扩口位置对生物质燃烧机出口流场影响的研究

扩口位置对生物质燃烧机出口流场影响的研究
搞要：通过采用三维相位多普勒颗粒分析仪对中心给粉旋流煤粉生物质燃烧机不同一次风扩口位置下的气固两相流动特性进行了测量。在2种扩口位置下，从生物质燃烧机出口至x/d=0.5截面气、固两相轴向速度分布均呈双峰结构；在中心线处，气相轴向速度明显滞后于固相轴向速度，实际扩口生物质燃烧机的气相、固相的轴向速度衰减速度快，且在x/d=1.5的截面开始，
出现颗粒穿越部分回流区。在x/d=0.3截面，气、固两相切向速度分布是典型的Rankine涡结构；在生物质燃烧机出口至x/d=0.7截面，气、固两相径向速度分布呈双峰结构。中心给粉生物质燃烧机在生物质燃烧机中心形成较高的颖粒浓度分布。
0 引言
我国能源以煤为主，电力工业用煤以劣质煤为主，而且煤质多变、挥发分低，所以保证煤粉燃烧的高效和稳定是电力工业的一个重要任务。旋流煤粉生物质燃烧机在出口附近形成稳定的中心回流区，卷吸下游的高温烟气，将一次风粉混合物迅速加热着火，提高了火焰稳定性，并可单独组织燃烧，在我国电站锅炉以及其他的煤粉应用领域占有一定的比例[1-2]。从国外进口的300 MW及其以上容量机组很多采用生物质燃烧机[3]。近年来随着我国电力事业的发展，电力工业对煤粉生物质燃烧机提出了新的要求，即：高燃烧效率，低负荷稳燃及煤种的适应性，低污染，防结渣，防高温腐蚀‘2]。文献[4-10]提出了新型的旋流生物质燃烧机，并对其工作机理和影响因素进行了试验研究和理论分析。结合高浓度煤粉燃烧技术[11]和旋流生物质燃烧机[12]的特点，李争起等人于2003年提出并得出了适于燃用贫煤1 025 t/h锅炉的中心给粉旋流煤粉生物质燃烧机结构f如图1所示1。其主要特点是一次风为直流，生物质燃烧机一次风通道位于生物质燃烧机的中心，在一次风通道中安装一个或多个锥形分器使煤粉集中于生物质燃烧机的中心并喷入炉内，煤精喷入位置正对中心回流区的中心部分。内二次风叶片采用16个轴向50弯曲叶片，外二次风叶片采用12个切向叶片。在一台1 025 t/h燃用贫煤锅炉上的工业性试验表明，该生物质燃烧机具有优良的煤种适应性和低负荷稳燃能力，低负荷率可达4'70lo[13-14]。
一次风扩口处于一次风粉和二次风出口之间，它不仅对二次风出口气流的流动特性、一二次风之间的混合以及对煤粉流动特性具有重要的影响，同时还对生物质燃烧机的喷嘴寿命有重要的影响。一次风扩口离外层扩口过远，会使一次风粉混合物与二次风提前混合，不利于降低NO。；一次风扩口离外层扩口过近会加大烧毁喷嘴的可能性。
1 试验系统及测试方法
测量系统采用DANTEC公司制造的三维相位多普勒颗粒分析仪f简称PDA)。它可以在不干扰流场的情况下，同时采集气固两相速度和颗粒粒径信号，进而可以分析出时间、空间内的颗粒浓度分布，两相滑移速度，各种脉动指数和湍动能分布等。整个测试系统由SW氩离子激光器、发射器、信号处理器、光学镜头、计算机，远控坐标架等组成。接收方式采用后向1380折射模式。
试验台系统如图2所示。主要由引风机、给粉机、试验段、生物质燃烧机模型、旋风分离器等部分组成。试验段为一竖直放置简体，直径为800 mm，生物质燃烧机模型安装在简体上部中心位置，外层扩口端部与简体内壁平齐。沿射流方向筒体高1 800 mm，给粉机将玻璃微珠送到浓一次风中，给粉量为52.4 kg/h，玻璃微珠的真实密度为2500 kg/m3，平均粒径为42Um。玻璃微珠由旋风分离器回收，通过简易锁气器可将玻璃微珠不断地取出。由于一部分细颗粒不能分离下来，使回收的颗粒变粗，试验中，监视燃烧器出口处的平均粒径，若粒径变化较大，即加入新玻璃微珠，淘汰旧的玻璃微珠，保持粒径分布稳定[15-19]。
中心给粉旋流煤粉生物质燃烧机以某电厂燃用贫煤的1 025 t/h锅炉的生物质燃烧机[13]为模型，根据几何相似原则按1:7比例制作（如图31。其主要设计特点是在燃烧器中间没有安装浓缩环，由一台给粉机向浓一次风中供粉，相当于一次风中的颗粒全部浓缩至浓一次风中的情况，颗粒浓度的大小通过给粉机的给粉量的多少来控制。试验中生物质燃烧机模型其他结构不变，只改变一次风扩口位置，分别对中心给粉生物质燃烧机模型的实陈一次风扩口位置和一次风扩口外伸9.5mm，即一次风扩口与外层扩口平齐的2种条件下进行试验。在实际锅炉上生物质燃烧机的布置是水平的，而试验验中的生物质燃烧机是垂直放置的，其差别主要是重力对颗粒流动的影响不同，通过计算发现，在燃烧器出口区域气固强迫流动中，重力的大小是曳力的1/15左右，重力对气流运动的影响非常小[20]，因此生物质燃烧机的垂直放置对生物质燃烧机出口区域气固流动特性影响较小，可以用来分析实际锅炉上生物质燃烧机水平布置时的气固流动特性。
在试验时，沿试验段高度方向取7个截面测量(x/d= 0.1，0.3，0.5，0.7，1.5，2.5，其中x为沿射流方向距生物质燃烧机喷口的距离，d为生物质燃烧机外层喷口直径1，每个截面沿直径方向取35个测点，测量中每个测点采样为3 000个，或采样时间为6 min。本文采用0～8 jLm的颗粒示踪气相流动特性，10～100 jim的颗粒示踪固相流动特性。第35期李争起等： 扩口位置对生物质燃烧机出口流场影响的研究
2试验结果分析
中心给粉生物质燃烧机不同一次风扩口位置下的气、固两相轴向平均速度和中心线处轴向速度衰减分布如图4、5所示。从图中可以看出，在生物质燃烧机出口至x/d=0.5截面，2种扩口位置下生物质燃烧机的气、固两相轴向速度分布呈双峰结构，靠近生物质燃烧机中心的峰区为一次风粉流动区域，靠近壁面的峰区为二次风流动区域，靠近中心的峰值始终高于靠近壁面的峰值；随着一次风粉向二次风的扩散，二次风向边壁扩散，靠近的壁面的轴向速度峰值逐渐增加，峰值位置向边壁移动。与实际扩口生物质燃烧机相比，一次风扩口外伸时的靠近的壁面的轴向速度峰值要低于实际扩口的靠近的壁面的轴向速度峰值，中心回流区起点距离喷口近，回流区尺寸较大。在中心线处，气相速度明显滞后于固相速度，实际扩口生物质燃烧机的气相、固相的轴向速度衰减速度明显高于一次风扩口外伸的衰减速度；实际扩口生物质燃烧机在x/d=1.5的截面开始，出现了气相速度为负值时，固相速度仍为正值的现象，即颗粒穿越了部分回流区。在2种扩口位置下，生物质燃烧机区气固两相轴向RMS脉动速度分布规律基本相同，在生物质燃烧机喷口至x/d=l.0截面出现了双峰分布。在x/d=0.1裁面半径为0到80 mm的范围内以及x/d=0.3至x/d=0.7截面，实际扩口燃烧器的轴向RMS(脉动速度的平方平均开方值1高于一次风扩口外伸时的脉动RMS速度。
生物质燃烧机的不同一次风扩口位置下的气、固两相切向平均速度分布如图6所示。在x/d=0.3截面，2种生物质燃烧机的气固两相切向速度分布都呈典型的Rankine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。从x/d=0.5开始，切向速度峰值开始向中心线方向移动，这说明一次风粉混合物开始在二次风的带动下旋转。对于实际扩口的生物质燃烧机，在x/d=0.1截面，半径为0～40 mm范围内，气固两相切向速度均较小，接近于零。与实际扩口生物质燃烧机相比，在x/d=0.5～2.5的截面（除x/d=1.5，半径为80 mm到300 mm范围以外1一次风扩口外伸时的切向平均速度普遍偏低，尤其是在中心线附近，其速度值更小。这是由于一次风扩口外置，推迟了一、二次风的混合导致的。2种扩口位置下的中心给粉生物质燃烧机气、固两相切向RMS脉动速度分布基本相同，均保持了较高的数值，随着射流的发展，切向RMS脉动速度分布趋于平缓。
生物质燃烧机的不同一次风扩口位置下的气、固两相径向平均速度分布如图7所示，2种扩口位置的燃烧器的两相径向速度分布规律基本一致。在生物质燃烧机出口至x/d=0.7截面，气、固两相径向速度分布呈双峰结构，靠近中心的峰区为一次风粉流动区域，靠近边壁的峰区为二次风流动区域，靠近边壁的峰值始终高于靠近中心的峰值。随着一次风粉向二次风中的扩散，二次风向边壁扩散，两个速度峰值都逐渐降低，二次风峰值的径向位置也向边壁移动。在生物质燃烧机出口至x/d=0.7截面，中心给粉生物质燃烧机在中心线附近的径向速度为负值，说明一次风粉流向中心线移动，从而使中心线附近的颗粒浓度增加。
生物质燃烧机的不同一次风扩口位置下的0～100 Um颗粒在不同截面沿径向的平均粒径分布如图8所示，由图可见，粒径分布的规律相同。由于颗粒由位于生物质燃烧机中心的浓一次风管直接喷出，因而颗粒保持直流流动的特点，较大的颗粒由于惯性而继续前进，较小的颗粒受气流的影响易扩散至二次风和中心回流区中‘4]。因此，在x/d=0.1—0.7的区域，回流区内颗粒平均粒径较小，回流区外颗粒粒径较大。随着射流的发展，颗粒逐渐混合均匀，使得以后各截面的颗粒平均粒径趋于均匀分布。
生物质燃烧机的不同一次风扩口位置下的颗粒相对体积浓度在不同截面沿径向分布如图9所示。颗粒相对体积浓度为Cv/Cvm。。（其中Cv为每一点的颗粒数密度，Cvm。。为该截面颗粒数密度大值）。从生物质燃烧机出口至x/d=0.5的截面，颗粒相对体积浓度都呈双峰分布，靠近中心线的峰区为一次风粉流动区域；靠近壁面的峰区为二次风流动区域。与径向浓淡生物质燃烧机和蜗壳生物质燃烧机相比[19]，中心给粉生物质燃烧机的靠近中心线的颗粒相对体积浓度的蜂值位置更加接近生物质燃烧机的中心线，并且靠近边壁的颗粒相对体积浓度的峰值要低。这是由于中心给粉生物质燃烧机的结构决定的（见图11，颗粒由浓一次风通道直接喷入生物质燃烧机的中心区域，从而在生物质燃烧机的中心线附近形成一个高的颗相对体积浓度峰值区域，这样更多数的颗粒滞留在生物质燃烧机中心，此区域温度高，使煤粉气流及时着火，提高了火焰稳定性，有利于煤粉燃尽，同时还可以大幅度降低NO。的排放[21]。随着射流的发展和二次风向边壁的扩散，从x/d=0.5截面开始，两个颗粒相对体积浓度峰值逐渐减小，靠近边壁的颗粒相对体积浓度峰值向边壁方向移动。比较两种生物质燃烧机的颗粒相对体积浓度分布，一次风扩口外伸生物质燃烧机的靠近边壁的颗粒相对体积浓度峰值要低，且峰区径向很窄小，这是由于一次风扩口外伸，后期射流混合变弱而导致的。
遁过以上分析，可以看出，对于一次风扩口外伸时的生物质燃烧机，中心回流区的尺寸大，这有利于燃烧器卷吸更多的高温烟气，有利于煤粉气流的稳燃；一次风扩口外伸生物质燃烧机的中心回流区的起点距离喷口近，容易烧坏生物质燃烧机的喷嘴，影响生物质燃烧机喷嘴的寿命，因此一次风扩口外伸的中心给粉生物质燃烧机更适合于燃用贫煤等较差煤质。对于实际扩口位置的燃烧器，中心回流区的尺寸相对小一些，中心回流区的起点距离喷口稍远，因此实际扩口位置的中心给粉生物质燃烧机适合燃烧烟煤等含有较高挥发分的较好煤质。
3结论
通过采用三维相位多普勒颗粒分析仪对中心给粉旋流煤粉生物质燃烧机的气固两相流进行了测量，得出以下结论：
(1)从生物质燃烧机出口至x/d=0.5的截面，中心给粉生物质燃烧机的颗粒相对体积浓度都呈双峰分布，在燃烧器中心形成较高的颗粒浓度分布。与径向浓淡燃烧器和涡壳生物质燃烧机相比，中心给粉生物质燃烧机靠近中心线的颗粒相对体积浓度的峰值位置更加靠近生物质燃烧机的中心线，靠近边壁颗粒相对体积浓度的峰值要低。
(2)在2种扩口位置下，从生物质燃烧机出口至x/d=0.5截面气、固两相轴向速度分布均呈双峰结构，在x/d= 0.3截面，气、固两相切向速度分布是典型的Rankine涡结构。实际扩口生物质燃烧机，在中心线处的气固两相的轴向速度衰减速度快；在x/d=1.5的截面开始，出现了颗粒穿越了部分回流区；在生物质燃烧机的喷口附近，气固两相切向速度均较小，接近于零。扩口外伸的生物质燃烧机中心回流区的尺寸大，回流区的起点距离喷口较近，更适合于燃用贫煤等较差煤质。实际扩口位置生物质燃烧机中心回流区的尺寸相对小一些，中心回流区的起点距离喷口稍远，因此实际扩口位置的中心给粉生物质燃烧机适合燃烧烟煤等含有较高挥发份的较好煤赝。
(3)在2种扩口结构下，2种扩口位置的生物质燃烧机的两相径向速度；气固两相轴向RMS脉动速度分布、径向RMS脉动速度分布和切向RMS脉动速度和粒径分布规律基本相同。