旋流预混合生物质燃烧机基本性能的冷态试验研究
旋流预混合生物质燃烧机基本性能的冷态试验研究摘要：针对多联产系统中热值较低、成份可变的弛放气和粗生物质气的燃烧利用，设计了可调旋流强度预混合生物质燃烧机来获得弛放气和粗生物质气的高效、低污染稳定燃烧，利用电子微压计和热线风速仪分别对影响生物质燃烧机阻力特性及喷口旋流强度的各个因素进行了冷态试验研究，得到了各种因素对旋流生物质燃烧机基本性能的影响规律，结果表明：对于30。、45。、60。倾角的旋流叶片，生物质燃烧机进入第二自模化区的临界雷诺数为11 000,对应的阻力系数分别为0.209、0.269、0.428;对于3种倾角旋流叶片，当芯管离开喷口缩口断面的无量纲距离不小于0. 25～0.5时，喷口处气体旋流强度不再改变，似生物质气化为核心的多联产系统是将资源、能源和环境一体化考虑的系统，是我国可持续发展能源的重要组成部分【1]．国家中长期科技发展规划研究提出，“将多联产技术作为能源科技发展的战略重点方向之一”[2]．以气化生物质气与热解生物质气共制合成气的系统是一种新型的多联产系统‘3_1，在这种系统中，化工过程中产生的弛放气和剩余粗生物质气，将被当作燃料气投入到燃气一蒸汽联合循环系统中来发电，而在这种多联产系统中，燃气发电存在以下问题：(1)弛放气及粗生物质气的成分会因系统运行状况变化导致其热值不稳定；(2)弛放气及粗生物质气的压力、温度和流量等参数因随系统运行状况变化，*终进入燃气轮机的燃料配比也会发生变化，针对这种热值较低且成份可变的弛放气和粗生物质气的燃烧利用，提出用旋流预混合加催化燃烧的方式来获得弛放气和粗生物质气的高效低污染稳定燃烧，相比直流生物质燃烧机，旋流燃烧器存在射流衰减快、穿透力差的问题，但大量的试验和理论研究表明，它比直流式生物质燃烧机拥有前期混合强烈、火焰充满度好等优点邵_ 10]．笔者对可调旋流强度的旋流预混合生物质燃烧机的基本性能进行了冷态试验研究为热态试验提供了理论基础．1试验系统与研究内容图1为可调旋流强度预混合生物质燃烧机的示意图，燃料气通过芯管上开的6个小孔沿径向喷出，这6个小孔位于旋流叶片之前，燃料气先与一次空气混合之后再进入旋流叶片，混合后的气体具有一定的旋转动旦，由喷口喷出进入燃烧室燃烧，经过理论分析，旋流叶片和然烧器的阻力系数与通过旋流叶片的气体流态、旋流叶片所处位置及芯管所处位置有关，而可能影响生物质燃烧机喷口气体旋流强度的因素有：旋流叶片倾角、旋流叶片离开A-A断面的无量纲距离三，（定义三，一，，／以d为AB段圆管的内径，见图1）、芯管*前端离喷口缩口断面B-B的距离三z（定义三z一，z／以见图1）、一次空气和燃料气流态，试验分为旋流叶片及生物质燃烧机阻力特性的研究和喷口旋流强度2部分进行研究，其中阻力特性试验研究选取的影响因素及水平见表1．喷口旋流强度试验研究选取的影响因素及水平见表2．由于燃料气和一次空气是先混合后再通过旋流叶片，所以燃料气流量固定为1ITI3／h，-次空气的流量用一次空气过量空气系数来表示，燃料气按CH4计算，理论空气量为9. 523 8 ITI3l}1.2 结果与分析2.1旋流叶片及生物质燃烧机的阻力特性用全压探针和电子微压计测量旋流叶片进、出口以及生物质燃烧机喷口处的全压值，得到旋流叶片及燃烧器的阻力系数与喷口雷诺数之间的关系曲线，进而确定进入第二自模化区的临介雷诺数，雷诺数Re、欧控准则数Eu及阻力系数∈的计算公式如下，式中：V为生物质燃烧机喷口平均轴向速度，用各工况空气和燃料气总和计算得出；D为喷口直径；v为气体的运动粘度，由于试验中燃料气体用空气模拟，所以v取试验温度下空气的运动粘度；△妒为旋流叶片进口与生物质燃烧机出口之间全压的差值；p为试验温度下空气的密度，3种旋流叶片和生物质燃烧机的阻力系数与雷诺数关系曲线见图2和图3．由图2可知，4 50倾角旋流叶片阻力系数比30”旋流叶片略有增加，60。倾角旋流叶片阻力系数增加较大，同时可以看出，对于3种倾角旋流叶片，当Re增加到一定值后，叶片的阻力系数和欧拉准则数不再随Re变化了，它表明Re己达到临界值，这时气流运动状态进入了第二自模化区，对于30。、45。、60。倾角旋流叶片，第二自模化区临界雷诺数尺臼i一12 000，此时对应的阻力系数分别为0. 033、0.077、0.207.由图3可知，随着旋流叶片的倾角增大，燃娆器的阻力系数增加，对于30。、45。、60”倾角旋流叶片，生物质燃烧机进入第二自模化区的临界雷诺数Ra．- 11 000，此时对应的阻力系数分别为0. 209.0. 269.0.428．图4给出了在30”倾角旋流叶片下，改变三z得到的生物质燃烧机阻力特性曲线，可以看出，当芯管往缩口伸进3 mm之后，生物质燃烧机进入第二自模化区的临界雷诺数Roj= 10 000,此时生物质燃烧机的阻力系数增大到. 329．旋流叶片、上：均为0. 25时，喷口旋流强度，2与旋流叶片所处位置三一及一次空气过量空气系数a-的关系曲线，结果表明，喷口旋流强度厅在误差范围内是不随一次过量空气系数∞的变化而变化的，这是因为随着一次过量空气系数的增加，通过旋流叶片的空气量增加，轴向速度和切向速度都是同比例增加，所以旋流强度是不变的，同时可以看到，随着旋流叶片离开A-A断面的距离/i的增加，喷口处气流的旋流强度显著减小，值得注意的是，随着旋流叶片倾角增大，三一从0增加到0.1时，旋流强度，z减小的幅度特别明显，这是因为旋流叶片倾角增大，其阻力就增加较多，有更多气体不通过旋流叶片，而导致实际旋流强度大幅度减小，这表明叶片倾角愈大，可调性能愈好，试验测量结果发现，对于不同的倾角、三，和/2，喷口气流的旋流强度是不随一次空气过量空气系数改变而变化的，所以将只是一次风过量空气系数不同的各个工况的旋流强度胛隶平均值，从而得到3种倾角的旋流叶片在不同的厶和上z时喷口处旋流强度的变化曲线，见图6．由图6可见，对于3种倾角的旋流叶片来说，随着上z的增加，即芯管后移，喷口处旋流强度是逐渐小的，这是因为，气流通过旋流叶片之后获得了一定的切向速度，当旋转气流通过芯管的顶端进入到圆形空间之后，按旋转动量矩守恒原理，旋转气流在圆形空间中的平均切向速度降低，故旋流强度下降，同时可以看出，随着三z的增加，旋流强度减小的趋势变的越来越缓慢，这是由于旋转气流由环形扩展为均匀的圆形旋转气流需要一定的空间，在芯管离喷口较近的工况里面，圆形空间的体积较小，不足以使这部分环状的旋转气流扩展成为均匀圆柱状的旋转气流，随着三z的加大，圆形空间体积增大，环状的旋转气流有充足的空间扩展成为均匀圆柱状的旋转气流，所以出现随着三z增加，旋流强度减小的趋势越来越绶慢，可以预测，必将存在一个临界的/2值，当上z大于这个值以后，喷口处旋流强度不再减小，图6的试验结果表明，当/z≥0.25～0.5时，喷口处旋流强度基本不变，3结论(1)旋流叶片的阻力系数随着旋流叶片倾角的增加而增加，45”倾角旋流叶片阻力系数比30。旋流叶片略有增加，而60。倾角旋流叶片阻力系数几乎成倍增大，不同倾角的旋流叶片，当Re≥11000时，气流在此生物质燃烧机的流动进入第二自模化区，此时对应的阻力系数分别为0. 209、0.269、0.428.对于30。倾角旋流叶片，当三z从0变化到 0. 15时，Reij一10 000,生物质燃烧机的阻力系数增大到0.329.(2)喷口气流的旋流强度是不随一次空气流量的改变而变化的，喷口气体旋流强度随着三一的增加而减小，且当旋流叶片倾角增加、阻力增太时，旋流强度减小的幅度也显著增加，喷口气体旋流强度随着三z的增加而减小，并且旋流强度减小的趋势越来越缓慢，对于每种倾角的旋流叶片，存在一个临界的三z值本研究中发现上z≥0. 25～0.5，喷口处气体旋流强度不再随/2而变化．4结论几年来通过锅炉、冶金、制管等行业的共同努力，SUPER304H钢管的国产化进程已取得可喜成绩，但要完全掌握其关键工艺的特性和原理，实现大批量生产和使用，还需做更加深入的研究工作，
