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蒸汽锅炉煤粉燃烧火焰的稳定性

发布时间:2020-2-21

复杂的蒸汽锅炉煤粉火焰稳定问题和单相预混可燃气流的火焰稳定分析有很大的不同。因为蒸汽锅炉煤粉火焰是极为复杂的带悬浮颗粒的气固两相流燃烧过程,煤粉火焰稳定问题必然要涉及两相流中不同粒径的煤粉颗粒浓度分布、温度分布和气体成分分布,所得到的结论和单相预混可燃气体的火焰稳定问题不同。

    为了使蒸汽锅炉煤粉火焰能保持稳定燃烧不致熄灭,应该致力于在煤粉气流中形成局部的高煤粉浓度、高温和较高氧浓度的着火有利区。对于体积不大面且蒸汽锅炉煤粉气流作受限流动的预燃室,为了使煤粉火焰稳定,不应单纯追求气流中央具有更大尺寸的回流区,因为这个原则只适用于保持可燃预混合气体在大空间燃烧室中火焰的稳定,而最重要的是要致力于组织好煤粉气流燃烧工况,使煤粉颗粒和运送它的空气在燃烧室中适当的地区能有所分离,使得煤粉因合理地分离开运载空气而在某个区域集中以形成局部的高煤粉浓度区,同时使这里的煤粉快速升温、迅速地热裂解和析出挥发物,并和较高浓度的氧气进行湍流混合,而形成局部的可燃混合气体着火有利区。总之,蒸汽锅炉煤粉火焰稳定的关键就在于组织煤粉气流能形成这样的局部高煤粉浓度和高温的着火有利区。更为理想的煤粉燃烧过程是在着火有利区中使煤粉的局部高煤粉浓度和高温的着火有利区。更为理想的煤粉燃烧过程是在着火有利区中使煤粉气流稳定着火后,已开始剧烈燃烧反应的煤粉颗粒又和足够的空气逐步按需要进行充分、及时的湍流混合。

1.蒸汽锅炉湍流射流混合与传质的基本规律:

   一次风与二次风之间的湍流混合和传质,属于平行射流理论的范畴。湍流的本质是流体参数的脉动。在各种湍流理论中,普朗特的理论,纵向速度脉动wx和横向速度脉动wy有相同的数量级,速度脉动值

w决定于速度梯度和横向尺寸L。

    横向尺度L是普朗特理论中最基本的特征参数。L愈大,则由于横向脉动引起的流体微团的横向转移距离愈长,湍流混合的边界层区愈宽大。在湍流自由射流的各横断面上,L可以作为一个常数来处理。随着射流不断向前发展,射流混合边界厚度及各断面上的混合长度L都随轴向距离按比例增长。

    这是因为速度脉动是一个随机量,方向是随时变化的,时正时负,当W1与W2出现异号时,对其乖积进行时均计算处理就会相消而减小,所以总是小于或等于。R=1的情况说明,射流中1、2两点是处在同一个流团的旋涡之中,因此它们的速度脉动在性质上是完全一致的,是密切相关的,相反,当R接近或等于0时,1、2两点已不处于同一流体微团的旋涡之中,两者已完全无关了。从这个意义上讲,相关系数R与混合长度L是两个有关联但又完全不同的概念。通常,R小,则具有同一脉动特征的流体微团的旋涡尺寸也小;反之,R大,湍流旋涡具有更大的尺寸,波及和影响的范围大。但是湍流混合并未达到完全充分而强烈的程度。

    在湍流流动中,动量、热量和质量的传递,是由于流体参数的脉动引起微团旋涡转移的结果。所以,我们常用湍流粘性或湍流附加切应力来反映湍流混合的特性。设有平均速度分别为W1和W2、密度分别为P1和P2的两股不等密度平行射流,它们间的湍流切应力o是由速度脉动W1和W2引起的。

    湍流混合的强弱决定于两平行射流的动压比。理论分析和实验都证明,两平行射流间的动压差是湍流扩散的动力平源。动压相差愈大,则流体微团可以在更大的尺度范围内进行湍流扩散。此时,混合边界层愈偏于动压小的射流一侧。当两平行射流的动压值接近相等时,由动压差引起的湍流扩散将显著减小到十分微弱的程度。这时,平行射流间进行湍流扩散只能靠湍流本身所具有的原始湍动来维持了,在组织煤粉燃烧时,可以利用大动压差使大块流体微团在远大于层流火焰锋面厚度的尺寸范围内进行、蒸汽锅炉热量和质量的传递,这种湍流称为大尺度湍动。蒸汽锅炉煤粉、空气混合物(即一次风)实现稳定着火所必需的着火热量,以及焦炭燃烧阶段所必需的氧化物质的长距离输运,主要都是靠大尺度湍动迁移来实现的。

    决定湍流混合强弱的另一个重要的物理量,是射流本身的动压头中的。它的大小直接反映了射流本身所具有的湍流混合的能力,它是射流内部进行动量、热量和质量传递的动力源。一般说来,靠射流自身湍动的流体微团尺度范围比较小,总是小于层流火焰锋面的厚度。所以又称为小尺度湍动。从燃烧学可知,当射流出口雷诺数时,小尺度湍动引起的火焰锋面上湍流火焰传播速度与成正比。

    尽管大尺度湍动对动量、热量和质量传递的作用很大,但是小尺度湍动在组织蒸汽锅炉煤粉燃烧过程中也是不可缺少的。在大尺度湍动的流体微团中,由于煤粉和空气一起。

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