旋流預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)基本性能的冷態(tài)試驗(yàn)研究
摘要：針對(duì)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(jì)了可調(diào)旋流強(qiáng)度預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)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(jì)和熱線風(fēng)速儀分別對(duì)影響生物質(zhì)燃燒機(jī)阻力特性及噴口旋流強(qiáng)度的各個(gè)因素進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究，得到了各種因素對(duì)旋流生物質(zhì)燃燒機(jī)基本性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明：對(duì)于30。、45。、60。傾角的旋流葉片，生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自模化區(qū)的臨界雷諾數(shù)為11 000,對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0.209、0.269、0.428;對(duì)于3種傾角旋流葉片，當(dāng)芯管離開噴口縮口斷面的無量綱距離不小于0. 25～0.5時(shí)，噴口處氣體旋流強(qiáng)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(guó)可持續(xù)發(fā)展能源的重要組成部分【1]．國(guó)家中長(zhǎng)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(diǎn)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(dāng)作燃料氣投入到燃?xì)庖徽羝?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?xì)獍l(fā)電存在以下問題：(1)弛放氣及粗生物質(zhì)氣的成分會(huì)因系統(tǒng)運(yùn)行狀況變化導(dǎo)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(yùn)行狀況變化，最終進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)的燃料配比也會(huì)發(fā)生變化，針對(duì)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(yù)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(jī)，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(yàn)和理論研究表明，它比直流式生物質(zhì)燃燒機(jī)擁有前期混合強(qiáng)烈、火焰充滿度好等優(yōu)點(diǎn)邵_ 10]．筆者對(duì)可調(diào)旋流強(qiáng)度的旋流預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)的基本性能進(jìn)行了冷態(tài)試驗(yàn)研究為熱態(tài)試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)．
1試驗(yàn)系統(tǒng)與研究?jī)?nèi)容
圖1為可調(diào)旋流強(qiáng)度預(yù)混合生物質(zhì)燃燒機(jī)的示意圖，燃料氣通過芯管上開的6個(gè)小孔沿徑向噴出，這6個(gè)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(jìn)入旋流葉片，混合后的氣體具有一定的旋轉(zhuǎn)動(dòng)旦，由噴口噴出進(jìn)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(jī)噴口氣體旋流強(qiáng)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(yàn)分為旋流葉片及生物質(zhì)燃燒機(jī)阻力特性的研究和噴口旋流強(qiáng)度2部分進(jìn)行研究，其中阻力特性試驗(yàn)研究選取的影響因素及水平見表1．噴口旋流強(qiáng)度試驗(yàn)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(jì)算，理論空氣量為9. 523 8 ITI3l}1.
2 結(jié)果與分析
2.1旋流葉片及生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力特性
用全壓探針和電子微壓計(jì)測(cè)量旋流葉片進(jìn)、出口以及生物質(zhì)燃燒機(jī)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(jìn)而確定進(jìn)入第二自模化區(qū)的臨介雷諾數(shù)，雷諾數(shù)Re、歐控準(zhǔn)則數(shù)Eu及阻力系數(shù)∈的計(jì)算公式如下，式中：V為生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口平均軸向速度，用各工況空氣和燃料氣總和計(jì)算得出；D為噴口直徑；v為氣體的運(yùn)動(dòng)粘度，由于試驗(yàn)中燃料氣體用空氣模擬，所以v取試驗(yàn)溫度下空氣的運(yùn)動(dòng)粘度；△妒為旋流葉片進(jìn)口與生物質(zhì)燃燒機(jī)出口之間全壓的差值；p為試驗(yàn)溫度下空氣的密度，
3種旋流葉片和生物質(zhì)燃燒機(jī)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，4 50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(shí)可以看出，對(duì)于3種傾角旋流葉片，當(dāng)Re增加到一定值后，葉片的阻力系數(shù)和歐拉準(zhǔn)則數(shù)不再隨Re變化了，它表明Re己達(dá)到臨界值，這時(shí)氣流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入了第二自?；瘏^(qū)，對(duì)于30。、45。、60。傾角旋流葉片，第二自?；瘏^(qū)臨界雷諾數(shù)尺臼i一12 000，此時(shí)對(duì)應(yīng)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(duì)于30。、45。、60”傾角旋流葉片，生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)Ra．- 11 000，此時(shí)對(duì)應(yīng)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(jī)阻力特性曲線，可以看出，當(dāng)芯管往縮口伸進(jìn)3 mm之后，生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)入第二自?；瘏^(qū)的臨界雷諾數(shù)Roj= 10 000,此時(shí)生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力系數(shù)增大到. 329．
旋流葉片、上：均為0. 25時(shí)，噴口旋流強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)殡S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(qiáng)度是不變的，同時(shí)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(qiáng)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(shí)，旋流強(qiáng)度，z減小的幅度特別明顯，這是因?yàn)樾魅~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(dǎo)致實(shí)際旋流強(qiáng)度大幅度減小，這表明葉片傾角愈大，可調(diào)性能愈好，試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的傾角、三，和/2，噴口氣流的旋流強(qiáng)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(fēng)過量空氣系數(shù)不同的各個(gè)工況的旋流強(qiáng)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(shí)噴口處旋流強(qiáng)度的變化曲線，見圖6．
由圖6可見，對(duì)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(qiáng)度是逐漸小的，這是因?yàn)椋瑲饬魍ㄟ^旋流葉片之后獲得了一定的切向速度，當(dāng)旋轉(zhuǎn)氣流通過芯管的頂端進(jìn)入到圓形空間之后，按旋轉(zhuǎn)動(dòng)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(qiáng)度下降，同時(shí)可以看出，隨著三z的增加，旋流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)變的越來越緩慢，這是由于旋轉(zhuǎn)氣流由環(huán)形擴(kuò)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(kuò)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(kuò)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(qiáng)度減小的趨勢(shì)越來越綬慢，可以預(yù)測(cè)，必將存在一個(gè)臨界的/2值，當(dāng)上z大于這個(gè)值以后，噴口處旋流強(qiáng)度不再減小，圖6的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)/z≥0.25～0.5時(shí)，噴口處旋流強(qiáng)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(dāng)Re≥11000時(shí)，氣流在此生物質(zhì)燃燒機(jī)的流動(dòng)進(jìn)入第二自模化區(qū)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)分別為0. 209、0.269、0.428.對(duì)于30。傾角旋流葉片，當(dāng)三z從0變化到 0. 15時(shí)，Reij一10 000,生物質(zhì)燃燒機(jī)的阻力系數(shù)增大到0.329.
(2)噴口氣流的旋流強(qiáng)度是不隨一次空氣流量的改變而變化的，噴口氣體旋流強(qiáng)度隨著三一的增加而減小，且當(dāng)旋流葉片傾角增加、阻力增太時(shí)，旋流強(qiáng)度減小的幅度也顯著增加，噴口氣體旋流強(qiáng)度隨著三z的增加而減小，并且旋流強(qiáng)度減小的趨勢(shì)越來越緩慢，對(duì)于每種傾角的旋流葉片，存在一個(gè)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(qiáng)度不再隨/2而變化．
4結(jié)論
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