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行业知识

径向生物质燃烧机气固流动特性的实验研究及其对燃烧的影响

径向生物质燃烧机气固流动特性的实验研究及其对燃烧的影响

搞要在气固两相实验台上采用三维PDA系统对径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧机及蜗壳生物质燃烧机出口的气固流动特性进行了试验,发现前者在中心回流区边缘附近形成了较高的颗粒浓度,中心回流区中颗粒浓度也较大,后者在中心回流区及边缘附近颗粒浓度较小,壁面区域则较大分析了两相流动特性对生物质燃烧机性能的影响,并通过工业试验进行了验证,表明径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧机是一种同时具有高效、稳燃、低污染、防止结渣和防止高温腐蚀的新一代生物质燃烧机

1引言

    我国的能源以煤为主,煤粉燃烧中存在着如下

    本文课题得到“九五”国家重点科技攻关、学煤的清洁燃烧技术国家重点实验室的资助。问题:锅炉稳燃(包括劣质煤稳燃和低负荷稳燃1能力差、燃烧效率低、大气污染严重、水冷壁结渣和高温腐蚀汽温偏差等在总结国内外技术的基础上。文[1~+耐我国的国情,提出了径向浓淡旋流煤粉燃烧器(简称新型生物质燃烧机,见图1)在生物质燃烧机一次风通道中加入百叶窗式煤粉浓缩器,一次风粉混合物分成浓淡两股,浓煤粉气流靠近中心经浓一次风通道喷入炉膛,淡煤粉气流从浓一次风通道外侧的淡一次风通道喷入炉膛同时,二次风也分成了两部分。一部分经过旋流二次风通道以旋流的形式进入炉膛,另一部分经过直流二次风通道以直流的形式进入炉膛旋流器为轴向弯曲叶戌9

 2测试方法及实验参数

    试验采用丹迪公司生产的三维激光粒子动态分析仪( PDA)实验台系统见图2,详见文献[2]有两台给粉机,一台将钛白粉送入风箱与送风机之间的主风道。送粉量为0. 12kg/h,粒径小于10/-m,用于

示踪气相流动。另一台将玻璃微珠送入浓一次风或一次风中,玻璃微珠真实密度为2500kg /m3,用PDA测得0v 140£m粒径的颗粒占总数的9&4%。平均粒径为49.  94上m,与煤粉的粒径分布相似,煤粉密度随煤质不同变化较大。一般真实密度约2000kg /m3,玻璃微珠与煤粉特性相近

    生物质燃烧机一次风扮的流动主要有直流和旋流两种形式,因此本文研究选择新型生物质燃烧机及我国目前常用的蜗壳生物质燃烧机,新型生物质燃烧机模型(图3)中没有安装浓缩器。仅向浓一次风中供粉,相当于一次风中的颗粒全部浓缩至浓一次风中这一极限情况。蜗壳生物质燃烧机一次风旋流器为蜗壳,模型一次风通道小而长。采用蜗壳阻力大,因而采用轴向弯曲叶片使一次风粉旋转,其它结构与新型生物质燃烧机相同实验参数按近似模化的方法得出。颗粒质量浓度指玻璃微珠的质量流量与一次风的空气质量流量的比值两种生物质燃烧机的风速相同,一次风速为15. Sm/s。旋流二次风轴向速度为21. 4m/s。直流二次风速及中心风速为0m/。,新型生物质燃烧机浓一次风粉颗粒质量浓度为0. 20kg /kg,淡一次风粉为Okg /kg,蜗壳生物质燃烧机一次风粉颗粒质量浓度为Q lOkg /kg

    生物质燃烧机最外层扩口直径与试验段简体直径之比为4 5,生物质燃烧机射流的流动为低受限流动

3生物质燃烧机出口气固流动特性

3.1流动过程的平均特性和湍流特性

    生物质燃烧机的旋流强度大小对气固两相流动有重要影响,气固两相最大速度衰减特性总体上反映了射流的发展情况,各截面雷诺正应力流率从一个侧面反映了射流的湍流特性。本文首先从以上几个参数入手进行分柝

    采用生物质燃烧机喷口截面测量值计算了旋流强度。对于气相旋流强庋。蜗壳生物质燃烧机为0. 46,新型燃烧器的为Q 30。蜗壳生物质燃烧机约是新型生物质燃烧机的1.5倍,这主要是由于一次风的旋转使整个射流的旋转加强所致。对于固相旋流强度,蜗壳生物质燃烧机为3f远大于该生物质燃烧机气相旋流强度),新型生物质燃烧机的为0. 09,是新型生物质燃烧机的44.2倍,这主要是由于蜗壳

生物质燃烧机固相初始就旋转,在离心力的作用下很快分布至距生物质燃烧机中心较远的区域况以下的测量结果),旋转动量矩大,而对于一次风不旋转的新型燃烧器。固相是在气相的带动下旋转颗粒多分布于距生物质燃烧机中心较近区域,旋转动量矩小。

    两种生物质燃烧机径向平均最大速度衰减见图4所示,图中x指沿射流方向距生物质燃烧机喷口端头的距离蜗壳生物质燃烧机初期气、固两相具有较大的径向最大速度。x /d=1以前径向最大速度是新型生物质燃烧机的2倍以上,x /d=1以后,新型生物质燃烧机径向最大速度逐渐衰减至0,而蜗壳生物质燃烧机保持在8m/。左右对于x /d=0.卜3.32的8个截面径向平均速度的测量表明,对蜗壳生物质燃烧机,从出口至x /d=0.37截面,燃烧器中心区域以及主流区域气固两相都具有较大的径向平均速度。主流区域中的气、固两相径向平均速度是新型生物质燃烧机相应区域速度的2倍以上。其它截面,相对于新型生物质燃烧机。蜗壳生物质燃烧机也保持了较高的径向平均速度

    气相、固相总的湍流特性可用各截面的雷诺正应力流率来表达。计算公式见文献p 41在测量截面0.卜3. 32区域内。白试验数据进行计算对于径向雷诺正应力流率,蜗壳生物质燃烧机的气相范围为44.弘222 2W,固相范围为28.卜95. 1W;新型生物质燃烧机的气相范围为1.8v 26. 5W。固相范围为3.7v 9.7W对于同一截面。蜗壳生物质燃烧机与新型生物质燃烧机相比,前者的气相径向雷诺正应力流率是后者的几十信上百倍,前者的固相为后者的几倍、十几倍从两种燃烧器的气相、固相径向均方根脉动速度分布可以看出。从x /d=0.1至x/d=2 02截面的主流区域中,蜗壳生物质燃烧机约是新型生物质燃烧机的4倍左右这表明新型生物质燃烧机径向湍流输运能力较弱,而蜗壳生物质燃烧机则较强

    两种生物质燃烧机的气相、固相轴向平均速度如图5所J70新型生物质燃烧机在出口至x/d=1.02截面,气固两相轴向平均速度分布呈双峰形状,靠近中心的峰区为一次风粉流动区域,靠近壁面的峰区为二次风流动区域在x /d=o.1截面,靠近中心的峰值高于靠近壁面的峰值。但随着一次风粉向二次风中的扩散。靠近中心的速度峰值逐渐减小,靠近壁面的速度峰值开始逐渐升高,随着射流的发展,二次风向边壁扩散,速度峰值又逐渐降低,其径向位置也逐渐向壁面移动。在靠近中心的峰区,固相轴向速度明显高于气柜在x /d=1.02截面,当气相轴向平均速庋为负

3.2生物质燃烧机出口区域颗粒浓度分布    图3知,新型生物质燃烧机浓一次风粉通道的外管直径为

    两种生物质燃烧机旷10移m颗粒体积流量、颗粒体  +71m m,中心管扩锥直径为中63mm,颗粒由浓一次积浓度在不同截面沿径向分布如图6 7所示图中    风通道喷入简体时,在浓一次风通道外层区域的颗Cv为颗粒的体积浓度,CVIU。为该截面上的最大浓度    粒没有受到中心扩锥的影响而直接喷入简体内,值对于新型生物质燃烧机。在x /d=Q卜1.02截面径向    在靠近生物质燃烧机中心附近形成一个颗粒体积流量、颗粒粒体积浓度峰值区域在浓一次风通道内层区域的颗粒,与中心扩锥碰撞。或虽未与中心扩锥碰撞,但在扩锥的导向作用下,与生物质燃烧机中心以一定的夹角喷入简体。从而在靠近中心的峰值区域外侧又形成一个颗粒体积流量颗粒体积浓度峰值区域颗粒数密度的分布与以上两个参数的分布规律基本相同。因此,在中心回流区边缘附近形成了一个颗粒体积流量、颗粒数密度、体积浓度峰值,而且沿射流的发展一直保持较高的数值。x /d=0.1截面,中心回流区边缘附近最大颗粒体积流量值是蜗壳生物质燃烧机该截面最大值的25倍新型生物质燃烧机中心回流区中颗粒体积浓度况图7)也较高在x /d=0.52 1.02两个截面,靠近生物质燃烧机中心的颗粒体积流量峰区处于轴向气相负速度区,即出现了大量颗粒穿越中心回流区的现象,颗粒数密度的分布在中心回流区中也较高从总体上看,新型生物质燃烧机的颗粒集中于生物质燃烧机中心分奄对于蜗壳生物质燃烧机,一次风粉本身旋转,固相旋流强度大,颗粒径向湍流输运能力强。颗粒主要分布于距中心较远的壁面区域,在中心区域颗粒体积流量很小,颗粒体积浓度很低;而在距中心回流区较远的区域,颗粒体积流量相对较大。出现了颗粒体积浓度峰值区,颗粒数密度与颗粒俸积浓度具有基本相同的分布规律

3.3生物质燃烧机出口区域颗粒粒径分布

    两种生物质燃烧机旷lOWm颗粒平均粒径分布如图8所示此处平均粒径是根据颗粒直径大小按个数来平均的算术平均直径dig对于新型生物质燃烧机同一个截面内沿径向出现了两个平均粒径峰值,与颗粒体积流量峰值的位置相同由以上分析知。由于受中心扩锥影响的不同,浓一次风通道中的颗粒进入简体后分成了两股颗粒越大,惯性也越大由于一次风为直流颗粒具有保持直流流动的特性两股颗粒流中,较小的颗粒易扩散至二次风或中心回流区,较大的颗粒则易保留下来,从而形成了两个平均粒径峰值其它截面的粒径分布表明,较大的颗粒最终也被输运至壁面区域在生物质燃烧机出口区,壁面区颗粒主要是从射流下部壁面区域由边壁回流卷吸而来,下部壁面区域颗粒粒径较大,因而壁面区平均粒径较大对于蜗壳生物质燃烧机,颗粒本身旋转。并具有较高的切向、径向速度,较大的颗粒由于惯性作月而甩向了壁面区,形成了壁面区域平均粒径较大,而中心区域平均粒径较小的分砸中心回流区中,新型生物质燃烧机与蜗壳生物质燃烧机相比颗粒平均粒径较大

4生物质燃烧机气固流动特性对燃烧的影响

    新型生物质燃烧机在中心回流区边缘附近颗粒浓度较大,此区域烟气温度高。因而形成了一个高温、高浓度区域。这有利于稳燃蜗壳生物质燃烧机在高温的中心区域颗粒体积流量小。颗粒数密度及体积浓度低,这不利于稳燃。

    新型生物质燃烧机中心区域的颗粒平均粒径大,较大的颗粒多数滞留在了生物质燃烧机中心,此区域温度高,煤粉燃烧的初期为动力燃烧区,有利于煤粉燃尽;良好的稳燃性能延长了煤粉的燃烧时间。为煤粉燃尽创造了条件蜗壳生物质燃烧机远离中心回流区的低温二次风中集聚了较多的颗粒,颗粒的平均粒径大,因而不利于煤粉的燃尽

    新型生物质燃烧机中心区域颗粒体积流量小,颗粒体积浓度大。颗粒数密度高,在某些截面出现了大量颗粒穿越中心回流区的现象。而中心区域尤其是中心回流区为低氧区,还原性气氛强,这可以抑制燃料型NO。的形成蜗壳生物质燃烧机在二次风中富含大量的颗粒,煤粉初期处于高氧化性气氛中燃烧。这有利于燃料型Q的形成

    新型生物质燃烧机颗粒具有较小的切向、径向速度,大部分颗粒集中于生物质燃烧机中心燃烧。这有利于在水冷壁附近形咸氧化性气氛,提高灰的熔点,有利于防止结渣及高温腐蚀蜗壳生物质燃烧机颗粒具有较大的切向、径向速度。径向输运能力强,易出现大量颗粒被甩向并粘附于水冷壁上的现象。并且大量颗粒在近水冷壁区燃烧,易形成还原性气氛,从而造成水冷壁的结渣及高温腐蚀的形成

5新型生物质燃烧机综合性能的工业试验验证

    煤粉浓淡分离的效果以及生物质燃烧机运行寿命的长短取决于浓缩器浓缩叶片的磨损速度浓缩叶片的磨损速度主要取决于生物质燃烧机一次风通道况图11中一次风速的大小以及叶片的材质,对于燃用贫煤以及无烟煤的锅炉,一次风通道中一次风速(约15m /s)较低,浓缩叶片采用高硬度(HRC= 50- 60)耐磨铸钢可以保证浓缩器运行4年:对于燃用烟煤的生物质燃烧机。由于一次风通道中一次风速f 20-  25m /s)较高,浓缩叶片采用氧化物陶瓷可以保证浓编器运行卜8年o

6结论

    (1)径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧机在中心回流区边缘附近形成了较大的颗粒体积流量颗粒体积浓度、颗粒数密度,中心回流区中颗粒体积浓度、颗粒数密度也较高,颗粒平均粒径较大。在某些区域出现了大量颗粒穿越中心回流区的现象蜗壳生物质燃烧机在中心回流区及其边缘附近,颗粒体积流量很小,颗粒体积浓度、颗粒数密度很低,颗粒平均粒径较小,边壁区域则较高,平均粒径较大。

    (2)径向浓淡旋流煤粉生物质燃烧机的气固流动特性有利于煤粉的燃尽、火焰稳燃抑制NOx生成及防止结渣及高温腐蚀。工业应用表明这种生物质燃烧机是一种同时具有高觌稳燃、低污染防止结渣及防止高温腐蚀性能的新型生物质燃烧机

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点击次数:  更新时间:2018-06-24 21:49:39  【打印此页】  【关闭