新型旋流生物質(zhì)燃燒機出口區(qū)域氣同兩相流場的PDA實驗研究

摘 要 針對電站鍋爐燃用煤種和負(fù)荷多變的問題，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)件實行生物質(zhì)濃淡分離的濃淡生物質(zhì)燃燒機o采用三維相位多普勒顆粒分析儀f PDA)對濃淡生物質(zhì)燃燒機和雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機出口區(qū)域兩相流場進(jìn)行了實驗研究，得出了兩種燃燒器幾何結(jié)構(gòu)下氣固兩相流場和濃度場的分布規(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，已成為世界各國能源開發(fā)和利用的重要課題近10多年來，在生物質(zhì)爐降低NO。清潔燃燒和無煙煤等難燃煤的穩(wěn)燃技術(shù)兩方面，國外開發(fā)了一些先進(jìn)技術(shù)。如缺氧燃燒富燃料或燃料過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)與分級燃燒技術(shù)【

國外開發(fā)新型生物質(zhì)燃燒機的主要出發(fā)點是降低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，著重解決了低負(fù)荷穩(wěn)燃問題試驗表明，該燃燒器可在107/0的負(fù)荷下運行口，3 1但由于該燃燒器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，運行調(diào)節(jié)困難。因而又開發(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BW公司和FW公司也研制了具有自己特點的新型生物質(zhì)燃燒機陋！作為能源以煤為主的國家，由于我國電站鍋爐燃用煤種雜而多變，再加上負(fù)荷的多變，導(dǎo)致我國燃煤鍋爐在運行中出現(xiàn)了許多問題。即使從美、日等國家引進(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。必須開友適合多變煤種和多變負(fù)荷的燃燒器o近年來國內(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)合開發(fā)研制的濃淡旋流生物質(zhì)燃燒機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這種燃燒器出口區(qū)域的氣固兩相流動特性進(jìn)行了實驗研究。并且和目前國際上普遍使用的雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機出口區(qū)域的氣固兩相流動特性進(jìn)行了對比。

1燃燒器模型的結(jié)構(gòu)原理

由于影響冷態(tài)模型實驗的因素較多，要做到與實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)域的流動特性，因此，模型設(shè)計的基本原則為：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量比在熱態(tài)及冷模時保持一致。

濃淡生物質(zhì)燃燒機模型結(jié)構(gòu)如圖la所示，其主要設(shè)計特點是在一次風(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)過該構(gòu)件時，由于濃縮構(gòu)件的導(dǎo)向作用，強迫風(fēng)粉氣流改變流動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，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)燃燒機模型結(jié)構(gòu)如圖lb所示其結(jié)構(gòu)特點除了在一次風(fēng)管道中沒有濃縮構(gòu)件外，其余結(jié)構(gòu)和濃淡燃燒器相同，屬于分級燃燒型燃燒器o

2實驗裝置與實驗方法

實驗裝置如圖2所示。它包括實驗段供氣供粽排氣分離和PDA測試等部允實驗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的圓柱型簡體，其上部開一個高1 000 mm寬500 mm的窗口，貼上平面玻璃，作為測量窗口；供氣供粉系統(tǒng)由鼓風(fēng)機、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)機等組成：測量系統(tǒng)采用DAN TEC公司生產(chǎn)的PDA(_維相位多普勒顆粒分析儀)測量系統(tǒng)

實驗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)測量了兩個工況。即濃淡燃燒器和雙調(diào)風(fēng)燃燒器各測量一種工況，實驗用總風(fēng)量相等，其工況特點如下表所示每一種工況沿實驗段高度方向取5個測量截面(H= 10，110，210。360。51 0mm)，每個截面沿直徑方向取21個測點，測點間距為20 mm。測量中每個測點采樣1 000個數(shù)據(jù)，采樣時間為2 miH

測試的主要內(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測定燃燒器出口區(qū)域沿軸向各個截面上氣固兩相的軸向、切向及輕向平均速度和脈動速

度分布、顆粒濃度分布及中心回流區(qū)形狀等。

3實驗結(jié)果及分析

分析結(jié)果時氣相采用粒徑為曠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另外通過實驗也發(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)對中心回流區(qū)有比較大的影響。

從兩相軸向脈動速度分布f圖41看出，在射流擴展角內(nèi)，兩相脈動速度均較大。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。因此脈動速度較大：而在流場下游部分由于速度梯度減弱，而導(dǎo)致脈動速度減弱。在大部分區(qū)域氣相脈動速度大于顆粒相脈動速度，并且有顆粒越大脈動速度越小的趨勢

兩種燃燒器的兩相切向速度及脈動速度分布如圖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，這說明在射流的擴展角內(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)，兩相之間幾乎無滑移。即該區(qū)域氣固兩相間幾乎無質(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。從兩相脈動分布來看，在射流開始區(qū)域，中心脈動大，隨著射流的發(fā)展，脈動逐漸趨于平緩工況1比工況2向中心流動的徑向速度大，即回流量大相對于工況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。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。這對于生物質(zhì)的著火燃燒創(chuàng)造了條件。并且通過貧氧燃燒。有利于抑制NO；的生成 由此可得出，通過在燃燒器的一次風(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，燃燒器的結(jié)構(gòu)對顆粒濃度分布具有較大的影口隨

總之，通過以上的分析，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為根據(jù)燃燒機理，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能力；大部分區(qū)域氣相脈動速度大于固相的脈動速度，并且顆粒越小，脈動越大。

4結(jié)論

與雙調(diào)風(fēng)生物質(zhì)燃燒機相比，濃淡旋流生物質(zhì)燃燒器出口區(qū)域兩相流場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)對兩相流場和顆粒相濃度分布有強烈的影響：

濃淡生物質(zhì)燃燒機能夠在中心回流區(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

從實驗數(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)葉輪角度對回流區(qū)的影響：鈍體安裝位置對流場和濃度場的影響：風(fēng)量配比對流場的影響。

生物質(zhì)氣化站，