旋流預混合生物質燃燒機基本性能的冷態試驗研究
摘要：針對多聯產系統中熱值較低、成份可變的弛放氣和粗生物質氣的燃燒利用，設計了可調旋流強度預混合生物質燃燒機來獲得弛放氣和粗生物質氣的高效、低污染穩定燃燒，利用電子微壓計和熱線風速儀分別對影響生物質燃燒機阻力特性及噴口旋流強度的各個因素進行了冷態試驗研究，得到了各種因素對旋流生物質燃燒機基本性能的影響規律，結果表明：對于30。、45。、60。傾角的旋流葉片，生物質燃燒機進入第二自模化區的臨界雷諾數為11000，對應的阻力系數分別為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，
  似生物質氣化為核心的多聯產系統是將資源、能源和環境一體化考慮的系統，是我國可持續發展能源的重要組成部分【1]．國家中長期科技發展規劃研究提出，“將多聯產技術作為能源科技發展的戰略重點方向之一”[2]．以氣化生物質氣與熱解生物質氣共制合成氣的系統是一種新型的多聯產系統‘3_1，在這種系統中，化工過程中產生的弛放氣和剩余粗生物質氣，將被當作燃料氣投入到燃氣一蒸汽聯合循環系統中來發電，而在這種多聯產系統中，燃氣發電存在以下問題：(1)弛放氣及粗生物質氣的成分會因系統運行狀況變化導致其熱值不穩定；(2)弛放氣及粗生物質氣的壓力、溫度和流量等參數因隨系統運行狀況變化，最終進入燃氣輪機的燃料配比也會發生變化，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氣的高效低污染穩定燃燒，相比直流生物質燃燒機，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，它比直流式生物質燃燒機擁有前期混合強烈、火焰充滿度好等優點邵_10]．筆者對可調旋流強度的旋流預混合生物質燃燒機的基本性能進行了冷態試驗研究為熱態試驗提供了理論基礎．
1試驗系統與研究內容
  圖1為可調旋流強度預混合生物質燃燒機的示意圖，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動旦，由噴口噴出進入燃燒室燃燒，
  經過理論分析，旋流葉片和然燒器的阻力系數與通過旋流葉片的氣體流態、旋流葉片所處位置及芯管所處位置有關，而可能影響生物質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，
  試驗分為旋流葉片及生物質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來表示，燃料氣按CH4計算，理論空氣量為9.5238ITI3l}1.
2 結果與分析
2.1旋流葉片及生物質燃燒機的阻力特性
  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與噴口雷諾數之間的關系曲線，進而確定進入第二自模化區的臨介雷諾數，雷諾數Re、歐控準則數Eu及阻力系數∈的計算公式如下，式中：V為生物質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燃燒機的阻力系數與雷諾數關系曲線見圖2和圖3．由圖2可知，450傾角旋流葉片阻力系數比30”旋流葉片略有增加，60。傾角旋流葉片阻力系數增加較大，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，葉片的阻力系數和歐拉準則數不再隨Re變化了，它表明Re己達到臨界值，這時氣流運動狀態進入了第二自模化區，對于30。、45。、60。傾角旋流葉片，第二自模化區臨界雷諾數尺臼i一12000，此時對應的阻力系數分別為0.033、0.077、0.207.由圖3可知，隨著旋流葉片的傾角增大，燃嬈器的阻力系數增加，對于30。、45。、60”傾角旋流葉片，生物質燃燒機進入第二自模化區的臨界雷諾數Ra．-11 000，此時對應的阻力系數分別為0.209.0.269.0.428．
  圖4給出了在30”傾角旋流葉片下，改變三z得到的生物質燃燒機阻力特性曲線，可以看出，當芯管往縮口伸進3mm之后，生物質燃燒機進入第二自模化區的臨界雷諾數Roj=10000，此時生物質燃燒機的阻力系數增大到.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a-的關系曲線，結果表明，噴口旋流強度廳在誤差范圍內是不隨一次過量空氣系數∞的變化而變化的，這是因為隨著一次過量空氣系數的增加，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，可調性能愈好，試驗測量結果發現，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改變而變化的，所以將只是一次風過量空氣系數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，當旋轉氣流通過芯管的頂端進入到圓形空間之后，按旋轉動量矩守恒原理，旋轉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，這是由于旋轉氣流由環形擴展為均勻的圓形旋轉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，不足以使這部分環狀的旋轉氣流擴展成為均勻圓柱狀的旋轉氣流，隨著三z的加大，圓形空間體積增大，環狀的旋轉氣流有充足的空間擴展成為均勻圓柱狀的旋轉氣流，所以出現隨著三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的試驗結果表明，當/z≥0.25～0.5時，噴口處旋流強度基本不變，
3結論
  (1)旋流葉片的阻力系數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比30。旋流葉片略有增加，而60。傾角旋流葉片阻力系數幾乎成倍增大，不同傾角的旋流葉片，當Re≥11000時，氣流在此生物質燃燒機的流動進入第二自模化區，此時對應的阻力系數分別為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，生物質燃燒機的阻力系數增大到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值本研究中發現上z≥0.25～0.5，噴口處氣體旋流強度不再隨/2而變化．
4結論
  幾年來通過鍋爐、冶金、制管等行業的共同努力，SUPER304H鋼管的國產化進程已取得可喜成績，但要完全掌握其關鍵工藝的特性和原理，實現大批量生產和使用，還需做更加深入的研究工作，