达冠生物质颗粒燃烧机的设计与实践

文中叙述了生物燃烧机的种类，总结了它们的特性和设计步骤，详细介绍了旋流燃烧机的使用效益。后，作者提出了旋流燃烧机的改进途径。

燃烧是强烈的化学反应过程，遵循阿仑尼乌斯定律，其反应速度常数k与反应物质的种类以及反应温度T (K)有密切关系，并可表示如下tk= koe-EtRT式中 ko--个与反应物质的性质有关的系数。称为频率因子。

R-通用气体常数。

E-活化能。

显然，e-E/RT这个函数决定了化学反应速度将随温度的提高而剧烈增大的趋向。一般说来，在室温附近，当温度升高10。时，化学反应速度约加大到二至四倍，而当反应温度增加一，二倍时，化反应速度却成千上万倍地增加。因此，在设计燃烧机时，确保燃烧区有足够高的温度水平（一般要求超过1000℃），则是强化燃烧过程的一项重要措施。充分的回流区与助燃空气的予热，则是确保燃烧区有足够高温度的条件。这就是设计燃烧机的基本理论依据。 在以煤为主，以煤代油，开源与节约并重的能源政策影响下，工业炉窑直接用煤作燃料者甚为普遍，其燃烧方式有两种：一种是煤块层状燃烧，另一种是生物质悬浮燃烧。从燃烧理论角度未看，当然生物质悬浮燃烧较煤块层状燃烧为佳。它具有燃烧充分，燃烧速度快，火焰中心温度高等优点。

根据燃烧理论和我国的能源政策，设计新型的生物燃烧机很有必要。

生物质燃烧技术，发展得较早的是电站生物质锅炉，它的燃烧机可分为以下五种。

1．单蜗壳型旋流燃烧机

这种燃烧机的一次风是借喷口处的钝体使气流扩展、形成可靠的回流区，使燃烧稳定。二次风是通过蜗壳来产生旋流的。此旋转气流对回流区的增大有利。利用烟煤、贫煤和无烟煤时，钝体锥角分别为60。、90 0、l200【6】。

2．双蛔亮型旋流燃烧嚣

这种燃烧机的一、二次风都旋转，是通过各自的蜗壳而形成旋转流动的，一、二次风的旋流强度都可以用入口的舌形挡板来州节。简啦结构示于图2。由于此烧咀出口气流的前期混合较强烈，因此多用于燃烧烟煤和褐煤。

这种燃烧机的一次风气流为直流或弱旋转射流，二次风气流通过轴向叶片的倾斜角来造成旋转。轴向叶片装于轴向叶轮上。叶轮上装有拉杆，轴向移动拉杆，便可调节叶轮在二次风遭内的位置。简单结构示于图3。

4．切向叶片型旋流燃烧机

这种燃烧机的一次风气流为直流或弱旋流射流，二次风气流通过切向叶片旋流器而产生旋转。一般切向叶片做成可调式，改变叶片的倾斜角即可调节气流的旋流强度。其简单结构示于图4。此种燃烧器的出口部分有明显的预混段，使一次风气流在燃烧机出口前预先与二次风混合，对提高燃尽度是有良好影响的，但在某种程度内减弱了气流的旋流强度。

5．直流式燃烧机

这种燃烧机布置在炉膛四角，燃烧机喷口中心线与炉膛中心一个假想圆相切，见图5。燃烧时，一、二、三次风直吹入炉膛，在炉内形成旋转的气柱。我们把这种燃烧方式称为切圆燃烧。

直流式燃烧机组织切圆燃烧时，生物质气流的着火除了射流本身卷吸高温烟气的作用外，还靠邻角火焰的相互点燃，而且可以根据不同燃料控制二次风混入的迟早，以满足不同燃料对混合的不同要求，改善燃尽程度。由于生物质燃尽的时间较油、气燃料燃尽的时间要长，生物质火焰的长度就较大，故此种燃烧机在大型锅炉炉膛内是有足够的空间以利于燃尽，而对中小型生物质锅炉而言就有不利于燃尽的因素。所以对中小锅炉仍以使用旋流生物燃烧机为宜。

综上所述，单蜗壳型的主要特点是有稳燃钝体，双蜗壳型的显著特点足一、二次风均旋转，轴向叶片式旋流燃烧机二次风的旋流强度的调节性能灵活I切向叶片型燃烧机的显著特点是一、二次风有予混合结构。

此种燃烧机的缺点是喉部阻力大，一次风出口的收扩形式不利于生物质气流的扩散，使回流区不能更大。

设计此生物燃烧机时，首先确定燃烧机的燃烧能力及总风量，再根据煤质资料分配一、二次风量。一般来说，挥发物少的煤，一次风量也少，使生物质与空气的混合物能较快地加热到生物质着火的度，使燃烧容易稳定。挥发物多的煤，所需一次风量就大，挥发物多的生物质容易着火，一次风过少，可能出现一次风速低于火焰传播速度的现象而造成回火烧坏燃烧

不同的煤种，所需的一次风份额列于表1。表1 生物燃烧机中的一次风份额ai在使用300℃以上的热风送粉时al-(20～25)%。

由于煤种不同，所含挥发物的多少不同，故生物质火焰的传播速度就不同。在燃烧机中一、二次风速，就根据生物质便于着火与燃烧稳定的原则确定。当风速大于火焰传播速度时，就易发生脱火以致灭火现象。燃烧机中一、二次风速列如表2。

风量与风速确定后，风管的直径也就确定了。由于有内部予先混合的结构和强旋流发生器，所以过剩空气系数可以选得小一些，一般取a，=1. 05N1. 08。

根据以上理由，设计了如图6所示的燃烧机、该燃烧机具有着火容易、燃烧稳定、燃尽度高等特点。在苏州钢铁厂轧钢分厂二车间加热炉上使用的结果表明，它的火焰刚度、铺展性以及节能效果均较好，燃料节约率为9.65%J燃烧较完全，灰份残炭率为：4.46%。由于该燃烧机头部有收扩型结构，虽有利于一、二次风混合的一面，但阻力较大，影响生物质供应。这点从该型烧咀用于马鞍山钢铁公司焦厂35吨／时锅炉上的例子可以充分说明。由于在混合处，二次风管收缩，当旋流数增大时，它挤压一次风口，使一次风量减少，给粉量减少，蒸气产量下降，过热汽温下降。

针对上述缺点，将一、二次风出口处的收扩形式均改成仅有扩展的形式，这样既能有混合作月|，又有放大气流的旋流强度的作用，从而在很大程度上改变了出口气流的结构特性，仗凹流区进一步增大。

为了使一、二次风有较好的混合以及生物质着火与燃烧稳定，在燃烧机出口处装置稳燃钝体。钝体底边直径是在钝体底与喷口边缘一致时，由其气流速度来决定。经试验，对于

贫煤，以20米／秒左右为宜。

若一次风为直流，仅二次风旋转，当一、二次风混合后，其混合物的旋流强度一定要降低，这对着火与燃烧是不利的。为了改善其不足，将一次风进入蜗壳造成旋转，并与二次风的旋转方向一致，以利于混合、增大回流区与提高燃尽度。

从一次风管出口到燃烧机出口，这段距离是混合长度，其确定的原则是：挥发物多而热风温度较高的生物质燃烧时，混合长度应短些，而挥发物少，热风温度又低的生物质燃烧时，混合长度可以长些。具体的数值范围，目前仍凭经验确定。总之有一预混段，对提高燃尽度是有利的。

根据以上的理由，作者提出改进塞块型旋流燃烧机的方案，示于图7。此新型燃烧机，综合了图1-4及图6各燃烧机的特点，它具有双蜗壳、钝体、予混合结构及切向旋流强度可调结构，故是一种较合理的生物燃烧机。

二次风的旋流发生器的设计，是该型燃饶器设计的重要部分。

从空气动力学理论可知，旋转射流综合了旋转运动、射流和尾迹流动中的各种现象和特征。当在喷口上游给流体施以旋转运动时，则从喷口流出的流体的运动，除具有轴向和径向速度分量外，还具有切向速度分量。旋转运动的存在，导致产生了轴向和径向的压力梯度，这又反转来影响流场。在强旋流的情况下，轴向反压力梯度大得足以发生沿轴线的反方向流动，并建立内部回流区。因此，就可以用旋转射流来控制燃烧机的火焰形态与生物质燃烧的完善程度。故旋转射流原理常用在燃烧机中。

塞块型旋流燃烧机，采用了可动塞块旋流产生器[2】。它是相邻的塞块形成径向和切向交替的槽道，从而使空气流分成相同数目的径向流股和切向流股，这两股气流进一步在下游合并为一股旋转流动的气流。

结构确定后，就能进行旋流强度的计算。

旋流强度即旋流数，其定义是。气流相对于轴线的旋转动量距M与气流的轴向动量K及定性尺寸R的乘积的比值，即

N= MlR-K

对于理想气体，沿气流轴向，气流的旋转动量矩和轴向动量是守恒的，因而可任意选一截面进行研究。

旋转动量矩。

M=J F pW,．w一．rdF'

=J：I：‘pW,.W,r2drdcp公斤米2／秒2。

式中。p-气流密度公斤／米s，

W．一该截面上某点的气流轴向速度米／秒，

Wl-同截面同一点气流切向速度米／秒I

r-该点相对于轴线的旋转半径，米

F-该截面上气流的横截面积米2。

轴向动量。

K=I (pW．2+P)dF

J F

=J：J：‘(pw．2+P)drd叩公斤·米／秒2；

式中。P一气流静压、公斤／厘米2，

r o

l pw．W。r2dr

．．．n= 行‘…

R l(pW2．+P)rdr

J O

对于可动塞块型旋流器，其旋流强度计算式为I2】：

n=器=o古[-一（睾）2]

式中。

几一 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一塞块对数I

a一气流射线与径向射线的夹角，

§。一动塞块的调节角庋（弧度），

邑一动塞块运动中实际调节角度（弧度），

b一塞块的轴向宽度，米，

r{一塞块所在圆的内半径，米，

r一塞块所在圆的外半径，米。第二期

生物燃烧机的设计与实践

由旋流发生器的结构特性可以计算出旋流强度n，而旋流强度的选择主要依据煤的特性，