百叶窗煤粉浓缩器两相流场速度分布的实验研究

第30卷第26期中国电机工程学报Vol.30No.26Sep.15,20102010年9月15日ProceedingsoftheCSEE©2010Chin.Soc.forElec.Eng.75文章编号：0258-8013(2010)26-0075-07中图分类号：TK16文献标志码：A学科分类号：470·20百叶窗煤粉浓缩器两相流场速度分布的实验研究管晓艳，孙绍增，郝伟，陈力哲，王正阳，孙锐(哈尔滨工业大学燃烧工程研究所，黑龙江省哈尔滨市150001)ExperimentalStudyonVelocityDistributionoftheGas-SolidTwoPhaseFlowinaLouverCoalConcentratorGUANXiaoyan,SUNShaozeng,HAOWei,CHENLizhe,WANGZhengyang,SUNRui(ResearchInstituteofCombustionEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,HeilongjiangProvince,China)ABSTRACT:Asakeypartofthehorizontalbiascombustion(HBC)technology,thelouvercoalconcentratorhasbeendevelopedandsuccessfullyappliedtomanylarge-scaleutilityboilers.Thegas-solidtwophaseflowwasinvestigatedusingparticledynamicsanalyzer(PDA)tostudythegas/solidseparationmechanisminalouvercoalconcentrator.Gas-solidtwophasefieldintypicalsections,nearthebladesurfaceandfuel-richsideexitofthelouvercoalconcentratorwereobtained.Theresultsshowthattheparticleconcentrateinthelouvercoalconcentratorduetothecollisionbetweenparticlesandthebladenearthebladesurfaceaswellasgas-solidvelocityslipbetweentwoblades.Bladesconcentrateparticlesnearthebladeandinfluencelittleinthezonesawayfromblades.Theerosionwallareainfuel-richsideexistsbetweenthelastbladeto0.7a(“a”isthewidthofthelouvercoalconcentration)awayfromitandanti-erosionmeasuresshouldbeconsideredinapplication.KEYWORDS:louver;coalconcentrator;gas-solidtwophaseflow;experiment摘要：百叶窗煤粉浓缩器作为水平浓淡燃烧技术的关键部件已在电站锅炉中得到了广泛应用。为深入研究百叶窗煤粉浓缩器的气固分离机制，采用粒子动态分析仪(particledynamicsanalyzer，PDA)对百叶窗煤粉浓缩器内气固两相流动进行了测量，获得了浓缩器典型截面区域、叶片表面附近及浓侧出口区域的流场分布。实验结果表明，叶片表面附近颗粒与叶片的碰撞反弹及两级叶片之间的气固速度滑移是形成浓缩器内颗粒浓缩的本质所在；叶片只浓缩叶片附近区域的颗粒，而对远离叶片的浓侧区域则影响较小；浓侧壁面磨损区域主要发生在末级叶片喉口到距喉口0.7a(a基金项目：国家863高技术基金项目(2007AA05Z336)。TheNationalHighTechnologyResearchandDevelopmentofChina863Program(2007AA05Z336)．为浓缩器的宽度)范围内，在浓缩器的应用中需考虑此处的防磨措施。关键词：百叶窗；煤粉浓缩器；气固两相流动；实验0引言为了在燃用劣质煤时提高锅炉的燃烧效率和降低NOx排放，同时解决火焰的稳定性、结渣及炉膛水冷壁管的高温腐蚀问题，哈尔滨工业大学提出了水平浓淡煤粉燃烧技术[1-4]。作为该技术的核心部件，百叶窗煤粉浓缩器已经广泛应用到电站锅炉中。百叶窗浓缩器的工作原理如图1所示。一次风煤粉气流进入浓缩器后，在叶片的作用下，被分成浓度不同的2股气流。通过调整叶片的排列来调整叶片两侧的煤粉浓度，从而满足不同的需求。百叶窗浓缩器最重要的性能指标是浓淡风比、浓缩比和阻力损失系数，具体定义见文献[5]。关于百叶窗浓缩器的研究已有近20年的历史，积累了丰富的理论和实践经验[6-13]。在百叶窗浓缩器的气固流动研究方面，范卫东等[10]首次利用二维相位多普勒粒子分析仪(phaseDopplerparticleanalyzer，PDPA)测量了百叶窗浓缩器内气固两相流动特性，其中浓缩器宽度为80mm，所用物料玻璃微珠平均粒径50μm，每个测点采集5000个粒子，浓度较高的点测量时间为1s左右。实验获得了浓缩器典型截面上气固流动参数的分布特点，指出颗粒的惯性碰撞浓缩行为是浓缩器中的主要浓缩作用；为获得高的浓缩效果，应尽量把高浓度粉区的颗粒输送到远离叶片的浓侧区域。本文在总结已有研究成果的基础上，设计二维百叶窗浓缩器冷态模化实验台并采用粒子动态分析仪(particledynamicsanalyzer，PDA)对浓缩器内的76中国电机工程学报第30卷第1级叶片第3级叶片第2级叶片第4级叶片分流挡板浓侧出口测量区浓侧出口淡侧出口KJIHGFEDCBA987654323zxya入口来流叶片表面测量区bybxb30mm5mm1—x=0mm；2—x=100mm；3—x=140mm；4—x=220mm；5—x=260mm；6—x=340mm；7—x=380mm；8—x=460mm；9—x=740mm；A—x=445mm；B—x=465mm；C—x=485mm；D—x=505mm；E—x=525mm；F—x=545mm；G—x=565mm；H—x=585mm；I—x=625mm；J—x=665mm；K—x=740mm。图1百叶窗煤粉浓缩器结构示意图Fig.1Schematicdiagramofthelouvercoalconcentrator气固流动进行了详细测量，着重测量了浓缩器典型截面、叶片表面附近及浓侧出口区域的流动特性。实验结果为分析百叶窗浓缩器的气固分离机制提供了理论依据。1实验系统及测量方法1.1实验系统百叶窗浓缩器气固两相实验系统如图2所示。实验用物料为玻璃微珠，密度为2500kg/m3。采用英国马尔文公司生产的Mastersizer-2000粒度分析仪(精度为1%)测得的粒径分布如图3所示，平均粒径约为30μm。实验台按照模化比1:2.67设计，模1234567891—入口稳定段；2—百叶窗浓缩器实验段；3—出口稳定段；4—引风机；5—旋风除尘器；6—集粉罐；7—星形下料阀；8—螺旋给料机；9—风量测点。图2百叶窗煤粉浓缩器PDA实验系统图Fig.2SchematicdiagramofthelouvercoalconcentratorPDAexperimentsystem颗粒粒径D/μm体积份额/%004812306090图3玻璃微珠粒径分布Fig.3Particlediameterdistributions型与实物的斯托克斯数St分别为0.759和0.734。模化实验台可以反映实际应用中浓缩器内平均粒径51μm煤粉颗粒的流动特性。实验用风源由引风机提供，通过变频器调节风机转数，进而控制实验用风量。总风量通过差压传感器(精度为0.5%)实时监测。百叶窗浓缩器实验段主体及叶片部分均为玻璃结构，采用福泰光固化胶粘剂UV-5028(俗称无影胶)粘接，保证了实验段结构尺寸的精确性及系统的密封性。为减少流通截面变化对流动的影响，分别加装1.8m长的入口稳定段、0.3m长的出口稳定段。百叶窗浓缩器内的流动近似为二维流动[5]，因此在本文中不考虑气流在z方向的扩散。设计时，浓缩器厚度(z向)为0.04m，宽度a为0.15m。1.2实验参数及测点布置实验中，浓缩器入口风速u0为20m/s，给粉浓度为0.1kg/kg。实验测点均布置在浓缩器中截面上，如图1所示。截面1~9及截面A~K上，测点在y向间隔为5mm。在叶片表面测量区，各截面在yb方向间距为5mm，每个截面上测点间隔为4mm。1.3实验测量仪器及精度百叶窗浓缩器内气固两相流场的测量采用丹麦Dantec公司研制的PDPA测试系统。该系统可实现颗粒的三维速度、粒径和浓度的同时测量，具有较高的精度和空间分辨率，且无需标定，是一种非接触式测量技术，速度测量的精度可达1%。在PDPA测量系统信号的接收方式上，前向接收相比后向接收可以获得最强的信号和最好的信噪比，因此实验中采用前向接收方式，散射角为24.5°。测量过程中，浓度较高的区域采集粒子速度很快，有的甚至平均1s左右就可以采集几千个粒子，实验中两相流动的脉动势必会影响采集数据的准确性。为了获得合理的采集数据，本文在实验中通过增加采集粒子数来减弱脉动的影响。在截面1~9第26期管晓艳等：百叶窗煤粉浓缩器两相流场速度分布的实验研究77及截面A~K上设定采集粒子数为20000个，在叶片表面测量区设定采集粒子数为60000个。这样，即便是浓度较高的区域，采集时间也可以保证在10s以上。而对于布置在浓缩器淡测区域的测点，颗粒浓度较小，要采集到20000个粒子是不现实的，实验中采集2min，可以保证该区域测点采集的粒子数一般均不少于2000个。2实验结果及分析2.1典型截面区域速度分布截面1~9上各测点在y向的位置坐标无因次化后以y/a表示，x向、y向的时均速度无因次化分别以u/u0、v/u0表示，x向、y向脉动速度大小以urms、vrms表示。实验中，以0~5μm的颗粒示踪气相，以10~80μm的颗粒示踪固相。在叶片表面附近及浓侧出口区域，以25~35μm的颗粒代表平均粒径为30μm的颗粒，以55~65μm的颗粒代表平均粒径为60μm的颗粒。图4为截面1~9上气固两相沿x向时均速度u的分布。在入口截面1上，气相和颗粒相的速度沿浓缩器宽度方向基本均匀，y/a在0~0.2范围内气流速度略小是由第1级叶片对气流的阻塞效应造成的。从截面2开始，浓侧区域气相和颗粒相的速度逐渐增加。截面2、截面4、截面6和截面8为经过叶片区域的截面，浓侧区域气相速度和颗粒相速度基本一致。截面3、截面5和截面7为两级叶片之间的区域，远离叶片靠近浓侧的区域气相和颗粒相速度基本一致，而靠近叶片附近的浓侧区域气固之间存在明显的速度滑移，颗粒相速度滞后于气相速度，这说明颗粒与叶片碰撞后导致自身能量损失，在反弹到气流中的过程中，有从气流中挣脱出来进入浓侧的趋势，从而形成颗粒的浓缩；叶片只浓缩叶片附近的颗粒。截面3~8上叶片背面附近，气相和颗粒相的速度出现负值，说明在此区域出现了回流，叶片背面存在旋涡。从截面4开始，淡侧气相和颗粒相速度逐渐增加。在出口截面9上，气相和颗粒相速度分布基本重合，浓侧速度最大值约为主流速度的1.25倍，浓淡两侧的风速比为1.3。图5为截面1~9上气固两相沿y向时均速度v的分布。在入口截面1上，气相速度和颗粒相速度接近于0，表明第1级叶片对截面1上y/a在0~0.2范围内主流速度造成影响的同时，并没有对气流和颗粒在横向的流动产生明显影响。在截面2~8的浓侧区域，气相和颗粒相的横向速度逐渐增加，叶片附近的横向速度较大且气相和固相的速度滑移逐渐从正滑移转变为截面8上的负滑移，这说明颗粒与叶