过滤装置、烟气分析仪等装置，高温烟气及煤焦在水冷取样枪中被迅速冷却，通过过滤装置分离，烟气进入烟气分析仪进行测量；水冷取样枪[16]内管抽取高温烟气，中间钢管进水冷却及外管流出循环水，保障烟气组分不发生变化；烟气分析仪采用德国约克公司的增强型烟气分析仪(MRU VARIO PLUS)进行测量，误差小于±2%，每个测点进行120 s 共60组数据测量，选取30 s稳定数据取均值作为该点烟气组分值。温度测量采用0～1 000 ℃、0～1 300 ℃不锈钢K型热电偶，搭配信号转换器实现温度实时显示；记录温度稳定后波动范围在±10 ℃ 的数值作为测量值。
温度及组分体积分数测点布置如图1b所示，以燃烧器出口截面中心为坐标原点，X为距离燃烧器出口轴向距离，R为距离燃烧器中心轴线径向距离建立坐标系，测量截面及测点布置如图1b所示，选取X=268、536、670和804 mm截面，各截面中心轴线为测点1，距离预燃室壁面10 mm为最终测点7，其中测点1～2之间距离随截面不同而变化，测点2～7则采取相同间隔50 mm反映沿径向方向的燃烧过程；同时预燃室内气流分布均匀且刚性较强燃烧稳定[10]且出口火焰呈稳定水平形态，因此单侧测点即可表示预燃室内整体温度及组分体积分数分布。火焰特性通过型号为PHANTOM C110的高速摄像机，在PCC 3.1软件中选取分辨率为1 080×504、曝光时间为200 μs、采样率为1 700 fps等相机参数进行火焰形态捕集，共计获取8 337张火焰图像。
2 结果与讨论
试验结果分为预燃室内温度分布、组分体积分数分布和火焰形态尺寸3部分内容讨论预燃室旋流燃烧器低负荷燃烧特性和运行参数内外二次风量比的影响。
2.1 预燃室内温度分布
不同内外二次风量比下预燃室内温度分布如图2所示，温度从预燃室边壁到中心轴线的变化趋势在各测量截面保持一致，均为先升高后降低趋势，在区域半径R=50～100 mm区域内存在温度峰值，表明煤粉及可燃组分在此区域发生剧烈燃烧反应释放热量，而预燃室壁面至该区域的温度上升过程是由二次风接受辐射传热及逐步发生化学反应所造成，该区域至中心轴线的下降过程归结于煤粉不完全燃烧且自身颗粒升温吸热，属于“火包粉”燃烧状态；沿轴向方向温度峰值变化较小，略微远离中心轴线且维持在1 000～1 200 ℃，煤粉随一次风逐渐径向发散但依旧受二次风混合限制燃烧强度是温度峰值沿轴向变化较小的主要原因；同时，距预燃室内壁面10 mm测点温度均低于400 ℃，预燃室结构在运行过程中可避免高温腐蚀变形现象发生，其原因为剧烈反应的温度峰值区域距离此处较远且外二次风在预燃室内的贴壁冷却作用进一步避免温度升高；而在中心轴线上X=536～670 mm区域温度明显较低，分析认为此区域之前一次风中O2被完全消耗，煤粉随一次风发散较弱，二次风中径向扩散的O2在外围被完全消耗，中心轴线煤粉颗粒在“火包粉”燃烧状态下不断升温吸热，最终导致烟气温度较低，此区域之后该现象在中心轴线上逐渐减弱。
图2 预燃室内温度分布
Fig.2 Temperature distribution in precombustion chamber
对比不同内外二次风量比的温度分布发现，在近轴线高温区域，X=268 mm截面温度峰值差异较小，其原因为过渡通道圆柱形钝体回流作用在燃烧器出口附近较强导致温度差异较小；X=536截面上，2∶1工况的温度峰值低于其他两工况，预燃室内除回流作用外，一次风粉及可燃组分依次与旋流内二次风和直流外二次风接触，其中内二次风以混合燃烧为主，外二次风以冷却预燃室壁面为主[14]，旋流内二次风的回流以及本身径向发散作用使剧烈燃烧反应过程沿径向方向拉长但燃烧强度下降，同时低负荷运行下煤粉体积分数较低过量空气系数较大，旋流内二次风与直流外二次风风量的差异会被低体积分数煤粉燃烧过程所限制，导致温度峰值差异较小；X=804 mm截面上，1∶1工况的温度峰值低于其他工况，表明旋流或直流为主流时在预燃室下游截面趋向与向边壁区域运动导致与可燃组分及煤粉混合较弱，燃烧强度下降使温度峰值降低。
2.2 预燃室内组分体积分数分布
不同内外二次风量比下预燃室内组分体积分数如图3、图4所示，分别是O2体积分数分布和CO体积分数分布。O2和CO体积分数从预燃室边壁到中心轴线的变化趋势在各测量截面保持一致，其中内外二次风中O2体积分数快速下降至R=100～200 mm区域接近0，围绕中心轴线形成一定区域无氧气氛(O2体积分数<1%),CO体积分数则维持较低水平后在R=200～250 mm区域开始快速上升并在R<100 mm区域CO体积分数达到10%～20%，形成强还原性气氛；O2和CO体积分数在不同区域的变化趋势表明煤粉在中心轴线附近区域经历热解及贫氧燃烧过程生成大量CO，与外围扩散O2混合发生剧烈燃烧反应形成火焰导致CO体积分数降低后被完全消耗，在径向方向上处于一种“风包火”、“火包粉”燃烧状态，与前述温度变化相符；同时围绕中心轴线煤粉周围的无氧强还原性气氛有利于抑制燃烧初期NOx形成，甚至可对已生成NOx进行还原，降低预燃室内烟气中NOx含量，这是预燃室煤粉燃烧器预燃过程可降低NOx的强力证据。而随着距燃烧器出口轴向距离增加，无氧气氛区域逐渐缩减，O2下降区域拉长径向反应速率下降，分析认为预燃室径向距离增加、二次风在下游逐渐混合、煤粉颗粒群外围开始焦炭异相反应而中心依旧处于挥发分组分燃烧过程综合作用所导致；还原性气氛中CO体积分数略微降低后升高，原因为一次风中O2被完全消耗后，二次风混合较弱导致CO体积分数下降，而下游混合则使CO体积分数升高。据预燃室内壁面10 mm测点处O2和CO体积分数分布也进一步表明该区域主要接受辐射传热且无反应发生，可避免高温腐蚀及结渣现象发生。
图3 预燃室内O2体积分数分布
Fig.3 O2 concentration distribution in precombustion chamber
图4 预燃室内CO体积分数分布
Fig.4 CO concentrations distribution in precombustion chamber
对比不同内外二次风量比的O2和CO体积分数分布发现，2∶1工况在X=268和804 mm截面的无氧区域径向范围大于其他工况，而其他截面无氧区域范围保持一致；中心轴线附近的强还原气氛中1:2工况的CO体积分数在X=268 mm截面最低，而在X=536～804 mm截面区域最高；其原因同前述温度峰值之间差异的原因一致，沿径向方向燃烧反应距离延长但燃烧强度降低，因此主流为强旋流时无氧区域范围较大，而主流为直流时导致轴线附近的不完全燃烧过程加剧，使得CO体积分数及温度升高。
2.3 预燃室外火焰特性
采用前述测量方法得到原始火焰图像，利用图像处理方法获取火焰形态尺寸[19]，研究内外二次风量比对预燃室外火焰特性的影响。如图5a所示，首先给出不同工况下捕获的火焰原始图像，发现煤粉燃烧火焰稳定，表面呈褶皱形态，有利于热量质量交换及火焰传播，表明带预燃室的旋流燃烧器在低负荷下燃烧稳定；对比不同内外二次风量比发现，火焰发散传播存在一定差异，对其形态尺寸造成影响，原因为预燃室内燃烧特性及出口气流运动状态不同。为量化运行参数的影响，利用图像处理手段选取原始火焰图像，如图5b所示，灰度处理后得到不同像素点上的灰度值，随机选择穿过火焰的若干条垂线，对其灰度值进行分布统计，选取可体现火焰全部形态的灰度限定值，如图5c、图5d所示，最后通过限定值将灰度图像转化为0-1分布的黑白图像，其中1为白色代表火焰形态，根据白色占据的像素区域，得到火焰的像素长度和直径及发散角度[20]，如图5e所示。对比参考标尺在火焰图像中的像素长度及高度，得到火焰实际长度和直径及发散角度。
图5 火焰原始图像及处理方法步骤
Fig.5 Original flame images and image processing steps
图6为不同内外二次风量比的实际火焰长度、直径及发散角。随内外二次风量比减小，火焰长度在3 500～4 500 mm区域逐渐增加，发散角在5°～15°之间逐渐缩小，两者呈相反趋势，火焰直径则稳定维持在500 mm左右。分析原因发现随着旋流内二次风逐渐减小，直流外二次风逐渐增大，导致二次风整体运动状态从旋流转变为直流，气流旋转能力下降刚性加强发散能力减弱，使预燃室外煤粉燃烧时火焰呈现长度增加发散角缩减现象；预燃室出口火焰直径较为稳定，表明内外二次风量比对其影响较小，旋流燃烧器预燃室出口在该操作条件下不会发生烧毁变形等高温腐蚀现象，可长期低负荷稳定运行。
图6 不同内外二次风量比的实际火焰形态尺寸
Fig.6 Practical flame shape size with different ratios of inner and outer secondary air
3 结 论
1)煤粉在预燃室内呈现“风包火、火包粉”燃烧状态，中心形成高温无氧强还原气氛，边壁形成低温空气层，保障预燃室旋流燃烧器低负荷稳定运行同时抑制NOx生成。
2)煤粉在预燃室外呈现稳定燃烧火焰形态，其褶皱火焰锋面及火焰长度可实现煤粉在炉膛进一步燃尽度，保障煤粉燃烧效率和锅炉热效率。
3)预燃室旋流燃烧器在低负荷运行时，内外二次风量比为1∶2工况的温度峰值及强还原气氛中CO体积分数较高分别为1 122 ℃和13.713 0%，同时预燃室外火焰行程最长为4 473 mm，有利于提高煤粉燃尽度和降低NOx初始排放。
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