涡流旋风粉煤燃烧器的温度场和速度场.pdf_大学文库

我国能源开发和利用的重要战略决策是以煤代油。近年来我国正抓紧研制以煤代油的燃烧装置。祸壳旋风粉煤燃烧器是一种新型的粉煤燃烧装置，具有捕渣率高、碳的燃尽率高、燃烧热强度高、污染低等三高一低的优点，其特点是旋风燃烧、液态排渣。因此，这种新型的燃烧器在电站锅炉、轧钢连续加热炉、锻造室状炉、圆筒火焰炉，以及其他连续运转的工业炉窑中，有着广阔的应用前景。 1结构原理涡壳旋风粉煤燃烧器之所以具有三高一低的优点，是由该种新型燃烧器的结构特点所决定的（见图1）。燃烧器由内涡壳旋风煤粉喷头、两级燃烧室、渣箱及喇叭形烧嘴砖等部分纽成。工业性试验表明，煤粉喷头和烧嘴砖的设计至关重要。祸壳式的喷头比圆筒式的更为合理。其旋流数为： (R:-R)（R,+2 S1= abR2 (1) 10 式中：a一1次风口高度；图1钻构示意图 b一1次风口宽度； 1.煤粉喷头：2.1次风口3，前室， 4.2次风口；5挡渣板；6。后室 R1一基圆半径； 7,3次风口；8。烧嘴砖，9。渣箱： R,一点火筒半径。 10,水冷壁。煤粉喷头1次风口的a、b及与前室扩张段相连 Fig.1 The sketch of the structure of 部分的半径R2皆做成可调尺寸，1次风口高 the burner 度变化对旋流数S:影响不大，主要是为工业性试验时输送煤粉方便。点火筒的位置对S,有明显影响，当全部拉出时，(1)式中R。=0,显然S:变化较大。对S:影响最为显著的是b与 R2,但调节1次风口宽度b比改变半径Rz更方便可行。圆筒形切向进风煤粉喷头旋流数S1 为： S=(R3-R)(R,-) abR2 (2) 若筒径与涡壳式的基圆相同，则旋流之比S·=S,/S!为： s-8 (3) 显然S·>1,涡壳式喷头的流线方程是： r=R,exp(Octga) (4) 这种喷头的阻力小，形成的空气动力场更为合理。其作用是保证迅速点火，实现稳定燃烧，使燃烧室迅速形成高温。 408

我国能源开发和利用的重要战略决策是以煤代油。近年来我国正抓紧研制以煤代油的燃烧装置。涡壳旋风粉煤燃烧器是一种新型的粉煤燃烧装置，具有捕渣率高、碳的燃尽率高、燃烧热强度高、污染低等三高一低的优点，其特点是旋风燃烧、液态排渣。因此，这种新型的燃烧器在电站锅炉、轧钢连续加热炉、锻造室状炉、圆简火焰炉，以及其他连续运转的工业炉窑中，有着广阔的应用前景。结构原理涡壳旋风粉煤燃烧器之所以具有三高一低的优点，是由该种新型燃烧器的结构特点所决定的见图。燃烧器由内涡壳旋风煤粉喷头、两圾燃烧室、渣箱及喇叭形烧嘴砖等部分组成。工业性试验表明，煤粉喷头和烧嘴砖的设计至关重要。涡壳式的喷头比圆筒式的更为合理。其旋流数为二一，二一。令式中一次风口高度一次风口宽度一基圆半径一点火筒半径。煤粉喷头次风口的、及与前室扩张段相连部分的半径皆做成可调尺寸，次风口高图结构示意图煤粉喷头次风口前室次风口挡渣板后室次风口，烧嘴砖渣箱水冷璧。。度变化对旋流数影响不大，主要是为工业性试验时输送煤粉方便。点火筒的位置对有明显影响，当全部拉出时，式中二，显然，变化较大。对影响最为显著的是与，但调节次风口宽度比改变半径更方便可行。圆筒形切向进风煤粉喷头旋流数会为一竺些竺呈尘竺兰若筒径与涡壳式的基圆相同，则旋流之比 ’ 二，了为一一一显然》，涡壳式喷头的流线方程是刀这种喷头的阻力小，形成的空气动力场更为合理。其作用是保证迅速点火，实现稳定燃烧，使燃烧室迅速形成高温

两级燃烧室分级燃烧可以提高捕渣率，降低NOx生成物。前室的空气系数为0.7~0.9。还原性气氛不仅可以降低NOx的生成量，尚可降低灰渣熔点。灰渣各种成分在纯净状况下的熔点大多非常高，如Si021625℃，A1203:2050℃，Ca0:2750℃，Fe203:1550℃。但还原性气氛有利于Fe2O3热分解，超过1200℃以后，FezO,受热分解成FeO,而FeO能组成多种低熔点共晶体，例知SiO2+AlzO3·2Si02+2Fe0.SiO2熔化温度为(1000~1100)℃， Ca0.Fe0+Ca0.AlzO3为1200℃，2Fe0.Si02+Fe0的为1175℃等r1。热力计算和热态试验表明，燃烧室温度为(1650~1800)℃，能保证各种煤的灰渣良好熔化。 1次空气与煤粉的混合物自煤粉喷头喷出后，在喷口附近的回流区立即着火，并实现稳定燃烧。煤粉在高温和加热速率快条件下，产生大量挥发物，挥发物在前室立即燃尽，形成高温火焰，并使残余焦炭气化，使固态炭转变为气态，进一步燃烧。同时由于2次空气作螺线旋祸运动，整个燃烧室空间充满火焰，从而提高了容积热强度和碳的燃尽率。由于前室空气系数为0,7~0.9，仍有一部分CO和H2,以及细小颗粒的煤粉，它们遇3次空气后在炉膛内燃烧。分级燃烧使N0x降低到(2.5~4.5)×10-2%。煤粉及熔渣微粒在燃烧室内的运动方程是〔2)： p.7=0 (5) vp=up'v 根据定常及圆球绕流问题的轴对称性，在球坐标下由该方程解得作用于煤粉及熔渣微粒的斯托克斯阻力D为： D=3muvd (6) 在高速旋转的1、2次风的惯性力及斯托克斯力的作用下，煤粉及熔渣微粒在燃烧室内螺旋运动，气粒分离的临界粒径d。erit为： d明n=费R, (7) 式中，P,P分别为煤粉，熔渣微粒平均密度与空气密度，V:1,V分别为径向与切向速度。当粒径d。大于其临界直径，即d,>d。ri:时煤粉及熔渣被甩到器壁着膜，煤粉在器壁继续燃烧，而d。d。crit时，又被甩到器壁，在水冷壁上液化流出。煤粉在燃烧室内的燃烧为空间燃烧与壁面着膜燃烧两种方式。 2流场图谱流场结构与特点是研制涡壳旋风粉煤燃烧器的重要依据。粘涡理论比势流理论更符合实际，对设计新型燃烧器更有指导意义。切向进入的气流在燃烧器内形成旋转射流。流场的运动方程为： D DE-+ (8) 409

两级燃烧室分级燃烧可以提高捕渣率，降低，生成物。前室的空气系数为。。一。还原性气氛不仅可以降低的生成量，尚可降低灰渣熔点。灰渣各种成分在纯净状况下的熔点大多非常高，如，， ℃ ， ℃ 。但还原性气氛有利于，热分解，超过 ℃ 以后，受热分解成，而能组成多种低熔点共晶体，例如一一熔化温度为一，， · · 为， · 的为 ℃ 等〔 ‘ ’ 。热力计算和热态试验表明，燃烧室温度为 ℃ ，能保证各种煤的灰渣良好熔化。次空气与煤粉的混合物自煤粉喷头喷出后，在喷口附近的回流区立即着火，并实现稳定燃烧。煤粉在高温和加热速率快条件下，产生大量挥发物，挥发物在前室立即燃尽，形成高温火焰，并使残余焦炭气化，使固态炭转变为气态，进一步燃烧。同时由于次空气作螺线旋涡运动，整个燃烧室空间充满火焰，从而提高了容积热强度和碳的燃尽率。由于前室空气系数为。。。，仍有一部分和，以及细小颗粒的煤粉，它们遇次空气后在炉膛内燃烧。分级燃烧使降低到一 “ 。煤粉及熔渣微粒在燃烧室内的运动方程是〔 “ ’ 代知犷二二产犷根据定常及圆球绕流问题的轴对称性，在球坐标下由该方程解得作用于煤粉及熔渣微粒的斯托克斯阻力刀为万声犷。在高速旋转的、次风的惯性力及斯托克斯力的作用下，煤粉及熔渣微粒在燃烧室内螺旋运动，气粒分离的临界粒径，。、、为芦犷一。石。 · “ 石丁不杯万几 ‘ 式中，，，分别为煤粉，熔渣微粒平均密度与空气密度，犷，犷。分别为径向与切向速度。当粒径，大于其临界直径，即，。，、时煤粉及熔渣被甩到器壁着膜，媒粉在器壁继续燃烧，而。。，、的粉粒则在燃烧空间燃烧，相互碰撞集合，使当。。时，又被甩到器壁，在水冷壁上液化流出。煤粉在燃烧室内的燃烧为空间燃烧与壁面着膜燃烧两种方式。流场图谱流场结构与特点是研制祸壳旋风粉煤燃烧器的重要依据。粘涡理论比势流理论更符合实际，对设计新型燃烧器更有指导意义。切向进入的气流在燃烧器内形成旋转射流。流场的运动方程为弓卜犷一》二户 · 〔下〕

根据本构方程，对式两边取旋度，得。了。火亨二子一。又粤。。、户矛户〔告。 · 杯〕。告。 · 〔。〕〕。若质量力有势，流体为不可压缩粘性流体，则式化为一替一乙厂一扩在该燃烧器内采用极坐标形式经化简有砖，古、玉汀二一不万、丽方程的解涡量考与切向速度犷分别为〔艺 ’ 尸、了匕、一万可一犷，二。汀〔一一〕图实线为根据式绘制的粘流旋祸切线速度分布，区为祸核，区为粘涡。图中虚线为根据势流理论绘制的切线速度分布，两区交界处速度犷，最大。用传统的势流理论进行分析显然与实际不符，而粘流理论的分析结果与试验相符。涡壳旋风粉煤燃烧器中个方向的速度水平，以切向速度犷。为最大，轴向速度犷二次之，径向速度犷最小，且可认为犷，《二《犷 ‘ “ ’ 。因此，在分析切向速度，的分布时可不计，及犷二对它的影响。试验结果轴向速度分布图为次风口后倾时冷态试验轴向速度蜚。一一，，，一 ’ 一、 ” 一 ’ ‘ 尸，，汽 ” 诩 ‘ 、、、分布〔 ‘ ’ 。由图可见，燃烧器内有个回流罗区。前区次风口附近的中心回流区对粉煤迅速着火和火焰稳定起着重要作用。后区中心回流区对提高燃烧室温度，强化燃烧过程是有益的，环形回流区有利于煤粉高速气化燃烧。货乓了 ‘ 一江图粘流旋涡的切线速度分布切向速度分布图为次风口后倾时冷态试验切向速度分布，速度较最大轴向速度几乎大一个数量级〔 “ ， ‘ ，〔，。试验结果表明，燃烧室内最大切向因此煤粉颖粒分离效果好，煤粉在燃烧室内