生物质燃烧机内空气动力场的实验研究

生物质燃烧机内空气动力场的实验研究
    为了考查生物质燃烧机的空气动力特性，对实际燃烧机进行了流场测定．从燃烧空气动力学角度对实验结果进行了分析．结果表明，切向速度分布由于壁面粗糙度的影响而偏离模型情况；壁面粗糙度和二次风弱旋流造成了双环形回流的轴向速度分布，有利于生物质的着火和火焰稳定．
1  引言
    开发和应用生物质是工业炉窑以煤代油和充分利用煤炭资源的有效途径，目前生物质的燃烧装置大多采用喷流床或管式炉[-，2]．这些燃烧设备中生物质的燃烧均属于火炬燃烧，其空气动力工况对生物质的着火和稳定燃烧不甚有利，且由于气流与燃料的混合程度和燃烧强度不是很高，很难达到生物质的高效燃烧，因此，笔者设计研制了一种燃烧机，采用旋转的雾化空气及二次风，使室内气流强烈旋转从而造成高温气体回流，不断补充点火热源，这种燃烧机对生物质的着火和稳定燃烧起了很大作用C3J，在较低的窒气过剩系数下燃烧效率就可达到99%以上[4]．本文对燃烧器进行了冷态流场测定，从燃烧空气动力学角度进行了分析讨论，对实际旋风室的空气动力场及其规律有了深入的了解．
2实验装置与方法
    图l为所设计的旋风筒及冷态测试装置示意图，一次空气经雾化喷嘴从轴向引入旋风室，二次风由两个相对180。布置的切向风口引入．旋风室底部设一圆台形烟气出口，形成底部环室．旋风室内衬为重质高铝混凝土加镁砂捣制而成。
    由于切向二次风射流受到筒壁的约束，在沿简体轴线方向流动的同时，被迫作旋转运动，而气流在径向上的迁移分量很小，仅在筒体的个别部位才有较明显的径向速度值．因而，一般在旋风室空气动力场的研究中，气流径向迁移速度予以忽略，仅侧重于切向和轴向速度场C5J．所以本实验仅测平面流场．测量采用东方汽轮机厂制造的三孔圆柱探针，其直径为4 mm，对测点的流动干扰很小，具有较大的方向灵敏性，且操作、计算简便可靠，测量精度与激光多普勒风速仪相近C6J．
2.2测试方法
    本实验在旋风筒径向上选取5个测点．测量时探针分别伸入室内5，25，45，65及85mm，对应的测点的无因次半径r/Ro分别为0.94，0.71，0.47，0.24和0．通过对高度上4个不同截面的各测点的测量，即可获得燃烧机内的流场分布．截面位置以无斛次距离Z（与喷嘴出口距离／总长）表示，4个截面自上到下的无因次距离分别为0.25，0.50，0.75，1.00．
    冷态实验中可调节的工况参数有风量和一二次风的比例．由于生物质的燃烧对空气过剩系数的变化不如煤粉那么敏感；水蒸气与碳气化反应的存在，使总的燃烧过程对氧的依赖性不大，且空气量的多少并不影响空气动力场的变化规律，因此对煤浆量在40--80kg／h的范围空气过剩系数礼选宅在0 .60-0.85之间，一次风率Fi在is-90%范围内．分别对采用旋流数S为0，0.34，0.55和0.73的喷嘴的工况进行了测定．
3实验结果及讨论
  3.1切向速度分布规律
    正是由于空气围绕旋风筒中心线旋转，产生离心作用，使燃料颗粒被抛到旋风室壁的熔渣膜上，才使燃烧得以进行．因此，切向速度分布对燃烧过程和液态排渣是至关重要的．
    图2所示为在光滑的旋风筒模型中测得的切向速度分布[”．图3是本实验测得的典型的切向速度分布曲线．图中VO/VOi，；为无因次切向速度（相对于入l|j速度）．由图可见，两者有些类似，但也有较大的差异．切向速度在近壁处出现第二峰值，使整个曲线呈“双峰”．这说明旋风筒的壁面粗糙度对切向速度的影响很大．
    (I)壁面粗糙度对切向速度的影响
    从图3可见，沿轴向在近壁处，自E而下切向速度逐渐减小；而靠近中心，自上而下速度逐渐增大，这说明壁面粗糙度可降低切向速度，由于旋风筒的壁面粗糙度较大，在与切向速度垂直的平面上产生同流，有较大的能量损失，因此近壁处的切向速度随旋度的降低而不断减小，
    为了进一步证明壁面粗糙度对切向速度的影响，在关闭一次风及一侧二次风的情况下，在同一截面(Z=0.75)的两侧对切向速度进行了测量．从图4可见，l、2两侧相差半个圆周，壁面处的切向无因次速度由1.7降为1.2，减小了29.4%．壁面粗糙度不仅是影响切向速度的主要因素，而且也是造成切向速度分布不均衡的主要原因，即横向回流使气流旋转中心线偏离旋风筒中心线。
    (2)空气过剩系数礼对切向速度的影响
    图5是在其它条件都相同的情况下，仅将死由0.69增至0.82而得到的切向速度分布．可以看出，风量较小时整个切向速度较小，而且沿轴向、径向变化幅度都不大．风量增大，旋转变强，切向速度提高．随着他的增大速度分布的不均衡性也愈明显，说明横向回流作用随之增大．切向速度的增大，特别是在近壁处的切向速度的增大，将使离心力增大，在近壁处和底部环室会集中更多的燃料颗粒，从而强化燃烧或气化过程．
    (3) -次风及喷嘴结构对切向速度的影晌
    实际的}刃向速度“双峰”分布的现象在其它旋风炉冷态试验中也有出现(8]，但未见有对此现象的解释．由图5可见，在没有一次风时，切向速度分布曲线只有一个峰值，并没有边峰出现．这说明双峰形切向速度分布可能是由于一次风的作用形成的．
    计算得8= 0.55<0.6．由于该计算公式是由涡壳为对数螺线条件下推导出来的，而本旋风室的进风管只是简单的直管．因此二次风入炉的旋流强度8要小于0.55，为弱旋流．按一二次风比例为15：85计算，一次风出口速度约为二次风速的两倍．
    由于二次风的旋流较弱，且出口速度又较低，强烈旋转的一次风就会起决定作用．若一次风的旋流强度大干二次风的．旋流强度，则当两者相遇时，一次风就带动二次风加速旋2.5转，其效果就造成近壁处的气流速度增大，从而使切向速度分布呈现边峰．而且一次风旋流强度越大，边峰峰值愈高．实验结果亦证明如大而增大．当采用直流喷嘴(S=0)时，切向速度分布没有边峰，很接近模型情况．而采用旋流喷嘴，正如前面分析，切向速度分布出现作用更加明显．总之，一次风的旋流强度对切向速度有很大的影响．喷嘴的旋流强度增大使气流的切向速度显著增加，这对于强化燃烧过程是十分有益的．因此热态燃烧试验应采用旋流强度较大的煤浆雾化喷嘴．
  3.2轴向速度分布规律
    通过对4个不同截面上各点的轴向速度的测量，发现轴向速度分布并不象在壁面光滑的模型中测得的结果．如图7所示，恰恰与模型中测得结果相反，出现中间环形回流及近壁环形回流．从实验结果来看，影响轴向速度分布的主要因素是壁面粗糙度、喷嘴旋流强度和一次风量．
    (1)壁面粗糙度对轴向速度的影响
    从轴向速度分布曲线可以看出，筒内有回流存在，但回流流股主要分布在近壁(r／Ro=0.94)处和靠近中心(r／Ro=0.24)处．即出现双环形回流．在环形回流之间及旋风筒中心，气流是向下运动的．与光滑的旋风筒的轴向速度比较，最显著的差别就是中心反向逆流区消失，而近壁处出现回流．产生这种现象的原因主要是壁面粗糙度的影响．由于在壁面凸凹不平处发生涡流，破坏了边缘气流向环室的流动；由于横向回流的存在，使边缘处的轴向速度分布更加不规则．当然，造成双环形回流的原因不仅仅是壁面粗糙度，旋风筒的结构也是很重要的．本设计的旋凤燃烧器二次风为弱旋流，因此轴向压力梯度不大，不能引起足够的中心气体回流，可以设想，旋风筒大部分区域是向出口流去的正向气流，在简中心气流从出口排出．由于旋风筒底部有一环室，气流运动到环室后被迫折回，返回气流的能量比出口气流要小，因而被出口气流分为两股，一股沿壁面流回到旋风筒上部至根部折回；另一股插入正向气流向上逆动，把正向气流分成了两股．如图7所示，下部逆向回流速度值较大，而上部回流速度较小，这表明回流在上升过程中有较大的能量损失．尽管如此，在喷嘴根部仍有一定的环形回流．实验表明[3，4]，这种双环形回流的存在对生物质的着火和稳定燃烧起了重要的作用．
    (2)喷嘴结构对轴向速度的影响
    如图9所示，当采用直流喷嘴时，由于没有一次凤的旋流，喷嘴根部没有回流产生．只是下部附壁处存在部分回流，因此热态时不会有高温气流到达点火段，这种雾化喷嘴不宜采用．
    但当采用旋流角a= 37。的旋流喷嘴时，轴向速度分布发生了很大的变化．如图10所示，旋流使气流核心部分的压力比周围介质的压力低，该区域的压力将从啧口沿着轴线方向增加，在这个轴向压力的作川下，删囤介质逆射流轴线方向朝喷H方向运动而形成回流．从轴向速度分布来看，采用较大旋流程度的雾化喷嘴也是加速着火和强化燃烧的有力措施．
4结论
    (1)实际燃烧机壁面粗糙，导致表面涡流和横向回流，使气流旋度降低，从而造成切向速度分布不均衡．
    (2)壁面粗造度和为弱旋流的二次风造成了双环形回流的轴向速度分布，为生物质的着火和燃烧提供了良好的空气动力工况条件．
    (3)采用强旋流煤浆雾化喷嘴是创造良好空气动力工况的重要措施．在该条件下，可以获得较大的切向速度和较大的环形回流．
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