達冠擴口位置對生物質燃燒機出口流場影響的研究

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擴口位置對生物質燃燒機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燃燒機不同一次風擴口位置下的氣固兩相流動特性進行了測量。在2種擴口位置下，從生物質燃燒機出口至x/d=0.5截面氣、固兩相軸向速度分布均呈雙峰結構；在中心線處，氣相軸向速度明顯滯后于固相軸向速度，實際擴口生物質燃燒機的氣相、固相的軸向速度衰減速度快，且在x/d=1.5的截面開始，
出現顆粒穿越部分回流區。在x/d=0.3截面，氣、固兩相切向速度分布是典型的Rankine渦結構；在生物質燃燒機出口至x/d=0.7截面，氣、固兩相徑向速度分布呈雙峰結構。中心給粉生物質燃燒機在生物質燃燒機中心形成較高的穎粒濃度分布。
0 引言
我國能源以煤為主，電力工業用煤以劣質煤為主，而且煤質多變、揮發分低，所以保證煤粉燃燒的高效和穩定是電力工業的一個重要任務。旋流煤粉生物質燃燒機在出口附近形成穩定的中心回流區，卷吸下游的高溫煙氣，將一次風粉混合物迅速加熱著火，提高了火焰穩定性，并可單獨組織燃燒，在我國電站鍋爐以及其他的煤粉應用領域占有一定的比例[1-2]。從國外進口的300 MW及其以上容量機組很多采用生物質燃燒機[3]。近年來隨著我國電力事業的發展，電力工業對煤粉生物質燃燒機提出了新的要求，即：高燃燒效率，低負荷穩燃及煤種的適應性，低污染，防結渣，防高溫腐蝕‘2]。文獻[4-10]提出了新型的旋流生物質燃燒機，并對其工作機理和影響因素進行了試驗研究和理論分析。結合高濃度煤粉燃燒技術[11]和旋流生物質燃燒機[12]的特點，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燃燒機結構f如圖1所示1。其主要特點是一次風為直流，生物質燃燒機一次風通道位于生物質燃燒機的中心，在一次風通道中安裝一個或多個錐形分器使煤粉集中于生物質燃燒機的中心并噴入爐內，煤精噴入位置正對中心回流區的中心部分。內二次風葉片采用16個軸向50彎曲葉片，外二次風葉片采用12個切向葉片。在一臺1 025 t/h燃用貧煤鍋爐上的工業性試驗表明，該生物質燃燒機具有優良的煤種適應性和低負荷穩燃能力，最低負荷率可達4'70lo[13-14]。
一次風擴口處于一次風粉和二次風出口之間，它不僅對二次風出口氣流的流動特性、一二次風之間的混合以及對煤粉流動特性具有重要的影響，同時還對生物質燃燒機的噴嘴壽命有重要的影響。一次風擴口離最外層擴口過遠，會使一次風粉混合物與二次風提前混合，不利于降低NO。；一次風擴口離最外層擴口過近會加大燒毀噴嘴的可能性。
1 試驗系統及測試方法
測量系統采用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，同時采集氣固兩相速度和顆粒粒徑信號，進而可以分析出時間、空間內的顆粒濃度分布，兩相滑移速度，各種脈動指數和湍動能分布等。整個測試系統由SW氬離子激光器、發射器、信號處理器、光學鏡頭、計算機，遠控坐標架等組成。接收方式采用后向1380折射模式。
試驗臺系統如圖2所示。主要由引風機、給粉機、試驗段、生物質燃燒機模型、旋風分離器等部分組成。試驗段為一豎直放置簡體，直徑為800 mm，生物質燃燒機模型安裝在簡體上部中心位置，最外層擴口端部與簡體內壁平齊。沿射流方向筒體高1 800 mm，給粉機將玻璃微珠送到濃一次風中，給粉量為52.4 kg/h，玻璃微珠的真實密度為2500 kg/m3，平均粒徑為42Um。玻璃微珠由旋風分離器回收，通過簡易鎖氣器可將玻璃微珠不斷地取出。由于一部分細顆粒不能分離下來，使回收的顆粒變粗，試驗中，監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，保持粒徑分布穩定[15-19]。
中心給粉旋流煤粉生物質燃燒機以某電廠燃用貧煤的1 025 t/h鍋爐的生物質燃燒機[13]為模型，根據幾何相似原則按1:7比例制作（如圖31。其主要設計特點是在燃燒器中間沒有安裝濃縮環，由一臺給粉機向濃一次風中供粉，相當于一次風中的顆粒全部濃縮至濃一次風中的情況，顆粒濃度的大小通過給粉機的給粉量的多少來控制。試驗中生物質燃燒機模型其他結構不變，只改變一次風擴口位置，分別對中心給粉生物質燃燒機模型的實陳一次風擴口位置和一次風擴口外伸9.5mm，即一次風擴口與最外層擴口平齊的2種條件下進行試驗。在實際鍋爐上生物質燃燒機的布置是水平的，而試驗驗中的生物質燃燒機是垂直放置的，其差別主要是重力對顆粒流動的影響不同，通過計算發現，在燃燒器出口區域氣固強迫流動中，重力的大小是曳力的1/15左右，重力對氣流運動的影響非常小[20]，因此生物質燃燒機的垂直放置對生物質燃燒機出口區域氣固流動特性影響較小，可以用來分析實際鍋爐上生物質燃燒機水平布置時的氣固流動特性。
在試驗時，沿試驗段高度方向取7個截面測量(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燃燒機噴口的距離，d為生物質燃燒機最外層噴口直徑1，每個截面沿直徑方向取35個測點，測量中每個測點采樣為3 000個，或采樣時間為6 min。本文采用0～8 jLm的顆粒示蹤氣相流動特性，10～100 jim的顆粒示蹤固相流動特性。第35期李爭起等：擴口位置對生物質燃燒機出口流場影響的研究
2試驗結果分析
中心給粉生物質燃燒機不同一次風擴口位置下的氣、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，在生物質燃燒機出口至x/d=0.5截面，2種擴口位置下生物質燃燒機的氣、固兩相軸向速度分布呈雙峰結構，靠近生物質燃燒機中心的峰區為一次風粉流動區域，靠近壁面的峰區為二次風流動區域，靠近中心的峰值始終高于靠近壁面的峰值；隨著一次風粉向二次風的擴散，二次風向邊壁擴散，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。與實際擴口生物質燃燒機相比，一次風擴口外伸時的靠近的壁面的軸向速度峰值要低于實際擴口的靠近的壁面的軸向速度峰值，中心回流區起點距離噴口近，回流區尺寸較大。在中心線處，氣相速度明顯滯后于固相速度，實際擴口生物質燃燒機的氣相、固相的軸向速度衰減速度明顯高于一次風擴口外伸的衰減速度；實際擴口生物質燃燒機在x/d=1.5的截面開始，出現了氣相速度為負值時，固相速度仍為正值的現象，即顆粒穿越了部分回流區。在2種擴口位置下，生物質燃燒機區氣固兩相軸向RMS脈動速度分布規律基本相同，在生物質燃燒機噴口至x/d=l.0截面出現了雙峰分布。在x/d=0.1裁面半徑為0到80 mm的范圍內以及x/d=0.3至x/d=0.7截面，實際擴口燃燒器的軸向RMS(脈動速度的平方平均開方值1高于一次風擴口外伸時的脈動RMS速度。
生物質燃燒機的不同一次風擴口位置下的氣、固兩相切向平均速度分布如圖6所示。在x/d=0.3截面，2種生物質燃燒機的氣固兩相切向速度分布都呈典型的Rankine渦結構。中部比較窄的區域是似固核區，外圍很大的區域是自由渦區。從x/d=0.5開始，切向速度峰值開始向中心線方向移動，這說明一次風粉混合物開始在二次風的帶動下旋轉。對于實際擴口的生物質燃燒機，在x/d=0.1截面，半徑為0～40 mm范圍內，氣固兩相切向速度均較小，接近于零。與實際擴口生物質燃燒機相比，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1一次風擴口外伸時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。這是由于一次風擴口外置，推遲了一、二次風的混合導致的。2種擴口位置下的中心給粉生物質燃燒機氣、固兩相切向RMS脈動速度分布基本相同，均保持了較高的數值，隨著射流的發展，切向RMS脈動速度分布趨于平緩。
生物質燃燒機的不同一次風擴口位置下的氣、固兩相徑向平均速度分布如圖7所示，2種擴口位置的燃燒器的兩相徑向速度分布規律基本一致。在生物質燃燒機出口至x/d=0.7截面，氣、固兩相徑向速度分布呈雙峰結構，靠近中心的峰區為一次風粉流動區域，靠近邊壁的峰區為二次風流動區域，靠近邊壁的峰值始終高于靠近中心的峰值。隨著一次風粉向二次風中的擴散，二次風向邊壁擴散，兩個速度峰值都逐漸降低，二次風峰值的徑向位置也向邊壁移動。在生物質燃燒機出口至x/d=0.7截面，中心給粉生物質燃燒機在中心線附近的徑向速度為負值，說明一次風粉流向中心線移動，從而使中心線附近的顆粒濃度增加。
生物質燃燒機的不同一次風擴口位置下的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，粒徑分布的規律相同。由于顆粒由位于生物質燃燒機中心的濃一次風管直接噴出，因而顆粒保持直流流動的特點，較大的顆粒由于慣性而繼續前進，較小的顆粒受氣流的影響易擴散至二次風和中心回流區中‘4]。因此，在x/d=0.1—0.7的區域，回流區內顆粒平均粒徑較小，回流區外顆粒粒徑較大。隨著射流的發展，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。
生物質燃燒機的不同一次風擴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為每一點的顆粒數密度，Cvm。。為該截面顆粒數密度最大值）。從生物質燃燒機出口至x/d=0.5的截面，顆粒相對體積濃度都呈雙峰分布，靠近中心線的峰區為一次風粉流動區域；靠近壁面的峰區為二次風流動區域。與徑向濃淡生物質燃燒機和蝸殼生物質燃燒機相比[19]，中心給粉生物質燃燒機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燃燒機的中心線，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燃燒機的結構決定的（見圖11，顆粒由濃一次風通道直接噴入生物質燃燒機的中心區域，從而在生物質燃燒機的中心線附近形成一個高的顆相對體積濃度峰值區域，這樣更多數的顆粒滯留在生物質燃燒機中心，此區域溫度高，使煤粉氣流及時著火，提高了火焰穩定性，有利于煤粉燃盡，同時還可以大幅度降低NO。的排放[21]。隨著射流的發展和二次風向邊壁的擴散，從x/d=0.5截面開始，兩個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。比較兩種生物質燃燒機的顆粒相對體積濃度分布，一次風擴口外伸生物質燃燒機的靠近邊壁的顆粒相對體積濃度峰值要低，且峰區徑向很窄小，這是由于一次風擴口外伸，后期射流混合變弱而導致的。
遁過以上分析，可以看出，對于一次風擴口外伸時的生物質燃燒機，中心回流區的尺寸大，這有利于燃燒器卷吸更多的高溫煙氣，有利于煤粉氣流的穩燃；一次風擴口外伸生物質燃燒機的中心回流區的起點距離噴口近，容易燒壞生物質燃燒機的噴嘴，影響生物質燃燒機噴嘴的壽命，因此一次風擴口外伸的中心給粉生物質燃燒機更適合于燃用貧煤等較差煤質。對于實際擴口位置的燃燒器，中心回流區的尺寸相對小一些，中心回流區的起點距離噴口稍遠，因此實際擴口位置的中心給粉生物質燃燒機適合燃燒煙煤等含有較高揮發分的較好煤質。
3結論
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燃燒機的氣固兩相流進行了測量，得出以下結論：
(1)從生物質燃燒機出口至x/d=0.5的截面，中心給粉生物質燃燒機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燃燒機相比，中心給粉生物質燃燒機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燃燒機的中心線，靠近邊壁顆粒相對體積濃度的峰值要低。
(2)在2種擴口位置下，從生物質燃燒機出口至x/d=0.5截面氣、固兩相軸向速度分布均呈雙峰結構，在x/d= 0.3截面，氣、固兩相切向速度分布是典型的Rankine渦結構。實際擴口生物質燃燒機，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，出現了顆粒穿越了部分回流區；在生物質燃燒機的噴口附近，氣固兩相切向速度均較小，接近于零。擴口外伸的生物質燃燒機中心回流區的尺寸大，回流區的起點距離噴口較近，更適合于燃用貧煤等較差煤質。實際擴口位置生物質燃燒機中心回流區的尺寸相對小一些，中心回流區的起點距離噴口稍遠，因此實際擴口位置的中心給粉生物質燃燒機適合燃燒煙煤等含有較高揮發份的較好煤贗。