達冠生物質顆粒燃燒機的設計與實踐

文中敘述了生物燃燒機的種類，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。后，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(shù)k與反應物質的種類以及反應溫度T (K)有密切關系，并可表示如下tk= koe-EtRT式中 ko--個與反應物質的性質有關的系數(shù)。稱為頻率因子。

R-通用氣體常數(shù)。

E-活化能。

顯然，e-E/RT這個函數(shù)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(qū)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(qū)與助燃空氣的予熱，則是確保燃燒區(qū)有足夠高溫度的條件。這就是設計燃燒機的基本理論依據(jù)。 在以煤為主，以煤代油，開源與節(jié)約并重的能源政策影響下，工業(yè)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(yōu)點。

根據(jù)燃燒理論和我國的能源政策，設計新型的生物燃燒機很有必要。

生物質燃燒技術，發(fā)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(qū)，使燃燒穩(wěn)定。二次風是通過蝸殼來產(chǎn)生旋流的。此旋轉氣流對回流區(qū)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(jié)。簡啦結構示于圖2。由于此燒咀出口氣流的前期混合較強烈，因此多用于燃燒煙煤和褐煤。

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。軸向葉片裝于軸向葉輪上。葉輪上裝有拉桿，軸向移動拉桿，便可調節(jié)葉輪在二次風遭內的位置。簡單結構示于圖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(chǎn)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(jié)氣流的旋流強度。其簡單結構示于圖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(jù)不同燃料控制二次風混入的遲早，以滿足不同燃料對混合的不同要求，改善燃盡程度。由于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于燃盡，而對中小型生物質鍋爐而言就有不利于燃盡的因素。所以對中小鍋爐仍以使用旋流生物燃燒機為宜。

綜上所述，單蝸殼型的主要特點是有穩(wěn)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(jié)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于生物質氣流的擴散，使回流區(qū)不能更大。

設計此生物燃燒機時，首先確定燃燒機的燃燒能力及總風量，再根據(jù)煤質資料分配一、二次風量。一般來說，揮發(fā)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(wěn)定。揮發(fā)物多的煤，所需一次風量就大，揮發(fā)物多的生物質容易著火，一次風過少，可能出現(xiàn)一次風速低于火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊默F(xiàn)象而造成回火燒壞燃燒

不同的煤種，所需的一次風份額列于表1。表1 生物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)%。

由于煤種不同，所含揮發(fā)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(jù)生物質便于著火與燃燒穩(wěn)定的原則確定。當風速大于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，就易發(fā)生脫火以致滅火現(xiàn)象。燃燒機中一、二次風速列如表2。

風量與風速確定后，風管的直徑也就確定了。由于有內部予先混合的結構和強旋流發(fā)生器，所以過?？諝庀禂?shù)可以選得小一些，一般取a，=1. 05N1. 08。

根據(jù)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(wěn)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(jié)能效果均較好，燃料節(jié)約率為9.65%J燃燒較完全，灰份殘?zhí)柯蕿椋?.46%。由于該燃燒機頭部有收擴型結構，雖有利于一、二次風混合的一面，但阻力較大，影響生物質供應。這點從該型燒咀用于馬鞍山鋼鐵公司焦廠35噸／時鍋爐上的例子可以充分說明。由于在混合處，二次風管收縮，當旋流數(shù)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(chǎn)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(qū)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(wěn)定，在燃燒機出口處裝置穩(wěn)燃鈍體。鈍體底邊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(jīng)試驗，對于

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、二次風混合后，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，并與二次風的旋轉方向一致，以利于混合、增大回流區(qū)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(fā)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(fā)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(shù)值范圍，目前仍憑經(jīng)驗確定。總之有一預混段，對提高燃盡度是有利的。

根據(jù)以上的理由，作者提出改進塞塊型旋流燃燒機的方案，示于圖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燃燒機。

二次風的旋流發(fā)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(xiàn)象和特征。當在噴口上游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(chǎn)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(fā)生沿軸線的反方向流動，并建立內部回流區(qū)。因此，就可以用旋轉射流來控制燃燒機的火焰形態(tài)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(chǎn)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(shù)目的徑向流股和切向流股，這兩股氣流進一步在下游合并為一股旋轉流動的氣流。

結構確定后，就能進行旋流強度的計算。

旋流強度即旋流數(shù)，其定義是。氣流相對于軸線的旋轉動量距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

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

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．一該截面上某點的氣流軸向速度米／秒，

Wl-同截面同一點氣流切向速度米／秒I

r-該點相對于軸線的旋轉半徑，米

F-該截面上氣流的橫截面積米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

對于可動塞塊型旋流器，其旋流強度計算式為I2】：

n=器=o古[-一（睪）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(shù)I

a一氣流射線與徑向射線的夾角，

§。一動塞塊的調節(jié)角庋（弧度），

邑一動塞塊運動中實際調節(jié)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

生物燃燒機的設計與實踐

由旋流發(fā)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(jù)煤的特性，