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生物質燃燒機的設計與實踐

生物質燃燒機的設計與實踐

    文中敘述了生物質燃燒機的種類,總結了它們的特性和設計步驟,詳細介紹了旋流燃燒機的使用效益。最後,作者提出了旋流燃燒機的改進途徑。

    燃燒是強烈的化學反應過程,遵循阿侖尼烏斯定律,其反應速度常數k與反應物質的種類以及反應溫度T (K)有密切關係,並可表示如下tk= koe-EtRT式中  ko--個與反應物質的性質有關的係數。稱為頻率因子。

    R-通用氣體常數。

    E-活化能。

    顯然,e-E/RT這個函數決定了化學反應速度將隨溫度的提高而劇烈增大的趨向。一般說來,在室溫附近,當溫度升高10。時,化學反應速度約加大到二至四倍,而當反應溫度增加一,二倍時,化反應速度卻成千上萬倍地增加。因此,在設計燃燒機時,確保燃燒區有足夠高的溫度水平(一般要求超過1000℃),則是強化燃燒過程的一項重要措施。充分的回流區與助燃空氣的予熱,則是確保燃燒區有足夠高溫度的條件。這就是設計燃燒機的基本理論依據。    在以煤為主,以煤代油,開源與節約並重的能源政策影響下,工業爐窯直接用煤作燃料者甚為普遍,其燃燒方式有兩種:一種是煤塊層狀燃燒,另一種是生物質懸浮燃燒。從燃燒理論角度未看,當然生物質懸浮燃燒較煤塊層狀燃燒為佳。它具有燃燒充分,燃燒速度快,火焰中心溫度高等優點。

    根據燃燒理論和我國的能源政策,設計新型的生物質燃燒機很有必要。

    生物質燃燒技術,發展得較早的是電站生物質鍋爐,它的燃燒機可分為以下五種。

    1.單蝸殼型旋流燃燒機

    這種燃燒機的一次風是借噴口處的鈍體使氣流擴展、形成可靠的回流區,使燃燒穩定。二次風是通過蝸殼來產生旋流的。此旋轉氣流對回流區的增大有利。利用煙煤、貧煤和無煙煤時,鈍體錐角分別為60。、90 0、l200【6】。

    2.雙蛔亮型旋流燃燒囂

    這種燃燒機的一、二次風都旋轉,是通過各自的蝸殼而形成旋轉流動的,一、二次風的旋流強度都可以用入口的舌形擋板來州節。簡啦結構示於圖2。由於此燒咀出口氣流的前期混合較強烈,因此多用於燃燒煙煤和褐煤。

    這種燃燒機的一次風氣流為直流或弱旋轉射流,二次風氣流通過軸向葉片的傾斜角來造成旋轉。軸向葉片裝於軸向葉輪上。葉輪上裝有拉杆,軸向移動拉杆,便可調節葉輪在二次風遭內的位置。簡單結構示於圖3。

    4.切向葉片型旋流燃燒機

    這種燃燒機的一次風氣流為直流或弱旋流射流,二次風氣流通過切向葉片旋流器而產生旋轉。一般切向葉片做成可調式,改變葉片的傾斜角即可調節氣流的旋流強度。其簡單結構示於圖4。此種燃燒器的出口部分有明顯的預混段,使一次風氣流在燃燒機出口前預先與二次風混合,對提高燃盡度是有良好影響的,但在某種程度內減弱了氣流的旋流強度。

    5.直流式燃燒機

    這種燃燒機布置在爐膛四角,燃燒機噴口中心線與爐膛中心一個假想圓相切,見圖5。燃燒時,一、二、三次風直吹入爐膛,在爐內形成旋轉的氣柱。我們把這種燃燒方式稱為切圓燃燒。

    直流式燃燒機組織切圓燃燒時,生物質氣流的著火除了射流本身卷吸高溫煙氣的作用外,還靠鄰角火焰的相互點燃,而且可以根據不同燃料控製二次風混入的遲早,以滿足不同燃料對混合的不同要求,改善燃盡程度。由於生物質燃盡的時間較油、氣燃料燃盡的時間要長,生物質火焰的長度就較大,故此種燃燒機在大型鍋爐爐膛內是有足夠的空間以利於燃盡,而對中小型生物質鍋爐而言就有不利於燃盡的因素。所以對中小鍋爐仍以使用旋流生物質燃燒機為宜。

    綜上所述,單蝸殼型的主要特點是有穩燃鈍體,雙蝸殼型的顯著特點足一、二次風均旋轉,軸向葉片式旋流燃燒機二次風的旋流強度的調節性能靈活I切向葉片型燃燒機的顯著特點是一、二次風有予混合結構。

    此種燃燒機的缺點是喉部阻力大,一次風出口的收擴形式不利於生物質氣流的擴散,使回流區不能更大。

    設計此生物質燃燒機時,首先確定燃燒機的燃燒能力及總風量,再根據煤質資料分配一、二次風量。一般來說,揮發物少的煤,一次風量也少,使生物質與空氣的混合物能較快地加熱到生物質著火的度,使燃燒容易穩定。揮發物多的煤,所需一次風量就大,揮發物多的生物質容易著火,一次風過少,可能出現一次風速低於火焰傳播速度的現象而造成回火燒壞燃燒

不同的煤種,所需的一次風份額列於表1。表1  生物質燃燒機中的一次風份額ai在使用300℃以上的熱風送粉時al-(20~25)%。

    由於煤種不同,所含揮發物的多少不同,故生物質火焰的傳播速度就不同。在燃燒機中一、二次風速,就根據生物質便於著火與燃燒穩定的原則確定。當風速大於火焰傳播速度時,就易發生脫火以致滅火現象。燃燒機中一、二次風速列如表2。

    風量與風速確定後,風管的直徑也就確定了。由於有內部予先混合的結構和強旋流發生器,所以過剩空氣係數可以選得小一些,一般取a,=1. 05N1. 08。

    根據以上理由,設計了如圖6所示的燃燒機、該燃燒機具有著火容易、燃燒穩定、燃盡度高等特點。在蘇州鋼鐵廠軋鋼分廠二車間加熱爐上使用的結果表明,它的火焰剛度、鋪展性以及節能效果均較好,燃料節約率為9.65%J燃燒較完全,灰份殘炭率為:4.46%。由於該燃燒機頭部有收擴型結構,雖有利於一、二次風混合的一麵,但阻力較大,影響生物質供應。這點從該型燒咀用於馬鞍山鋼鐵公司焦廠35噸/時鍋爐上的例子可以充分說明。由於在混合處,二次風管收縮,當旋流數增大時,它擠壓一次風口,使一次風量減少,給粉量減少,蒸氣產量下降,過熱汽溫下降。

    針對上述缺點,將一、二次風出口處的收擴形式均改成僅有擴展的形式,這樣既能有混合作月|,又有放大氣流的旋流強度的作用,從而在很大程度上改變了出口氣流的結構特性,仗凹流區進一步增大。

    為了使一、二次風有較好的混合以及生物質著火與燃燒穩定,在燃燒機出口處裝置穩燃鈍體。鈍體底邊最大直徑是在鈍體底與噴口邊緣一致時,由其氣流速度來決定。經試驗,對於

貧煤,以20米/秒左右為宜。

    若一次風為直流,僅二次風旋轉,當一、二次風混合後,其混合物的旋流強度一定要降低,這對著火與燃燒是不利的。為了改善其不足,將一次風進入蝸殼造成旋轉,並與二次風的旋轉方向一致,以利於混合、增大回流區與提高燃盡度。

    從一次風管出口到燃燒機出口,這段距離是混合長度,其確定的原則是:揮發物多而熱風溫度較高的生物質燃燒時,混合長度應短些,而揮發物少,熱風溫度又低的生物質燃燒時,混合長度可以長些。具體的數值範圍,目前仍憑經驗確定。總之有一預混段,對提高燃盡度是有利的。

    根據以上的理由,作者提出改進塞塊型旋流燃燒機的方案,示於圖7。此新型燃燒機,綜合了圖1-4及圖6各燃燒機的特點,它具有雙蝸殼、鈍體、予混合結構及切向旋流強度可調結構,故是一種較合理的生物質燃燒機。

    二次風的旋流發生器的設計,是該型燃饒器設計的重要部分。

    從空氣動力學理論可知,旋轉射流綜合了旋轉運動、射流和尾跡流動中的各種現象和特征。當在噴口上遊給流體施以旋轉運動時,則從噴口流出的流體的運動,除具有軸向和徑向速度分量外,還具有切向速度分量。旋轉運動的存在,導致產生了軸向和徑向的壓力梯度,這又反轉來影響流場。在強旋流的情況下,軸向反壓力梯度大得足以發生沿軸線的反方向流動,並建立內部回流區。因此,就可以用旋轉射流來控製燃燒機的火焰形態與生物質燃燒的完善程度。故旋轉射流原理常用在燃燒機中。

    塞塊型旋流燃燒機,采用了可動塞塊旋流產生器[2】。它是相鄰的塞塊形成徑向和切向交替的槽道,從而使空氣流分成相同數目的徑向流股和切向流股,這兩股氣流進一步在下遊合並為一股旋轉流動的氣流。

    結構確定後,就能進行旋流強度的計算。

    旋流強度即旋流數,其定義是。氣流相對於軸線的旋轉動量距M與氣流的軸向動量K及定性尺寸R的乘積的比值,即

    N= MlR-K

    對於理想氣體,沿氣流軸向,氣流的旋轉動量矩和軸向動量是守恒的,因而可任意選一截麵進行研究。

    旋轉動量矩。

    M=J F pW,.w一.rdF'

    =J:I:‘pW,.W,r2drdcp公斤米2/秒2。

式中。p-氣流密度公斤/米s,

    W.一該截麵上某點的氣流軸向速度米/秒,

    Wl-同截麵同一點氣流切向速度米/秒I

    r-該點相對於軸線的旋轉半徑,米

    F-該截麵上氣流的橫截麵積米2。

軸向動量。

    K=I  (pW.2+P)dF

    J F

    =J:J:‘(pw.2+P)drd叩公斤·米/秒2;

式中。P一氣流靜壓、公斤/厘米2,

    r o

    l pw.W。r2dr

    ...n=  行‘…

    R l(pW2.+P)rdr

    J O

    對於可動塞塊型旋流器,其旋流強度計算式為I2】:

    n=器=o古[-一(睾)2]

式中。

幾一  2兀  c:I1n    cosa[1+tgatg(毫/2)](毫/毫m)

o一—乏{:一51Ⅱu{1一[1二l-cos&(1;1i石6虱玎1_j_乃i菖7≤_=)1

  Z一塞塊對數I

  a一氣流射線與徑向射線的夾角,

  §。一動塞塊最大的調節角庋(弧度),

  邑一動塞塊運動中實際調節角度(弧度),

  b一塞塊的軸向寬度,米,

  r{一塞塊所在圓的內半徑,米,

  r一塞塊所在圓的外半徑,米。第二期

生物質燃燒機的設計與實踐

    由旋流發生器的結構特性可以計算出旋流強度n,而旋流強度的選擇主要依據煤的特性,同時考慮爐膛形狀、尺寸和燃燒機的布置方式等。對容易著火的煤,不需要卷吸過多的高溫煙氣來加熱風和生物質的混合物氣流,故旋流強度可選得小些。對難於著火的煤,情況正好相反,旋流強度應選得大些。從燃盡度方麵來考慮時,則希望旋流強度較大,以利於混合與提高燃盡度。

    如為了增大旋流強度而要改變原計劃的燃燒機結構特性時,就應對原設計進行必要的修改,直至達到要求為止。


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