達(dá)冠擴(kuò)口位置對生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場影響的研究

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擴(kuò)口位置對生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場影響的研究
搞要：通過采用三維相位多普勒顆粒分析儀對中心給粉旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的氣固兩相流動(dòng)特性進(jìn)行了測量。在2種擴(kuò)口位置下，從生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.5截面氣、固兩相軸向速度分布均呈雙峰結(jié)構(gòu)；在中心線處，氣相軸向速度明顯滯后于固相軸向速度，實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣相、固相的軸向速度衰減速度快，且在x/d=1.5的截面開始，
出現(xiàn)顆粒穿越部分回流區(qū)。在x/d=0.3截面，氣、固兩相切向速度分布是典型的Rankine渦結(jié)構(gòu)；在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.7截面，氣、固兩相徑向速度分布呈雙峰結(jié)構(gòu)。中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)在生物質(zhì)燃燒機(jī)中心形成較高的穎粒濃度分布。
0 引言
我國能源以煤為主，電力工業(yè)用煤以劣質(zhì)煤為主，而且煤質(zhì)多變、揮發(fā)分低，所以保證煤粉燃燒的高效和穩(wěn)定是電力工業(yè)的一個(gè)重要任務(wù)。旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)在出口附近形成穩(wěn)定的中心回流區(qū)，卷吸下游的高溫?zé)煔?，將一次風(fēng)粉混合物迅速加熱著火，提高了火焰穩(wěn)定性，并可單獨(dú)組織燃燒，在我國電站鍋爐以及其他的煤粉應(yīng)用領(lǐng)域占有一定的比例[1-2]。從國外進(jìn)口的300 MW及其以上容量機(jī)組很多采用生物質(zhì)燃燒機(jī)[3]。近年來隨著我國電力事業(yè)的發(fā)展，電力工業(yè)對煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)提出了新的要求，即：高燃燒效率，低負(fù)荷穩(wěn)燃及煤種的適應(yīng)性，低污染，防結(jié)渣，防高溫腐蝕‘2]。文獻(xiàn)[4-10]提出了新型的旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)，并對其工作機(jī)理和影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)研究和理論分析。結(jié)合高濃度煤粉燃燒技術(shù)[11]和旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)[12]的特點(diǎn)，李爭起等人于2003年提出并得出了適于燃用貧煤1 025 t/h鍋爐的中心給粉旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)f如圖1所示1。其主要特點(diǎn)是一次風(fēng)為直流，生物質(zhì)燃燒機(jī)一次風(fēng)通道位于生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心，在一次風(fēng)通道中安裝一個(gè)或多個(gè)錐形分器使煤粉集中于生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心并噴入爐內(nèi)，煤精噴入位置正對中心回流區(qū)的中心部分。內(nèi)二次風(fēng)葉片采用16個(gè)軸向50彎曲葉片，外二次風(fēng)葉片采用12個(gè)切向葉片。在一臺1 025 t/h燃用貧煤鍋爐上的工業(yè)性試驗(yàn)表明，該生物質(zhì)燃燒機(jī)具有優(yōu)良的煤種適應(yīng)性和低負(fù)荷穩(wěn)燃能力，最低負(fù)荷率可達(dá)4'70lo[13-14]。
一次風(fēng)擴(kuò)口處于一次風(fēng)粉和二次風(fēng)出口之間，它不僅對二次風(fēng)出口氣流的流動(dòng)特性、一二次風(fēng)之間的混合以及對煤粉流動(dòng)特性具有重要的影響，同時(shí)還對生物質(zhì)燃燒機(jī)的噴嘴壽命有重要的影響。一次風(fēng)擴(kuò)口離最外層擴(kuò)口過遠(yuǎn)，會使一次風(fēng)粉混合物與二次風(fēng)提前混合，不利于降低NO。；一次風(fēng)擴(kuò)口離最外層擴(kuò)口過近會加大燒毀噴嘴的可能性。
1 試驗(yàn)系統(tǒng)及測試方法
測量系統(tǒng)采用DANTEC公司制造的三維相位多普勒顆粒分析儀f簡稱PDA)。它可以在不干擾流場的情況下，同時(shí)采集氣固兩相速度和顆粒粒徑信號，進(jìn)而可以分析出時(shí)間、空間內(nèi)的顆粒濃度分布，兩相滑移速度，各種脈動(dòng)指數(shù)和湍動(dòng)能分布等。整個(gè)測試系統(tǒng)由SW氬離子激光器、發(fā)射器、信號處理器、光學(xué)鏡頭、計(jì)算機(jī)，遠(yuǎn)控坐標(biāo)架等組成。接收方式采用后向1380折射模式。
試驗(yàn)臺系統(tǒng)如圖2所示。主要由引風(fēng)機(jī)、給粉機(jī)、試驗(yàn)段、生物質(zhì)燃燒機(jī)模型、旋風(fēng)分離器等部分組成。試驗(yàn)段為一豎直放置簡體，直徑為800 mm，生物質(zhì)燃燒機(jī)模型安裝在簡體上部中心位置，最外層擴(kuò)口端部與簡體內(nèi)壁平齊。沿射流方向筒體高1 800 mm，給粉機(jī)將玻璃微珠送到濃一次風(fēng)中，給粉量為52.4 kg/h，玻璃微珠的真實(shí)密度為2500 kg/m3，平均粒徑為42Um。玻璃微珠由旋風(fēng)分離器回收，通過簡易鎖氣器可將玻璃微珠不斷地取出。由于一部分細(xì)顆粒不能分離下來，使回收的顆粒變粗，試驗(yàn)中，監(jiān)視燃燒器出口處的平均粒徑，若粒徑變化較大，即加入新玻璃微珠，淘汰舊的玻璃微珠，保持粒徑分布穩(wěn)定[15-19]。
中心給粉旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)以某電廠燃用貧煤的1 025 t/h鍋爐的生物質(zhì)燃燒機(jī)[13]為模型，根據(jù)幾何相似原則按1:7比例制作（如圖31。其主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)是在燃燒器中間沒有安裝濃縮環(huán)，由一臺給粉機(jī)向濃一次風(fēng)中供粉，相當(dāng)于一次風(fēng)中的顆粒全部濃縮至濃一次風(fēng)中的情況，顆粒濃度的大小通過給粉機(jī)的給粉量的多少來控制。試驗(yàn)中生物質(zhì)燃燒機(jī)模型其他結(jié)構(gòu)不變，只改變一次風(fēng)擴(kuò)口位置，分別對中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)模型的實(shí)陳一次風(fēng)擴(kuò)口位置和一次風(fēng)擴(kuò)口外伸9.5mm，即一次風(fēng)擴(kuò)口與最外層擴(kuò)口平齊的2種條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)際鍋爐上生物質(zhì)燃燒機(jī)的布置是水平的，而試驗(yàn)驗(yàn)中的生物質(zhì)燃燒機(jī)是垂直放置的，其差別主要是重力對顆粒流動(dòng)的影響不同，通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在燃燒器出口區(qū)域氣固強(qiáng)迫流動(dòng)中，重力的大小是曳力的1/15左右，重力對氣流運(yùn)動(dòng)的影響非常小[20]，因此生物質(zhì)燃燒機(jī)的垂直放置對生物質(zhì)燃燒機(jī)出口區(qū)域氣固流動(dòng)特性影響較小，可以用來分析實(shí)際鍋爐上生物質(zhì)燃燒機(jī)水平布置時(shí)的氣固流動(dòng)特性。
在試驗(yàn)時(shí)，沿試驗(yàn)段高度方向取7個(gè)截面測量(x/d= 0.1，0.3，0.5，0.7，1.5，2.5，其中x為沿射流方向距生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口的距離，d為生物質(zhì)燃燒機(jī)最外層噴口直徑1，每個(gè)截面沿直徑方向取35個(gè)測點(diǎn)，測量中每個(gè)測點(diǎn)采樣為3 000個(gè)，或采樣時(shí)間為6 min。本文采用0～8 jLm的顆粒示蹤氣相流動(dòng)特性，10～100 jim的顆粒示蹤固相流動(dòng)特性。第35期李爭起等：擴(kuò)口位置對生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場影響的研究
2試驗(yàn)結(jié)果分析
中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的氣、固兩相軸向平均速度和中心線處軸向速度衰減分布如圖4、5所示。從圖中可以看出，在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.5截面，2種擴(kuò)口位置下生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣、固兩相軸向速度分布呈雙峰結(jié)構(gòu)，靠近生物質(zhì)燃燒機(jī)中心的峰區(qū)為一次風(fēng)粉流動(dòng)區(qū)域，靠近壁面的峰區(qū)為二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域，靠近中心的峰值始終高于靠近壁面的峰值；隨著一次風(fēng)粉向二次風(fēng)的擴(kuò)散，二次風(fēng)向邊壁擴(kuò)散，靠近的壁面的軸向速度峰值逐漸增加，峰值位置向邊壁移動(dòng)。與實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)相比，一次風(fēng)擴(kuò)口外伸時(shí)的靠近的壁面的軸向速度峰值要低于實(shí)際擴(kuò)口的靠近的壁面的軸向速度峰值，中心回流區(qū)起點(diǎn)距離噴口近，回流區(qū)尺寸較大。在中心線處，氣相速度明顯滯后于固相速度，實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣相、固相的軸向速度衰減速度明顯高于一次風(fēng)擴(kuò)口外伸的衰減速度；實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)在x/d=1.5的截面開始，出現(xiàn)了氣相速度為負(fù)值時(shí)，固相速度仍為正值的現(xiàn)象，即顆粒穿越了部分回流區(qū)。在2種擴(kuò)口位置下，生物質(zhì)燃燒機(jī)區(qū)氣固兩相軸向RMS脈動(dòng)速度分布規(guī)律基本相同，在生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口至x/d=l.0截面出現(xiàn)了雙峰分布。在x/d=0.1裁面半徑為0到80 mm的范圍內(nèi)以及x/d=0.3至x/d=0.7截面，實(shí)際擴(kuò)口燃燒器的軸向RMS(脈動(dòng)速度的平方平均開方值1高于一次風(fēng)擴(kuò)口外伸時(shí)的脈動(dòng)RMS速度。
生物質(zhì)燃燒機(jī)的不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的氣、固兩相切向平均速度分布如圖6所示。在x/d=0.3截面，2種生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣固兩相切向速度分布都呈典型的Rankine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)。從x/d=0.5開始，切向速度峰值開始向中心線方向移動(dòng)，這說明一次風(fēng)粉混合物開始在二次風(fēng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。對于實(shí)際擴(kuò)口的生物質(zhì)燃燒機(jī)，在x/d=0.1截面，半徑為0～40 mm范圍內(nèi)，氣固兩相切向速度均較小，接近于零。與實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)相比，在x/d=0.5～2.5的截面（除x/d=1.5，半徑為80 mm到300 mm范圍以外1一次風(fēng)擴(kuò)口外伸時(shí)的切向平均速度普遍偏低，尤其是在中心線附近，其速度值更小。這是由于一次風(fēng)擴(kuò)口外置，推遲了一、二次風(fēng)的混合導(dǎo)致的。2種擴(kuò)口位置下的中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)氣、固兩相切向RMS脈動(dòng)速度分布基本相同，均保持了較高的數(shù)值，隨著射流的發(fā)展，切向RMS脈動(dòng)速度分布趨于平緩。
生物質(zhì)燃燒機(jī)的不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的氣、固兩相徑向平均速度分布如圖7所示，2種擴(kuò)口位置的燃燒器的兩相徑向速度分布規(guī)律基本一致。在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.7截面，氣、固兩相徑向速度分布呈雙峰結(jié)構(gòu)，靠近中心的峰區(qū)為一次風(fēng)粉流動(dòng)區(qū)域，靠近邊壁的峰區(qū)為二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域，靠近邊壁的峰值始終高于靠近中心的峰值。隨著一次風(fēng)粉向二次風(fēng)中的擴(kuò)散，二次風(fēng)向邊壁擴(kuò)散，兩個(gè)速度峰值都逐漸降低，二次風(fēng)峰值的徑向位置也向邊壁移動(dòng)。在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.7截面，中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)在中心線附近的徑向速度為負(fù)值，說明一次風(fēng)粉流向中心線移動(dòng)，從而使中心線附近的顆粒濃度增加。
生物質(zhì)燃燒機(jī)的不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的0～100 Um顆粒在不同截面沿徑向的平均粒徑分布如圖8所示，由圖可見，粒徑分布的規(guī)律相同。由于顆粒由位于生物質(zhì)燃燒機(jī)中心的濃一次風(fēng)管直接噴出，因而顆粒保持直流流動(dòng)的特點(diǎn)，較大的顆粒由于慣性而繼續(xù)前進(jìn)，較小的顆粒受氣流的影響易擴(kuò)散至二次風(fēng)和中心回流區(qū)中‘4]。因此，在x/d=0.1—0.7的區(qū)域，回流區(qū)內(nèi)顆粒平均粒徑較小，回流區(qū)外顆粒粒徑較大。隨著射流的發(fā)展，顆粒逐漸混合均勻，使得以后各截面的顆粒平均粒徑趨于均勻分布。
生物質(zhì)燃燒機(jī)的不同一次風(fēng)擴(kuò)口位置下的顆粒相對體積濃度在不同截面沿徑向分布如圖9所示。顆粒相對體積濃度為Cv/Cvm。。（其中Cv為每一點(diǎn)的顆粒數(shù)密度，Cvm。。為該截面顆粒數(shù)密度最大值）。從生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.5的截面，顆粒相對體積濃度都呈雙峰分布，靠近中心線的峰區(qū)為一次風(fēng)粉流動(dòng)區(qū)域；靠近壁面的峰區(qū)為二次風(fēng)流動(dòng)區(qū)域。與徑向濃淡生物質(zhì)燃燒機(jī)和蝸殼生物質(zhì)燃燒機(jī)相比[19]，中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的靠近中心線的顆粒相對體積濃度的蜂值位置更加接近生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心線，并且靠近邊壁的顆粒相對體積濃度的峰值要低。這是由于中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)決定的（見圖11，顆粒由濃一次風(fēng)通道直接噴入生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心區(qū)域，從而在生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心線附近形成一個(gè)高的顆相對體積濃度峰值區(qū)域，這樣更多數(shù)的顆粒滯留在生物質(zhì)燃燒機(jī)中心，此區(qū)域溫度高，使煤粉氣流及時(shí)著火，提高了火焰穩(wěn)定性，有利于煤粉燃盡，同時(shí)還可以大幅度降低NO。的排放[21]。隨著射流的發(fā)展和二次風(fēng)向邊壁的擴(kuò)散，從x/d=0.5截面開始，兩個(gè)顆粒相對體積濃度峰值逐漸減小，靠近邊壁的顆粒相對體積濃度峰值向邊壁方向移動(dòng)。比較兩種生物質(zhì)燃燒機(jī)的顆粒相對體積濃度分布，一次風(fēng)擴(kuò)口外伸生物質(zhì)燃燒機(jī)的靠近邊壁的顆粒相對體積濃度峰值要低，且峰區(qū)徑向很窄小，這是由于一次風(fēng)擴(kuò)口外伸，后期射流混合變?nèi)醵鴮?dǎo)致的。
遁過以上分析，可以看出，對于一次風(fēng)擴(kuò)口外伸時(shí)的生物質(zhì)燃燒機(jī)，中心回流區(qū)的尺寸大，這有利于燃燒器卷吸更多的高溫?zé)煔?，有利于煤粉氣流的穩(wěn)燃；一次風(fēng)擴(kuò)口外伸生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心回流區(qū)的起點(diǎn)距離噴口近，容易燒壞生物質(zhì)燃燒機(jī)的噴嘴，影響生物質(zhì)燃燒機(jī)噴嘴的壽命，因此一次風(fēng)擴(kuò)口外伸的中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)更適合于燃用貧煤等較差煤質(zhì)。對于實(shí)際擴(kuò)口位置的燃燒器，中心回流區(qū)的尺寸相對小一些，中心回流區(qū)的起點(diǎn)距離噴口稍遠(yuǎn)，因此實(shí)際擴(kuò)口位置的中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)適合燃燒煙煤等含有較高揮發(fā)分的較好煤質(zhì)。
3結(jié)論
通過采用三維相位多普勒顆粒分析儀對中心給粉旋流煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣固兩相流進(jìn)行了測量，得出以下結(jié)論：
(1)從生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.5的截面，中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)的顆粒相對體積濃度都呈雙峰分布，在燃燒器中心形成較高的顆粒濃度分布。與徑向濃淡燃燒器和渦殼生物質(zhì)燃燒機(jī)相比，中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)靠近中心線的顆粒相對體積濃度的峰值位置更加靠近生物質(zhì)燃燒機(jī)的中心線，靠近邊壁顆粒相對體積濃度的峰值要低。
(2)在2種擴(kuò)口位置下，從生物質(zhì)燃燒機(jī)出口至x/d=0.5截面氣、固兩相軸向速度分布均呈雙峰結(jié)構(gòu)，在x/d= 0.3截面，氣、固兩相切向速度分布是典型的Rankine渦結(jié)構(gòu)。實(shí)際擴(kuò)口生物質(zhì)燃燒機(jī)，在中心線處的氣固兩相的軸向速度衰減速度快；在x/d=1.5的截面開始，出現(xiàn)了顆粒穿越了部分回流區(qū)；在生物質(zhì)燃燒機(jī)的噴口附近，氣固兩相切向速度均較小，接近于零。擴(kuò)口外伸的生物質(zhì)燃燒機(jī)中心回流區(qū)的尺寸大，回流區(qū)的起點(diǎn)距離噴口較近，更適合于燃用貧煤等較差煤質(zhì)。實(shí)際擴(kuò)口位置生物質(zhì)燃燒機(jī)中心回流區(qū)的尺寸相對小一些，中心回流區(qū)的起點(diǎn)距離噴口稍遠(yuǎn)，因此實(shí)際擴(kuò)口位置的中心給粉生物質(zhì)燃燒機(jī)適合燃燒煙煤等含有較高揮發(fā)份的較好煤贗。