旋流預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)基本性能的冷態(tài)試驗(yàn)研究
摘要:針對(duì)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中熱值較低、成份可變的弛放氣和粗生物質(zhì)氣的燃燒利用,設(shè)計(jì)了可調(diào)旋流強(qiáng)度預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)來(lái)獲得弛放氣和粗生物質(zhì)氣的高效、低污染穩(wěn)定燃燒,利用電子微壓計(jì)和熱線風(fēng)速儀分別對(duì)影響生物質(zhì)燃燒機(jī)阻力特性及噴口旋流強(qiáng)度的各個(gè)因素進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究,得到了各種因素對(duì)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)基本性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明:對(duì)于30。、45。、60。傾角的旋流葉片,生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自?;瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)為11000,對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0.209、0.269、0.428對(duì)于3種傾角旋流葉片,當(dāng)芯管離開(kāi)噴口縮口斷面的無(wú)量綱距離不小于0.25~0.5時(shí),噴口處氣體旋流強(qiáng)度不再改變,
  似生物質(zhì)氣化為核心的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)是將資源、能源和環(huán)境一體化考慮的系統(tǒng),是我國(guó)可持續(xù)發(fā)展能源的重要組成部分【1].國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃研究提出,“將多聯(lián)產(chǎn)技術(shù)作為能源科技發(fā)展的戰(zhàn)略重點(diǎn)方向之一”[2].以氣化生物質(zhì)氣與熱解生物質(zhì)氣共制合成氣的系統(tǒng)是一種新型的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)‘3_1,在這種系統(tǒng)中,化工過(guò)程中產(chǎn)生的弛放氣和剩余粗生物質(zhì)氣,將被當(dāng)作燃料氣投入到燃?xì)庖徽羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)中來(lái)發(fā)電,而在這種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中,燃?xì)獍l(fā)電存在以下問(wèn)題:(1)弛放氣及粗生物質(zhì)氣的成分會(huì)因系統(tǒng)運(yùn)行狀況變化導(dǎo)致其熱值不穩(wěn)定;(2)弛放氣及粗生物質(zhì)氣的壓力、溫度和流量等參數(shù)因隨系統(tǒng)運(yùn)行狀況變化,最終進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料配比也會(huì)發(fā)生變化,針對(duì)這種熱值較低且成份可變的弛放氣和粗生物質(zhì)氣的燃燒利用,提出用旋流預(yù)混合加催化燃燒的方式來(lái)獲得弛放氣和粗生物質(zhì)氣的高效低污染穩(wěn)定燃燒,相比直流生物質(zhì)燃燒機(jī),旋流燃燒器存在射流衰減快、穿透力差的問(wèn)題,但大量的試驗(yàn)和理論研究表明,它比直流式生物質(zhì)燃燒機(jī)擁有前期混合強(qiáng)烈、火焰充滿度好等優(yōu)點(diǎn)邵_10].筆者對(duì)可調(diào)旋流強(qiáng)度的旋流預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)的基本性能進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究為熱態(tài)試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ).
1試驗(yàn)系統(tǒng)與研究?jī)?nèi)容
  圖1為可調(diào)旋流強(qiáng)度預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)的示意圖,燃料氣通過(guò)芯管上開(kāi)的6個(gè)小孔沿徑向噴出,這6個(gè)小孔位于旋流葉片之前,燃料氣先與一次空氣混合之后再進(jìn)入旋流葉片,混合后的氣體具有一定的旋轉(zhuǎn)動(dòng)旦,由噴口噴出進(jìn)入燃燒室燃燒,
  經(jīng)過(guò)理論分析,旋流葉片和然燒器的阻力系數(shù)與通過(guò)旋流葉片的氣體流態(tài)、旋流葉片所處位置及芯管所處位置有關(guān),而可能影響生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口氣體旋流強(qiáng)度的因素有:旋流葉片傾角、旋流葉片離開(kāi)A-A斷面的無(wú)量綱距離三,(定義三,一,,/以d為AB段圓管的內(nèi)徑,見(jiàn)圖1)、芯管最前端離噴口縮口斷面B-B的距離三z(定義三z一,z/以見(jiàn)圖1)、一次空氣和燃料氣流態(tài),
  試驗(yàn)分為旋流葉片及生物質(zhì)燃燒機(jī)阻力特性的研究和噴口旋流強(qiáng)度2部分進(jìn)行研究,其中阻力特性試驗(yàn)研究選取的影響因素及水平見(jiàn)表1.噴口旋流強(qiáng)度試驗(yàn)研究選取的影響因素及水平見(jiàn)表2.由于燃料氣和一次空氣是先混合后再通過(guò)旋流葉片,所以燃料氣流量固定為1  ITI3/h,-次空氣的流量用一次空氣過(guò)量空氣系數(shù)來(lái)表示,燃料氣按CH4計(jì)算,理論空氣量為9.5238ITI3l}1.
2 結(jié)果與分析
2.1旋流葉片及生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力特性
  用全壓探針和電子微壓計(jì)測(cè)量旋流葉片進(jìn)、出口以及生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口處的全壓值,得到旋流葉片及燃燒器的阻力系數(shù)與噴口雷諾數(shù)之間的關(guān)系曲線,進(jìn)而確定進(jìn)入第二自?;瘏^(qū)的臨介雷諾數(shù),雷諾數(shù)Re、歐控準(zhǔn)則數(shù)Eu及阻力系數(shù)∈的計(jì)算公式如下,式中:V為生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口平均軸向速度,用各工況空氣和燃料氣總和計(jì)算得出;D為噴口直徑;v為氣體的運(yùn)動(dòng)粘度,由于試驗(yàn)中燃料氣體用空氣模擬,所以v取試驗(yàn)溫度下空氣的運(yùn)動(dòng)粘度;△妒為旋流葉片進(jìn)口與生物質(zhì)燃燒機(jī)出口之間全壓的差值;p為試驗(yàn)溫度下空氣的密度,
  3種旋流葉片和生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線見(jiàn)圖2和圖3.由圖2可知,450傾角旋流葉片阻力系數(shù)比30”旋流葉片略有增加,60。傾角旋流葉片阻力系數(shù)增加較大,同時(shí)可以看出,對(duì)于3種傾角旋流葉片,當(dāng)Re增加到一定值后,葉片的阻力系數(shù)和歐拉準(zhǔn)則數(shù)不再隨Re變化了,它表明Re己達(dá)到臨界值,這時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入了第二自?;瘏^(qū),對(duì)于30。、45。、60。傾角旋流葉片,第二自?;瘏^(qū)臨界雷諾數(shù)尺臼i一12000,此時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0.033、0.077、0.207.由圖3可知,隨著旋流葉片的傾角增大,燃嬈器的阻力系數(shù)增加,對(duì)于30。、45。、60”傾角旋流葉片,生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自模化區(qū)的臨界雷諾數(shù)Ra.-11 000,此時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0.209.0.269.0.428.
  圖4給出了在30”傾角旋流葉片下,改變?nèi)齴得到的生物質(zhì)燃燒機(jī)阻力特性曲線,可以看出,當(dāng)芯管往縮口伸進(jìn)3mm之后,生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自?;瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)Roj=10000,此時(shí)生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力系數(shù)增大到.329.
旋流葉片、上:均為0.25時(shí),噴口旋流強(qiáng)度,2與旋流葉片所處位置三一及一次空氣過(guò)量空氣系數(shù)a-的關(guān)系曲線,結(jié)果表明,噴口旋流強(qiáng)度廳在誤差范圍內(nèi)是不隨一次過(guò)量空氣系數(shù)∞的變化而變化的,這是因?yàn)殡S著一次過(guò)量空氣系數(shù)的增加,通過(guò)旋流葉片的空氣量增加,軸向速度和切向速度都是同比例增加,所以旋流強(qiáng)度是不變的,同時(shí)可以看到,隨著旋流葉片離開(kāi)A-A斷面的距離/i的增加,噴口處氣流的旋流強(qiáng)度顯著減小,值得注意的是,隨著旋流葉片傾角增大,三一從0增加到0.1時(shí),旋流強(qiáng)度,z減小的幅度特別明顯,這是因?yàn)樾魅~片傾角增大,其阻力就增加較多,有更多氣體不通過(guò)旋流葉片,而導(dǎo)致實(shí)際旋流強(qiáng)度大幅度減小,這表明葉片傾角愈大,可調(diào)性能愈好,試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)于不同的傾角、三,和/2,噴口氣流的旋流強(qiáng)度是不隨一次空氣過(guò)量空氣系數(shù)改變而變化的,所以將只是一次風(fēng)過(guò)量空氣系數(shù)不同的各個(gè)工況的旋流強(qiáng)度胛隸平均值,從而得到3種傾角的旋流葉片在不同的厶和上z時(shí)噴口處旋流強(qiáng)度的變化曲線,見(jiàn)圖6.
  由圖6可見(jiàn),對(duì)于3種傾角的旋流葉片來(lái)說(shuō),隨著上z的增加,即芯管后移,噴口處旋流強(qiáng)度是逐漸小的,這是因?yàn)椋瑲饬魍ㄟ^(guò)旋流葉片之后獲得了一定的切向速度,當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流通過(guò)芯管的頂端進(jìn)入到圓形空間之后,按旋轉(zhuǎn)動(dòng)量矩守恒原理,旋轉(zhuǎn)氣流在圓形空間中的平均切向速度降低,故旋流強(qiáng)度下降,同時(shí)可以看出,隨著三z的增加,旋流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)變的越來(lái)越緩慢,這是由于旋轉(zhuǎn)氣流由環(huán)形擴(kuò)展為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)氣流需要一定的空間,在芯管離噴口較近的工況里面,圓形空間的體積較小,不足以使這部分環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)氣流擴(kuò)展成為均勻圓柱狀的旋轉(zhuǎn)氣流,隨著三z的加大,圓形空間體積增大,環(huán)狀的旋轉(zhuǎn)氣流有充足的空間擴(kuò)展成為均勻圓柱狀的旋轉(zhuǎn)氣流,所以出現(xiàn)隨著三z增加,旋流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)越來(lái)越綬慢,可以預(yù)測(cè),必將存在一個(gè)臨界的/2值,當(dāng)上z大于這個(gè)值以后,噴口處旋流強(qiáng)度不再減小,圖6的試驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)/z≥0.25~0.5時(shí),噴口處旋流強(qiáng)度基本不變,
3結(jié)論
  (1)旋流葉片的阻力系數(shù)隨著旋流葉片傾角的增加而增加,45”傾角旋流葉片阻力系數(shù)比30。旋流葉片略有增加,而60。傾角旋流葉片阻力系數(shù)幾乎成倍增大,不同傾角的旋流葉片,當(dāng)Re≥11000時(shí),氣流在此生物質(zhì)燃燒機(jī)的流動(dòng)進(jìn)入第二自?;瘏^(qū),此時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0.209、0.269、0.428.對(duì)于30。傾角旋流葉片,當(dāng)三z從0變化到 0.15時(shí),Reij一10000,生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力系數(shù)增大到0.329.
  (2)噴口氣流的旋流強(qiáng)度是不隨一次空氣流量的改變而變化的,噴口氣體旋流強(qiáng)度隨著三一的增加而減小,且當(dāng)旋流葉片傾角增加、阻力增太時(shí),旋流強(qiáng)度減小的幅度也顯著增加,噴口氣體旋流強(qiáng)度隨著三z的增加而減小,并且旋流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)越來(lái)越緩慢,對(duì)于每種傾角的旋流葉片,存在一個(gè)臨界的三z值本研究中發(fā)現(xiàn)上z≥0.25~0.5,噴口處氣體旋流強(qiáng)度不再隨/2而變化.
4結(jié)論
  幾年來(lái)通過(guò)鍋爐、冶金、制管等行業(yè)的共同努力,SUPER304H鋼管的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程已取得可喜成績(jī),但要完全掌握其關(guān)鍵工藝的特性和原理,實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)和使用,還需做更加深入的研究工作,
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