dg生物质燃烧机的分离特性和阻力研究

文丘里浓淡生物质燃烧机的分离特性和阻力特性研究
[摘要] 通过对不同结构尺寸的文丘里管内气固两相流动的数值模拟，研究文丘里浓淡生物质燃烧机的分离特性和阻力特性与文丘里管结构尺寸的关系，为设计和应用新型的浓淡生物质燃烧机提供理论依据。该浓淡生物质燃烧器将在防止燃烧器区域结渣，降低氮氧化物(NO。)排放和改善劣质煤着火特性方面发挥作用。
文丘里浓淡生物质燃烧机是利用生物质颗粒的惯性比空气分子大的特点，将一次风粉气流通过文丘里管后分成中心生物质浓度大，外环生物质浓度小的两股气流，可有效防止燃烧器区域结焦结渣，降低NO。排放。
1 物理模型
图1为文丘里浓淡生物质燃烧机结构。一次风粉气流进入直径为Di的圆形入口，在收缩段，生物质颗粒和空气都向喉口收缩；在扩展段，空气气流在前进的过程中向径向扩展，而生物质颗粒由于密度比空气大很多，惯性大，较少向径向扩展。这样，在出口处就形成中心煤扮浓度高外环生物质浓度低的分离效果。
通过数值模拟研究文丘里结构尺寸的5个独立变量喉口直径d、喉口段长度三z、稳定段长度/4、收缩段角度ai、扩展段角度az对文丘里浓淡生物质燃烧机的分离特性和阻力特性的影响。进出口边界条件为入口直径D1 -0. 357 m，出口直径D2 -0. 33 m，气固两相入口速度矿。一28 m／s，气固两相温度90℃生物质颗粒粒径45 t/m，生物质颗粒流量0.34 kg／s。为了便于分析比较，以d=0.22 m，/2-三4-0.2 m，al- 25。，啦-7。作为标准工况，其它工况都仅改变其中的一个变量。
2数学模型
2.1气相流动的数学模型
气相湍流流动采用ke双方程模型‘”计算，其基本方程组有如下通用形式：
其中：中为代表各因变量（速度、湍流动能等）的通用变量；D是各变量的扩散系数；S十是源相；对于不同的变量电n和S十的含意参见文献[ 1] 。
2.2颗粒相流动的数学模型
2.3数值计算方法
数值计算方法采用有限容积法离散基本方程。为了提高计算精度，压力方程、动量方程、湍流动能方程和湍流耗散方程都采用二阶离散格式，速度与压力耦合离散采用SIM PLE算法，颗粒相采用拉格朗日法计算。为了便于比较分析，所有的数值模拟工况都采用相同间距的网格及与物理模型相同的边界条件。
3 数值模拟结果分析
在数值计算模型中将文丘里出口分成中心圆(直径为D2 /2)和外环（内径为D2 /2,外径为Dz的环形），浓淡比是指中心圆生物质浓度与外环生物质浓度的比彳直，出口速度偏差指中心圆平均速度与外环平均速度的差值。为了便于比较分析，分别用进口气相动压头和进口速度对阻力损失和出口速度偏差进行无量纲化处理，这样阻力损失和出口速度偏差就分别用阻力系数和无量纲出口速度偏差表禾。
3.1 喉口直径d对文丘里特性指标的影响
图2为在标准工况下，不同的喉口直径d对文丘里浓淡生物质燃烧机3个特性指标的影响。由图2可见，随着d的增大，阻力损失和出口速度偏差都减小，浓淡比先增大后减小。随着d的增大，扩展段/，长度变短，气固两相在扩展段的混合程度降低，有利于提高浓淡比。此外，当d继续增大，文丘里本身对风粉气流的浓缩效果减弱，从而浓淡比降低。
3.2喉口段长度/2对文丘里特性指标的影响
图3为在标准工况下，不同喉口段长度/2对文丘里浓淡生物质燃烧机3个特性指标的影响。随着三z的增大，阻力损失和出口速度偏差都增大，而浓淡比变化很小。三z对出口速度偏差的影响见图4。当上z -0时，喉部出口外围速度比中心速度大，这样有利于抵消终的出口速度偏差，出口速庋偏差较小；当/2 -0.4m时，喉部出口速度比较均匀，起不到抵消出口速度偏差的效果，出口速度偏差较大。
3.3稳定段长度三。对文丘里特性指标的影响
图5为在标准工况下，不同稳定段长度/4对文丘里浓淡生物质燃烧机3个特性指标的影响。随着三。的增大，浓淡比降幅较大，出口速度偏差略有下降，阻力损失基本不变。厶增大，使得气固两相在稳定段混合得更加充分，空气和生物质在出口处的分布也更加均匀，这样出口速度偏差和浓淡比都降低。图6为标准工况下阻力损失在文丘里管各个段的分布情况
3.4收缩段角度ai对文丘里特性指标的影响
图7为在标准工况下，不同的收缩段角度ai对文丘里浓淡生物质燃烧机3个特性指标的影响。随着ai的增大，阻力损失和浓淡比增大，而出口速度偏差变化很小。这是因为at增大，流场变得更加不均匀，阻力损失增大。另外，收缩段对生物质颗粒向管道中心集中的导向作用增强，而对惯性小的空气流导向作用不明显，因为，浓淡比增大而出口速度偏差变化很小。
3.5扩展段角度∞对文丘里特性指标的影响
图8为在标准工况下，不同的扩展段角度a2对文丘里浓淡生物质燃烧机3个特性指标的影响。随着a2的增大，阻力损失和出口速度偏差略有增加，浓淡比则光增大后减小。az增大，扩展段三，长度变短，气固两相在扩展段的混合程度降低，有利于提高浓淡比。此外，当a2继续增大，气相出口速度的不均匀性也增大，出口中心处的气流流量大降低了管道中心的生物质浓度，浓淡比降低。
4结论
(1)对进出口阻力损失影响大的是喉口段的直径和长度。当所设计的浓淡生物质燃烧机进出口阻力损失过大日寸，应首先考虑增大喉口段直径和减小喉口段长度。
(2)喉口直径和扩展段角度对浓淡比的影响存在一个极大值，为达到更高的浓淡比，应避免喉口直径和扩展段角度过大或者过小。
(3)对出口速度偏差影响大的是喉口段的直径和长度。出口速度偏差与进出口阻力损失有着密不可分的关系，一般出口速度偏差大阻力损失也大。文丘里管阻力损失主要就是由于管道内速度场不均匀性引起的。
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