木粉燃烧机冷态流动特性的实验研究

木粉燃烧机冷态流动特性的实验研究
摘要：利用IFA300型二维恒温热线风速仪系统对双旋流气体燃烧器模型的冷态流场进行了实验研究，测量了流场内不同位置瞬时速度分布及湍流强度特性。研究表明，该燃烧器能够组织合理的空气动力场，对负荷变化有较好的适应性。对比不同扩口结构下的流场，发现安装一定结构的缩放扩口可以更好地促进燃料稳定、、清洁燃烧。异向旋转射流不利于燃料与空气的均匀混合，还会使回流区长度大大缩短，在设计燃烧器时应避免这种结构。
1 引 言
旋流燃烧器具有稳定、、清洁燃烧的特点，而且结构简单，具有良好的负荷适应能力，因此从20世纪70年代起受到了越来越多的制造商及发电企业的重视和青睐[1]，
国内外很多学者利用多种测量仪器和实验方法对各种类型旋流燃烧器的空气动力场进行了大量的研究：Dix on等人利用五孔探针研究了一次风不同旋流强度下旋转射流的流动特性旧。Vu等人利用球型五孔探针和一维恒温热线风速仪测量了同轴共向和反向旋转组合射流的时均流场及湍流特性参数旧，发现了这两种流动结构湍流能量的分布规律。李争起利用相位多普勒激光测速仪(PDA)在径向浓淡流煤粉燃烧器上研究了齿形中心扩口对气固两相流场的影响H，得出了此结构下颗粒浓度的分布规律。周屈兰利用双通道热线风速仪对两种径向浓淡燃烧器的空气动力场特性和燃烧过程进行了详细的实验研究，并建立了分别与之对应的数学模型。
气体旋流燃烧器分为中心进气和周向进气两种，其燃料一般为单一煤气。随着旋流燃烧技术的进步，气体旋流燃烧器正沿着适合多种可燃性气体混合燃烧的方向发展。为了研究新型气体旋流燃烧器的气流流动特性，建立了双旋流气体旋流燃烧器的实验台。本文采用二维热线风速仪对其冷态流场进行了测量，得出了在燃烧器出曰安装不同扩口时空气动力场的分布规律，并考察了安装缩放扩口时燃烧器对负荷的适应能力，以期进一步了解安装缩放扩口时燃烧器的稳燃特性，为多组分气体燃烧器的设计提供详细的实验资料。
2 实验系统及方法
2.1 实验设备及测量仪器
实验所采用的木粉燃烧机模型与实物的比例为1:2.5，喷口外径为d一364 rruu，轴向旋流叶片倾斜角为600，其结构如图1所示。该燃烧器以焦炉煤气和高炉煤气的混合气作为主燃料，结合多管式天然气燃烧器的原理，将天然气作为二级燃料立燃烧。其中焦炉、高炉混合煤气通过轴向旋流叶片产生旋转，空气通过蜗壳产生旋转。采用美国TSI公司生产的JFA 300型恒温热线风速仪对燃烧器出口流场内的气流速度及湍流特征参量进行测量，通过飘带示踪法确定空间气流的方向，利用1240型二维探针同时测量旋转射流的轴向和切向速度分量，并由其配套软件计算出湍流强度。
2.2实验方法及参数
冷态实验中各入口处的气体均以空气代替，额定负荷下各实验参数如表1所示，经计算各参数满足相似模化的原则[61，因此所得结论适用于实际流场。在燃烧器出口处安装缩放扩口，通过调节各个入口的风量研究不同负荷(80%、、120%)T燃烧器出口的流场特征，并在额定负荷条件下，研究不扩口结构（缩放扩口、无扩口、渐缩扩口）及轴向旋流叶片倾斜方向对流场的影响。
3 实验结果及分析
3.1 负荷的影响
额定负荷下燃烧器出口速度分布如图2所示。随着负荷的增加，轴向和切向速度的大小均会相应增加，但其分布规律却基本相同。在一定的负荷变化范围内，燃烧器出口流场的回流区形状几乎不发生变化，始终保持合理的细长形状，使得足够的高温烟气回流，为内层燃料气流的着火提供稳定的热源。轴向速度衰减较慢，形成较长的火焰长度，有利于燃烧后期的扰动和混合，使燃料燃尽。切向速度有一定的张角，使空气环绕在火焰周围，形成氧化性气氛，能够有效地防止水冷壁的高温腐蚀。在上述负荷范围内均能合理地组织炉内空气动力场，这表明双旎流气体燃烧器对负荷有着较好的适应性。
不同负荷下流场湍流强度的分布如图3所示。随着负荷的增加，湍流强度也相应增加，各股气流之间的混合能力也相应增强。在回流区顶部(Y≈1.7)，湍流强度有不同程度的突降，且负荷越低，突降程度越高，这说明负荷降低，在回流区边界场分布趋于稳定，不利于各股气流之间的混合。在离喷口较远处。当负荷额定负荷日寸，其湍流强度有明显升高，因此适当增加负荷有利于燃料后期的燃尽。
3.2扩口结构的影响
额定负荷时，将燃烧器出口处的缩放扩口去掉及安裟渐缩扩口时所得流场分别如图4和图5所示。对比图2、图4和图5，去掉缩放扩口后射流轴向速度增大，但衰减很快，安装渐缩扩口时，射流轴向速度比无扩口时要小，衰减也更快，但生物质燃烧机出口的切向速度普遍较大，大切向速度值几乎是前两种结构的两倍，而且衰减也较慢。只是具有较高切向速度的区域较为狭窄，基本上局限在X≈0.3范围内的环形带上。
去掉扩口后，回流区长度只有y≈1.1左右，而安装渐缩扩口时，回流区长度降为y铷．4。通过计算各截面上的回流率可以发现相同负荷下，安装缩放扩口的截面回流率大，而且衰减速率慢，有利于卷吸更多的高温介质，组织稳定的火焰燃烧。
额定负荷下，不同扩口结构对湍流强度的影响如图7所示。去掉扩口后，湍流强度在出口处就达到大值，且湍流强度安装缩放扩口的情况但在其回流区内，衰减极为剧烈。安装渐缩扩口后，在物质燃烧机出口附近其湍流强度整体较低，而在距出口较远处（Y>2.5），其整体水平甚至安装缩放扩口的情况。主要是由于在出口附近，其切向速度较大，虽然也有衰/J但远离出口后，切向速度仍具有相对轴向速度较高的数值，使得湍流强度较大，有利气流之间的混合和燃料的燃尽。值得注意的是安装渐缩扩口后，生物质燃烧机出口流场湍流强度的大值并非出现在回流区内，而是在气体远离回流区后才突然增大到大值。这主要是因为回流区很小，且回流速度值也很低的缘故。
3.3异向旋转射流的影响
在额定负荷下，将轴向旋流叶片反向安装后，得到生物质燃烧机出口速度分布如图8所示。对比图2和图8可以发现，异向旋转使回流区长度大大缩短(Y≈0.5)，并且沿径向切向速度的方向变化了两次，说明异向旋转的气流混合程度较差，抑制了两股气流之间的扩散和混合。
两种旋转组合方式下湍流强度的分布如图9所示。同向旋转的湍流强度在回流区内普遍异向旋转的情况，而在非回流区内，湍流强度大小情况恰好相反。究其原因主要是异向旋转时，两股气流主要在生物质燃烧机出口附近混合程度较差，远离生物质燃烧机出口后才进行充分地混合，因此湍流程度衰减较慢，在非回流区内还同向旋转的情况。
4结 论
在一定范围内，负荷的变化对双旋流气体生物质燃烧机出口流场的影响不大，该生物质燃烧机对负荷变化。
生物质燃烧机，
生物质气化站，
生物质颗粒燃烧机，