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旋流預混合生物質(zhì)燃燒機基本性能的冷態(tài)試驗研究
摘要：針對多聯(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)計了可調(diào)旋流強度預混合生物質(zhì)燃燒機來獲得弛放氣和粗生物質(zhì)氣的高效、低污染穩(wěn)定燃燒，利用電子微壓計和熱線風速儀分別對影響生物質(zhì)燃燒機阻力特性及噴口旋流強度的各個因素進行了冷態(tài)試驗研究，得到了各種因素對旋流生物質(zhì)燃燒機基本性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：對于30。、45。、60。傾角的旋流葉片，生物質(zhì)燃燒機進入第二自模化區(qū)的臨界雷諾數(shù)為11000，對應的阻力系數(shù)分別為0.209、0.269、0.428對于3種傾角旋流葉片，當芯管離開噴口縮口斷面的無量綱距離不小于0.25～0.5時，噴口處氣體旋流強度不再改變，
  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)，是我國可持續(xù)發(fā)展能源的重要組成部分【1]．國家中長期科技發(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，化工過程中產(chǎn)生的弛放氣和剩余粗生物質(zhì)氣，將被當作燃料氣投入到燃氣一蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)中來發(fā)電，而在這種多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，燃氣發(fā)電存在以下問題：(1)弛放氣及粗生物質(zhì)氣的成分會因系統(tǒng)運行狀況變化導致其熱值不穩(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)運行狀況變化，最終進入燃氣輪機的燃料配比也會發(fā)生變化，針對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，提出用旋流預混合加催化燃燒的方式來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，旋流燃燒器存在射流衰減快、穿透力差的問題，但大量的試驗和理論研究表明，它比直流式生物質(zhì)燃燒機擁有前期混合強烈、火焰充滿度好等優(yōu)點邵_10]．筆者對可調(diào)旋流強度的旋流預混合生物質(zhì)燃燒機的基本性能進行了冷態(tài)試驗研究為熱態(tài)試驗提供了理論基礎(chǔ)．
1試驗系統(tǒng)與研究內(nèi)容
  圖1為可調(diào)旋流強度預混合生物質(zhì)燃燒機的示意圖，燃料氣通過芯管上開的6個小孔沿徑向噴出，這6個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入旋流葉片，混合后的氣體具有一定的旋轉(zhuǎn)動旦，由噴口噴出進入燃燒室燃燒，
  經(jīng)過理論分析，旋流葉片和然燒器的阻力系數(shù)與通過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)燃燒機噴口氣體旋流強度的因素有：旋流葉片傾角、旋流葉片離開A-A斷面的無量綱距離三，（定義三，一，，／以d為AB段圓管的內(nèi)徑，見圖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／以見圖1）、一次空氣和燃料氣流態(tài)，
  試驗分為旋流葉片及生物質(zhì)燃燒機阻力特性的研究和噴口旋流強度2部分進行研究，其中阻力特性試驗研究選取的影響因素及水平見表1．噴口旋流強度試驗研究選取的影響因素及水平見表2．由于燃料氣和一次空氣是先混合后再通過旋流葉片，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量空氣系數(shù)來表示，燃料氣按CH4計算，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)燃燒機的阻力特性
  用全壓探針和電子微壓計測量旋流葉片進、出口以及生物質(zhì)燃燒機噴口處的全壓值，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，進而確定進入第二自?；瘏^(qū)的臨介雷諾數(shù)，雷諾數(shù)Re、歐控準則數(shù)Eu及阻力系數(shù)∈的計算公式如下，式中：V為生物質(zhì)燃燒機噴口平均軸向速度，用各工況空氣和燃料氣總和計算得出；D為噴口直徑；v為氣體的運動粘度，由于試驗中燃料氣體用空氣模擬，所以v取試驗溫度下空氣的運動粘度；△妒為旋流葉片進口與生物質(zhì)燃燒機出口之間全壓的差值；p為試驗溫度下空氣的密度，
  3種旋流葉片和生物質(zhì)燃燒機的阻力系數(shù)與雷諾數(shù)關(guān)系曲線見圖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，同時可以看出，對于3種傾角旋流葉片，當Re增加到一定值后，葉片的阻力系數(shù)和歐拉準則數(shù)不再隨Re變化了，它表明Re己達到臨界值，這時氣流運動狀態(tài)進入了第二自?；瘏^(qū)，對于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，此時對應的阻力系數(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，對于30。、45。、60”傾角旋流葉片，生物質(zhì)燃燒機進入第二自?；瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)Ra．-11 000，此時對應的阻力系數(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)燃燒機阻力特性曲線，可以看出，當芯管往縮口伸進3mm之后，生物質(zhì)燃燒機進入第二自?；瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)Roj=10000，此時生物質(zhì)燃燒機的阻力系數(shù)增大到.329．
旋流葉片、上：均為0.25時，噴口旋流強度，2與旋流葉片所處位置三一及一次空氣過量空氣系數(shù)a-的關(guān)系曲線，結(jié)果表明，噴口旋流強度廳在誤差范圍內(nèi)是不隨一次過量空氣系數(shù)∞的變化而變化的，這是因為隨著一次過量空氣系數(shù)的增加，通過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，所以旋流強度是不變的，同時可以看到，隨著旋流葉片離開A-A斷面的距離/i的增加，噴口處氣流的旋流強度顯著減小，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，旋流強度，z減小的幅度特別明顯，這是因為旋流葉片傾角增大，其阻力就增加較多，有更多氣體不通過旋流葉片，而導致實際旋流強度大幅度減小，這表明葉片傾角愈大，可調(diào)性能愈好，試驗測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于不同的傾角、三，和/2，噴口氣流的旋流強度是不隨一次空氣過量空氣系數(shù)改變而變化的，所以將只是一次風過量空氣系數(shù)不同的各個工況的旋流強度胛隸平均值，從而得到3種傾角的旋流葉片在不同的厶和上z時噴口處旋流強度的變化曲線，見圖6．
  由圖6可見，對于3種傾角的旋流葉片來說，隨著上z的增加，即芯管后移，噴口處旋流強度是逐漸小的，這是因為，氣流通過旋流葉片之后獲得了一定的切向速度，當旋轉(zhuǎn)氣流通過芯管的頂端進入到圓形空間之后，按旋轉(zhuǎn)動量矩守恒原理，旋轉(zhuǎn)氣流在圓形空間中的平均切向速度降低，故旋流強度下降，同時可以看出，隨著三z的增加，旋流強度減小的趨勢變的越來越緩慢，這是由于旋轉(zhuǎn)氣流由環(huán)形擴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，旋流強度減小的趨勢越來越綬慢，可以預測，必將存在一個臨界的/2值，當上z大于這個值以后，噴口處旋流強度不再減小，圖6的試驗結(jié)果表明，當/z≥0.25～0.5時，噴口處旋流強度基本不變，
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Re≥11000時，氣流在此生物質(zhì)燃燒機的流動進入第二自?；瘏^(qū)，此時對應的阻力系數(shù)分別為0.209、0.269、0.428.對于30。傾角旋流葉片，當三z從0變化到 0.15時，Reij一10000，生物質(zhì)燃燒機的阻力系數(shù)增大到0.329.
  (2)噴口氣流的旋流強度是不隨一次空氣流量的改變而變化的，噴口氣體旋流強度隨著三一的增加而減小，且當旋流葉片傾角增加、阻力增太時，旋流強度減小的幅度也顯著增加，噴口氣體旋流強度隨著三z的增加而減小，并且旋流強度減小的趨勢越來越緩慢，對于每種傾角的旋流葉片，存在一個臨界的三z值本研究中發(fā)現(xiàn)上z≥0.25～0.5，噴口處氣體旋流強度不再隨/2而變化．
4結(jié)論
  幾年來通過鍋爐、冶金、制管等行業(yè)的共同努力，SUPER304H鋼管的國產(chǎn)化進程已取得可喜成績，但要完全掌握其關(guān)鍵工藝的特性和原理，實現(xiàn)大批量生產(chǎn)和使用，還需做更加深入的研究工作，