新型旋流生物质燃烧机出口区域气同两相流场的PDA实验研究

摘 要 针对电站锅炉燃用煤种和负荷多变的问题，提出一种新型的旋流燃烧技术，即利用在一次风管中加装浓缩构件实行生物质浓淡分离的浓淡生物质燃烧机o采用三维相位多普勒颗粒分析仪f PDA)对浓淡生物质燃烧机和双调风生物质燃烧机出口区域两相流场进行了实验研究，得出了两种燃烧器几何结构下气固两相流场和浓度场的分布规律，并且进行了理论分析，证明了浓淡燃烧的优越忧

生物质燃烧机是燃烧设备的主要部件。广泛地应用在生物质锅炉等燃烧设备上发展高燃烧效率稳燃低污染、防结渣、防高温腐蚀以及良好煤种适应性的燃烧器对缓解能源紧张局面和保护生态环境具有重大的意义，已成为世界各国能源开发和利用的重要课题近10多年来，在生物质炉降低NO。清洁燃烧和无烟煤等难燃煤的稳燃技术两方面，国外开发了一些先进技术。如缺氧燃烧富燃料或燃料过剩燃烧及浓淡燃烧等虽然他们的名称和论述尚不完全统一，但经综合分析可以发现，从改善给粉系统到降低NO。，再到强化稳燃，几乎都采取了生物质高浓度燃烧技术与分级燃烧技术【

国外开发新型生物质燃烧机的主要出发点是降低N0。的排放，减少环境污染 日本石川岛播磨重工业公司研制出了一次风带离心卧式分离器的IHI-W R-PC型生物质燃烧机，着重解决了低负荷稳燃问题试验表明，该燃烧器可在107/0的负荷下运行口，3 1但由于该燃烧器结构复杂，运行调节困难。因而又开发了一种将分离器与燃烧器结合在一起的IHI-InC<r双流旋流燃烧器‘4：美国BW公司和FW公司也研制了具有自己特点的新型生物质燃烧机陋！作为能源以煤为主的国家，由于我国电站锅炉燃用煤种杂而多变，再加上负荷的多变，导致我国燃煤锅炉在运行中出现了许多问题。即使从美、日等国家引进具有先进燃烧技术的锅炉也不能处于状态，原因大多是由于燃烧器不适应多变负荷和多变煤种的要求因此。必须开友适合多变煤种和多变负荷的燃烧器o近年来国内各研究单位在这方面已经做了许多研究工作，清华大学工程力学系和哈尔滨锅炉有限责任公司联合开发研制的浓淡旋流生物质燃烧机就是其中的一种本文应用三维相位多普勒颗粒分析仪对这种燃烧器出口区域的气固两相流动特性进行了实验研究。并且和目前国际上普遍使用的双调风生物质燃烧机出口区域的气固两相流动特性进行了对比。

1燃烧器模型的结构原理

由于影响冷态模型实验的因素较多，要做到与实际工况的完全相似是不可能魄由于该研究工作着重于研究生物质气流在燃烧器出口区域的流动特性，因此，模型设计的基本原则为：①模型与原型几何相似，模型尺寸为原型的1／繇参模型与原型的各射流的动量比在热态及冷模时保持一致。

浓淡生物质燃烧机模型结构如图la所示，其主要设计特点是在一次风管道中加入一具有弱旋的浓缩构件。当风粉气流经过该构件时，由于浓缩构件的导向作用，强迫风粉气流改变流动方向由于颗粒惯性远大于空气的惯性，将一次风粉混合物分成两股，靠近中心管的一股为浓生物质气流。另一股是从浓生物质气流外侧喷入炉膛的淡生物质气流；同时，二次风也分成旋流二次风和直流二次风两部分，旋流二次风从内二次风通道喷入炉膛，直流二次风从外二次风通道喷入炉膛

双调风生物质燃烧机模型结构如图lb所示其结构特点除了在一次风管道中没有浓缩构件外，其余结构和浓淡燃烧器相同，属于分级燃烧型燃烧器o

2实验装置与实验方法

实验装置如图2所示。它包括实验段供气供粽排气分离和PDA测试等部允实验段包括燃烧器模型和模拟炉膛，模拟炉膛是直径H= 800 mm，高度H=1 500 mm的圆柱型简体，其上部开一个高1 000 mm宽500 mm的窗口，贴上平面玻璃，作为测量窗口；供气供粉系统由鼓风机、减速箱式供粉器振荡式供粉器分风道和管道组成：排气分离系统由旋风分离器和引风机等组成：测量系统采用DAN TEC公司生产的PDA(_维相位多普勒颗粒分析仪)测量系统

实验中采用的气相示踪粒子为粒径范围在旷lOVm的二氧化钛（Tioz钛白粉）以及玻璃厂微珠：生物质颗粒用玻璃微珠模拟，其球形度达8%，折射率为1．弘1. 55，粒径范围为10-200t/ m(大部分颗粒在40- 70t/m之间)测量了两个工况。即浓淡燃烧器和双调风燃烧器各测量一种工况，实验用总风量相等，其工况特点如下表所示每一种工况沿实验段高度方向取5个测量截面(H= 10，110，210。360。51 0mm)，每个截面沿直径方向取21个测点，测点间距为20 mm。测量中每个测点采样1 000个数据，采样时间为2 miH

测试的主要内容包括在这两种不同燃烧器结构下f各通道流通截面积相同，空气流量相同1测定燃烧器出口区域沿轴向各个截面上气固两相的轴向、切向及轻向平均速度和脉动速

度分布、颗粒浓度分布及中心回流区形状等。

3实验结果及分析

分析结果时气相采用粒径为旷lOt/m的细小颗粒作为示踪粒子，颗粒相采用50和80弘m两组粒子，每组粒径宽度为lOt/m

从两相轴向速度分布f图31可以看出，不同尺寸颗粒相之间的滑移不很明显，但是气相和颗粒相之间有滑移现象在回流区内’颗粒相滞后于气相；在回流区外，气相滞后于颗粒柜这是由于燃烧器出口中心区域粒径较大的颗粒占多数，平均粒径较大。颗粒具有较大惯性的缘古支o两种工况的轴向速度不仅在中心轴线附近形成了较大的回流区，而且在近壁面处也形成了较大的回流区比较这两种工况的轴向速度分布。工况1的中心回流区大一些。即工况1的中心回流区长度与一次风管内径之比以及中心回流区宽度与一次风管内径之比和工况2相比要大一些。并且气固回流量多这是由于工况1的一次风管道中安装了具有弱旋的浓缩构件的缘故，而工况2的一次风为直流射流。使得中心回流区内的负压受到了一定程度的破坏，导致回流区缩/J\o另外通过实验也发现在工况2中气固两相之间的轴向滑移较/、由此表明，燃烧器结构对中心回流区有比较大的影响。

从两相轴向脉动速度分布f图41看出，在射流扩展角内，两相脉动速度均较大。而且普遍形成双峰值分布；随着射流的发展，脉动分布趋于平缓这种现象形成的原因是由于在燃烧器出口区域受燃烧器结构的影响，形成了较大的速度梯度。因此脉动速度较大：而在流场下游部分由于速度梯度减弱，而导致脉动速度减弱。在大部分区域气相脉动速度大于颗粒相脉动速度，并且有颗粒越大脉动速度越小的趋势

两种燃烧器的两相切向速度及脉动速度分布如图5及图6所示。气固两相切向速度分布都呈典型的Ra nkine涡结构。中部比较窄的区域是似固核区。外围很大的区域是自由涡区。在似固核区，固相和气相之间存在一定的滑移，固相的切向速度稍高于气相，这说明在射流的扩展角内，气固两相之间存在较大的质量交换，有利于颗粒的迅速加热着火燃烧与燃尽在自由

燃烧器的两相径向速度及脉动速度分布如图7及图8所示从径向速度分布看出，在中心线附近气、固两相之间的径向速度滑移很明显。在边壁区域出现了气、固两相均向燃烧器中心区域流动的现象，这是边壁回流造成的，并且涡区，两相之间几乎无滑移。即该区域气固两相间几乎无质量交换随着射流的发展，似固核区逐渐减弱，但是大颗粒的减弱稍慢。从两相脉动分布来看，在射流开始区域，中心脉动大，随着射流的发展，脉动逐渐趋于平缓工况1比工况2向中心流动的径向速度大，即回流量大相对于工况2．工况1的主流区域中气固的径向速度出现了较大的负值，并且区域也大，这表明该区域中一次风粉流向了中心回流区域，从而使中心回流区中的颗粒浓度增加，这有利于形成回流区内的高生物质浓度区域，有利于提前着火燃烧以及抑制N 0【的生成从两种燃烧器的径向脉动速度分布可以看出。

从浓度分布（图9）可以看出，浓度分布的峰值随着射流的发展逐渐向边壁移动。并且逐渐趋于平缓与工况2相比，在相同截面上，工况1的颗粒浓度峰值分布靠近中心轴线，而且在燃烧器出口附近浓度峰值处于回流区。使得该区域颗粒浓度提高。这对于生物质的着火燃烧创造了条件。并且通过贫氧燃烧。有利于抑制NO；的生成 由此可得出，通过在燃烧器的一次风管道中安装浓缩构件，有利于在烧器出口的轴线附近形成固体颗粒的高浓度区域。也就是说，燃烧器的结构对颗粒浓度分布具有较大的影口随

总之，通过以上的分析，可以认为从有利于着火、稳燃和降低NOx生成的角度分析，浓淡燃烧器（工况1）能够满足这种要求因为根据燃烧机理，在一定的生物质浓度范围内生物质浓度越大，着火越有较大的径向湍流输运能力；大部分区域气相脉动速度大于固相的脉动速度，并且颗粒越小，脉动越大。

4结论

与双调风生物质燃烧机相比，浓淡旋流生物质燃烧器出口区域两相流场中气相和颗粒相轴向速度均在轴线附近形成的回流区较大。而且在近壁面处也形成了较大的回流区：

燃烧器的结构对两相流场和颗粒相浓度分布有强烈的影响：

浓淡生物质燃烧机能够在中心回流区内形成较高的颗粒浓度分布，有利于生物质颗粒的着火燃烧和降低NQ的生成；

两相流场中气相和颗粒相的切向速度均呈典型的Rankine涡结构，在似固核区内气固两相之间有一定的滑移，有利于气固两相之间的质量交换：

回流区形成于二次风旋流和钝体

从实验数据的综合分析。旋流浓淡燃烧器有利于生物质的着火、稳燃、防结渣与低NO。污染

5今后的研究方向

旋流二次风叶轮角度对回流区的影响：钝体安装位置对流场和浓度场的影响：风量配比对流场的影响。

生物质气化站，