液态排渣燃烧室的冷态试验研究.pdf

第十七卷 第二 期 南京工学 院 学 报 JO URHALO F 凡A 凡JINGINST ITU T EOF TECH H OLOG Y V o l . 17N o . 1夕87 液态排渣燃烧室的冷态试验研究 魏启东郑 文德陈爱珠方一麟 热能工程研究所 搞要本文叙述了液 态排渣燃 煤 燃烧室冷态试验的研究方法和某些 结果 。 根据模化理论设 计 并 建造了几种 不 同形状的燃烧室冷态试验模 型 。 模型 中 的气流速度用五孔球形探针测量 。 根据测点数据 , 计算了轴向 、 切向和径 向速 度分量以及流函数 , 给出了模型的流场分布图 。 在流场 测试的基础 上 , 计算了谋粉粒子运动轨 迹 , 并进 行了冷 态拉子着膜 试 验 。 结果表明 , 冷 态 试验是研究和 改进燃烧 室 的一种经济 、 简便而且行之 有效 的方 法 。 关键词 磁流体 , 液 态排渣 , 燃 煤 , 燃烧室 , 冷态试验 。 概述 在今后相 当 长的 一段 时间内 , 煤仍然是一种最主要的一 次能源 。 在许多场合下 , 为了减 少燃煤产生的灰渣所造成的 不利 影响 , 希望采用液态排渣燃烧室 。 例如 , 磁流体发电用的燃 煤燃烧室 , 在加入种子之前应 尽可能排去灰渣 , 以减少种子 与灰渣相互作用而造成的种子损 失 ; 燃煤燃气轮机 的燃烧室若具有较高的排渣率就可减轻高温除尘 的负担 。 液态排渣燃烧室 大多数采用旋 风式 , 它发挥了空 间燃烧与壁面燃烧的双重作用 , 具有较高的发热强度 , 因 而 在较小的体积内能获得较高的燃烧效率和排渣率 。 这种燃烧室 的性能与其流场分布是 否合理 有密切的关系 。 比较理想 的流场分布应该是 1 . 煤粉与预热空气混合良好 , 并有较强 烈的 相对运动 ; 2 . 煤粉颗粒有足够的空间停留时 I ’ o f并能有效地分离到室壁 的渣膜上 , 而被燃气流携带 出燃烧室的颗粒应尽 可能地减少 , 3 . 未燃尽的煤粉颗粒着膜后在流出排渣口之前应有足够的壁面燃烧时间 。 流场分布取决于燃烧室 的 形状和 进风方式 。 颗粒在燃烧室中的运动轨迹还与煤粉输入方 式有关 。 旋风燃烧室 的流场相 当复杂 , 流场的理论计算比较 困难 。 因此 , 目前切实可行的办 法是通 过试验测出流场分布 , 研究燃烧室形状 和进风方式对流场及性能的影响 , 从而为合理 本文 于1 9 8 6年1月10日收到 。 南 京工 学 院 学报 1夕 87 年 设计燃煤燃烧室提供可靠的依据 。 然而在热态下测量燃煤燃烧室街流场和粒子运动轨迹是相 当困难的 , 考虑到燃烧室冷态模化实验具有一定的实用价值 , 因此 , 冷态模化实验就成为燃 烧室设计工作中的一部分了 。 我们所进行的冷态模化试验研究包括 1 . 测量不同形 状燃烧 室的流场 ; 计算不同直径的粒子运动轨迹和着膜位置 ; 观察粒子的运动规律和着膜位置 , 检验粒子 运动轨迹计算的正确性 。 二 、 流场测试 根据相似原理和对 JS 一ZMH D 燃煤燃烧室所作的简化假定 川 , 设 计燃烧室 的冷态 试验 模型时应使雷诺数大 于第二临界值 , 使流动进 入第二自模化区 ; 模型与实物应几何相 似 。 此 外 , 进行不等温射流的修正 , 即 d , 一d 。 p 。/ P 。“ , 1 式中d 。 、 d 。 分别为 当量直径和燃烧室入口直径 , p 。、 p 分别为流入燃烧室 和定性温度下的 介质密度 。 冷态试验装置的示意图如图 1 所示 。 罗茨风机 送入燃烧室模型 的 风量 由双重孔板 流量 计 测定 , 模型 内的气流方向和速度值用五孔球形探针和差压 计 测量 , 由此可算出径 向 、 切向 , 轴 ” 。 。.、 } } } { { { } } } } { { { { { { { { { { { 卜 521 340 . 5 图 1 流场 测试装置示意图 1 . 罗茨风机2 . 双重孔板3 . U形差压计4 . 压力表5 。;昆度 计6. 压力表 7 . 模拟燃烧室 8 . 探针支架 9 . 探针10 . 倾斜压力计 1 1 . 传压管 图 2 模 型结构简图 向三个分速度 。 ,、 二, 、 w 以及流函数岁 。 沿模型轴向开 了n 个测 量孔 , 每个孔位 上 测试2 1 个点 , 根据 23 1 个 测点的数据 , 经计算和处理 , 可作出流场分布图 。 图 2 为轴向进风的旋流燃烧室 的模型示意图 。 其进风口装有一旋流 器 , 出口装有扰流器 。 模型采用 积木式结构 , 便于进行各种 形昧燃烧室的 试验 。 我 们进行了一系 列的试验 , 如改变 扩张角 a 、 扰流器长度L及其锥角刀以及直 流风 环隙等 。 根据流函数公式 { r 岁一J。脚 ‘犷亡 ‘r 2 第 2 期魏启东等 液态排渣燃烧 室的冷态试验研完 就可算出各点实测数据之流函数值 , 把相 同的梦值的点连 起来就 形成流线图 , 如图 3 所示 。 图3流 线 图 由图3所示可见 , 燃烧室内存在三个回流区 头部的中心 回流区有利 于煤粉的分散 、 混 合 、 着火和稳定燃烧 ; 头 部的外回流区有助于煤粉颗粒的空 间燃烧的前区着膜 , 从而延长壁 面燃烧时间 , 提高燃烧效率 ; 尾部外回流区则有利于捕捉细颗粒的灰渣 。 图 4 为切向速度 、。 与轴向速度 。 沿径向的分布图 。 X‘ L.6O X 1 0 乙.60 击一去戈 刃6 L二 15 0 1 f l . 0 r 几 冬 . XIO r 1 . 0 甲 2 210 高 z6 L 二七0 L一‘O 标 一 . z 2 L .i弓 开 产Z 0 . 弓 z‘ L 二 1亏 ‘一盗 。 班 2 210 乙留1乡 O 5 饵” ’ ‘ , , i . 0 0 - r J ” ’ 礼 . 0 0 1 ” 拼1 .。 图4 L一6 0和L一1 5 的轴向和切向速 度分布 念 r 一 力 不 x 一 班 二 砰 对’砰 一 南京工学院学才民 198 7年 根据公式 S一G 二 /G 二 尸 3 求出旋流度 , 其中 ‘ 二一 2 形 , 。一 d r ; ‘一2 朴 。3 r d 2 拼 4 Prd r , 5 G ; 、 G Z 分别为角动量和线动量的轴向通量 ; 田 二、 田。和p 分别是旋转气流任意一横截面 上的 轴向 、 切向速度和静压力 ; R 为该断面处燃燃室半径 。 表 1 为实验所算出的S值 。 旋流度S值 ⋯ 一 ⋯ a 180 o L6om m 由表可见 , 头部突扩带锥形扰流器燃烧室的旋流度增大 了 。 三 、 粒子运动轨迹的计算 煤粉颗粒在燃烧室空 间的运动轨迹和停留时间主要取决于粒径和 流场分布 , 但在燃烧过 程中煤粒质量和直径 的变化也应加以考虑 。 至 于颗粒所受的浮力 、 压力梯度和颗粒形状不规 则所引起的附加力以及颗粒之间的相互影响等都可略去不 计 , 并假设颗粒为球形 。 这样简化 所产生 的误差是很小的 , 但可使计算大 为简化 。 煤粉颗粒运动微分方程描述如下 竿一 旦 ‘ 二夕 里 ,寸一V /’ ‘”一‘, 阴“ 6 写成柱座标形式为 J _ . _ . 2f , _ 一 P a U , U万 七 f . 口 。. 厂 了 、 八一 、 厂 一 二 - 一 一 一 . - . u , 又U , 一山 , 一 Ocos口; 7〕 { a tr乙刀2 } 以 U月甘 , U月 七 f . 口 。’ 厂 / 、 门 / 八 、 一 一一 一 一一一艺一 . 一 , U . Lu 日一 切们 一 as ln 卜 卜 }口才r乙阴 ⋯丝 当 _ 一 旦匕色 二三 . 。 . 。 一 w , 9 \ dt Zm 式中 . 、 肠分别为粒子和气流 速度矢量 , 。 ,、 。, 、 。 分别为粒子 的径向 、 切 向和轴向分速度 , u 为粒子与气流的 相对速度 , F为粒子的迎风面积 , p 。为 气流密度 , 。为粒子 质 量 , 夕为重 力加 速度 。 阻力 系数C I 可按下式计算 「’〕; 第2期 魏启东等 液态排渣燃烧室的冷态试验研究 。2 4 / 月 . 尸 , 2/‘ \ 七‘一 户丁戈 土 十 石 夕 , 式中 R 。 _ 应 g 卫 ‘ 乙 二为雷诺数 , “为气体粘度 , d 。为 粒子直径 。 颗粒 质 量 m 的变化根据燃烧过 程的不 同阶段按下列各方程计算 。 第一阶段 煤粉颗粒进入燃烧室后的升温阶段 , 颗粒直径d , 和质 量。保持不变 , 即 一一心 d t dd , d t 1 1 第二阶段 煤粉颗粒的温度足够高后开始析出挥发份 , 在这阶段 , 煤粒直 径 d , 不变 , 而质量 的变化可按下式计算 〔了1 △二 二 。Q UM 。i 一 e i一 ex p{一A[ ex p 一B/T 口 t} , 1 2 式中△。一二 〔 〕一 m 为产 生的 挥发份质 量 , m 。 为初始原煤质量 , m 为末反应 的原煤质 量 ; U几 了君为 可燃基 挥发份 , Q一 1 . 31 . 8 3为计 及一部分碳随挥发份析出的 系数 , C为残留挥发 份的 分数 , 月 、 B为常数 , T为绝对温度 。 析出挥发份阶段 的质量变化 还可按下式计算 〔‘〕 遨 一 ; 】 {万 a I K , a Z 、 2 卜 “‘ K l K Z ’“‘、, , 1 3 式 中a 、、 a Z 为 质量 配比系数 , 速率常数K 。 为频率因子B 、 活化能E , 和 绝对温度T的函数 , 即 K 。 一B 。 召一厂 二/ RT 第三阶段 挥发份大部份析出后 , 析出速度逐 渐减慢 , 当氧化剂能克服斯蒂芬流的 阻挡 而扩散到煤粒表 面时 , 就 开始固定炭和剩余挥发份的燃烧阶段 。 在这阶段 , 一般可以认为炭 核逐渐缩小而多孔性的灰壳仍能保持着颗粒的直径 不变 , 颗粒质量的变化率为 【5〕 令一 ‘ 8 3 6兀“ 2 气黔 ’/ 1 5 式中K忍为计及外扩散阻力 、 灰层 阻力和反应阻力 的等效反应速度常数 , 。 。 为灰分质量 , p 。 为可燃 物 包括固定炭与剩余挥发分的体积密度 。 但应 注意 , 对于灰分 很 少的煤种 , 灰层 阻力可以不 计 , 而且 应该考虑粒径随质量 的变化 。 第四阶段 可燃物燃尽 后 , 灰粒继续升温 。 在这阶段 , 可认为d , 和 。一。 。 均保持不 变 。 第五阶段 灰粒升 温到其熔点时 , 开始等温熔融 , 这 时颗粒质量m和温度T , 均保持不 变 。 第六 阶段 灰粒熔为液态 渣滴 , 。 不变 , d , 缩小 , T , 继续升温 , 直到T , 一T g 为止 , T 。 为燃气温度 。 应 当指出 , 只有直径很小的煤粒才能在燃烧室空间完成 上述 所有阶段 , 较粗 的煤粒大多 数未能燃尽 即己着膜 。 并在渣膜上继续进行壁面燃烧 。 对 于粉煤燃 烧 , 煤粉粒径一般较小 , 其毕奥数远小于 1 , 所以可认为颗粒内部的温度是 均匀的 , 其升 温过 程可按如下积分 方程 计算 ‘ 此为【 习原 文 日干 用符号 , 本文计算中仍用V r 表示可燃基挥发份 , 南 京工学院学才良 J夕87年 “ 一 丁 {随 , 笠二 二笠劲兰亚逻 C , 一T 。 F , _一 一 a不16 式中a 。为辐射常数, 颗粒的比热C 。 厂 己 、 F分 别为粒子的 黑度和表面积 , a 。 为对流放热系数 。 按下列经验公式计算 〔石’; C , 二0 . 01〔C 。 1 0 0一二 , 切 y ]J/k K ; C 。 二0 . 0 1〔C *月g C , 1 0 0一月萝、]J/kg K ; C 、 4 1860 . 171 . 2 10 一礴T J/kg K ; 、 e 一 41560 . 2 0 9 ‘ 1 0 一‘ 13 。 , 23 0 T 了/k K , C 。、 亡 r 分别为灰分和可燃物质的比热 , 月‘ 为干 燥基灰分 , 二 ’ 为应 用基水分 , 挥发份 , T为煤粒的温度 。 若取 犷 尸 一。 , 上 述公式仍可用 于无挥发份析出的其他各个阶段 。 上述运动方 程 、 质量变化方程和升温方程用四阶龙格 库塔法联立求解 , 子 运动轨迹和空间停留时间及其质量和 温度的变化 。 上述运动轨迹计算的正确性如何 , 可通 过冷态运动试验和着膜试验来检验 。 试验结果进行比较 , 粒子运动轨迹和着膜位 厂 犷 为可燃基 即可算出粒 为了与冷态 置的计算应取1 n 一 常数 , 即不考虑燃烧过 程 的影响 。 图5画出了两种不 同形状的燃烧室中粒 子沿轴向的 运动轨迹 。 在头部为斜扩 扩张 角a 一1 20 “ , 尾部扰流器为平板的燃烧室中 , 大部分颗粒要到燃烧室 后半部才能着膜 , 粒 径小于 2 5 “m 的颗粒将 被燃气 携带出燃烧 室 , 因此其排渣率较低 , 颗粒着膜后 在渣膜 上的停 留时间也较短 。 另一种燃烧室是头部 一二址讼弋一合一一 J」 一「 医5 拉子运劝轨迹 为突扩扩张角 a 一 18 0 “ , 尾部扰流器 呈锥形 , 它使颗粒着膜位置大 大提前 , 而且小至 1 。拼m 的颗粒也不会被燃气携带出燃烧室 , 这对提高燃烧效率 和排渣率显然是有利 的 。 图6 为颗粒空间停留时间随粒径的变化曲线 。 在旋风燃烧室中 , 径向气流速度很小 , 颗粒被分离到壁面 的径向运动速度主要取决于颗粒被气流携带而旋转所产生 的离心力和径向 粘性阻 力的大小 。 颗粒与气流相对运动的加 速度同粘性 阻力与惯性 力之比成 正比 , 这个比值 约与粒径d , 的平方成反 比 。 对于 d , 很小的颗粒 , 这个比值很 大 , 颗粒易于获得与气流相近 的旋转速度 , 随着d , 的增大 , 径向粘性阻力与离心力之 比减小 , 径 向分离加快 , 空 间停 留时 间缩短 。 对 于大颗粒的煤粉则相反 , 由于其惯性较 大 , 煤粒较难 跟上气流 的旋转速 度 , 而 且 其径向粘性阻力与离心力的 比值较小 , 随着 d 。 的减小 , 被气体携带而旋转 的速度升高 , 离 心力增大 , 空 间停留时间就缩短 。 可见存在着一个空间停留时间最短的粒径 , 如 图 6 所示 。 与不计颗粒质 量 的变化的曲线 1 比较 , 在燃烧过程 中 , 煤粒的质量逐渐减小 , 对于直径较 大 的颗粒 , 空 间停留时间缩短 , 而直径很小的颗粒空间停留时间将延长 , 如图中曲线 2 所示 。 图6还 画出了煤粒在 空 间燃尽所需时间随粒径 的变化 曲线3 。 显 然 , 只有那些空间 停留时间大于燃尽所需时间的小煤粒才能在空间燃尽 , 而在空 问未能燃尽的大煤粒着膜后将 第 2 勿 魏启东等 液 态排渣然烧 室 的冷态试验研究 SC弓tm sZ5。 { ‘m s 50 , 才m s Ž U 一n”n“” 04 哟口 2 ,么 0 nU 4 门j 乙二0 犷二2 八 U八U 月 马J 20 10 L二60 犷一2 L二60 犷一 15 办 户m dP群, d p 料m 40 0 ’ 务 分 一 4 0 0 c 一 一 b tm s 60 } ‘m s z ,/ , / L”巧 / 厂1弓 4 0 5 03 0 2 01 0 d乡pm ’ 400 d e 图6粒子在燃烧 室空间停留时间 着膜所需时间 与杠径的 关 系 继续进行壁面燃烧 。 在头 部为斜扩的燃烧室 中 , 可在空间燃尽的 最大粒径小于5臼 ; m图6a , 而在头部为突扩及扰流器锥长L 一 6 0二二燃烧室中 , 可在空 间燃尽 的最大粒径约达8 0 m 。 煤 粉喷入燃烧 室的 初 速度厂 。 从 Zrn / S 增大 到 15m / s时 , 能在空间燃尽的最大粒径略有减小 图6 b 、 6。 , 当锥体长度乙缩为1 三mm时 , 能在空间燃尽的最大粒径减小为 7 0一75“m 图6 d 、 6e 。 可以看 出 , 粒 子运动轨迹和空间停留时间的计算对判断燃烧室设 计的合理性 、 预 测其性 能和确定对煤粉细度的要求等是 很有用处 的 。 这种计算的正确性可由冷态粒子运动和着膜试 、 验来检验 。 } 产声二 乙 四 、 冷态粒子运动与着膜试验 冷态 粒子运动与着膜试验装置如图 7所 示 。 经窄筛分后 , 粒径近于相 同的煤粉由载 气吸进输粉管并 喷入燃烧室 , 煤粉 喷入的初 速度可由载气流速控制 。 有 机玻 璃 制成的燃 烧室模型的 内壁上涂一层白凡士林 , 用以粘 吕吕吕吕吕吕吕吕吕 了了里逆 逆到到到 日日日日 图 7 拉子着膜试验 装置示意图 1 . 气喷嘴h粒子喷嘴3 挤 乙风 器4 .燃烧室 住被旋转气流分离到壁 面 上的煤粉颗粒 , 由此 观察粒子 的着膜位置 。 图 8 的照片表示头部 第2 期魏启东等 液态排渣燃烧室的冷态试验研完 为突扩形扰流器锥角 为6 0 。, 锥体长度分别为6 0 mm和1 5mm的燃烧室中粒子的着膜位置 。 可 以看出 , 大部分粒子 在燃烧室头部着膜 , 与计算结 果符合 , 但由于煤粉粒子进入燃烧室 的初 始径向位置和轴向初速 的 不均匀 , 粒子 的着膜位置分布在一条宽约3 0m m 的环形带上 , 而且 随着载气流速的加大着膜带的宽度也增大 ; 在燃烧室中部几 乎没有粒子着膜 。 与计算结果不 同的 是 有相当一部分粒子在燃烧室尾部侧壁 上着膜 。 这可能是 由于这些粒子的初始径向位 置 。 比计算采取的 。一 0 . 」D 小得多所致 。 其确切原因有待进 一步研究探明 。 但仅从现象 上看 , 这个 结果 对捕渣是有利为 。 燃烧室头部均扩张角 a 对着膜位置的 影 响也较明显 , 当 a 一〕2。 。 时着膜位置后移 , 且被气流携带出燃烧 室的粒子增多 , 小 粒径 的尤为 显著 。 在壁面不涂凡士林的情况 , 下 粒子不 会着膜 。 因此 在 a一1 80 。、 扰 流器 为锥体的燃烧室 中 , 可看到煤粉在头部 外回流区 、 尾部回流区旋转 的情景 ; 而在 a 一 12 0 “、 扰流器 为平板的 燃烧 室中 , 煤粉 在回流区的停留 时间很短 , 很快 被气流携带出燃烧室 。 参 ‘ 考文献 [1] 赵 长遂 等 燃煤 MH D 燃烧室流场测 试及煤粉颗粒运动轨迹分析计算 , 燃烧 科学与技术 , , N o . 1 , 19 84 . [2]n “PyMGB A , H . , A 江Po江HH aM;x 互ee 砚 ne o e HoB自 n H neP玖Ho EIo达 C enaP - a双HH 工 ’o e e TPo直I,3及。; r , 19 61 . [3皿B adz io eh 5 . a n dH o wksley G . W . kin e tie s o f the rm a l d e e o mp o sitio n 0 fp u lv e iz e d e o a lp a rtieles , BCUR AInd ustria lL aboratory , L e athe a d S u rry , E n gla nd , Ind . E ng . C h en l . Pl 一 o e e s s D e s . D e v e l o p . , V o l . 9 , N o . 4 , 〕9于C . 巨4〕K o bay a shi H . , H o w ar dJ . B , a n dS a r o fimA . F . C oal Devo l a tliz a tio n a tHighT em p er a t一r e , 16th Symp o sium Inte r na tio n a l on C o mbu stio n PP411一4 2 5 , Th e C o mb u,lion In stitute , Pittsb urg h , US A , 1 叮6 6 . [5] 许晋 源 、 徐通模 燃烧学 , 机械工 业 出版社 , 1980年 . 巨6〕西安热工所 燃煤锅 炉燃烧调整试验方法 , 197 4年 . 夕 才南京工学 院 学牙 皮 1夕87 年 州 . . . . . . . . . . . . . . . 口 .曰.‘.. .. . ..臼. ... .... ..曰 曰.. .. ColdExPerim ental In vesti琶ation s 一 of Liq u id 5l agging Co al 一Fired Comb usto r 研 ef Q玄d ona , Z he ng 不 厂e nde , Ch o n Aizhu an dF a ng yili, R es e a r eh In stitu te o fThe rmo energ y E n gin e e r ing A B S TR A CT In thisp a p e r , the . m et五o d a n d so m e , r。s ultso f eo ld ex p erir ne n talin v e stiga - tio nso fliq u id slag gin g eoa l 一fir ede o mb u sto ra re d e ser ib ed . B a sedo n m o d el - ingthe o 叮 , s evera l eo mbu store o ld to st m o d els w ith variot l se on fig u ra tio n s ha v e b ee n d e signeda n d eonstr ueted . T h e g as , flow ve1Qeitie s w er o m e a sur ed in term so f a fiv e hole sp h eriea lp r o b e . Fr o m m eas t lredr e s u lts the ax ial , ta ng e ntia l , r adia l e o mp onen ts a n d strea mfu n etionso f g asv elo eitie s w er e ea l e u lated a n d theflow field p r o file o f the m o d e lw e r e plotted . A n d the n the eoa lp a rtiele m ovin gtr aje eto rie sinth eeo mbu sto rw ereea l eula ted . T o d emo 一 sn tr atethe va lidity o f ea le u l a tio n . q u a litativ ely ‘ th ee o a l p artie l e la nding e o ld te stsw ereeon d ueted . The r e s u lts o btain edsho w 一 that s ueheo ld ex p e ri - m en talin v e stiga tio n s 15 a n 吧e o no mie , sim ple , eonven ient an d effe etiv e m etho d fo r the re se a r eha n dimp r ovemento f e o a l 一fir ede o mbu sto r s . Key words MH D M a g ne to Hyd ro dy nam ie , liq u id sla g ging r e j aetion , c oa l - fir ed , e o mb ustor , eo ld ex p erimen t .