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雙通道生物質(zhì)燃燒機冷態(tài)流動特性實驗和計算機數(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)腰部風可以改變回流區(qū)的長度。該燃燒器具有高效、低負荷穩(wěn)燃、火焰可調(diào)、低NOx排放性能。
1 雙通道生物質(zhì)燃燒機概念設(shè)計
  雙通道生物質(zhì)燃燒機是把一次風噴口開上下二個一次風，形成二個通道，在二個通道之間設(shè)計一個回流空間，通過一次風射流自身產(chǎn)生一個強烈的回流區(qū)，利用高溫煙氣回流加熱一次風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，調(diào)節(jié)腰部風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，二相各自遠離自身化學當量比，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)燃燒機示意圖。
  通過雙通道一次風的交叉肘流，形成一個穩(wěn)定的回流區(qū)，高溫煙氣在回流區(qū)的卷吸下，逆向回流到燃燒器噴口內(nèi)點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，即在煤粉尚未點燃時就受著雙重作用。而雙通道生物質(zhì)燃燒機是在腔內(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火能，用較少的能量就可以點燃濃煤粉點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雜的物理化學、多相流動、傳熱傳質(zhì)的燃燒過程。燃燒過程的計算機模擬是基于這些理論和試驗結(jié)果，運用數(shù)值計算方法和計算機技術(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數(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，用控制容積法推導差分方程，對氣相輸運方程求解用SIMPLER方法，采用混合上風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)?；亓鲄^(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，進行雙通道生物質(zhì)燃燒機冷態(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，由熱線風速儀測量各空間點的速度值由小飄帶測定風的速度方向。
  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
  (1)雙通道生物質(zhì)燃燒機是運用雙通道交叉射流產(chǎn)生回流區(qū)穩(wěn)定著火，同時在一次風道上加裝百葉窗分離器，使雙通道變成濃淡二相，各自遠離其化學當量比，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，使回流區(qū)變成可調(diào)，靠開關(guān)腰部風來調(diào)節(jié)回流區(qū)大小和前后，來調(diào)整煤粉氣流著火點和燃燒穩(wěn)定性。壤溫度受室內(nèi)氣溫影響遠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