D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1993.05.037 第15卷第5期 北京科技大学学报 Vol.15 No.5 1993年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.1993 液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的试验+ 王景甫·倪学梓冯旭* 摘要：对液排治粉煤燃烧器内气流运动规律和混合过程进行了冷态模拟研究，分析了结构参 数和动力参数对流动的影响。试验表明：燃烧室轴向速度可分成6个不同的的区域，存在4 个回流风；简单环形挡渣板也能产生环形回流风、在旋风燃烧室设计中取代锥形缩口挡渣 板。最佳参数为：1次风旋流数S1为1.78~20】次风口和2次风口距离L2=(0.75~ 1.15)D:一次凤量为15%~20%. 关键词：粉煤燃烧、燃烧器，阿流风、空气动力试验模型 中图分类号：TK175TK16 Experiment Research on Aerodynamics of the Entrained Slagging Pulverized Coal Combustor Wang Jingfu'Ni Xuezi'Feng Xu' ABSTRACT:An new type of entrained slagging pulverized coal combustor is developed based on cold state model experiment.the velocity distribution and mixing process in the combustor are researched.The results of the experiments show that for the axial velocity distribution,6 different zones can be found.4 of which are reverse flow zones.Annular re- verse flow zone can be found too in the combustor with the flat-straight slag baffle.The flat-straight slag baffle can replace the cone-convergent one in the design of cyclone combustor.The optimum parameters are that the swirl number of primary air is 1.78 to 2.0, the ratio of primary air is 15%to 20%.the distance between primary air inlet and the sec- ondary one is (0.75~1.15)D. KEY WORDS:pulverized coal firing,burner,recirculation region,aerodynamic test model 就煤燃烧装置而言，日前存在的主要问题是：(1)燃烧强度和燃烧效率较低；(2)炉内 积灰严重，影响设备寿命和作业率，同时灰渣沉积在加热工件上影响加热质量和传热速 率；(3)环境污染严重，烟气中含有大量飞灰和NOx等有害气体，污染了大气。为实现 煤的强化燃烧和清洁燃烧，我们研制了1种适合工业炉窑的小型液排渣粉煤燃烧装置。该 燃烧器液体排渣、3次供风、2段分级燃烧，具有高捕渣率(>75%)、高燃烧效率 *1992-11-30收稿第一作者：月、29岁，讲师，硕士 +国家自然科学基金资助项月 *热能工程系(Department of Thermoenergy Engineering)
第 5卷第1 5期 年19 9 30月 1 北 京 科 技 大 学 学 报 J u r n o a l o f U n i v e r s it y o f S e i e n e e n a d T e c h n o l oB g y e j i i n g V o l . 5 N 1 o . 5 0 e t . 1 9 9 3 液排渣粉煤燃烧器空气动力 特性 的试验 + 王 景 甫 ` 倪学梓 * 冯 旭 ’ 摘要 : 对液排渣粉 煤燃烧器 内气流运动规 律和混合过程 进行 了冷态模拟 研究 , 分 析了结 构参 数 和 动力参数 对流 动的影 响 。 试验 表明: 燃烧室轴 向速 度 可分成 6 个不同 的的 区域 , 存在 4 个回流 区 ; 简 单环 形挡渣 板也能产 生环 形回 流 区 , 在旋风燃 烧室 设计 中 可取代 锥形缩 口 挡渣 板 。 最 佳 参数 为 : l 次 风 旋 流 数 5 1 为 1 . 78 一 2刀 ; l 次 风 口 和 2 次风 口 距 离 1L 2 二 ( 0 . 7 5 一 1 . 1 5、D ; 一次风量 为 巧 % 一 20 % 。 关 键词 : 粉煤燃烧 , 燃烧器 , 回流 区 , 空 气动力试验 模型 中图分类号 : T K 1 7 5 T K 1 6 E x P e r im e n t R e s e a r c h o n A e r o d y n a m i c s o f t h e E n t r a i淤d s 一a g g i n g P u 一v e r i z e d e o a 一e o m b u s t o r 十 肠增 了乡吸瓜 ` iN 而二’*l eF 双g 为 ` A B S T R A C T : A n n e w t y P e o f e n t r a i n e d s l a g g i n g P u l v e r i z e d e o a l c o m b u s t o r 1 5 d e v e l o P 巴d b a s e d o n c o ld s t a t e m o d e l e x P e r im e n t , t h e v e l o c i t y d i s t r ib u t i o n a n d m i x i n g P r o c e s s i n th e c o m b u s t o r a r e r e s e a r e h e d . T h e r e s u l t s o f t h e e x P e r im e n t s s h o w t h a t fo r t h e a x i a l v e l o c it y d i s t ir b u t i o n , 6 d i」?fe r e n t z o n e s c a n b e fo u n d , 4 o f w h i c h a r e r e v e r s e fl o w z o n e s . A n n u l a r 旧 - v e r s e fl o w z o n e e a n b e fo u n d t o o i n t h e c o m b u s t o r w it h t h e fl a t一 s t r a i g h t s l a g b a fl e . T恤e fl a t一 s t r a ig h t s l a g b a fl e e a n r e P l a e e t h e c o n e 一c o n v e r g e n t o n e i n t h e d e s i g n o f e y e l o 注e e o m b u s t o r . T h e o P t im u m P a r a m e t e r s a r e t h a t t h e s w i r l n u m b e r o f P r im a r y a i r 1 5 1 . 7 8 t o 2 . 0 , t h e r a t i o o f P r im a r y a i r 1 5 15 % t o 2 0 % , t h e d i s t a n e e b e t w e e n Pir m a r y a i r i n l e t a n d t h e s e c - o n d a r y o n e 1 5 ( 0 . 7 5 一 1 . 15 ) 刀 . K E Y W O R D S : P u l v e r i z e d e o a l fl r i n g , b u r n e r , r e e i r e u l a t i o n r e g i o n , a e r o d y n a m i e t e s t m o d e l 就煤燃烧装 置而 言 , 日前存在 的主 要问 题是 : ( l) 燃 烧强 度 和燃烧 效 率较低 ; ( 2) 炉内 积灰严重 , 影 响设 备寿命 和作 业率 , 同 时灰渣 沉积 在 加 热工 件上 影 响加 热 质量 和 传热速 率; ( 3) 环境 污 染严重 , 烟 气 中含有大 量 飞灰 和 N O 二 等有害 气体 , 污染 了大气 。 为实现 煤 的强 化燃烧和 清洁燃烧 , 我们 研制 了 1 种适合 工 业炉 窑 的小 型液排 渣粉煤燃烧装 置 。 该 燃 烧器 液 体 排渣 、 3 次 供 风 、 2 段 分 级 燃 烧 , 具 有 高 捕渣 率 ( > 75 % ) 、 高 燃 烧效 率 * 1 9 9 2一 1 1一 3 0 收 稿 第一 作者 : 男 , 2 9岁 , 讲 师 , 硕士 国 家 自然 科学基 金 资助 项 目 热能工程 系 ( D e p a r tm e n t o f T h e r : n o e n e r g y E n g i n e e r i n g ) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1993. 05. 037
·532· 北京科技大学学报 1993年No.5 (>99,5%)、高容积热强度(>45×10kJ/m3·h)和低污染的特点。为确定合理的结 构参数和动力参数以及为热态试验提供操作依据，对燃烧器的气流运动规律和混合过程进 行了冷态模型试验研究。 1实验方法 1.1冷态试验模型的建立 用模化方法直接研究燃烧器气流流动和混合过程十分复杂，通常的方法是用等温流动 来模化实物的非等温过程。其中最著名的和被广泛采用的是“Thring一Newby”失真模 型)。但对于本文所研究的液排渣粉煤燃烧器，因煤粉喷嘴直径与1次燃烧室直径比较接 近（d/D=0.3),且所研究区域均属风口临近区域，不适合采用此模型。根据相似原理理 论和分析，本文采用纯几何相似模型，模型保证的相似准则为： (1)模型与原型纯几何相似，相似比为1。 (2)由于原型是多股异密度气流混合，模型中各股气流动量流率比、动压头及动压头 差与平均动压头之比3个准则与原型相等，只有在纯儿何相似模型中才能同时满足这3个 准则且只要保证(pV)1/(p)2=idem即可。 (3)模型与原型旋流强度S相等。 (4)各进风口和燃烧室雷诺数R大于第二临界值，流动处于第二自模化区。 在建立模型时，做了如下假设： (1)忽略颗粒对气流运动的影响，认为是均相流场。 (2)煤粉由】次风浓相输送，属于两相流动。认为风粉混合均匀，按单相处理。其气 粉混合物当量浓度为Pe=M1/Q(kg/m):M1和Q,分别为气粉混合物质量流量和体积 流量。 1.2实验方法 燃烧器冷态模型实验装置如图1所小示。1、2次风分别由空压机和罗茨风机供给，流 量用转子流量计和标定后的孔板流量计测量。模型用透明有机玻璃制成积木式结构。实验 可改变的参数为：1次风旋流强度S1,1、2次风口距离L2,风量比Q,/Q2和渐扩段张 角日。根据所提出的相似准则确定不同工况进行试验。 用5孔球形探针测量速度分布和压力分布，并用散点积分方法计算各截面气体的回流 率。 用温度示踪方法测量燃烧室内【次风浓度，从而分析燃烧室内的混合过程。温度小示踪 法的原理为：设气流I和气流Ⅱ两股'气流进行绝热混合，混合前的温度分别为1！1， 则可认为气流1本身的浓度为100%，而气流Ⅱ中气流I的浓度城然为0%、混介后流场 中温度为t的点的气流I浓度m,抑为： m1=(1-13)/(11-1:)×100% (1) 公式(1)的理论推导详见文献[1。实验中，11、t2和t的测量用直径为0.2mm的制一 康铜热电偶，其热电势用采样频率为5次/s的多通道数字电压表显示并记录，通过计算机 处理得到燃烧室的【次风浓度等值分布图
· 5 3 2 · 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 3 年 N o . 5 >( 9 , 5 % ) 、 高容 积热强度 ( > 45 x l o 6 kJ / m , · h) 和 低污 染 的特点 。 为确 定 合理的 结 构 参数 和动 力参数以 及 为热态 试验提 供操 作依据 , 对燃烧器的气流运 动规 律和 混合过程 进 行 了冷 态模 型试验 研究 。 1 实验方法 1 . 1 冷态试验模型的建立 用模化 方法直接研究燃烧 器气流流 动和 混合过 程十分复杂 , 通 常的方 法是 用等温流 动 来 模化 实 物 的 非 等 温 过 程 。 其 中最 著 名 的 和 被 广 泛 采 用 的 是 “ T h ir n g 一 N e w b y" 失 真 模 型 l5] 。 但对 于 本文所研 究的 液排渣 粉煤燃 烧器 , 因煤粉喷嘴直 径 与 1 次 燃烧 室 直径 比较接 近 ( d / D 二 0 . 3) , 且所研究 区 域均 属风 口 临 近 区 域 , 不适合采用此模型 。 根据 相 似原理理 论和分 析 , 本文 采用 纯 几何相 似模型 , 模型 保证的相 似准则为 : ( l) 模型与原型 纯 几何相 似 , 相似 比为 1 。 (2) 由于原型是 多 股异 密度 气流混合 , 模型 中各股气流动量流 率比 、 动 压头 及动压 头 差与 平均 动压 头之 比 3 个准 则 与原型 相 等 , 只有 在纯 儿何相似 模型 中才 能 同时满足这 3 个 准则 且只 要保证 伽 V2 ) , / ( p 闪 : = id e m 即可 。 ( 3) 模 型与原型 旋 流强 度 S 相等 。 (4) 各进风 口 和燃烧室 雷诺 数 R e 大于第 二 临界值 , 流 动处 于 第二 自模化 区 。 在建 立模型 时 , 做 了如 下假 设 : ( l) 忽略颗粒对气流运 动 的影 响 , 认 为是 均相 流场 。 ( 2) 煤粉 由 l 次风浓 相输送 , 属 f 两 相 流动 。 认为 风粉混合均匀 , 按单相处 理 。 其气 粉 混合 物 当量浓 度 为 p 。 二 M I / Q I (k g / m ;s) M : 和 Q . 分 别 为气粉 混合 物 质 量流量 和 体积 流 量 。 L Z 实验方法 燃 烧 器冷 态模 型 实 验 装 置 如 图 】所示 。 1 、 2 次风 分别 由空 压机 和 罗茨 风 机供给 , 流 量用转 子流量计和 标定 后 的孔 板流 量计测 量 。 模型 用透 明 有机玻 璃制 成积 木式结构 。 实验 可改 变的 参 数为: l 次风旋 流 强度 S , , 1 、 2 次风 口 距 离 1L 2 , 风 量 比 Q . / Q : 和渐扩段 张 角 口 。 根据 所提 出的 相似准 则确 定 不 同工 况 进行 试验 。 用 5 孔球 形探 针测量速度 分布 和压力分 布 , 并用 散点 积分 方法计算各截 面气 体的 回 流 率 。 用温度 示踪 方法 测量燃烧室 内 l 次 风浓 度 , 从而分 析 燃烧室 内的混 含过 程 。 温 度 , J七踪 法 的 原理为 : 设 气流 工和 气流 1 两 股 气流 进 行绝热 混 合 , 混 合前的 温 度 分别 为 , . 和 t Z , 则 可认 为气流 I 本身的 浓 度 为 10 % , 而气 流 1 中气流 I 的浓 度 撇然 为 0 % , 棍 台后 流场 中温 度 为 t 的点 的气 流 I 浓 度 m , 即为 : m l = ( r 一 r Z ) / ( r l 一 1 2 ) K 10 0% ( l ) 公式 ( l) 的理论 推导 详 见 文 献〔1 。 实 验 中 , t 、 、 t : 和 t 的测 量 用 直径 为 .0 2 m m 的 铜一 康铜热 电偶 ,其热 电 势 用采 样 频 率为 5 次 / S 的 多通 道 数字 电压 表 显示 并 记录 ,通 过计 算机 处理得到燃 烧室 的 1 次风浓 度等 值分 布 图
Vol.15 No.5 王景甫等：液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的试验 ·533· 图】实验设备系统示意图 1.风机2.阀门3.转子流量计4.电加热器5.流量孔板6.煤粉喷嘴7.热电偶 8.五孔探针9.冰点槽10.数字电压表11.打印机12.斜管压力计13.燃烧室 Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus 2实验结果及分析 2.1燃烧室流场分布特点 燃烧室速度分布如图2所示。大量实验数据表明，轴向速度分布可划分为6个气流结 构不同的区域：(1)前区中心回流区；(2)扩散回流区；(3)后区中心回流区；(4)环形 回流区；(5)主气流区；(6)出口正向气流区。随工况不同，各区域的比例和位置有所改 变，当采取直流供粉时(S1=0),中心回流区消失。由于中心回流区位于煤粉喷嘴出口附 近，它将烟气卷回来，相当于该处存在1个热源，对煤粉稳定着火和热分解是十分有利 的。这表明不宜采用直流进粉方式。后区中心回流区卷吸的是经过燃烧室燃烧的高温烟 气，其不仅对提高燃烧室温度和化渣有利，而且也从一定程度上阻止了较难分离的细小渣 粒和飞灰被气体带出燃烧室，从而提高捕渣率。环形回流区和主气流区构成了】个强有力 的循环区，该区域延长了煤粉颗粒的停留时间并对煤粉进行气化和高温燃烧，提高燃烬率 和捕渣率。就整个燃烧室轴向速度分布而言，正负速度交替出现，速度梯度很大，燃烧室 具有较大的扰动度，混合过程剧烈。 研究的重要发现是：选用简单环形挡渣板的燃烧室亦能产生环形回流区。前人对旋风 燃烧室的研究和设计均选用锥形缩口挡渣板以获得环形回流区，并认为环形回流区的形成 是因锥形缩口的几何形状迫使气流反流造成的3。简单环形挡渣板也能产生环形回流区 对液排渣的粉煤燃烧器设计具有重要意义，可取代结构复杂且易烧坏的锥形缩口挡渣板。 同时也进一步解释了环形回流区的形成机理，它的形成除了挡渣板的几何结构作用外，贴 壁强烈旋转的2次空气在壁面附近所形成的主气流区的引吸作用也是1个重要的因素。实
V o l . 1 5 N o . 5 王 景甫等 : 液排渣粉煤燃烧器空气动力特性 的试验 9 l 0 l l : l 2 l l 、 门二 } 图 1 实验设备系统示意 图 1 . 风机 2 . 阀门 8 . 五孔探针 9. 3 . 转子流 量计 4 . 电加热器 5 . 流量孔板 6 . 煤粉喷嘴 冰点槽 1 0. 数字 电压表 1 . 打印机 1 2 . 斜管压力计 13 . 7 . 热电偶 燃烧室 F i g . 1 S c h e m at i e d i a g r a m o f e x 衅r 加e n t a l a P P a r a t u s 2 实验结 果及分析 2. 1 燃烧室 流场 分布特点 燃烧室速 度分布如 图 2 所示 。 大量实验数据表明 , 轴 向速度分布 可划 分为 6 个 气流结 构不 同的 区 域 : ( l) 前区 中心 回 流区 ; (2) 扩散回流 区 ; ( 3) 后 区 中心 回流 区 ; (4) 环形 回流 区 ; ( 5) 主气流 区 ; ( 6) 出 口 正 向气流 区 。 随工 况不 同 , 各 区 域的 比 例和位 置有 所改 变 , 当采取直 流供粉时 ( 5 1 = 0) , 中心 回流 区 消 失 。 由于 中心 回流 区位 于煤 粉 喷嘴出 口 附 近 , 它将烟 气 卷 回 来 , 相 当于 该处存在 1 个热源 , 对煤粉稳定 着火 和热 分解是 十 分有 利 的 。 这 表明 不宜采 用直流 进粉方式 。 后 区 中心 回 流 区 卷 吸的 是经过燃烧室燃 烧 的 高 温烟 气 , 其不仅 对提 高燃烧室 温度和化渣 有利 , 而 且 也从一定程度上 阻止了较难 分离的细 小渣 粒和 飞灰被气体带出燃烧室 , 从而提高捕渣率 。 环形 回 流区 和主 气流 区构 成 了 l 个强 有力 的循环区 , 该 区 域延 长 了煤粉颗粒的 停留时间并对煤粉进行气化 和高温燃烧 , 提 高燃烬率 和 捕渣 率 。 就整个燃烧室轴向速度 分布而 言 , 正 负速度 交替出现 , 速度梯 度很大 , 燃烧室 具有较大的扰动 度 , 混合过程剧烈 。 研 究 的重要 发现 是 : 选 用简单环形 挡渣板 的燃烧室 亦 能产生 环形 回 流 区 。 前人对旋风 燃 烧室的研究和设计均选用 锥形缩 口 挡渣板 以 获 得环形 回流 区 , 并认 为环 形 回流 区 的 形成 是 因锥 形缩 口 的几何形状迫使气流反 流造成的 34[ 】 。 简 单环 形挡 渣板也 能产 生环 形 回 流 区 对液排渣 的粉 煤燃烧器设计具有 重要 意义 , 可 取代结 构复杂且 易烧坏的锥 形缩 口 挡渣 板 。 同时也进一 步解释 了环形 回 流 区 的形成机理 , 它 的形成除了挡 渣 板的几 何结 构作用外 , 贴 壁 强 烈旋转的 2 次空 气在 壁面附 近所形 成的主气 流 区的 引吸 作用 也是 1 个重要 的因素 。 实
·534· 北京科技大学学报 1993年No.5 验表明：挡渣板高与燃烧室直径之比h/D=0.2~0.3,倾角x=5°~10°，有利于环形 回流区的形成 10m/s 25mm 40m/s 25mm 图2燃烧室速度分布(S,=1.5Q,/Q2=0.2L2=340mm) a燃烧室轴向速度分布 b燃烧室切向速度分布 Fig.2 The velocity distribution in combustor 2次风扩散回流区对燃烧室流场具有重要影响，表现在对中心回流区的强烈挤压作 用。图3是2次风量Q2=0时的情况，与开启2次风的情况相比（图2），回流率和回流 区直径均大得多。这为热态试验提供了操作依据，点火时宜晚供2次风。热态试验表明： 点火时不开2次空气，只用油棉纱即可实现迅速稳定着火，开启则会使点火时间变长其至 不能点火。但是另一方面，这股气流加强了前区的气流旋转，对挥发份较高(25%)、着火 容易的煤种有一定助燃作用。 各种实验工况测得的燃烧室切向速度 分布均具良好的相似性（图2b)。切向速度 随半径几乎线性增加，在距壁面15~ 20mm处达到最人值。最大切向速度比轴 向速度高Ⅰ个数量级且在整个燃烧室衰减 缓慢，从而使整个燃烧室保持较强的分离 25mm 10m/s 颗粒能力和与渣膜很大的相对速度、使高 图3燃烧室轴向速度分布 燃烧强度和捕渣率得以保证。 Fig.3 The axial velocity distribution in combustor 22影响流场分布的因素 影响流场的主要因索是1次风旋流強度S,2次风口位置L12,风量比Q1/22等。 对流场的影响主要表现在对燃烧笔回流区人小和位置的影响。图4是中心回流率随S的 变化规律，前区中心回流率随S1单调增加，后区中心回流率随S,的变化较小。随S,的 增加，扩散回流率减小，环形回流率增加（图5）。这是因为S,增加，1次风气流扩张角增 加，从而阻止了2次风的贴壁扩散。实验发现：S,[01.0时、2次风扩散率和环形回 流率变化较小，当S,[1.0,1.5时，共变化辎度较大，这说明华在背1个临界旋流强度S 当S,>S时、1次风对2次风扩散'气流具有较强的阻塞作用，并可保证较人的中心回流 率和环形回流率。冷态下S1[1.0I.S],热态情况下S'[1.78,2.0小，为实现煤粉快速脊 火，成选择S>Se 2次风进口位置对流场的影响为：当L2减少时，前后两区中心回流率均减小（图
53 4 北 京 科 技 大 学 学 报 19 9 3 年 N o . 5 验表 明 : 挡 渣 板高 与燃烧 室 直径 之 比 h / D 二 .0 2 一 .0 3 , 倾 角 : 二 5 。 一 10 。 , 有 利 于 环 形 回 流 区 的 形成 。 ( 门l { . 一 户俄 l夕 !L产一 曰 3夕 ( 巴国 一二、 叉。 、 6 升 ` 【 气丫 又口 一 刀 、 { 飞这 ~ J 、 己 犷尹-.} ) 兵 , _ _ _ , . 犷 一 ’ ` 刃L _ 」 r 一 飞 乃一 1卜 以1 尸 . l 」 l / / / / 尸户卢 了厂 一 尸厂厂了了 口 5m é 娜ù 10nI 加 25 n 刀n 图 2 燃烧室速度分布(s : 二 1 . 5 Q . / Q Z 一 0 . 2 L . 2 二 洲OIU m ) a 燃烧室轴向速度分布 b 姗烧室切向速度分布 F ig . 2 T h e v e loc i ty d i s tr i b ” t i o n i n e o m b u s t o r 2 次风 扩 散 回流 区 对燃 烧室 流 场具有 重 要 影 响 , 表现 在 对 中心 回流 区 的 强 烈挤压 作 用 。 图 3 是 2 次风量 Q Z 二 0 时 的情况 , 一 与开启 2 次 风 的情况相 比 ( 图 Za) , 回 流 率和 回流 区 直径均 大得 多 。 这 为 热 态试验提 供 了操 作依 据 , 点 火 时宜 晚供 2 次 风 。 热态 试验表明 : 点 火时 不开 2 次空 气 , 只 用油 棉纱 即 可实现迅速稳定 着 火 , 开 启则 会使点 火时间 变 长甚至 不能点 火 。 但 是 另一 方面 , 这 股 气流 加强 了 前区 的气 流旋转 , 对挥 发份较 高( 25 % ) 、 着火 容易的煤种 有一 定助 燃作 用 。 / l 二 ` l } 。 { _ _ } J _ , {少 ’ 一 ~ 、 . 2 / { _ _ 、 , ! 训「一口l - 一 刀口 1 / { \ 火 (几 从[ 刃 ’ 冲一 月 、 ! 万一 一一 } l s n 刀 n 10nI 声 图 3 燃烧室轴向速度分布 F ig . 3 T h e a x i a l v e l o e i ty d i s州 b u t i o n i n e o m b u s t o r 各 种 实 验 工况 测得 的 燃烧 室 切 向速 度 分 布均 具 良好 的 相 似性 ( 图 Z b) 。 切 向速 度 随 半 径 几 乎 线 性 增 加 , 在 距 壁 面 15 一 2 0 m m 处 达 到 最 大 值 。 最 大切 向速 度 比轴 向速 度 高 1 个 数量 级 且在整 个燃 烧室 衰 减 缓 慢 , 从 而 使整 个燃烧室 保持 较 强 的分 离 颗粒能 力和 与渣膜 很 大 的相 对 速 度 , 使高 燃烧强 度和 捕渣 率得 以 保 证 。 .2 2 影响流场 分布 的因素 影响 流 场 的 主要 因 素是 l 次 风 旋 流强 度 S : , 2 次 风 口 位置 1L 2 , 风 量 比 Q . / Q : 等 。 对流场的 影 响主 要 表现在 对燃 烧室 回 流 区 人小 和位 置 的影 响 。 图 4 是 中心 回 流率随 5 1 的 变化规律 , 前 区中 心 回 流 率随 S ; 单调 增加 , 后 区 中 心 回 流 率随 S ! 的 变化较 小 。 随 S , 的 增 加 , 扩 散 回流率减 小 , 环 形 回 流率增 加 ( 图 5) 。 这 是 因 为 5 . 增 加 , l 次 风气 流扩 张 角增 加 , 从而 阻止 了 2 次 风 的 贴壁 扩 散 。 实验 发现 : ` 场 S ! ` 10 , 1 . 0 1时 , 2 次风扩 散率 和环形 回 流 率变 化 较 小 , 当 s : 卜一 ! 1 . 0 , 1 . 5] 时 , 其 变化 辐度 较 大 , 这 说明 存 在着 1 个临 界旋流 强 度 lS 。 当 5 1 > S ; 。 时 , 1 次 风 对 2 次 风扩 散 气 流具 有较 强 的 阻 塞 作 用 , 并 可保证较 大 的中 心 回 流 率和 环形 回 流 率 。 冷 态 下 S ! 。 · 【1 . 0 , 1 . 5] , 热 态情 况 下 5 . 。 11 . 78 :2 0] , 为实 现煤 粉 快速 着 火 , 应选 择 S 、 夕 5 1。 。 2 次风进 口 位 置 对 流 场 的 影 响 为 : 当 L I : 减 少时 , 前 后两 区 中心 回 流率 均 减 小 ( 图
Vol.15 No.5 王景甫等：液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的试验 ·535· 6)。这主要是由于2次风口前移，使2次内对1次风气流的挤压作用加强，导致前区中心 回流区过早闭合，并在渐扩段形成较大的区域的正向流动。对后区而言，则需形成较大的 负压力梯度来克服此正向流动的动量才能形成回流，故后区中心回流区也减小。实验表 明：L2是影响环形回流区最显著的因素，L2减少，环形回流区变长、回流率增加，燃 烧室循环作用加强。实验结果表明L2/D=0.75~1.15为好。 风量比Q1/Q2对流场的影响十分显著。随Q,/Q2增加，前区中心回流率增加，后 区中心回流减小（图7），扩散与环形回流均减小。此外，Q1/Q对各回流区的位置有重 要影响，当Q,/22>027时，前后中心回流区连成一体。21/2增加使场不对称性加 强，Q1/2>031后、只在一侧出现了环形回流区。由以上实验结果分析，尽管21/Q2 增加会提高前区中心回流率，在一定程度上自动提供了Q,增加所需的着火热、但由于会 使流场对称性下降，且会使煤粉轴向速度提高，2次风切向速度降低，缩短在燃烧室的停 留时间，所以不宜用提高2，的办法来稳定燃烧。冷热态试验表明：Q1所占比例以15% ~25%为宜。 40r 160 50r -S1=1.5—S,=1.0一S,=0 S=1.0 Q/22=1/6L2=340mm 300=110° 名 0=110。 + L2=340mm a 20 人。 20 20 o10 一前区 10 后区 0 10 .1 0.2 0.3 0.4 200 400 600 800 0/2 Z/mm 图4中心回流率随S,的变化 图5环形回流率随S,的变化 Fig.4 Influence of S on central reverse flow rate Fig.5 Influence S,on circular revese flow rate 20f+L:=340mm 一后区 -e-L,=238mm 25r 前区 150 15 S,=1.08=110° 20 40 2/02=0.19 + 308 × 10 2/2,=1/6 20 o o 5 L2=340mm 10 0=110 0 200 400 600800 0.5 1.01.5 2.0 Z/mm 旋流强度S, 图6中心回流率随L2的变化 图7中心回流率随Q,/Q2的变化 Fig.6 Infuence of Lon central reverse flow rate Fig.7 Influence/zon central reverse flow rate 燃烧室1次风浓度分布及混合过程分析
V ol . 巧 N o . 5 王 景甫等 : 液排渣 粉煤燃烧器 空 气动力特性 的试验 · 5 35 · 6) 。 这 主要是 由于 2 次风 口 前移 , 使 2 次 内对 1 次 风气 流的挤压作用加强 , 导致前 区 中心 回流 区过 早闭 合 , 并在渐扩段 形成 较大 的区域 的正 向流 动 。 对后 区而言 , 则需 形 成较大的 负压 力 梯 度来 克服此正 向流动 的 动量才 能 形 成回流 , 故 后 区 中心 回流 区也减小 。 实 验表 明 : L l: 是影 响 环形 回 流 区 最 显 著的 因素 , lL : 减少 , 环 形 回 流 区变 长 , 回 流率 增加 , 燃 烧室循环 作用 加强 。 实验结果 表明 L , : / D 二 0 . 75 一 1 . 巧 为好 。 风量 比 Q , / Q : 对流 场的影 响 十分显 著 。 随 Q ; / Q : 增 加 , 前 区 中心 回 流 率增加 , 后 区 中 心 回流减 小 (图 7) , 扩散与 环形 回流均 减小 。 此外 , Q , / Q : 对 各 回流 区的位置 有重 要影 响 , 当 Q : / Q Z > 0 . 27 时 , 前后 中心 回 流 区 连 成 一体 。 Q , / Q , 增 加 使场不对 称性 加 强 , Q , / Q Z > .0 31 后 , 只在 一 侧 出现了 环形 回 流 区 。 由 以 上 实验结果 分 析 , 尽 管 Q l / Q Z 增加会提高前 区 中心 回流率 , 在 一 定 程度 上 白动提 供了 Q 、 增 加 所需 的 着火 热 , 但 由于 会 使流 场对 称性下 降 , 且会使煤粉轴 向速度 提 高 , 2 次风 切 回速度 降 低 , 缩 短在燃烧室的停 留时 间 , 所 以 不宜 用提高 Q 、 的 办法来 稳 定 燃烧 。 冷热 态试验 表明 : Q 、 所 占比例 以 巧% 一 2 5 % 为宜 。 一 S 、二 1 . 0 红é 罗咭口十一 一g 巴 卿 岁 : 0 剑 件月 5 1 = 1 . 0 口二 1 10 “ 乌 2 二 3碑伪丑m Q t /Q Z 二 l 6/ 万 一 S 、 二 0 L I : “ 34(加m 汁 . ~ ~ ~ 月20 才 。 — 前 区 . — 后 区 302010 岁 , 创今+ 一 创à\ 龙 卿 O { 0 乡 0 2 0 . 3 0 . 4 口 , / Q , 4 o 习 r n l n 402503or o 图 4 中心回流率随 S , 的变化 F ig . 4 I n fl u e n e e o f S l o n e e n tr a l er v e r s e fl o w r a 加 图 5 环形 回流率 随 S , 的变化 Fi g . 5 I n fl u e n e e S l o n e i r e u l a r r e v e se fl o w r a t e 罗创飞二 201巧55 50432or 岁 . 今伽十一 卿一à 已 竹二二 L : 2 = 3 4 0m l n L 。 = 2 3 8 n卫 刀 后 区 前 区 5 1 = 1 . 0 8 二 1 1 0 Q l /Q : 二 0 . 19 「 臼我子一十 g 一. 50 `口 仁 — 一、ùJ 一山勺 0o 0 2X() 4 o Z 厂In n n 0 . 5 1 . 0 旋流强度 凡 图 6 中心 回流率随 1L 2 的变化 Fig · 6 nI n此毗 o f L r Z on e e ntr al er v ~ n o 叭 r a让 图 7 中心回流率随 Q , / Q ; 的变化 F ig . 7 I n fl ue n e e : , t 一 户1 / 口 Zo n e e n tr a l cr ~ n o w r a t e 燃烧 室 1 次风浓度分布及混合 过程分析
·530 北京刊技人竹学报 193年N0.5 图8是用温度小示踪方法测得的燃烧爷】次风浓度等值线图。除S,=0时，1次风浓度 在入1处是单峰值分布外、S>0时均'华双峰值分行再往下游，双峰值消失、装单峰值 分布，峰值位中心位性.进入后区重新出现双作作，沿径向'横“M”形状。参数对混合 过程的影响为：S,增加和L:诚小，使混台过程加快；Q,′Q,的增人使混个过程变 慢) 0.15 图8燃烧室1次风浓度分布 (S,=1.5:2,/Q2=0.19:Lz=340mm) Fig.8 The primary air concentration distribution in combustor 山燃烧茶1次风浓度分布结合速度分布（图2）.可以初步对混合过程分析如下：在 燃烧竿前区，浓度峰值线外侧浓度梯度为负，内侧为止、这表明【次风粉进人燃烧空后以 环形射流方式与其他气流进泥介，外侧主要是新鲜空‘（的2次风扩散气流，内侧为完全 燃烧产物的中心回流区。扩散'气流与！次风‘气流的进一步混介便形成了单峰值分布区；在 燃烧竿区，1上出口中心回流上：要成分是尚温烟气，出口止向'气流区主要是上游混合燃 烧后的气流，其混合过程为：主'（流大以新鲜状态经过与环形回流区形成的循环区作用 向'流区.泥介燃烧后义从中心流，从内侧进步作用口正向'气流区。值得指出 的是：山人煤粒在离心力的作用较早被甩到壁面附近，主要是在壁面及循环区内与2 次风混介燃烧，贝行小颗粒才在1次风携带卜进行上述所分析的混个燃烧过程。 3结论 (1)燃烧爷轴向速度可分成6个不可的大域、任在：4个问流×，切向速度基本对称 其流场结构个理，可望得到高燃烧效率和高捕液率。 (2)简单环形挡渣板也：牛环形回流X、在旋风燃烧空设计可取代锥形缩口山挡渣 板。环形可流区的形成是山切向2次风与州流版厨作用的结果。 (3)2次风11位置对坏形回流区的影啊最为城芳，L:减小，回流×变人。建议 LD=0.75-1.15。 (3)煤粉喷嘴不宜采用流进粉打式，并使其旋流数人于S·S.三1.78一2.0。 (5)茧然Q,/Q增训会提尚前大心流率，但会使混合过程变慢，内此Q,不宜
· 移 。 · _ }匕 京 川 枝 人 弓 学 报 ! 9 9 3 年 N ` ) . 5 iJl S 是 川 温 度 下 踪 方法测 得的 燃烧 室 1 次 风浓 度等值线 图 。 除 S , 二 0 时 , l 次 风浓 度 在人 卜I 处 叭单峰 仇 分布 外 , S } > 0 时 均 吸 双 峰 仔1分 布 再 往下游 , 双 峰 依 消失 , 「往单峰 值 分 布 , 峰 叭位 J 飞中 心 位 置 进人 后 区 工新 出现 仪 峰 泊 , 沿径 向 `: `横 “ M ” 形 状 。 参 数对混 合 过 程 的 彩 响 为 : 5 . 增 加 和 乙 、 : 减 小 , 使 棍 合过 程 加快 ; Q . / Q : 的 增 人 使混 合过 程 变 慢l ’卜 二二二二二二二一 一 一 - 一饭厂〕 - 一一一 . 0 . 8 6 。 。 - 一奋沐0 .4 一 - i井荟几门 二一 一 一 一 一 一 ~ : .07 契夕_ _ 立 0 . 15 ~ ~ ù全 一 一 一一一 一 一 分~ 之屯全三巫息 = 二 李_ 一 _ 一 井二一一 一三一 一 一乡一 一 一 ~毛, 图 8 燃烧室 I 次风 浓度分布 ( S 一 1 . 5 ; Q . / Q : 二 0 . 1 9 : L . : 二 34 0 m m ) F ig . s r h c Pr i m a r y o i r e o n e e n t r a t i o n di s t r ib u t i o n i n e o 一n b u s t o r 山燃 烧室 l 次 风浓 度分 布结 合速 度 分布 ( KIJ Z a) , 叮 以 初步 对 棍合过 程 分析 如 下: 在 燃烧室 前区 , 浓 度峰 位线外侧 浓度 梯度 为 负 , 内 侧 为止 , 这 表明 1 次 风粉进 人燃 烧室 后 以 环 形 射 流力 一 J弋与其他 气流进 行 i民合 , 外 侧主 要 是 新鲜 空 气的 2 次 风扩 散气 流 , 内侧 为完 全 燃 烧产物 的 中心 1rtI 流 区 。 扩 散 产 ( 流 与 l 次风气 流 的进 一 步 混 合便 形成 了单峰 值 分布 区 二 在 燃 烧室 后区 . 山 J 出 日 中心 回 i能上要成 分是 高温烟 z 心 , 出 日 止 向 z 心流 区 主 要是 卜游棍合燃 烧 后 的 气流 , 其 混 合过 程 为: 上气 流卜 _ 以 新鲜 状 态经 过 与环形 回流 区 形成 的循 环区 作用 于 正 向 气 流区 , 混 合燃 烧后 又 从 中心 回 流 , 从 内侧进 一 步作 用 ’I. 出 lL 正 向气 流 区 。 位得指 出 的是 : 山 于人煤 粒在 离心 力的 作川 卜较 早被 甩 到壁 而附近 , 主 要是在 壁 而 及 循环 区 内 与 2 次 J戏了昆介燃 烧 , 只 了f 小 颗粒才 在 l 次 风携 带 卜进 行 卜述 听分 析的混 合燃烧 过 程 。 3 结 论 ( l) 燃 烧 ` 空轴 向速 度 , l丁分成 6 个不 同的 l攻 域 , 存在 4 个 l司流区 , 切向速 度 基本 对称 , J仁流场结构 合理 , 、 . f 甲得到 高燃烧效 率和 高捕 浓率 ( 2 ) 简 单环 形 档 f尹t 板 也 ,:丁, 、 , : ` f 环 形 回 流 l人 , 在旋 风燃 烧室设计 ` ! , , , J取代 锥 形缩 Ll 挡渣 板 。 环 形 回 流 区 的 形成 是 山 」切向 2 次风 与挡 浓板 共 同作 用的结 果 。 ( 3) 2 次 风 ! ! 位 羚 对环 形 回 流 汉 的 影响 最 为 辘 著 。 乙 .: 减 小 , 回 流 卜 变 人 。 建 议 右: / D = 0 . 7 5 ~ 1 . 15 。 ( 3 ) 煤 粉 喷嘴 不宜 采川 直流进 粉 方式 , 炸使其 旋 流数 人 J 几 5 1 。 . 5 、 。 = 1 . 78 一 2 刀 。 ( 5) 虽 然 Q } 厂 Q : 增加 会提 高前 认 ` 1 , 心 回 流率 , 但 会使混 合过 程 变慢 , 囚 此 Q , 不 宜
Vol.15 No.5 王景甫等：液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的试验 ·537· 过大，Q1=15%~20%为好。 参考文献 】王景甫液排渣粉煤燃烧器空气动力特性的研究：[学位论文]北京：北京科技大学， 1987 2王景甫等.冶金能源，19923：34 3王茂刚.旋风炉设计与运行，北京：机械工业出版社、1980 4R多烈查尔液态除渣燃烧室：崔伯勋，王行达译.北京：水力电力出版社.957 5 Mathur M L.et al.Journal of the Institute of Fuel.1967,6:238 6 Douglas S.TRW Slagging Combustor System Tests.4th Internation on Coal Utili- zation Conference,Houston Texas,1983.11 多元扩散理论及其在相变动力学等 各种受扩散控制过程中的应用 本题是把多元扩散理论应用到相变等各种受扩散控制的动力学过程中去，选用一些合 金（合金钢）作为对象，主要内容包括如下方面： 1)对多元扩散的唯象理论，实际扩散系数及其测量方法等进行总结评述，发表了“多 元扩散唯象理论及其应用”文章。 2)测量Fe-Mn-Si三元系在1000Cx（)相的扩散系数，包括主扩散系数 DMIMn,Dsis:和交互扩散系数DMnsi DsiMn。给出在测量的成分范围内扩散系数随成分变 化的规律。 3)相变的热力学和动力学计算机模拟，其中包括： (a)Fe一C-Mn系亚共析钢临界区奥氏体长大的模拟。双相钢的热处理是在临界区加 热，形成少量奥氏体、冷却以后形成双相。控制临界区加热时奥氏体量及成分分布是控制 双相钢的组织和性能的重要手段。根据界面的平衡条件和扩散理论建立模型，用计算机模 拟这个过程，模拟结果和实验结果吻合。 (b)多元系合金钢（含Mn、Si、Ni、Cr、Mo、Cu、V,Nb、W、Co等I0种合金 元素)奥低体一铁素体转变温度的计算。用Wagnere热力学模型经及亚点阵热力学模型 分别计算。这项工作提供了应用软件。 (©)多元系合金钢先共析铁素体析出的临界核心成分和形核驱动力计算。同样用 Wagner热力学模型以及亚点阵热力学模型分别计算。这项工作提供了计算的程序。 ()多元系合金钢先共析铁素体长大速度的计算。根据铁素体/奥氏体界面局部平 衡的3种模式，计算各瞬间的界面成分及长大速度。计算时，根据模式转换的判据，自动 选择合理的平衡模式计算长大速度。 ()编制计算二元系沉淀早期析出的各种规则形状第二相粒子的长大速度及基本成分 分布的软件
Vo l . 1 5 N o . 5 王 景甫等 : 液排渣粉煤燃烧器空 气动力特性的 试验 过大 , Q I 二 巧 % 一 20 % 为好 。 参 考 文 献 l 王 景 甫 . 液排渣 粉煤燃 烧器空 气 动 力特性的 研究 : [学位 论文1 . 北 京 二 北 京 科技 大 学 , 19 8 7 2 王景甫等 . 冶金 能源 , 19 9 2 , 3 : 34 3 王茂刚 . 旋风炉 设计与运行 . 北京 : 机械工 业 出版社 , 198 0 4 R . 多 烈查 尔 . 液态除渣燃 烧室 : 崔 伯勋 , 王行达译 . 北 京 : 水力 电 力出版社 , 19 5 7 5 M a t h u r M L ` e t a l . J o u r n a 1 o f t h e I n s t it u t e o f F u e l . 1 9 6 7 , 6 : 2 3 8 6 D o u g l a s S . T R W S l a g g i n g C o m b u st o r S y s t e m T e s t s . 4 t h I n t e r n a t i o n o n C o a l U t ili - z a t i o n C o n fe r e n e e , H o u s t o n T e x a s , 19 8 3 . 1 1 多元扩散理论及 其在相变动 力学等 各种受扩散控 制过程 中的应用 本题是把多元 扩散理论 应用到 相变 等各种受 扩散 控制 的动 力学 过程 中去 , 选用 一些合 金 (合金钢 ) 作为 对象 , 主要 内容 包括如下 方 面: l) 对多 元扩散 的 唯象理论 , 实际扩散 系数 及其测量方法 等进行 总结评述 , 发表 了 “ 多 元扩散唯象理论及其应用 ” 文 章 。 2) 测 量 F e 一 M n 一 iS 三 元 系 在 10 0 ℃ 仪 ( 司 相 的 扩 散 系 数 , 包 括 主 扩 散 系 数 D M n M 。 、 D is i 和交 互扩散系数 D M o s ; , D S , M 。 。 给 出在测 量 的成分 范 围 内扩散 系 数 随成分 变 化的规律 。 3) 相 变 的热力 学和 动力 学计算机模拟 , 其 中包括 : (a) F e 一 C 一 M n 系亚共析 钢临 界区 奥氏 体 长大 的模拟 。 双 相钢 的 热处理是 在 临界 区加 热 , 形 成少 量奥 氏体 , 冷却 以 后形成双 相 。 控制 临界区 加 热时 奥 氏体量 及成 分分布 是控 制 双 相钢 的组 织和 性 能的重 要手 段 。 根据界面 的平衡条件和扩散理论建立 模型 , 用计算机 模 拟这个过程 , 模拟结果和 实验结果吻合 。 ( b ) 多 元 系合金钢 (含 M n 、 5 1 、 N i 、 C r 、 M o 、 C u 、 V 、 N b 、 W 、 C o 等 10 种合 金 元素 ) 奥 低体一铁素 体 转 变温度 的 计算 。 用 W ag ne er 热力学 模 型经及 亚点 阵热 力 学模型 分别计算 。 这项工 作提 供 了应 用软件 。 ( c) 多 元 系 合 金钢 先 共析 铁 素 体析出 的 临 界 核 心 成 分和 形 核 驱 动 力 计 算 。 同样 用 W a g ne r 热力 学模型 以及 亚 点阵热 力学模 型分别 计算 。 这 项 工作提 供了计算的 程序 。 ( d) 多 元 系合金 钢 先共 析铁素 体 长 大速 度 的计 算 。 根 据 铁 素 体 / 奥 氏 体界 面 局 部平 衡的 3 种模式 , 计算 各 瞬 间的界 面成分及长 大 速度 。 计算 时 , 根据模式转换 的判 据 , 自动 选择合理的 平衡模式计算长大 速度 。 ( e) 编 制 计算二元系沉淀早期 析 出的各种规则 形状第 二相 粒子 的 长大速 度 及基本成 分 分布的 软件