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行业知识

达冠生物质燃烧机出口气固浓淡射流的混合特性研究

达冠生物质燃烧机出口气固浓淡射流的混合特性研究

搞要:达冠生物质燃烧机出口射流在水平方向上分为浓淡两股,浓生物质射流位于向火侧而淡生物质射流位于背火侧,以实现稳定着火,防止炉内结渣和高温腐蚀,并起到降低氮氧化物(NOx)排放的作用,但由于浓淡两股生物质空气射流之问仅有较薄的隔板加以分隔,因此往往存在浓淡生物质射流是否在出口后不久即发生混合,导致浓淡分离效果丧失的疑虑。该文通过气固两相模化实验,采用基于光学波动法的激光光纤探针对水平浓淡气固两相射流在燃烧器出口外浓淡两股射流的混合特性进行了试验研究,结果表明水平浓淡燃烧器出口气固两相射流的浓淡分离效果能在较长的射程内得以维持,从而保证了浓淡燃烧的优点。

1  引言

  水平浓淡燃烧技术将燃烧器出口生物质射流分为浓淡两股,浓生物质气流靠向火侧布置而淡生物质气流布置于背火侧,从而起到稳定着火,防止炉内结渣和高温腐蚀,并起到降低氮氧化物(NO。)排放的怍用。近年来水平浓淡燃烧技术在大型电站生物质燃烧锅炉上得到较广泛的应用。

    与上下布置的浓淡燃烧技术如PM燃烧器不同,水平浓淡燃烧技术由于浓淡生物质气流在燃烧器出口处仅有一层较薄的隔板分隔,往往存在这样的疑虑:即达冠生物质燃烧机出口后的浓淡两股射流是否会在较短的距离内混合,从而使水平浓淡燃烧技术带来的好处丧失。

    气固多相射流的扩散和混合过程是一个比较复杂的过程,由于气固相间滑移的存在,且气固相之间存在双向作用,气固射流在流动过程中还不断卷吸周围的气体,使射流的流量不断增加,固相浓度不断降低。以上因素导致气固射流的扩散规律比较复杂,而水平浓淡燃烧技术中距离非常接近、固相浓度不同的两股平行气固射流的混合、扩散过程就更为复杂。了解水平浓淡平行射流的扩散和混合特性对掌握和优化水平浓淡燃烧技术,开发性能优良的新型燃烧器有理论和实用意义。

    采用试验方法研究水平浓淡射流的扩散和混合特性,要寻找一种便捷、准确的测量技术,测量获得射流不同位置的固相颗粒浓度分布,以了解浓淡射流的沿程发展、混合规律。众所周知,由于气固多相流测量的困难性,便捷准确的固相浓度测量手段尚不够成熟。往往采用等速取样方法测量管内多相流浓度,但由于等速取样方法需要知道测量位置处的气相速度,而燃烧器出口射流的速度分布比较复杂,同时等速取样方法测量费时费力,并不是一种合适的研究气固射流发展和扩散的测量手段。有些研究者采用PDA方法测量射流或管内多相流动规律‘1],但由于PDA测试方法的限制,一般要求颗粒浓度较低,而且要采用特殊的颗粒,由于气固多相流动规律与固相浓度以及颗粒特性密切相关,同时目前PDA方法尚难应用于工业现场,这些不足限制了PDA方法在水平浓淡射流发展规律研究中的应用。

    本文采用一种基于光学波动法的激光测量技术,建立了大型多相气固流动实验台架,对一种水平浓淡燃烧器出口的浓淡射流扩散和混合规律进行了试验研究。结果表啁达冠生物质燃烧机出口的气固多相射流的浓淡分离效果能在较长的射程内得以维持,从而保证了浓淡燃烧的优点。

2  基于光学波动法的气固多相流测量技术

    激光光纤测量方法曾被广泛地应用于流化床内颗粒浓度、速度和粒径的测量。大致可分为两大类:强度检测方法和相位检测方法[2]。强度检测方法又可分为反射法和透射法两种。本文采用的是透射法的强度检测激光光纤测量方法。其基本原理是:当处于运动状态的固体颗粒通过一束测量激光束时,由于处于运动状态的颗粒数目始终在变化,从而造成透射光束光强随机变化,利用光电传感器测量这种光强随机变化信号并应用光脉动理论分析处理即可获得颗粒的粒度和浓度。

    获得透射光强的时间序列和它的方差以及没有颗粒流过测试区时的透射光强厶,即可通过光脉动理论计算获得颗粒的平均粒径和浓度。如果治一个方向相隔一定距离布置两对的激光发射和接收探头,结合相关测量技术可获得该方向上的颗粒速度H。激光光纤探针的直径为巾20mm,在头部测量区布置长为lOmm的开孔,激光光源采用固体半导体小功率激光发生器,功率约为3mW。有关激光光纤探针的具体结构可参见文[5]。激光光纤探针测量方法属于接触式测量方法,对流场有一定影响,但由于探针较细,而且在探针头部测量区开孔,对流场影响较小,同时采用了标定方法消除由于探针插入影响流场产生的误差。

    激光光纤探针测量气固两相流浓度时的误差主要来自光强矗和』的测量误差以及A/D转换误差,本仪器光强测量误差可控制在0.1%,采用12位A/D转换器,测量与转换误差较小【6]。其余的重要误差主要是由于送粉系统给粉量的波动以及风速波动造成的,由于两相试验系统采用螺旋给粉机,经标定给粉量波动很小,通过在风机出口设置稳压箱,也有效控制了风压波动造成的风速波动。对每个测量点都进行1分钟以上测量并取平均值,有效地控制了误差。

3  研究对象和试验系统介绍

  本文的研究对象是应用于某台300MW燃煤锅炉的达冠生物质燃烧机,该燃烧器结构如图1所示,生物质空气射流垂直向上进入450弯头入口,经450鸾头再进入上下方向的900弯头,900弯头出口后布置一个450扭转板,将900弯头出口上侧的浓生物质空气射流转向到向火侧(浓侧),900弯头出口下侧的淡生物质空气射流则转向背火侧(淡侧)。扭转板出口后布置内有竖置隔板的圆变方和带有V形稳燃体的喷口,形成水平浓淡射流喷入炉内。喷口出口风速23m/s,生物质浓度为0.6kg/kg。

    按1:2.708的模化比例设计制造了大型多相流动试验台,试验台系统如图2所示。  主要由高压风机、螺旋给粉机、风管、模型燃烧器、测试框、旋风分离器、料斗、锁气器、布袋除尘器等组成。系统采用给料均匀性和重复性都很好的螺旋给粉机给料,给粉量由调速电机控制,最大给粉量可达2~3 t/h。为真实模拟生物质喷入炉膛后的流动过程,测试框采用了较大的容积,以保证生物质射流的扩展不受限。

    由于旋风分离器对大颗粒的分离效果较好,而对细颗粒的分离效果差,会导致料斗中的粉料越来越粗,从而导致分离效果发生变化。为避免此问题,采用将布袋除尘器分离下来的细灰返回到料斗,并定期换料,测试结果表明试验物料粒径分布可基本不变。为保证燃烧器弯头入口前的生物质和空气混合均匀,试验台架设计中在燃烧器弯头入口前设置很长的垂直管段,直管段长度为3m,是管道内径中150的20倍,足以保证燃烧器入口风煤分布均匀。

    为真实模拟生物质燃烧器的运行特性,霈要进行详细的两相模化计算。经两相模化计算获得了管内风速、燃烧器出口风速、模化颗粒特性和粒径。试验过程中,激光光纤探针通过测试框侧壁面上预先开设的测孔,垂直射流插入测试框,测试平行于射流出口截面的射流沿程各平面上的颗粒浓度分布。以喷口轴向中心线为原点,以20mm为间隔,在每个测量截面上布置100个左右的测点。激光光纤探针在气固两相射流中逐点测量各网格点处的固相浓度分布,从而获得水平浓淡气固两相射流沿程扩散和混合特性。

4试验结果

    图3示出了达冠生物质燃烧机出口50mm处射流截面上的固相浓度分布,图中x表示测量截面的水平方向,y表示测量截面的高度方向,见图1所示。可见由于弯头的离心分离作用,气固两相射流呈现出向火侧固相浓度高,背火侧固相浓度低的特点,而且由于喷口内布置有V形稳燃器,使固相浓度分布在高度方向上有两个峰值,对应于V形稳燃器分隔成的上下两股射流。

    图4示出了达冠生物质燃烧机出口lOOmm处射流截面上的固相浓度分布,可见浓淡气固射沆在此截面上继续保持了水平方向上浓淡分离的效果,由于射流的卷吸作用,浓度最高值有所降低。高度方向原来由于V形稳燃体形成的上下两个浓度高峰值逐步融合,形成向火侧的浓生物质带。在此截面上,开始形成中心的低固相浓度分布区,与气相回流区形成的位置基本对应,说明该低固相浓度分布区主要是由于V形稳燃器形成的回流区造成的。

    图5示出了达冠生物质燃烧机出口200mm处射流截面上的固相浓度分布,可见水平浓淡分离效果依然存在,射流中心的低固相浓度分布区有所扩大,由于固相主要集中在向火侧和中心回流区周围靠近向火侧面,这种固相分布特性可以获得较好的着火和稳燃效果。

    图6为达冠生物质燃烧机出口400mm处射流截面上的固相浓度分布,可见水平浓淡分离效果仍然得到保持,浓淡分离效果仍然比较明显。但射流浓度最高值位置已由出口50mm截面处偏离喷口中心线lOOmm左右扩展为偏离喷口中心线250mm以上。对照图7示出的达冠生物质燃烧机该截面的气相速度分布,可见由于达冠生物质燃烧机出口存在速度偏差,浓侧速度约大于淡侧速度2~3 m/s,导致射流偏向浓侧,在该位置射流中心约偏离喷口出口中心线lOOmm左右。由于固相颗粒惯性较大,导致固相浓度的浓度最高值的位置偏离中心更多一些。利用前置空间弯头分离作用的达冠生物质燃烧机这种射流中心偏向向火侧的特性,对一次风射流的着火是有利的,因为如果一次风切圆较小时,这种射流偏斜特性相当于将一次风反切,一次风逆顶上游高温烟氕来流,有利于一次风着火和稳燃,同时也利于水冷壁防止结渣和高温腐蚀,但浓淡侧速度的偏差以及V形稳燃器的存在也导致射流刚性不强。设计和运行中应对以上问题予以注意。

  比较气固射流沿程各截面上的固相浓度分布,可见随射流发展,高度方向上射流中的固相分布逐步有下沉趋势,这是由于重力造成的颗粒沉降作用引起的,热态条件下由于存在较强的炉内上升气流速度,这种颗粒沉降作用将不复存在。

5结论

    (1)本文采用基于光学波动法的激光光纤测量技术在大型气固多相试验台架上测试了水平浓淡燃烧器出口气固多相射流的扩展和混合特性。试验结果表明,基于光学波动法的激光光纤测量技术是一种有效的测试燃烧器出口射流固相分布特性的测量手段,并且由于该测量披术可以在较高浓度气固两相流中测试固相浓度分布,可以直接应用于现场测试或在接近现场条件的气固两相试验台上进行测量,对了解气固多相射流的扩展、混合特性,高效低污染燃烧器的开发和设计提供参考。

    (2)对达冠生物质燃烧机出口射流的详细测试结果表明,浓淡分离效果能在较长的射程内保持,而不会发生平行的浓淡两股射流很快混合的现象,因此浓淡燃烧的优点可得到保证。

    (3)达冠生物质燃烧机出口如布置V形稳燃器,则V形稳燃器造成的中心回流区位置形成低固相浓度分布区,高浓度固相主要分布在向火侧和回流区周围靠向火侧,非常有利于生物质射流的强化着火和燃烧。

    (4)由于达冠生物质燃烧机出口的浓淡侧速度不均衡,导致射流偏向向火侧,但射流中固相的偏斜大于气相偏斜程度。

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点击次数:  更新时间:2018-05-10 20:41:50  【打印此页】  【关闭