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双通道生物质颗粒燃烧机空气动力学特性数值模拟及研究
[摘要]  对双通道生物质燃烧机出口空气动力特性进行了数值计算，并对影响其特性的一、二次风量、旋流叶片角度、中心扩锥角度和直流二次凤喷口扩角等多种因素进行了分析，其结果与冷态模型试验基本吻合。推荐的运行参数及结构尺寸对该燃烧器的试验、结构改进和运行具有一定的参考价值。
双通道生物质燃烧机结构特点
    双通道生物质燃烧机是目前广为采用的一种新型生物质颗粒燃烧机，其特点是将旋流二次风通道分隔成2个通道，二次风分开送入炉中，分级燃烧，以降低no。的生成，其结构如图1所示。当旋流二次风与直流二次风的风量不同时，其综合强度也不同，因而回流区大小不同，从而可适应负荷、煤种变化的需要。旋流风与直流风的大小通过各自风道中的调节挡板进行调节。由于调节挡板远离燃烧器喷口，不接受火焰高温辐射，因而不存在过热卡死的问题。
    为增大回流区的长度和宽度，更加有利于煤粉的燃烧，在该双通道生物质燃烧机一次风出口处加装了钝体。本文即针对此种情况对燃烧器出口空气动力场进行数值分析。试验结果表明：燃烧器运行参数及结构尺寸改变时，回流区长度与钝体底边的相对宽度都存在一最佳值。在回流区中，主气流与回流区之间阶层内形成很大的速度梯度，使两者之间发生强烈的紊流扩散混合，从而造成强烈的动量、质量和热量交换，这对稳定火焰和强化着火有很好的作用。
2  冷态空气动力场数值模拟计算
  模型和方法
  目前广泛研究和应用的紊流输运模型基本上是围绕（p瓦矿）（紊流脉动输运通量）进行的，主要有紊流粘性系数模型和雷诺应力模型2种。在紊流粘性系数模型中，lander - spalding的k-e模型通用性好，在大多数情况下可得到近乎真实的解。笔者认为紊流流动过程的复杂性及工程计算中的多层次决定了紊流流动模型的多样性，目前尚不存在统一的紊流模型，不同的模型有不同的应用范围。因此，本文从实际对象出发，以k-e模型为基础，同时结合旋转流动修正模型(richardson correction)，壁面紊流模型(wall function)、热力发电。
2.2  控制方程组
    本文所研究问题的基本守恒方程包括连续性方程、动量方程和紊流模型方程。紊流模型采用k -e双方程模型。这些方程都有1个通用形式，构成了1个通解法的基础。下面给出圆坐标系下经简化的轴对称通用控制方程：
    生物质燃烧机出口流动形式是轴对称有旋转的流动，此时虽然晶一0，但是w≠0，其中中是某个具有“比”性质的物理量（u，v，w，岛e），p是密度，7是对称轴，r为径向尺寸，r为扩散系数，s为源项，方程(5)左边为对流项，右边前2项为扩散项，最后1项为源项。
2.3  财流扩散方程网格系统构造和计算方法
    采用轴对称圆柱坐标不等距正交浮动网格系统，根据所计算问题的不同可灵活配置区域的大小和空间步长。按方法b（即网格点放在控制容积的中心）布置控制容积面的位置，在边界上采用狭缝单元布置边界结点。在计算过程中对标量采用主网格，对速度矢量采用副网格，构成交错网格布局。本文采用sim ple方法（解压力耦合方程的半隐式算法）进行求解。
3  试验台系统及测量方法
    以山西某电厂3号锅炉双通道生物质燃烧机为研究对象，进行了冷态模型试验，试验模型与原燃烧器的比例为1：2,燃烧器模型结构尺寸见表
    测试时，一、二次风量均由均速管测量，速度场用五孔探针配以多台微压计进行测量，并用飘带法测量回流区的长度和宽度。
4影响生物质燃烧机空气动力学特性的因素
4.1  旋流叶片倾甬对空气动力场的影响
    所研究的双通道生物质燃烧机采用了轴向固定叶片式旋流器，即在一次风道内加装一定数量的旋流叶片，该叶片按照特定的型线弯制，呈一定的倾角a，叶片之间通道的导流作用可使二次风气流具有一定的旋转速度，并在出口形成旋转射流。图3和图4分别表示在叶型合理的前提下，二次风旋流叶片倾角a分别为55。、600、65。、700时数值计算所得的燃烧器出口流场甜速度分布和回流区的相对大小（计算是针对锥形钝体进行的）。倾角的增加提高了旋流射流的旋流强度，使出口切向速度提高，轴向速度峰值沿径向外移，射流扩展角增大。同时，射流的旋流强度增大，也使流体微团的离心力加大，旋转射流的切向角动量衰减更快，从而产生更大的轴向和径向负压力梯度，驱动更多的流体反向流动，使中心回流区增大，回流率提高，为煤粉气流提供足够的着火源。当a由55“提高到650h寸，中心回流区长度增加约20%，回流区宽度增加了25%～30%左右。由文献[1]可知，叶片倾角的增加使出口气流脉动速度均方值加大，并且其峰值沿径向外移；在径向气流主流区和回流区交界处，湍流正应力具有峰值，该交界处是湍流脉动强烈煤粉气流着火的有利区域。随着叶片倾角的增大，3个方向湍流正应力均提高，脉动强度和混合强度加强。但是当d超过650时，回流区变化不明显，这是由于叶片局部阻力系数迅速增加引起二次风阻力过大所致。一般来说，对于燃烧挥发分不太大的贫煤，二次风旋流叶片角度在650左右比较合适。
4.2直流二次风量、旋流二次风量、一次风量对空气
    动力场的影响
    图5为燃烧器在装设中心锥形钝体情况下，当直流二次风量、旋流二次风量、一次风量分别增大15%时，数值计算所得的燃烧器出口u速度分布。由图5可知：
    (1)直流二次风的强弱影响了整个空气动力场的结构，直流二次风量的变化，将在很大程度上决定气流出口实际旋流强度。当二次风量增大日寸，燃烧器出口气流的后期混合强烈，对燃烧的稳定性影响较大。氧化气氛对防止结渣和高温腐蚀有重要作用。随着直流二次风量的增加，中心回流区在宽度上略有减小，回流量减少。在计算中还发现在风速相近的情况下次风通道的直流和旋流部分的面积比为1 3～1:2之吼对回流区有较好的控制能力和良好的分级送风特性。
    (2)随着旋流二次风量的增大，中心回流区在宽度和长度上都相应增加。回流区长度范围x-(0～1400) mm，回流区最宽位置在x一720mrn处，计算表明最大的逆向速度位于x- 240 rrnm附近，为  2.64 m/s左右，最大回流量位置沿轴向向后移动。
    计算结果表明，在一定的旋流叶片开度下，随着旋流二次风量的增大，回流区的范围稍微变长、变宽。回流量增大的幅度较回流区的增加幅度略大。
    (3)随着一欢风量的加大，中心回流区的大小主要在轴线方向上的两个端部上减小。其原因是一次风量的增加对回流区起到了破坏作用，使气流回流减弱，这是由于一次风与二次风混合，减弱了射流的旋流强度，使射流的扩展角相应减小。计算表明空气动力场最大回流量位置不变，而回流量减少，且减少的幅度较大。计算所得回流区尺寸与冷态模型试验结果比较见表2。
锥形钝体尾迹回流区的计算值略大于实测值，其原因可作如下分析：(1)本文进行的数值模拟是将计算流场看成一严格对称流场，钝体后部的涡流及流线分布十分对称，对称轴线两侧互不**，回流区域的发展非常稳定，然而实际的物理场则极难达到严格对称。轴线附近由于非对称而产生的流动震荡会对回流区域的稳定性造成很大的影响，致使回流区域缩短。文献[1]揩出：将一分界薄板置于楔形钝体后部的对称轴线上，以消除流动的非对称性震荡，这样可使回流区的长度明显增加；(2)在冷模试验中，回流区的长度和宽度是用飘带法测得的，本身存在一定的误差，这也是造成计算值与实测值存在差异的原因之一。总之，通过与模型试验结果的对比，说明本文所采取的数值模拟方法是比较准确可行的。
4.3-次风中心扩锥角度对空气动力场的影响
    在阻塞率相同的情况下，改变一次风扩锥角度（分别取l3一扣。、250、300），分析燃烧器出口流场的特性，其回流区相对大小如图6所示。
    从图6可看出，随着中心扩锥角度的增大，气流将沿径向导向外侧，使中心回流区宽度和长度均有所增加，回流量增大。同时，出口气流的湍流脉动水平明显提高，强化了气流之间的热、质交换，对煤粉的着火和稳燃均十分有利。但一次风扩锥角度过大，会削弱旋流二次风的旋流强度，因此，扩锥角度的选取在结合具体煤种的同时，还应与扩口直径、喷口气流流速相匹配。
其回流区的相对大小比较如图7所示。由图7可见，直流二次风喷口扩角为12”和15。时，回流区变化不明显，扩角的大小对空气动力场的影响不大；而当直流二次风喷口扩角为loo日寸，回流区的宽度和长度减小较大。这是因为，随着直流二次喷口扩角的增大，直流二次风对旋流二次风的径向约束作用减弱，于是旋流二次风在旋转离心力的作用下沿径向运动增强，造成射流内部真空度增大，从而导致回流增强。但并不能证明直流二次风喷口扩角越大对燃烧越有利，当二次风扩角增大到一定程度时，由于直流二次风‘‘压火”作用减弱，易发生“飞边”现象。针对该生物质燃烧机，建议直流二次风喷口扩角为12。～150比较合适。
5结  论
研究论文
    建立了双通道生物质燃烧机出口空气动力学特性的数学模型，对带中心钝体的双通道生物质燃烧机出口空气动力场特性进行了数值模拟计算，并对影响空气动力特性的多种因素进衙了分析，计算结果表明：
    (1)将直流二次风量增加15%，中心回流区长度增加，宽度减小，回流量减少；将一次风量增加15%，回流区长度，宽度均略有减小。一次风量的增加对回流区起到了破坏作用，使气流回流减弱。因此，一次风量对旋流射流的空气动力特性有重要的影响；将旋流二次风量增加15%，中心回流区在宽度和长度上都相应增加。
    (2)随着二次风旋流叶片倾角的增大，射流的扩展范围不断增加。射流的旋流强度增大，流体微团的离心力加大，同时旋转射流的切向角动量衰减加快，产生了更大的轴向和径向负压力梯度，驱动更多流体反向流动，使回流区长度和宽度均增加。
    (3) -次风出口钝体扩角由20。增加到300，燃烧器出口气流沿径向导向外侧，使中心回流区宽度和长度均有所增加，回流量增大，同时，出口气流的湍流脉动水平明显提高，强化了气流之间的热、质交换。
    (4)直流二次风喷口扩角在12。～150之间变化时，回流区的变化不明显。当直流二次风喷口扩角为10。时，回流区的宽度和长度相对于扩角为17时减小较大。
    (5)将数值模拟计算结果同冷态模型试验的结果进行了比较，两者吻合较好。该计算结果对实际设备的运行、改造具有较好的指导意义。将本文教值模拟计算所推荐运行参数和结构尺寸应用于山西某电厂410 t/h锅炉双通道生物质燃烧机的改造，燃烧器出口空气动力特性有了较大的改善，实际运行情况表明该燃烧器低负荷稳燃性能良好。
生物质气化站，
产品参数型号：燃料：发热量：万卡/h雾化压力：mpa燃料消耗：kg/h外形尺寸：mm重量：t