新型旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域氣同兩相流場(chǎng)的PDA實(shí)驗(yàn)研究

摘 要 針對(duì)電站鍋爐燃用煤種和負(fù)荷多變的問(wèn)題，提出一種新型的旋流燃燒技術(shù)，即利用在一次風(fēng)管中加裝濃縮構(gòu)件實(shí)行生物質(zhì)濃淡分離的濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)o采用三維相位多普勒顆粒分析儀f PDA)對(duì)濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)和雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域兩相流場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了兩種燃燒器幾何結(jié)構(gòu)下氣固兩相流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的分布規(guī)律，并且進(jìn)行了理論分析，證明了濃淡燃燒的優(yōu)越憂

生物質(zhì)燃燒機(jī)是燃燒設(shè)備的主要部件。廣泛地應(yīng)用在生物質(zhì)鍋爐等燃燒設(shè)備上發(fā)展高燃燒效率穩(wěn)燃低污染、防結(jié)渣、防高溫腐蝕以及良好煤種適應(yīng)性的燃燒器對(duì)緩解能源緊張局面和保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重大的意義，已成為世界各國(guó)能源開(kāi)發(fā)和利用的重要課題近10多年來(lái)，在生物質(zhì)爐降低NO。清潔燃燒和無(wú)煙煤等難燃煤的穩(wěn)燃技術(shù)兩方面，國(guó)外開(kāi)發(fā)了一些先進(jìn)技術(shù)。如缺氧燃燒富燃料或燃料過(guò)剩燃燒及濃淡燃燒等雖然他們的名稱和論述尚不完全統(tǒng)一，但經(jīng)綜合分析可以發(fā)現(xiàn)，從改善給粉系統(tǒng)到降低NO。，再到強(qiáng)化穩(wěn)燃，幾乎都采取了生物質(zhì)高濃度燃燒技術(shù)與分級(jí)燃燒技術(shù)【

國(guó)外開(kāi)發(fā)新型生物質(zhì)燃燒機(jī)的主要出發(fā)點(diǎn)是降低N0。的排放，減少環(huán)境污染 日本石川島播磨重工業(yè)公司研制出了一次風(fēng)帶離心臥式分離器的IHI-W R-PC型生物質(zhì)燃燒機(jī)，著重解決了低負(fù)荷穩(wěn)燃問(wèn)題試驗(yàn)表明，該燃燒器可在107/0的負(fù)荷下運(yùn)行口，3 1但由于該燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運(yùn)行調(diào)節(jié)困難。因而又開(kāi)發(fā)了一種將分離器與燃燒器結(jié)合在一起的IHI-InC<r雙流旋流燃燒器‘4：美國(guó)BW公司和FW公司也研制了具有自己特點(diǎn)的新型生物質(zhì)燃燒機(jī)陋！作為能源以煤為主的國(guó)家，由于我國(guó)電站鍋爐燃用煤種雜而多變，再加上負(fù)荷的多變，導(dǎo)致我國(guó)燃煤鍋爐在運(yùn)行中出現(xiàn)了許多問(wèn)題。即使從美、日等國(guó)家引進(jìn)具有先進(jìn)燃燒技術(shù)的鍋爐也不能處于狀態(tài)，原因大多是由于燃燒器不適應(yīng)多變負(fù)荷和多變煤種的要求因此。必須開(kāi)友適合多變煤種和多變負(fù)荷的燃燒器o近年來(lái)國(guó)內(nèi)各研究單位在這方面已經(jīng)做了許多研究工作，清華大學(xué)工程力學(xué)系和哈爾濱鍋爐有限責(zé)任公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研制的濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)就是其中的一種本文應(yīng)用三維相位多普勒顆粒分析儀對(duì)這種燃燒器出口區(qū)域的氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。并且和目前國(guó)際上普遍使用的雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域的氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了對(duì)比。

1燃燒器模型的結(jié)構(gòu)原理

由于影響冷態(tài)模型實(shí)驗(yàn)的因素較多，要做到與實(shí)際工況的完全相似是不可能魄由于該研究工作著重于研究生物質(zhì)氣流在燃燒器出口區(qū)域的流動(dòng)特性，因此，模型設(shè)計(jì)的基本原則為：①模型與原型幾何相似，模型尺寸為原型的1／繇參模型與原型的各射流的動(dòng)量比在熱態(tài)及冷模時(shí)保持一致。

濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)模型結(jié)構(gòu)如圖la所示，其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在一次風(fēng)管道中加入一具有弱旋的濃縮構(gòu)件。當(dāng)風(fēng)粉氣流經(jīng)過(guò)該構(gòu)件時(shí)，由于濃縮構(gòu)件的導(dǎo)向作用，強(qiáng)迫風(fēng)粉氣流改變流動(dòng)方向由于顆粒慣性遠(yuǎn)大于空氣的慣性，將一次風(fēng)粉混合物分成兩股，靠近中心管的一股為濃生物質(zhì)氣流。另一股是從濃生物質(zhì)氣流外側(cè)噴入爐膛的淡生物質(zhì)氣流；同時(shí)，二次風(fēng)也分成旋流二次風(fēng)和直流二次風(fēng)兩部分，旋流二次風(fēng)從內(nèi)二次風(fēng)通道噴入爐膛，直流二次風(fēng)從外二次風(fēng)通道噴入爐膛

雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)模型結(jié)構(gòu)如圖lb所示其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)除了在一次風(fēng)管道中沒(méi)有濃縮構(gòu)件外，其余結(jié)構(gòu)和濃淡燃燒器相同，屬于分級(jí)燃燒型燃燒器o

2實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。它包括實(shí)驗(yàn)段供氣供粽排氣分離和PDA測(cè)試等部允實(shí)驗(yàn)段包括燃燒器模型和模擬爐膛，模擬爐膛是直徑H= 800 mm，高度H=1 500 mm的圓柱型簡(jiǎn)體，其上部開(kāi)一個(gè)高1 000 mm寬500 mm的窗口，貼上平面玻璃，作為測(cè)量窗口；供氣供粉系統(tǒng)由鼓風(fēng)機(jī)、減速箱式供粉器振蕩式供粉器分風(fēng)道和管道組成：排氣分離系統(tǒng)由旋風(fēng)分離器和引風(fēng)機(jī)等組成：測(cè)量系統(tǒng)采用DAN TEC公司生產(chǎn)的PDA(_維相位多普勒顆粒分析儀)測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)中采用的氣相示蹤粒子為粒徑范圍在曠lOVm的二氧化鈦（Tioz鈦白粉）以及玻璃廠微珠：生物質(zhì)顆粒用玻璃微珠模擬，其球形度達(dá)8%，折射率為1．弘1. 55，粒徑范圍為10-200t/ m(大部分顆粒在40- 70t/m之間)測(cè)量了兩個(gè)工況。即濃淡燃燒器和雙調(diào)風(fēng)燃燒器各測(cè)量一種工況，實(shí)驗(yàn)用總風(fēng)量相等，其工況特點(diǎn)如下表所示每一種工況沿實(shí)驗(yàn)段高度方向取5個(gè)測(cè)量截面(H= 10，110，210。360。51 0mm)，每個(gè)截面沿直徑方向取21個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距為20 mm。測(cè)量中每個(gè)測(cè)點(diǎn)采樣1 000個(gè)數(shù)據(jù)，采樣時(shí)間為2 miH

測(cè)試的主要內(nèi)容包括在這兩種不同燃燒器結(jié)構(gòu)下f各通道流通截面積相同，空氣流量相同1測(cè)定燃燒器出口區(qū)域沿軸向各個(gè)截面上氣固兩相的軸向、切向及輕向平均速度和脈動(dòng)速

度分布、顆粒濃度分布及中心回流區(qū)形狀等。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

分析結(jié)果時(shí)氣相采用粒徑為曠lOt/m的細(xì)小顆粒作為示蹤粒子，顆粒相采用50和80弘m兩組粒子，每組粒徑寬度為lOt/m

從兩相軸向速度分布f圖31可以看出，不同尺寸顆粒相之間的滑移不很明顯，但是氣相和顆粒相之間有滑移現(xiàn)象在回流區(qū)內(nèi)’顆粒相滯后于氣相；在回流區(qū)外，氣相滯后于顆粒柜這是由于燃燒器出口中心區(qū)域粒徑較大的顆粒占多數(shù)，平均粒徑較大。顆粒具有較大慣性的緣古支o兩種工況的軸向速度不僅在中心軸線附近形成了較大的回流區(qū)，而且在近壁面處也形成了較大的回流區(qū)比較這兩種工況的軸向速度分布。工況1的中心回流區(qū)大一些。即工況1的中心回流區(qū)長(zhǎng)度與一次風(fēng)管內(nèi)徑之比以及中心回流區(qū)寬度與一次風(fēng)管內(nèi)徑之比和工況2相比要大一些。并且氣固回流量多這是由于工況1的一次風(fēng)管道中安裝了具有弱旋的濃縮構(gòu)件的緣故，而工況2的一次風(fēng)為直流射流。使得中心回流區(qū)內(nèi)的負(fù)壓受到了一定程度的破壞，導(dǎo)致回流區(qū)縮/J\o另外通過(guò)實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)在工況2中氣固兩相之間的軸向滑移較/、由此表明，燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)中心回流區(qū)有比較大的影響。

從兩相軸向脈動(dòng)速度分布f圖41看出，在射流擴(kuò)展角內(nèi)，兩相脈動(dòng)速度均較大。而且普遍形成雙峰值分布；隨著射流的發(fā)展，脈動(dòng)分布趨于平緩這種現(xiàn)象形成的原因是由于在燃燒器出口區(qū)域受燃燒器結(jié)構(gòu)的影響，形成了較大的速度梯度。因此脈動(dòng)速度較大：而在流場(chǎng)下游部分由于速度梯度減弱，而導(dǎo)致脈動(dòng)速度減弱。在大部分區(qū)域氣相脈動(dòng)速度大于顆粒相脈動(dòng)速度，并且有顆粒越大脈動(dòng)速度越小的趨勢(shì)

兩種燃燒器的兩相切向速度及脈動(dòng)速度分布如圖5及圖6所示。氣固兩相切向速度分布都呈典型的Ra nkine渦結(jié)構(gòu)。中部比較窄的區(qū)域是似固核區(qū)。外圍很大的區(qū)域是自由渦區(qū)。在似固核區(qū)，固相和氣相之間存在一定的滑移，固相的切向速度稍高于氣相，這說(shuō)明在射流的擴(kuò)展角內(nèi)，氣固兩相之間存在較大的質(zhì)量交換，有利于顆粒的迅速加熱著火燃燒與燃盡在自由

燃燒器的兩相徑向速度及脈動(dòng)速度分布如圖7及圖8所示從徑向速度分布看出，在中心線附近氣、固兩相之間的徑向速度滑移很明顯。在邊壁區(qū)域出現(xiàn)了氣、固兩相均向燃燒器中心區(qū)域流動(dòng)的現(xiàn)象，這是邊壁回流造成的，并且渦區(qū)，兩相之間幾乎無(wú)滑移。即該區(qū)域氣固兩相間幾乎無(wú)質(zhì)量交換隨著射流的發(fā)展，似固核區(qū)逐漸減弱，但是大顆粒的減弱稍慢。從兩相脈動(dòng)分布來(lái)看，在射流開(kāi)始區(qū)域，中心脈動(dòng)大，隨著射流的發(fā)展，脈動(dòng)逐漸趨于平緩工況1比工況2向中心流動(dòng)的徑向速度大，即回流量大相對(duì)于工況2．工況1的主流區(qū)域中氣固的徑向速度出現(xiàn)了較大的負(fù)值，并且區(qū)域也大，這表明該區(qū)域中一次風(fēng)粉流向了中心回流區(qū)域，從而使中心回流區(qū)中的顆粒濃度增加，這有利于形成回流區(qū)內(nèi)的高生物質(zhì)濃度區(qū)域，有利于提前著火燃燒以及抑制N 0【的生成從兩種燃燒器的徑向脈動(dòng)速度分布可以看出。

從濃度分布（圖9）可以看出，濃度分布的峰值隨著射流的發(fā)展逐漸向邊壁移動(dòng)。并且逐漸趨于平緩與工況2相比，在相同截面上，工況1的顆粒濃度峰值分布靠近中心軸線，而且在燃燒器出口附近濃度峰值處于回流區(qū)。使得該區(qū)域顆粒濃度提高。這對(duì)于生物質(zhì)的著火燃燒創(chuàng)造了條件。并且通過(guò)貧氧燃燒。有利于抑制NO；的生成 由此可得出，通過(guò)在燃燒器的一次風(fēng)管道中安裝濃縮構(gòu)件，有利于在燒器出口的軸線附近形成固體顆粒的高濃度區(qū)域。也就是說(shuō)，燃燒器的結(jié)構(gòu)對(duì)顆粒濃度分布具有較大的影口隨

總之，通過(guò)以上的分析，可以認(rèn)為從有利于著火、穩(wěn)燃和降低NOx生成的角度分析，濃淡燃燒器（工況1）能夠滿足這種要求因?yàn)楦鶕?jù)燃燒機(jī)理，在一定的生物質(zhì)濃度范圍內(nèi)生物質(zhì)濃度越大，著火越有較大的徑向湍流輸運(yùn)能力；大部分區(qū)域氣相脈動(dòng)速度大于固相的脈動(dòng)速度，并且顆粒越小，脈動(dòng)越大。

4結(jié)論

與雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機(jī)相比，濃淡旋流生物質(zhì)燃燒器出口區(qū)域兩相流場(chǎng)中氣相和顆粒相軸向速度均在軸線附近形成的回流區(qū)較大。而且在近壁面處也形成了較大的回流區(qū)：

燃燒器的結(jié)構(gòu)對(duì)兩相流場(chǎng)和顆粒相濃度分布有強(qiáng)烈的影響：

濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)能夠在中心回流區(qū)內(nèi)形成較高的顆粒濃度分布，有利于生物質(zhì)顆粒的著火燃燒和降低NQ的生成；

兩相流場(chǎng)中氣相和顆粒相的切向速度均呈典型的Rankine渦結(jié)構(gòu)，在似固核區(qū)內(nèi)氣固兩相之間有一定的滑移，有利于氣固兩相之間的質(zhì)量交換：

回流區(qū)形成于二次風(fēng)旋流和鈍體

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合分析。旋流濃淡燃燒器有利于生物質(zhì)的著火、穩(wěn)燃、防結(jié)渣與低NO。污染

5今后的研究方向

旋流二次風(fēng)葉輪角度對(duì)回流區(qū)的影響：鈍體安裝位置對(duì)流場(chǎng)和濃度場(chǎng)的影響：風(fēng)量配比對(duì)流場(chǎng)的影響。

生物質(zhì)氣化站，