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雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)冷態(tài)流動特性實驗和計算機(jī)數(shù)值模擬
摘要：用三維流動數(shù)值計算模型，對一臺130噸／小時鍋爐采用雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)的單只燃燒器噴口流場計算和冷態(tài)實驗結(jié)果比較證明了該燃燒器能夠形成回流區(qū)，且調(diào)節(jié)腰部風(fēng)可以改變回流區(qū)的長度。該燃燒器具有高效、低負(fù)荷穩(wěn)燃、火焰可調(diào)、低NOx排放性能。
1 雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)概念設(shè)計
  雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)是把一次風(fēng)噴口開上下二個一次風(fēng)，形成二個通道，在二個通道之間設(shè)計一個回流空間，通過一次風(fēng)射流自身產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的回流區(qū)，利用高溫?zé)煔饣亓骷訜嵋淮物L(fēng)煤粉使煤粉氣流燃燒穩(wěn)定，同時在上下雙通道中間設(shè)計一個狹長的腰部風(fēng)，調(diào)節(jié)腰部風(fēng)的大小來改變回流區(qū)的長度，使火焰在燃燒器內(nèi)可調(diào)，亦可防止噴口結(jié)渣。在一次風(fēng)管上加裝一個百葉窗濃縮器，上下通道變成濃相和淡相，二相各自遠(yuǎn)離自身化學(xué)當(dāng)量比，造成局部氧化一還化氣氛降低NOx排放。圖1是雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)示意圖。
  通過雙通道一次風(fēng)的交叉肘流，形成一個穩(wěn)定的回流區(qū)，高溫?zé)煔庠诨亓鲄^(qū)的卷吸下，逆向回流到燃燒器噴口內(nèi)點(diǎn)燃煤粉氣流使煤粉在腔內(nèi)著火，形成穩(wěn)定的火炬，并連續(xù)點(diǎn)燃后續(xù)的煤粉。這與普通的煤粉燃燒器有很大的不同，普通煤粉燃燒器一次風(fēng)煤粉氣流是受爐膛火焰的熱輻射和受熱面的冷輻射，即在煤粉尚未點(diǎn)燃時就受著雙重作用。而雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)是在腔內(nèi)靠熱回流著火，它除了接受煙氣回流熱量以外，火焰中心熱輻射作用也很大，而且由于煤粉氣流在腔內(nèi)點(diǎn)燃，爐膛的冷輻射作用較小。二個通道通過濃縮器形成濃、淡二相。濃相的高濃度煤粉氣流降低了點(diǎn)火能，用較少的能量就可以點(diǎn)燃濃煤粉點(diǎn)火能隨著煤粉濃度的增加而降低。同時在濃相中著火后火焰在還原性氣氛（缺氧）條件下，形成大量的CN ，NH3C。H2n等還原性物質(zhì)，將燃燒中產(chǎn)生的NO、N02還原成N2。這就使燃燒器具有很高的著火穩(wěn)定性和低NOx特性。
2計算模型和方法描述
  煤粉在爐肉燃燒是一個復(fù)雜的物理化學(xué)、多相流動、傳熱傳質(zhì)的燃燒過程。燃燒過程的計算機(jī)模擬是基于這些理論和試驗結(jié)果，運(yùn)用數(shù)值計算方法和計算機(jī)技術(shù)，結(jié)合實際燃燒器和鍋爐的邊界條件和初始條件，根據(jù)己知的有關(guān)流動模型、燃燒模型和輻射模型理論，在計算機(jī)上求解爐內(nèi)三維氣相速度分布、溫度分布、氧濃度分布、煤粉顆粒運(yùn)動軌跡和輻射熱流量的分布。限于篇幅，本文只介紹本項的流場計算。
2.1氣體流動
  氣相流動是用質(zhì)量、動量、氣體組分、焓的時均方程和尼 ￡湍流模型來描述。在這些方程中，氣體的密度皆是焓和氣體分?jǐn)?shù)的函數(shù)。
2.2 計算方法
  應(yīng)用正交，非均勻交錯網(wǎng)格使燃燒器的計算區(qū)域離散化，用控制容積法推導(dǎo)差分方程，對氣相輸運(yùn)方程求解用SIMPLER方法，采用混合上風(fēng)差分格式及壓力校正方程。氣相計算的網(wǎng)格通常在X:25～35Y:25～352:50～65。輻射網(wǎng)格劃分可以與氣相網(wǎng)格劃分不同，通常輻射網(wǎng)格在X:15～35Y:15～35Z:20～40。確定網(wǎng)格后，選取燃燒器的邊界條件，計算的邊界條件按實際燃燒器設(shè)計參數(shù)選取。對流動方程組迭代直到爐內(nèi)流場形成和各項物理量收斂為止。
  圖2、圖3是全關(guān)腰部風(fēng)燃燒器縱向、橫向剖面計算的冷態(tài)速度場。從圖中可以看出，x z平面雙通道濃淡噴口1094mm之間形成的交叉射流產(chǎn)生一個回流區(qū)。回流區(qū)長度約600mm。其回流區(qū)位置接近于燃燒器上下二通道之間的根部；x y平面在664mm內(nèi)（燃燒器噴口內(nèi)）有一主回流區(qū)。在主回流區(qū)外是主氣流以加～28m/s速度噴出。主氣流的二側(cè)形成一個副回流區(qū)，在副回流區(qū)外形成二個渦流區(qū)。由此可見，本燃燒器具有較高的燃燒穩(wěn)定性；
3 雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)在130t/h鍋爐上冷態(tài)流動特性實驗
  為了驗證模型設(shè)計和理論計算結(jié)杲，結(jié)合一臺HG 130/3.82-M2型130噸／小時褐煤鍋爐技術(shù)改造，進(jìn)行雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)冷態(tài)試值模擬。
  單角冷態(tài)空氣動力場試驗是在雙通道濃淡噴口設(shè)四個截面，由熱線風(fēng)速儀測量各空間點(diǎn)的速度值由小飄帶測定風(fēng)的速度方向。
  冷態(tài)實測與三維流動特性數(shù)值計算的回流區(qū)大小非常相似，調(diào)節(jié)腰部風(fēng)能夠改變回流區(qū)的位置和形狀。理論與實際吻合。
冷、熱態(tài)動量比相近，保證了邊界條件相似。
  單角燃燒器試驗主要測定燃燒器噴口的流動特性，雙通道濃淡燃燒器上、下二個通道采用交叉射流，下通道噴口經(jīng)過放大、減速使得二股氣流交叉點(diǎn)
  (1)雙通道生物質(zhì)燃燒機(jī)是運(yùn)用雙通道交叉射流產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定著火，同時在一次風(fēng)道上加裝百葉窗分離器，使雙通道變成濃淡二相，各自遠(yuǎn)離其化學(xué)當(dāng)量比，形成氧化——還原性氣氛降低NOx。
  (2)在雙通道濃淡燃燒器腔內(nèi)設(shè)置二個腰部風(fēng)，使回流區(qū)變成可調(diào)，靠開關(guān)腰部風(fēng)來調(diào)節(jié)回流區(qū)大小和前后，來調(diào)整煤粉氣流著火點(diǎn)和燃燒穩(wěn)定性。壤溫度受室內(nèi)氣溫影響遠(yuǎn)不如受陽光照射影響大；每臺鍋爐平均耗煤9kg/h，對室內(nèi)空氣有顯著的增溫效果，并且能夠維持土壤具有較小降溫幅度。因此鍋爐供熱是溫室越冬生產(chǎn)的一種行之有效的保障方式。
5 結(jié)論
綜上所述，采用VB5.0編制的動態(tài)模擬程序能夠很好地模擬溫室越冬運(yùn)行的各種工況，可為溫室供熱自動控制提供軟件基礎(chǔ)，溫室供熱實驗結(jié)果進(jìn)一步證明了適宜的供熱方式可以保證溫室越冬生產(chǎn)的可能眭。隨著科技興農(nóng)的深入，溫室供熱研究必將吸引廣泛的關(guān)注，走向蓬勃發(fā)展的道路。
生物質(zhì)氣化站，598jx