二维轴对称煤粉气流火炬点火的研究.pdf

第十七卷南京 工 学 院 学报 第三期 JOURNA L O F NANJING IN ST IT UTE OFTECHNOL O G Y V o l . 17N o . 1987 二维轴对称煤粉气流火炬点火的研究 王 志斌 蒋持志朱皑 强哀友生徐益谦 热 能工程 研 完所 摘要本文介绍了二维抽对称谋粉 气流火炬点 火的试验和 理论 研究结果 。 点 火 源为乳一乙炔火炬 。 试验煤种 为劣质烟煤 、 贫煤和无烟煤 。 结果表 明 , 在用火炬 引燃煤粉 气流时 , 存在一个 时应于最低煤粉浓度的最佳 点燃 流速 , 其值随煤 粉 气流初始温度的升高而增加 。 文中提出了二 维抽时称煤 粉 气流火炬点火的理论模型 , 用 “直线 法 ” 作了数值计算 。 计算值与试验 结果符合较好 。 利用该模型 , 还预 侧 了点火源温度 、 煤粉杜径以及煤 中挥 发份 含量对煤 粉 气流火炬点火的影响 。 关键词抽对称 , 气流 , 煤 粉 , 氧一乙炔火 炬 , 点火 。 一 、 引言 为节约燃料油 , 近年来国内外都在积极研 究高能电弧 直接点燃煤粉气流 的无 油点火技 术 【‘ ’z〕 国内还 广泛采用煤粉预燃室来实现电站锅炉 的少 油点火与助燃 。 无论是无油直接点 火方式 , 还 是少油点火 , 理论上都可以归结为火炬 或热气流 点火问题 。 研究可燃气流的 点火问题时 , 就通常最关心的着火临界条件来说 , 即便是单相气流 , 在很大程度上还是依靠 实验 。 煤粉气流是两 相可燃混合物 , 实际煤粉燃烧的机理又极为复杂 , 煤粉气流的引燃还受 到煤质 、 工况 和装置条件等众多因素的影响 。 迄今为止 , 国外有关煤粉气流点火基本研究的 报导并不多见 , 国内的研究工作则刚开始不久 〔”‘。 。 最近 , 作者结合无烟煤粉预燃室研究 的需要 , 对煤粉气流 的火 炬点火进行了试验研究 , 测定了煤粉气流的着火界 限;同时 , 提出 了二维轴对称粉气流火炬点火的近似数学模型 , 并作了数值计算 。 试验结果和理论模型对于 认识煤粉气流火炬点火的机理和生产实际有一定的指导意义 。 二 、 实 验研究 试验系统如图 l 。 压缩空气经 电加 热器加 热 后 , 在喷射器内引射 从输粉绞龙 下落的煤粉 本 文于1986年6月2日收 到 。 丈08南 京工牵院李报 1夕召7 年 并与之混合 , 煤粉空气混合物经燃烧器喷入 点火室被氧乙炔火炬点燃 。 点火室为气 炼透明石英管 、 管长 lm 、 内径 10 0mm , 壁 厚 4m m 。 空气电加热器分两级 , 功率各为 1 8 kw , 其中第二级可调 。 烟气由引风机引出 排空 。 供粉量用 调速电机控制输粉绞龙的转 速加以调节并事先标定 。 空气流量同时用转 子流量计和双热孔板流量计测量并记录 , 二 者互校后平均相对误差 不大 于 3 。 点火源 的乙炔和氧气量分别用转子流量计测定 。 沿 点火室轴向布置了4个温度测点恺装热电 偶 和4个压力测点U形差压计 , 压力 测点布置在温度测点对面 。 点火源 温度用双 雍雍雍 害害害 图1试验系统 铂铐热电偶测量 。 各点的温度变化用XWT一8 6 4型 八笔记 录仪 自动记 录 。 试验时 , 答先用电子点火器将氧一乙炔预混气点燃 , 然后保持点火源 工况不变 。 在给定 的煤粉气流初始温度和速度流量下 , 调节供粉量直至煤粉气流被点燃为止 。 煤粉气流一 旦被点燃 , 记录仪上的温度曲线将发生突跃变化并可观察到明亮的火焰闪现 。 据此 , 即可判 断点火是否成功 。 试验时的煤粉气流初始温度 T 二 一。30 0 ℃ , 煤粉浓度煤粉/空气质量比 “。 0 . 10 . 9 , 乙炔气量Q乙炔 0 . 370 . 4 9 kg/h , 燃烧器 叶片安装角 刀一 O 。 和3 5 。。 试验煤 种的工业分析结果列于下表 1 。 表 1 试验煤种的工业分析成份 、、煤 种种水份份挥 发 份份 固定 碳 - - - 灰份份高位发热量量 写 } } } } l l l l l l k k k k k k k k k k k k k J/kg } } } } _ 下下关电 厂烟 煤煤 1 . 25 5 52 2 . 95 5 5 4 0 . 96 6 634 . 84 4 4 19 485 5 528 , 14 4 4 山山西王庄贫 煤 煤 5 . 03 3 3 14 . 37 7 765 . 32 2 2 15 . 2 8 8 8 27 77 0 0 0 12 . 0 0 0 福福建加福无烟煤煤 2 . 75 5 53 . 37 7 779 . 70 0 014 . 16 6 6261 9 2 2 211 . 0 0 0 试验结果表明 , 煤粉气流着火界限是有极值的曲线 即存在一个最佳煤粉气流速度 , 在 此值下 , 较低的煤粉浓度便可使点火成功 。 这与文献〔4]所得规律相一致 图2 。 另外 , 由图 2 可知 , 提高煤粉气流 的初始温度 , 对着火界限产生 两方面的影响 一是使着火界限范 围变宽 , 即着火界 限左移 ; 二是使对应 于最低煤粉浓度的 最佳 点燃速度变大 。 试验中还发 现 , 在作者的 试验条件下 , 无烟煤煤粉气流 可被点燃的最低初始温度T , 一 30 0 ‘c , 而劣质烟 煤和贫煤即使在常温 下也能被点燃 , 这 说明煤的挥发份含量是影响点火的 重要因素 。 详细试 验结果及分析见文献〔5 〕 。 第3期王志 斌等 二维轴对称煤 粉气流火炬点火的研完10夕 “。,ms o o o o o o o o o o o 7 ’, 一I U C C C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 犷一ZOUt t t 尹尹尹尹尹尹 一 q , 行。 . 3 7及虾h h h 助助助助助助 西王庄贫煤 刀J J J / / / / / / / / / / / / / / / / / 硬硬硬硬硬硬硬硬硬 \\\\\\\ 。。 . / / / 尸. . . . . . . 又又又又又 ” 从从从从从 卜卜卜卜卜卜、 } } } _ i i i i i 「「「「「「「「「 I I I I I I I I I I I0 T . 03OC C C 一一一一一一一一一一一一一一一一一。 一 T。 10OC C C { { { { { 『 , , Z Z Z Z Z 0 一 T .二2 0 0℃℃ 习习习习习习习习习习习习习习习习习 e二 ‘0 . ,7k叮 叮 敌敌敌声 声 J J J J J 下关电厂烟煤} } } 刀刀刀刀刀刀,Q ’ 一一 ’’’ ‘ 汉汉汉汉汉汉 倪倪倪倪、峨 峨、、、 { { {l l l l l l l l l 一一 ll l l l l a b 图 2 谋粉气流的着火界限 三 、 理论模型 如图 3 所示 , 大至 直 径增大 物理模型 与 基本假设 当氧乙炔预混气离开喷口后 , 其高温燃烧产物体积 急剧膨胀 , 相当于喷口 2 。。 因 此 , 煤粉气流的火炬点火可归结为一股温度为T 了 、 速度为街的高温燃烧 产物射流 , 从半径为2 。的假设 喷 口射入初始温度为T 二 、 速 度为 。。的煤粉 气流并与之发生热 、 质交换的过程 , 即所谓 热射流点燃问题 〔“〕 。 所研究的 二维轴对称 直流煤粉气流 火 炬点火的简化 物理 模型 示于 图4 。 图中 , 戈‘ 为着火距 离 , 二 。为 射流初始段长度 , 。 为着火边界 、 ; , 、 2 分别为 射流的内 、 外边界 。 按热射流点燃理论并采用零值温度梯 则点燃 成功 的临界条件是 当 二一二‘ 时 , 满足 。且二‘ 二 。; 若二 ‘二。, 认为点火失败 。 为进一步使问题简化 , 引入如下基本假设 1 煤粉气流为定常 , 定压 的二 维轴对称湍流射流 ’ 流动 , 不考虑点火室壁面的影响 ; 2 煤粉气流为连续介质 , 着火前反 应程度很小 , 不等温伴随流射流规律仍适用 〔7〕; 3 煤粉颗粒为单一粒径平均粒径的球 形颗粒 , 忽略其所 占体积 ; I I I嗬很区‘ 您豁铡 ‘ 翩翩翩翩 粼粼 “百 一 燕燕 爆爆 ⋯⋯缨咒姗找洲冬冬冬冬冬冬冬冬冬冬冬冬冬冬 叹叹三 三早 . ’ . lW 扮瑞4 沫或之 鱿 4 4二肚习眨 眨 ; ; ; 父父 ’ 卞卞 砂砂砂 女女 ‘‘‘‘护护护护护 l l l l l l lL L L 图 3 d 、 点火源示意图 为燃烧器内径 4 不考虑煤粉颗粒和周 围气体之间的相对运动和温度差 ; 5 考虑点火源与煤粉颗粒之 间的辐射换热 , 但忽略轴向扩散和导热 ; 110 南 京 工 李 院 李 彼 1夕87 年 6 认为温度 、 速度及浓度的混合区宽 度相等 , 即 p r , 二S 。一L, 一 1 ; 7 考虑煤粒的挥发份析出 、 燃烧和碳 的表面反应 ; 8不考虑假想喷口尺寸随u 二的 变化 , 但考虑外边界 2 上煤粉浓度和氧浓度随u , 的变 化 。 ”” 了万F牛幸盆盆‘ ‘ 一一 上巴士三 不不万 _ _ _ 2 . 基本方 程组 图4二维对称煤 粉 气流火炬点火简化 模型 由上述物理模型 和假定出发 , 可以写出如 下的描述二维轴对称煤粉气流火炬点火的 的基本方程组 镖丝禅 工 留 犷工一 0 , 。二一斋。, 二 食 一 毋 。⋯奈 , e 。。二 器 器 一 令手 C , 。,二 子 S 厂 , 3, p一 会 p 。 等 一 令毋 。,二等s ‘ 边界条件 r , u ul。 , 一 。, , p 二 pf , T二T f , j O , 2 u u。,。 二。 2, p 。 p , , 2, TT ,, f ‘ f ‘ 5 6 其中 , u 、 。分 别为 二和 , 方向的速度分量 ; p 。和C尸二 分别为煤粉空气混合物的密度和比热 ; ￡ 为涡粘性系数 ; S 和S ‘ 为源项 , f ‘ 为相对浓度 , 下标 i一 。、c 和 。x 时 , 依次表示挥发 份 、 炭和氧 ; 下标1和 2 分别表示 ’ 棍合区的内 、 外边界 ; 了 , 2 一 。 。 各方程中的原项分别 为 S Q 。 牙 。 Q 。 牙 。 W 。 S , 一 万 , 一班 。 ; 7 8 S 。 一砰 。 ; 9 S 。, 一n 。班。 一n 。 附 。 , 10 式中 , 不 。 、 万 , 和万 。 分别是挥发份的反应速率 、 析出速度和炭反应速率 ; Q 。 和Q 。分 别为挥 发份和炭的燃烧热值 ;n 。 和n 。 分别是挥发份和炭的化学反应 当量系数 ; 不 。 为单位体积煤煤 粉气流的辐射吸收率 。 具体地 , 有 班 , k r p杀 f 。 f 。。 一f 。 e x p一E r /RT ; 研 。 k 。p 撬f 。 f 。 二ex p一E , /R T ; 研 。 f 。p 盖f 。 f 。 儿 。ex p一E 。 /R T 「 ;十 石黔- 举、 ‘ ” ”、。ex p 一 。 z* 1 一’ L‘刀 02 \1/J 第3期 主志斌等 二维轴衬称谋粉气流火炬点火的研究 1了1 式中 , k ,、 k 。 和k 。 分别为挥发份析出 、 反应和炭反应的速度常数 ; E r、 E 。 和E 。 分别为挥发 份析出 、 反应以及 炭 反应 的活化 能 ; f 。。是 从煤中逸出挥发份的 最大质量份额 ; f 。 是煤粒的 比表面积 ; 万 , 为煤粉的平均粒径 ; D 。 为27 3K时的氧的分 子扩散系数 。 计算点火源对煤粉气流 的辐射换热时 , 认为点火源火炬是具有平 均温度T 了的灰体 , 不 厂。一kl rexp巨一kr一r , 」 式中 , 左一3。。 。/ 2万, 、为煤粉空气混合物的吸 收系数 , 、 和P c分 别为空气和煤颗粒的声度 , “为煤粉浓度 。 涡粘性系数为 一 ‘ 2 {奈{ 一 势 / 2 {令{ 式 中 , Z为Pr a n d t l混合长度 , a 为射流结构系数 。 3 . 基本方程组的坐标变换 为便于 用 “ 直线法 ” 求解 , 对由式14 组成的基本方程组进行坐标变换 。 为此 , 引入新坐标 仁‘ 。〕 切一切 2 叨 1 一 甲 2 i , 一不 一气甲2 一甲少 O 1 1 其中 切一r / a二, 切 , 一 , / a 二 , 沪 2 一r Z / a 二 . 考虑 到不等 温射流 的动力 边 界层规律 工’〕, 并经 过一系 列变换后 , 由式14可得 器 称孺是式 十 赢器令 一 豁刽 盟一豁 十一命 睽 令 一 令 斋 12 13 伴随 流射流初始段 混合区边界 层内的速度分布可用普遍参数剖面表示 〔“’ “一以f 林仍 一 尽f 一 l一刀 3/2 2 一f斤 . 故 式 中 , 。, 二 ul〔 1 一1一附f斤 〕 14 阴 卫生 1 Uj 显然 , 坐标变换后的着火判据应变成在、一 二‘ 处满足‘ 擎、 一。O 矛产 产 岌岌 } } }」」 l洛洲 洲巴石刊 刊已卜 卜一 . 口.. . . L 、】 】 l l l l l l l l l l l l l 必必月 月卜州卜日 日 厂. . . . . . . 口口}; ; ; 0 . 250 . 50 7 51 图9 呀昆合区中的无囚次温度分布 图10 呀昆合区中的挥发份浓 度分布 I o 炙 又l。, 、、、L L L L L L L L L 办办. _ 占 . 24 4 4 N N N N N N N又又又又洲洲 l l l 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . 侧侧侧侧侧k k k{ { {目目 J J J 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 64 4 4 - - - - - - - - - - - - - - - . . . , , , , ,飞 飞凶凶口口 t t t 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 . 84 4 4 - - - - - - - - - - - - - - - . . . 、、、、、、良良口口 i i i i i L L L L L L L L L L L L L L L. . . . . 卜卜卜卜卜卜卜、、、 、、、队 队队队 尸厂 厂 日1一一 } ’’ 戈戈戈戈戈戈戈*二O 。理 理理 、、、、礼 礼 / / J J J 洲尸尸 。二 刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃 决决决决决扮 扮 / 洲洲洲洲洲 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 决决决决决决成 成成成成 决决决决决决决民 民民民 { { { { { { { { { 一一一料料、、 、、 图n 混合区中的乳浓度分布 图12 1昆合区中的炭 浓度 分布 第3期 王志斌等 二 维轴对称煤粉 气流火炬占 、 火的研究11万 参考 文献 巨1〕 B la ek b u rn , P . R . Dir e et ig n itio no fp u lv e riz ede o al with ele etriea re he a ted air , Pr oeeed ing o fth e Pow er C on fe re n ee , V o l . 41 , 1979 . 仁2〕陈以理等 高能电弧直接点燃煤粉的试验研 究 , 燃烧科学与技术 , 198 2 年 第 1 期 。 厂3〕周力行等 高温射流点燃煤粉火焰的数值研究 , 工程热物理学报 , 1983 年 第 2 期 。 [ 4 〕付维标等 高温射流点燃煤粉空气两相流的研究 , 高等学 校工程热物理第一届 全国会 议论 文集 , 19 83年1 0 月 , 南京 。 〔5〕朱皑强 等 煤粉气流火炬点火的试验研究 , 高等学校工 程热物理第二届 全 国学 术会议 , 196 6年1 0月 , 武汉 。 〔6」付维标等 燃烧物理学基础 , 机械工业出版社 , 1 9 8 3年 , 第7 4 8 6页 。 〔7〕X oTp。 二 , J l . H . , X aMa二。二 , 江 . M , B。 二e 二e。n , T . B . , Kp ae 二o 。, M . 月 B o en卫aMeHe且x,en自万e Bo a江y 坦n o益 n 几o e K o 一n a p a 江 几e刀 汀e几 、 u o 业 e Tp yH , T e - n江o 3lxepre THa , H o 0 4 , C 47 , 19 65 〔8〕W a la n ski, P . , W o j eieki, 5 . St abiliza tio no f eo a l d u st 一a irm ixing by b luffb o dy , 15th Symp . In te r oneo m b u stio n , 1974 1 2 95 . [9〕 E ss en high , R . H . , C s a ba , J . T he therm a l ra diatio n the o ryfo r pla n e p r o pag ation in e oa ld uste l o u d s , gthSymp . In ter o ne o mb ustio n , 1 9 63111 . 〔1 0] 维列斯基 , T . B . , 赫兆马梁 , 月 . M . 著 , 朱皑 强译 煤粉燃烧动力学 , 南 京 工学院 出版社 , 1 986年1 2 月 。 〔11〕谢象春编著 湍流射流理论与计算 , 科学出版社 , 19 7弓年 , 第12 5一12 6页 。 巨12] A6Pa MoBi,叹 , F , H . T e o Px, “ TyP6y 二 enT只立x C T p yH , 中只 3MaTrn3 , 1960 . 116 南京工学院学才良 1987 年 In vestigatio no n 地 n ition of Tw o 一D i m en sio nal Axisym m etical Pul verized Co a 一Air Fl ow byFl ame Tor ch W a n g Zhibin , Jia n g Chizhi , Zh u Aiqia ng , Y uan Y o ushengand X “ yig艺 a n R e s ear eh In stitu te o fThe rmoene rg y E n gin e er ing ABSTRACT T h e ig n itio no ftw o 一d im ensio n a l ax isym m e triealp u l verizedeo a l 一a irflow by ox y g en 一a e e tyle n eto r eh 15 in ve stiga ted both ex p e rime n tally a n d theo r e ti - ea lly . Th e low 一g ra d e bitum in ouse oa l , e arbo nae eo usan d an thr a eitee oala r e te sted . E x p erimen tal res u lts sho w thatther e 15 ano Ptim u m v elo eitye or rc - sPon ding tothe minim u mfu el eo neen tr atio n a tig n itio nan dits v a l ue in e re ases w 1tllth e initialtemp era tu r eo f p ulve r iz e d e oa l 一a irfl o w . A nap pr ox im a te m a th ema tie alm o d el 15Pr op os ed . Str aight 一 lin e15 u sed for the nu m erie a l ea l eu latio n . Th eore tieal re su lts a re ing oo d agre eme n tw iththe ex p e rimen tal r e s u lts . By usin gthingthis m o d el, the effeetso fth e temp er a tu r eo f ox yg e n - a eety l e ne to reh . diam e ter o f e o a l . p artielean d q u a lity o f e oalon ig n itio nar e Pr edieted . Key words a x isymm etr i。alfl o w , p t I verized。oa l , o x yg e n 一a e e tylen e it orCh, ig n itio n .