燃煤旋风燃烧室的气流组织.pdf

第卷第期 年月 东南大 学学 报 ∀ 扭 研究简报 燃煤旋风燃烧室的气流组织 蔡奋申俊杰刘浩郑文德 热 能工程研究所 为了实现在不大的燃烧空间内同时组织燃料燃尽与灰渣分离 , 旋风嫌烧方式无疑是可供 选择的最佳方案 但并非所有旋风燃烧室都是成功的 关键是燃烧室内流场结构必须合理组织 东南大学热能工程研究所于 年代初建立了一台 气嫩 出 口 型液态排渣燃煤燃烧室 燃烧室采用轴向混风式 旋流器供粉送风 , 参见图 曾经对此燃烧室做了大量 冷 、 热态试验 热态试验发现 , 液态排涟率不够高最 高值为 冷模试验发现 , 燃烧室前段气流运动 类似于组合涡 , 分离效率不高中 、 后段气流呈抛物涡 结构 , 这种流场对近壁处的颗粒有较强的离心作用 , 但 对轴线 附近 的颗粒几乎不起作用 , 其结果是粒 径小于 料 的颗粒始终未受到较强的离心效应 , 全部随气流 空 气 冷却水套 排渣 耐火里衬 犷犷耀蒸蒸 甲甲卜气除扩扩 图 一型燃煤然烧室 飞离燃烧室 ” 为此 , 要进一步提高燃烧室的排渣率 , 必须改变流场的旋流结构 流场分析 然烧室流场结构 燃烧室内灰渣分离率的高低与室内旋流状况密切相关 旋流状况可以用沿燃烧室截面切 向速度的径向分布来表示 筒体内切向速度的径向分布状况在理论上有如下几种形式 一 一一 强迫涡 抛物涡 势涡 口 口 组合涡 式中 , 。,。伪常数 , , 口 ” 。为流休的切向运 动速度 为计算点的半径 为处在 与 间的 某一特定半径 上述流场分布完全是理想情况下的纯理论流态 , 实际流场中往往存在差异 不同结构的 燃烧室其切向速度在径向上的分布是各不相同的 , 且是轴向位置的函数 例如 , 具有轴向旋 流器的燃烧室 , 刚从轴向旋流器流出的旋转气流的切向速度分布类似于强迫涡旋 , 进人燃烧 本文于 年月收到 第期 蔡奋等 斌煤旋风斌烧室的气流组织 室后切向速度逐步呈峋 产, 分布 , 接近于组合祸 但随着距离的增加 , 流态逐渐 转为抛物涡 在后部 , 流型又重新转变为强度小得多的组合祸 而对切向进风的燃烧室 , 如 从进口段截面开始即可按抛物涡近似描述 , 只有在接近尾部挡渣板时才转为组合涡 割向进 风的燃烧室可在进风部位造成强烈的强迫涡 然烧塞内颗粒运动的轨迹 颗粒运动与流场结构有密切关系 , 颗粒在燃烧室中的受力情况十分复杂 , 但对直径在 一” 范围内的煤粉颗粒来说 , 主要影响颗粒运动轨迹的力是颗粒与气体间的粘滞力 对任何旋流流场 月 , 二碗 兀 颗粒在流场 中的运动轨迹均可通过颗粒在流场中因粘滞力作用随气流运动的运动方程求取 计算结果表明 当气流的径向流率碗 时 , 不论是强迫 祸 , 还是势涡 二一 , 颗粒均向外作离心运动 但碗 时 , 颗粒向外运动的速度大于碗 二时的速度 在相同的碗 值下 , 势流内颗粒的离心运动速度要比强迫涡内颗粒的径向运动速度小 , 颗粒越大此现象越 明显 当后 付 , 对强迫涡 , 只有当颗粒直径大于某一数值时当碗 二一 时 , ’ 月 , 颗粒才向外作离心运动 , 小于这一直径的颗粒会向轴心移动 对势涡 , 不同直径 的颗粒均存在一平衡半径 , 颗粒在离心力作用下到达这一半径后将沿这一半径的圆周作圆周 运动 这时颗粒所受到的离心力与粘滞力互相平衡 , 平衡半径的大小与颗粒的直径成正 比 姗烧室内颗粒浓度的分布 为了计算燃烧室内煤粉颗粒的浓度分布 , 在燃烧室内 任意取一环形微元体 , 如图 , 建立微元体内煤粉颗粒的 质量平衡方程 晶 。 丢 最 犷 , 一“ ‘ ,, 式中 , 匕 和 价为颗粒沿轴向和径向的运动速度 , 了表示 微元体内颗粒的浓度 在忽略重力的情况下 , 颗粒的径向 运动速度可写成图微元件示意图 。 , , “口 犷 , , 一 , 一 一可 称为颗粒在粘滞流体中被气流带动的松驰时间 , , 式可简化为 。 , 材 ‘ 拌 如果时间足够长 , 朴上 在轴线方向 , 经过一定时间后 , 匕 作为近似可认 为颗粒轴向速度等于气流沿截面 的 平均速度 代人式 可得 下 一 月 二一 二‘ ,, 、 一 , 、“沙 一 盯 盯一 击 一 从 东南 大 学学报第 春 初始条件为 小付 , , 厂 , 厂二 这里为旋流器的出口半径 分别取三种理想流动状态 强迫涡 、 组合涡和势涡 , 并将方程绷中相应的为表达式 代人式 , 化简求解可得各种流型下燃烧室内煤粉颖粒的浓度分布 如图 图中 , 一 , 二 一 。 二 珊 之 汾汾尹育 一一一 二。刃 一 刘刘 强迫涡 厂为颖拉相浓度 组合涡 ’为强迫涡 批物涡 ’为势涡 图 燃烧室内煤粉顺拉浓度分布 由图可见 , 在强迫涡中图 , 颗粒的浓度随着 ’ 的增大而迅速下降 , 左上角阴影区 浓度为零 , 说明煤粉一进人强迫涡旋必将很快分离 在组合涡内图 , 在强迫涡区的情 况与上述相类似 , 但在势涡区内颗粒趋向于集中在组合旋祸的边界区 , 图中阴影区没有顺粒 存在 , 在钟形边界区的内侧也可以近似地忽略颗粒的存在 , 这种流态使顺粒有较长的空间运 动逆离 , 因而 空间停留的时间也长 , 对燃尽有利 , 但不可能有高的分离效率 对抛物涡流场 图 , 在轴线附近颗粒浓度沿轴向几乎没有变化 , 阴影区无颗粒存在 , 外环带只有很少 的颗粒 , 它表明靠近筒体轴线处供给的颗粒没有扩散就通过了燃烧室 , 而外部颗粒则马上飞 向壁而 这种流场结构对部分颗粒的燃尽不利 , 但分离效率还可以 理想流场的组织 根据上述分析可知 , 要获得一种具有排渣率高 、 颖粒空间停留时间长的燃烧室气流结 构 , 应采用燃烧室前段为组合祸 , 后段为强迫 涡的综合流场形式 , 前者保证颖粒在炉内的停 留时间 , 后者保证分离效率 为此 , 只要改变原一型单一轴向进风的方式 , 在燃烧室后 部加一股切向二次风 , , 即可得到燃烧室前部为组合涡 后部为强迫涡的理耸毛 流组织形式 , 冷模试验 在不同进风方式下对上述理想流场结构燃烧室内的气流流场进行了冷态试验 模型与原 燃烧室几何相似 , 并考虑了不等温射流的修正和自模化问题 模型设计成三段式 前锥体为 一段 , 中间装有轴 向混风式旋风器中间圆筒体段分为两段 , 这样可变动切向风口的轴向位 置尾部采用带缩口的挡渣板 圆筒体上切向进风口的内壁面与通过燃烧室轴线的某一平面 在燃烧室壁而上的交角 为安装角 , 通过变换不同安装角的切向风口 , 可以考察进风的割向 实际进风口中心线为割线 , 习伍称切向二次风 第期 蔡奋等燃煤旋风然烧室的气流组织 性对流场结构的影响 参见图 流场采用五孔探针测量 由探针采集的压力信号经 点压力传感器转换为电信号 用 数字电压表读取此电讯号 , 由此换算出轴向 、 切向 、 径向三个分速度 实验台布置见图 〔〔 「行二 一 , 图模型示意图 图 实验台布里 图 风机 孔板流量计 了 差压计 抽向风调节间 切向风调节间 石 三维座标架 五孔探针 斌烧室模型 点压力传感器 数字式压力表 对不同的轴 向旋流强度 、 切向进风安装角 、 切向进风口位置和不同的切向流量与总流量 之比等因素对流场的影响进行的测定表明 , 安装角为 “ 时 , 混风式旋流器旋流度较大 切 向 风口后置 , 切总二 时的流场最为接近理想 流场图 由图可见在紧靠燃烧器进口的第 截 面轴心附近气流有强烈的强迫旋涡 , 外围气流呈组合 涡结构随着气流向前推进 , 中心 强迫旋涡 迅速衰 减 , 到第截面 , 气流已成典型的组合涡形式由于 后部切向气流的加人 , 因气流的粘滞作用使进风口前 的气流也被带动 , 故第截面的气流切 向速度相应提 高 , 这时气流仍呈组合涡的形式 , 但中心部分的强迫 涡已明显加强由于切 向进风口的位置在第 与第 截面之间 , 使这 个截面的流型非常接近 , 中心强 迫涡明显扩展 , 特别是离切 向进风口更近的第 截 面的切向最高速度出现的位置更向炉壁靠拢 , 旋流刚 性更强 , 接近为强迫涡 由此可见 , 整个燃烧室的流 场呈前部为组合涡 、 后部为强迫涡 的理想组合形式 犷切 与 结论 理论上存在着既可满足煤粉空间停留时间长的要 求 , 又可达到煤渣分离效率高的理想的排渣型高强度 燃煤燃烧室的气流流场 这个流场具有前部为组合涡 后部为强迫涡的综合特征 实际上也可 以通过轴向进风与切向进风相结合的 图 速度分布图 安装角 , 切 向风口后置 , 挡板 , 。切 总 第 截面 第截面 第截面△第 截面 口第 截面 东南 大 学学报第 春 方法 , 借助适当安排燃烧室进风位置与轴向 、 切向进风量的比例来实现上述理想气流流场 参 考 文 献 赵长遂 燃煤 燃烧室流场测试及煤粉颗粒运动轨迹分析计算 东南大学硕士研 究生论文 , 陈明绍等 除尘技术的基本理论与应用 北京 中国建筑工业出版社 , 巾俊杰 联合进风燃煤磁流体发电燃烧室的冷模实验 东南大学硕士研究生论文 , ∀∃ ∋∀∋∗ ∀ ∀ ∋∀ ∃ , − .胎tor C口15 口馆 s h en J un j i eLi u Hd口 Zh e 心甲 心月山 T herm oenergyEngine ering Res careh Institute A加tra ctAPossibi lity oforganizingsimultaneously f u elbumoutandslag s cParationi, d i s c u s买dw iththehel P of now 6eld analys is.An ideal f lowf iel d eo n s t r u et io n , i n w hi e h a e o mbi n e d v o r te x w i l l a P沐arinthef rontofthe eom bustion eham ber叨daf o rc c d vortexwill apPearin the r e arPartofthe eham ber , 15 Pr es e n te d t o sa t i s f y th e 邝quir em ent s list e dabove.It 15 orov cd by exo eri m ent the id c aleonstruetio n eo uld be earric d into c ut io nw henthe a介in. I ctPositions ar c reasonablyor ganiz c d. Key wo川‘ eo mb ustor , 门ownel d / eyelone eom bustor , s l a g鹅Paration