| 生物質(zhì)燃燒機(jī)擴(kuò)口角度對其氣固兩相流場的影響 |
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生物質(zhì)燃燒機(jī)擴(kuò)口角度對其氣固兩相流場的影響 摘 要：采用激光多普勒測速儀(PDA)對某低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)模型的出口流場進(jìn)行了詳細(xì)測量，得到了氣相和顆粒相的速度及顆粒體積流量分布．結(jié)果表明：當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度從30。增大到45。時，環(huán)形 回流區(qū)的最大徑向跨度從40 mm增加到70 mm，最大回流速度從1.97 m／s增大到2.45 m／s；回流區(qū)的變大有利于延緩二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合，能夠減少NO，的生成量；當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為60。時，二次風(fēng)出現(xiàn)了“飛邊”現(xiàn)象，一次風(fēng)與二次風(fēng)之間形成一個較大的低速回流區(qū)，但是它無法卷吸足夠多的高溫?zé)煔，?dǎo)致燃燒不能正常進(jìn)行． 遠(yuǎn)年來，由于國家節(jié)能減排政策的大力推行，我國的火力友電廠逐漸淘汰了能效低、污染大的小機(jī)組，形成了以超臨界和超超臨界機(jī)組為主的發(fā)電模式口l]．為了控制Nn的排放，很多大型電站鍋爐都采用了低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)．國外先進(jìn)的低氮旋流燃燒器采用了“在火焰內(nèi)脫除Nn”的理念[2]，該類型燃燒器的低氮性能好，但是在應(yīng)用過程中存在不少問題，如燃用品質(zhì)差的煤種時火焰不穩(wěn)定∽-1、旋流燃燒器噴口燒損 靠近生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的冷態(tài)氣固兩相流場與熱態(tài)條件下的流場較為接近，結(jié)合燃燒理論知識，可推斷出熱態(tài)條件下的燃燒特點(diǎn)，因此冷態(tài)；椒ǔＶ饕獜氖码娬惧仩t相關(guān)的氣固兩相流研究被用來研究生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣固兩相流場．Li等¨。1幻采用冷態(tài)；椒ㄑ芯苛藥追N生物質(zhì)燃燒機(jī)的氣固兩相流動特點(diǎn)，分析了生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)對氣固兩相流場的影響，進(jìn)而分析熱態(tài)時旋流燃燒器的燃燒性能．林正春等u胡采用在流場中設(shè)置網(wǎng)格飄帶的方法研究了低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)回流區(qū)的特點(diǎn)，用數(shù)碼攝像機(jī)拍攝了用乙二醇示蹤的一次風(fēng)的軌跡．研究結(jié)果表明，該燃燒器的回流區(qū)為環(huán)形結(jié)構(gòu)，一次風(fēng)中粉煤的分布為外濃內(nèi)淡，濃煤粉區(qū)域貼近回流區(qū)，有利于著火和穩(wěn)燃．隨著二次風(fēng)旋流強(qiáng)度的增大，回流區(qū)直徑變大，射流擴(kuò)展角增大，但是太大的旋流強(qiáng)度容易造成二次風(fēng)“飛邊”．董康等口陽采用激光多普勒測速儀( PDA)對低氦生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的氣固兩相流場進(jìn)行了詳細(xì)測量，初步提出該燃燒器的氣固兩相結(jié)構(gòu)容易造成煤粉在主燃區(qū)難以燃盡，帶粉氣流沖刷側(cè)墻水冷壁，易使側(cè)墻水冷壁產(chǎn)生高溫腐蝕． 生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能起著關(guān)鍵作用，很多學(xué)者對生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次風(fēng)管中濃淡分離結(jié)構(gòu)、一次風(fēng)擴(kuò)口、穩(wěn)焰體和二次風(fēng)的導(dǎo)流擴(kuò)錐等進(jìn)行了大量的研究6-7.12,1.5-17] I，但是尚無關(guān)于旋流燃燒器擴(kuò)日角度的研究．在實(shí)際鍋爐中，生物質(zhì)燃燒機(jī)的擴(kuò)口一般都由水冷壁管盤繞而成．在鍋爐的運(yùn)行過程中，生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口會因煤質(zhì)或者運(yùn)行等原因產(chǎn)生結(jié)焦或燒損和變形，從而會導(dǎo)致擴(kuò)口角度發(fā)生變化．燃燒器擴(kuò)口角度通過影響外二次風(fēng)射流的擴(kuò)展角度來影響生物質(zhì)燃燒機(jī)的整體流場．筆者采用冷態(tài)；瘜(shí)驗方法對某低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口流場進(jìn)行詳細(xì)測量，分析燃燒器擴(kuò)口角度對氣固兩相流場的影響，進(jìn)而分析氣固兩相流場對生物質(zhì)燃燒機(jī)燃燒性能的影響． 1 生物質(zhì)燃燒機(jī)和實(shí)驗系統(tǒng) 圖1為低氮生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖．該燃燒器由一次風(fēng)管、內(nèi)二次風(fēng)管和外二次風(fēng)管組成．一次風(fēng)管道中有文丘里管段和紡錘體管段，這種結(jié)構(gòu)能使煤粉顆粒在出口處形成外濃內(nèi)淡的分布特點(diǎn)．二次風(fēng)分為直流內(nèi)二次風(fēng)和旋流外二次風(fēng)．外二次風(fēng)通過切向葉片實(shí)現(xiàn)外二次風(fēng)的旋轉(zhuǎn)，外二次風(fēng)葉片的傾斜角為32。．內(nèi)二次風(fēng)出口設(shè)置有一個內(nèi)二次風(fēng)的導(dǎo)流裝置，使內(nèi)二次風(fēng)以很大的角度發(fā)散射出，可增大一次風(fēng)與內(nèi)二次風(fēng)之間的回流區(qū)．實(shí)驗中所用的生物質(zhì)燃燒機(jī)模型與實(shí)際燃燒器的尺寸比例為1：7.對燃燒器擴(kuò)口角度a為30。、45。和60。3個工況進(jìn)行研究，燃燒器擴(kuò)口角度d的位置見圖1(a)． 圖2為實(shí)驗系統(tǒng)圖．實(shí)驗系統(tǒng)包括鼓風(fēng)機(jī)、螺旋給料機(jī)、生物質(zhì)燃燒機(jī)模型、爐膛、旋風(fēng)分離器、布袋除塵器、引風(fēng)機(jī)和PDA.實(shí)驗中用玻璃微珠替代煤粉顆粒，玻璃微珠的粒徑分布如圖3所示，其中矗為顆粒的直徑，∞為某段直徑范圍內(nèi)的顆粒體積分?jǐn)?shù)．顆粒的平均粒徑為60. 26 lum，密度為2 500 kg／m3，折射率為1. 52.實(shí)驗中粒徑小于10 lum的顆粒表示氣相，粒徑大于等于10 lum的顆粒表示顆粒相．通過螺旋給料機(jī)加到一次風(fēng)管道中的玻璃微珠與一次風(fēng)氣流一起噴入爐膛，形成一次風(fēng)射流．二次風(fēng)先進(jìn)入到二次風(fēng)風(fēng)箱中，再分別從內(nèi)二次風(fēng)噴口和外二次風(fēng)噴口噴出．在二次風(fēng)風(fēng)箱中，內(nèi)二次風(fēng)入口有一個擋板，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門擋板的開度可以調(diào)節(jié)內(nèi)、外二次風(fēng)的比率．某電廠600 MW鍋爐的實(shí)際尺度和實(shí)驗尺度生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行參數(shù)對比見表1．實(shí)驗中一次風(fēng)的質(zhì)量流量q。，，為0. 056 kg/s，二次風(fēng)的質(zhì)量流量gⅢ．。為0. 128 kgls，一次風(fēng)占總風(fēng)量的質(zhì)量比率約為30%.內(nèi)二次風(fēng)風(fēng)門的擋板開度啟為100%，一次風(fēng)中破璃微珠的質(zhì)量流量q。。為0.007kg/s.生物質(zhì)燃燒機(jī)模型的一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)和外二次風(fēng)的管道內(nèi)徑Di、D2和D。分別為77 mm、106 mm和143 mm. 實(shí)驗中的氣固兩相流測量工具為丹麥Dantec公司生產(chǎn)的PDA，由激光發(fā)射器、接收探頭、光電信增器、信號處理器、三維位移控制器和計算機(jī)組成．該測量工具能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸實(shí)時測量，且測量精高．PDA所測得的速度、粒徑和濃度的誤差分別為1%、4%和30%．PDA對流場中某一點(diǎn)的速度、粒徑和濃度的測量是基于統(tǒng)計足夠多的經(jīng)過這一點(diǎn)的顆粒樣本信息的．實(shí)驗中每個點(diǎn)采集的樣本數(shù)設(shè)置為5 000，用于獲取該點(diǎn)流場參數(shù)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差值．測量過程中，以生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的中心為原點(diǎn)o，沿著生物質(zhì)燃燒機(jī)出口豎直向下的方向為z方向，爐膛徑向為r方向，如圖2所示．沿著工，方向共布置了6排測點(diǎn)，對應(yīng)位置分別為r=20 mm、60 mm、100 mm、140 mm、200 mm和300 mm.每排沿著r方向共布置了23個測點(diǎn)，從中心向外側(cè)測點(diǎn)的布置逐漸變疏． 2 實(shí)驗結(jié)果 旋流燃燒囂的旋流強(qiáng)度定義為力= 8M/，其中M為氣流旋轉(zhuǎn)動量矩，D為旋流燃燒器噴口直徑，K為軸向動量‘11]．將生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的噴口劃分為若干個圓環(huán)，用PDA測量圓環(huán)內(nèi)的軸向和切向速度，并根據(jù)旋流強(qiáng)度定義計算出3個工況下的旋流強(qiáng)度．燃燒器擴(kuò)口角度為30。和45。時的旋流強(qiáng)度分別為1. 56和1.48.由此可見，燃燒器擴(kuò)口角度的增大能夠減小旋流強(qiáng)度．當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為60。時，外二次風(fēng)貼壁，PDA無法測得二次風(fēng)的速度，因此無法給出旋流強(qiáng)度． 圖4給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口氣相和顆粒相的軸向平均速度(M。．)分布．由圖4可知，當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為30。和45。時，軸向平均速度有2個峰值，分別對應(yīng)一次風(fēng)區(qū)域和二次風(fēng)區(qū)域．一次風(fēng)區(qū)域的軸向平均速度峰值并不是出現(xiàn)在生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的中心，而是位于r=10～30 mm內(nèi)，原因是該燃燒器的一次風(fēng)管道結(jié)構(gòu)使一次風(fēng)氣流速度形成了這種外大內(nèi)小的分布特點(diǎn)．隨著流場向下游發(fā)展，一次風(fēng)的軸向平均速度逐漸衰減，在工’-300 mm處基本趨于平緩．二次風(fēng)軸向平均速度峰值在流場中的不同截面位置是變化的．在r=20 mm處，二次風(fēng)軸向平均速度峰值在r=90～120 mm內(nèi)．在x-60 mm和工、=100 mm赴，二次風(fēng)軸向平均速度峰值沿著徑向向外移動，表明二次風(fēng)射流是遠(yuǎn)離一次風(fēng)的．在x=140 mm和第11期 楊 玉，等：生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)擴(kuò)口角度對其氣固兩相流場的影響881x=200 mm處，二次風(fēng)的軸向平均速度峰值沿著徑向向內(nèi)移動，這表明二次風(fēng)向一次風(fēng)移動，并逐步混入一次風(fēng)區(qū)域．一次風(fēng)和二次風(fēng)的軸向平均速度峰值之間有一個軸向平均速度為負(fù)的回流區(qū)．該回流區(qū)為環(huán)形，從工，=20 mm向下游回流區(qū)在徑向的跨度逐步變大，在x=100 mm處達(dá)到最大．在z=140mm以后，回流區(qū)逐漸消失．這種環(huán)形回流區(qū)的存在阻止了二次風(fēng)過早向一次風(fēng)混合，使得生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)噴口附近形成一個較大的還原性氣氛區(qū)域，從而有利于減少Nn的生成量．二次風(fēng)在回流區(qū)結(jié)束后混入一次風(fēng)，為一次風(fēng)中煤粉燃燒補(bǔ)充氧氣．隨著燃燒器擴(kuò)口角度從30。增大到45。，外二次風(fēng)軸向平均速度峰值的位置更靠外，環(huán)形回流區(qū)的最大徑向跨度從40 mm增加到70 mm，最大回流速度從1.97m/s增大到2.45 m/s，但是外二次風(fēng)在回流區(qū)后與一次風(fēng)混合的速度變慢，可能降低了焦炭的燃盡程度．當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為60。時，軸向平均速度只在一次風(fēng)區(qū)域有一個峰值，表明該生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的流場出現(xiàn)了“飛邊”的現(xiàn)象，即二次風(fēng)貼壁運(yùn)動．這種情況下回流區(qū)雖然很大，但是它無法卷吸足夠多的高溫?zé)煔猓瑢ぶ氯紵荒苷＿M(jìn)行，這是燃燒過程中應(yīng)極力避免的狀態(tài)． 圖5給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口氣相和顆粒相的徑向平均速度(u，)分布，以沿徑向向外為正．由圖5可知，對于燃燒器擴(kuò)口角度為30。和45。的工況而言，在Z=20 mm處，徑向平均速度有一個峰值，位于r一90:-120 mm內(nèi)，這與二次風(fēng)軸向平均速度峰值的位置相同．在工、=60 mm處，徑向平均速度的峰值向外移動，且峰值的范圍變大，從r一80 mm到r=160 mm，這表明這部分范圍的氣流以一定的速度向外流動，也讜明回流區(qū)在變大．在z一100 mm處，二次風(fēng)氣流向外的運(yùn)動基本停止．在工’= 140mm處，二次風(fēng)的徑向平均速度變?yōu)樨?fù)值，說明此處二次風(fēng)向一次風(fēng)移動，徑向平均速度負(fù)值的峰值位于r=120 mm處．當(dāng)工1—200 mm時，徑向平均速度負(fù)值的峰值移動到r - 90 mm處，這說明二次風(fēng)進(jìn)一步混入一次風(fēng)，但是徑向平均速度的絕對值已經(jīng)變得很小．在工，-300 mm處，徑向平均速度趨于平緩．與燃燒器擴(kuò)口角度為30。的工況相比，燃燒器擴(kuò)口角度為45。時，二次風(fēng)的徑向平均速度峰值略微靠外，二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合能力略弱．當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為60。時，由于二次風(fēng)“飛邊”，二次風(fēng)區(qū)域并沒有徑向平均速度峰值，只有一次風(fēng)射流略微向外運(yùn)動． 圖6給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口氣相和顆粒相的切向平均速度(u。)分布．由圖6可知，當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為30。和45。時，切向平均速度發(fā)生了明顯的變化．由于生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)只有外二次風(fēng)為旋流，因此流場中主要的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動是由外二次風(fēng)引發(fā)的．在r=20mm處，切向平均速度有一個峰值，位于r一110 mm處．隨著流場向下游發(fā)展，切向平均速度的影響范圍逐漸變大，氣流旋轉(zhuǎn)運(yùn)動從二次風(fēng)擴(kuò)展到回流區(qū)，最后影響到一次風(fēng)．隨著燃燒器擴(kuò)口角度的增大，旋流的外二次風(fēng)氣流對回流區(qū)和一次風(fēng)的帶動作用減弱．這說明燃燒器擴(kuò)口角度增大會導(dǎo)致二次風(fēng)在回流區(qū)下游混入一次風(fēng)的能力降低，有可能會使煤粉燃燒不完全．給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口氣相和顆粒相的徑向脈動速度（訓(xùn)，）分布．由圖8可知，在工，=20 mm處，徑向脈動速度有2個峰值，外側(cè)的峰值對應(yīng)于二次風(fēng)，內(nèi)側(cè)的峰值對應(yīng)于回流區(qū)．回流區(qū)位于一次風(fēng)與二次風(fēng)之間，回流區(qū)的氣流一部分向二次風(fēng)運(yùn)動，一部分向一次風(fēng)運(yùn)動，故其徑向脈動速度較大．隨著流場的發(fā)展和回流區(qū)的消失，2個徑向脈動速度峰值合二為一．對于燃燒器擴(kuò)口角度為60。的工況而言，徑向脈動速度較小且變化不大． 圖9給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口氣相和顆粒相的切向脈動速度（訓(xùn)。）分布．由圖9可知，在工，=20 mm處，具有較大切向脈動速度的區(qū)域為r一30～120mm，包括了二次風(fēng)區(qū)域和回流區(qū)．隨著流場的發(fā)展，切向脈動速度的最大值和范圍都逐漸變大，一方面說明切向脈動速度的影響范圍變大，另一方面說明切向脈動速度的波動變大．切向脈動速度的峰值從開始的二次風(fēng)區(qū)域逐漸移動到一次風(fēng)區(qū)域，說明二次風(fēng)混入了一次風(fēng)，對于燃燒器擴(kuò)口角度為60。的工況而言，忉向脈動速度較小且變化不大，這是由于二次風(fēng)“飛邊”對流場產(chǎn)生不了有效的影響． 圖10給出了生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)出口流場中的顆粒體積流量（qv）分布．由于只有一次風(fēng)帶粉，回流區(qū)和二次風(fēng)區(qū)域的顆粒可認(rèn)為是由一次風(fēng)中擴(kuò)散到回流區(qū)然后再到二次風(fēng)區(qū)域的．一次風(fēng)區(qū)域的顆粒體積流量有2個峰值，內(nèi)側(cè)的峰值位于r-5 mm左右，外側(cè)的峰值位于r - 30 mm附近．內(nèi)側(cè)的峰值可能是直徑較大的顆粒經(jīng)過紡錘體的導(dǎo)流作用后碰撞到一次風(fēng)管道的內(nèi)壁面然后反彈，向生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)中心匯聚形成的．外側(cè)的峰值可認(rèn)為是直徑較小的顆粒經(jīng)過紡錘體的導(dǎo)流作用后，由于其較好的流場跟隨性并沒有碰撞到一次風(fēng)管道的內(nèi)壁面，而是直接沿著一次風(fēng)管道的外側(cè)噴出生物質(zhì)燃燒爐而形成的．隨著流場的發(fā)展，一次風(fēng)區(qū)域顆粒體積流量的2個峰值逐漸合并，顆粒的分布變得較為均勻．從x=20 mm的截面到x=100 mm的截面，在r一50 --100 mm內(nèi)，顆粒體積流量為負(fù)值，反映了回流區(qū)的存在．由于燃燒器擴(kuò)口角度直接影響外二次風(fēng)，但外二次風(fēng)與一次風(fēng)不直接接觸，所以燃燒器擴(kuò)口角度對一次風(fēng)區(qū)域顆粒體積流量的影響不明顯，3個工況下的顆粒體積流量分布較為一致．由圖10可知，當(dāng)煤粉顆粒的細(xì)度較大時，部分煤粉顆粒將向一次風(fēng)的中心區(qū)域聚集，這部分煤粉顆粒完全燃燒所需要的氧氣難以及時補(bǔ)充，可能會導(dǎo)致焦炭燃燒不完全．這部分未燃盡的碳和硫等在沖刷水冷壁時可能沉積，進(jìn)而造成水冷壁的結(jié)渣和高溫腐蝕． 3 結(jié) 論 (1)隨著燃燒器擴(kuò)口角度的增大，二次風(fēng)射流的擴(kuò)展角度增大，環(huán)形回流區(qū)的徑向跨度變大，可進(jìn)一步延緩二次風(fēng)與一次風(fēng)的混合，增強(qiáng)窒氣分級的深度，有利于形成較大的還原性氣氛區(qū)域，能夠減少NO，的生成量．但是大的燃燒器擴(kuò)口角度使得二次風(fēng)在回流區(qū)下游的剛度和旋流強(qiáng)度都變小，與一次風(fēng)的混合能力減弱，不能起到很好的補(bǔ)充氧氣作用，從而導(dǎo)致煤粉不易燃盡． (2)當(dāng)燃燒器擴(kuò)口角度為60。時，二次風(fēng)出現(xiàn)了“飛邊”現(xiàn)象，一次風(fēng)直接噴入爐膛，二次風(fēng)沿著壁面流動，一次風(fēng)與二次風(fēng)之間形成一個較大的低速回流區(qū)，但是它無法卷吸足夠多的高溫?zé)煔猓瑢?dǎo)致燃燒不能正常進(jìn)行．
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