水平直環(huán)形管內(nèi)慣性煤粉濃水分離裝置流動(dòng)阻力特性的研究

水平直環(huán)形管內(nèi)慣性煤粉濃水分離裝置流動(dòng)阻力特性的研究

1高濃比、低流阻的技術(shù)性能由于低負(fù)荷、低nox排放，低碳排放量燃燒技術(shù)在國(guó)內(nèi)外廣泛傳播。測(cè)定技術(shù)性能的主要指標(biāo)是濃度和阻力的比值，但往往相互矛盾。要想穩(wěn)燃性能好,需要較高的濃淡比,而這又會(huì)造成較大的阻力損失;反之,則濃縮效果差,影響低負(fù)荷穩(wěn)燃。在燃燒器改造中,濃淡分離裝置阻力過(guò)大,不僅要影響燃燒器四角風(fēng)粉分配的均勻性,還會(huì)使空預(yù)器的漏風(fēng)量增加。因此高濃淡比、低流阻的技術(shù)性能對(duì)煤粉濃淡分離裝置來(lái)說(shuō)是非常重要的。本文結(jié)合已開(kāi)發(fā)的旋流濃淡燃燒技術(shù),對(duì)水平直圓環(huán)管內(nèi)撞擊式慣性煤粉分離器的阻力特性進(jìn)行研究,以獲得最佳的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。2顆粒相存在對(duì)氣固兩相流阻力的影響管道中粉粒體氣固兩相流由于顆粒的存在,使流動(dòng)阻力損失ΔP比純空氣流要復(fù)雜得多,與純空氣流動(dòng)下的阻力損失ΔPa之間有如下關(guān)系:ΔP/ΔPa=1+kμ·μ(1)式中μ為煤粉的濃度kg/kg;kμ為濃度修正系數(shù),由實(shí)驗(yàn)確定。盡管上式簡(jiǎn)單實(shí)用,但很多人仍用多種表達(dá)式來(lái)描述兩相流顆粒濃度對(duì)阻力的影響,且與由試驗(yàn)所得的ΔP有很大差別,原因是式中kμ不能直接表達(dá)由固相所引起的阻力增加項(xiàng)ΔPs(ΔP-ΔPa),而且kμ不是一般的濃度修正系數(shù),而是濃度、流動(dòng)雷諾數(shù)Re、顆粒性質(zhì)、裝置結(jié)構(gòu)等的函數(shù)。顆粒相存在對(duì)氣固兩相流阻力影響研究較多,但差別也較大。有人認(rèn)為帶粉和不帶粉的一次風(fēng)阻力系數(shù)幾乎沒(méi)有差別,即kμ=0;也有人認(rèn)為ΔP隨濃度增加的幅度微弱,ΔP/ΔPa線的斜率大致相同,而實(shí)際kμ變化幅度很大;文認(rèn)為,輸粉管道中濃度對(duì)流體流動(dòng)特別是邊界層的流動(dòng)狀態(tài)有很大影響,對(duì)于水平管道,在濃度0.2～0.4kg/kg至0.7kg/kg的范圍內(nèi),阻力系數(shù)隨濃度的增加反而降低,國(guó)外有文獻(xiàn)稱(chēng)之為托馬斯效應(yīng)?？梢?jiàn)氣固兩相流阻力特性較復(fù)雜,應(yīng)予重視。3試驗(yàn)方法和步驟按多相流?；碚撛O(shè)計(jì)的試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。物料采用閉式循環(huán),既能充分利用、減少環(huán)境污染,又保證了物料顆粒分布特性的穩(wěn)定性?？諝饬髁坑晌那鹄艿腢型差壓計(jì)監(jiān)控,試驗(yàn)物料由給粉機(jī)送入該系統(tǒng),經(jīng)試驗(yàn)管段后的粉料送入旋風(fēng)分離器,氣流被再次送入送風(fēng)機(jī)入口,構(gòu)成閉式循環(huán);經(jīng)旋風(fēng)分離器分離下來(lái)的粉料落入料斗。撞擊式慣性煤粉濃淡分離器見(jiàn)圖2。裝置由帶中心管的一次風(fēng)道、濃縮環(huán)、速度平衡件及帶平衡孔的分隔圓環(huán)組成,濃縮環(huán)和速度平衡件截面均為三角形的環(huán)狀體。當(dāng)煤粉氣流流經(jīng)時(shí),由于濃縮環(huán)的導(dǎo)向作用及煤粉顆粒運(yùn)動(dòng)的慣性作用,大部分煤粉顆粒反彈至濃側(cè)通道,同時(shí)由于導(dǎo)流作用在濃縮環(huán)后形成1個(gè)低壓區(qū),小部分煤粉隨空氣在壓差作用下繞流濃縮環(huán)進(jìn)入淡側(cè)通道,這樣形成了內(nèi)濃外淡2股氣流。進(jìn)行單相氣相阻力試驗(yàn)時(shí),給粉機(jī)不投入,風(fēng)量由文丘利管監(jiān)控。進(jìn)行氣固兩相流阻力試驗(yàn)時(shí),先調(diào)節(jié)好氣相參數(shù),如風(fēng)量等,然后投入給粉機(jī),產(chǎn)生一定濃度的氣固兩相流后進(jìn)行試驗(yàn)。由文丘利管得到分離器入口平均流速w并測(cè)得ΔP后,可利用下式得到阻力系數(shù)ξ:ζ=2ΔP/ρw2(2)4濃縮環(huán)境質(zhì)量wa氣相壓力損失ΔPa主要是流動(dòng)雷諾數(shù)Re和濃淡分離裝置幾何特性的函數(shù)。對(duì)濃淡分離裝置,反應(yīng)阻力損失的阻力系數(shù)ζa可表示為:ζa=f(Re、mi、L、αi、βi)。試驗(yàn)時(shí)圓環(huán)管道內(nèi)流速范圍為15～28m/s,相應(yīng)雷諾數(shù)Re范圍為2.33×105～4.34×105,流動(dòng)阻力可表示為ΔPa=ζaρw/2(Pa)(3)式中ξa為氣相阻力系數(shù);wa為空氣流速度,m/s;αi、βi為濃縮環(huán)及速度平衡件前、后傾角(見(jiàn)圖2),mi為節(jié)流比。m1=(d12-d02)/(D02-d02),m2=(d32-d02)/(d-d02)。4.1a、a、rec2的變化規(guī)律加濃縮環(huán)后的阻力損失的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。圖3表明,當(dāng)濃縮環(huán)與分隔圓環(huán)之間距離的L一定時(shí),隨擋環(huán)高度h(D0/2-d1/2)的增大,ΔPa增加,且增幅變劇,這是因?yàn)橛捎跉饬鞯氖湛s及擴(kuò)展造成渦流區(qū)的存在,擋環(huán)越高,渦流區(qū)越大;此外分隔圓環(huán)段的內(nèi)外速度比也越大,在相同流量下,會(huì)使阻力系數(shù)加大。圖4和圖5為h變化時(shí),L對(duì)ΔPa的影響。由圖可見(jiàn),L增大,由于內(nèi)外圓環(huán)氣流速度趨向均勻,相應(yīng)地使ΔPa減小。在圖4中,L>8h后,ΔPa幾乎不變化,這可理解為經(jīng)過(guò)擋環(huán)收縮、擴(kuò)展后的內(nèi)外環(huán)速度比變化幅度很小,可認(rèn)為當(dāng)L>(7～8)h時(shí),L對(duì)ΔPa的影響可忽略。圖6為濃縮環(huán)前傾角α1與ΔPa變化關(guān)系。α1從25°增大到30°時(shí),ΔPa基本不變化;再增大到45°,ΔPa增大幅度為4.9～19.6Pa。濃縮環(huán)后產(chǎn)生的渦流區(qū)變大,是ΔPa增大的原因,但總體上h不變,α1變化對(duì)ΔPa影響不大。試驗(yàn)結(jié)果還表明,變化后傾角(15°～45°)對(duì)于阻力損失影響同樣很小。由此可近似認(rèn)為純空氣流阻力系數(shù)主要與流速及濃縮環(huán)高度(節(jié)流比)有關(guān),即ξa=f(Re、m1)。整理后阻力系數(shù)與Re及m1的關(guān)系見(jiàn)圖7、圖8。用最小二乘法采用幾何(冪指數(shù))回歸將圖7和圖8的數(shù)據(jù)整理如下:ζa=2.501×103Re-0.700(m1=1.0;r=0.982)(4)ζa=1.344×103Re-0.610(m1=0.829;r=0.993)(5)ζa=5.553×103Re-0.697(m1=0.750;r=0.998)(6)ζa=5.461×103Re-0.688(m1=0.673;r=0.996)(7)ζa=0.429m1-2.919(Re=2.33×105,r=0.953)(8)ζa=0.365m1-3.061(Re=2.95×105,r=0.965)(9)ζa=0.311m1-2.989(Re=3.72×105,r=0.961)(10)ζa=0.282m1-2.960(Re=4.34×105,r=0.960)(11)式中r為相關(guān)系數(shù)。用ζa=C1×ReC2整理的優(yōu)點(diǎn)是由于上述公式C2值相差不大,只須比較C1值大小便可知對(duì)應(yīng)工況的ζa懸殊程度。濃縮環(huán)類(lèi)似圓環(huán)形節(jié)流元件,回歸結(jié)果表明,m1<1.0時(shí),其負(fù)指數(shù)約等于3,故m1由1.0遞減時(shí),ζa急劇增大,即擋環(huán)高度增加,節(jié)流比m1逐漸遞減,隨之ζa將急增。將上述實(shí)驗(yàn)點(diǎn)用多元回歸成ζa=f(Re,m1)的關(guān)系式:ζa=1.659×103Re-0.6687m(12)上式適用范圍為:Re=2.33～4.34(×105),m1=0.67-1.0。上式結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大絕對(duì)誤差不超過(guò)5%,平均誤差為1.5%。圖9綜合地表示了ζa=f(Re,m1)的試驗(yàn)結(jié)果。4.2回歸試驗(yàn)結(jié)果保持其他參數(shù)不變,僅改變濃縮環(huán)及速度平衡件高度(節(jié)流比)以及來(lái)流速度。結(jié)果如圖10,對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸可得:ζa=13.625×103Re-0.728(m1=0.75,m2=0.67,r=0.992)(13)ζa=1.492×103Re-0.537(m1=0.75,m2=0.42,r=0.991)(14)ζa=3.334×103Re-0.590(m1=0.673,m2=0.42,r=0.988)(15)將上述3式中的試驗(yàn)結(jié)果用多元回歸如下:ζa=2.255×103Re-0.6265mm(16)上式適用范圍為:Re=2.33～4.34×105,m1和m2=0.42～0.75。上式計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果最大絕對(duì)誤差不超過(guò)2.5%。比較式(13)、(14),負(fù)指數(shù)從0.728回落到0.537,原因是內(nèi)環(huán)速度平衡件,節(jié)流比m2下降,會(huì)引起內(nèi)外環(huán)從W內(nèi)>W外變到W內(nèi)<W外,故阻力損失上升較大。5采用彈性煤粉濃縮器法研究了氣固兩相流的阻力特性5.1降低管道內(nèi)的能量損耗輸粉氣流中粉粒的存在使邊界層中的流動(dòng)狀況發(fā)生了變化。在水平管道中,由于重力的影響使管道截面上粉粒分布不均勻,靠近管底的粉粒分布相對(duì)較密,并使氣流受阻,流速減小,這樣截面上流速分布有了顯著變化,速度最大值由純空氣時(shí)的管中心移至管上部,這種速度場(chǎng)的改變隨濃度增加和流速的降低而加劇。當(dāng)濃度較低時(shí),粉粒對(duì)速度場(chǎng)的影響較小,摩擦阻力系數(shù)隨濃度增加而增加,即有更多的能量損耗在粉粒上。當(dāng)濃度達(dá)到一定值時(shí),水平管道下部流速有了較大減小,降低了邊界層氣流的渦流強(qiáng)度或速度梯度。當(dāng)由此而減小的壓力損失超過(guò)輸送粉粒所加的壓力損失時(shí),ΔPS反而減小。此外,濃淡分離裝置不同于彎管或節(jié)流元件,關(guān)鍵之處在于它改變了管道中內(nèi)外環(huán)濃度分布和減少了氣流的橫向脈動(dòng)。內(nèi)環(huán)與粉流的摩擦面積顯著小于外環(huán)與粉流的摩擦面積。當(dāng)內(nèi)濃外淡時(shí),粉粒與管壁的摩擦阻力比內(nèi)淡外濃時(shí)小得多。由于分隔圓環(huán)的存在,氣流的橫向脈動(dòng)減少了,湍流摩擦也大大減少,這時(shí)ΔPS較水平圓環(huán)管的ΔPS要小。用多項(xiàng)式對(duì)上述2種情況進(jìn)行回歸:無(wú)分離裝置:ΔP/ΔPa=0.9986+3.6456(C/A)-6.727(C/A)2(r=0.9984)(17)加分離裝置:ΔP/ΔPa=0.9999+0.4686(C/A)-0.5779(C/A)2(m1=0.75,m2=0.67,r=0.9831)(18)ΔP/ΔPa=0.9991+0.3607(C/A)-0.5669(C/A)2(m1=0.673,m2=0.43,r=0.938)(19)式中C/A為煤粉濃度,即每千克空氣中煤粉量,kg/kg。5.2最大阻力損失當(dāng)煤粉濃度為0.3～0.5kg/kg、氣流速度為21m/s時(shí),與內(nèi)外環(huán)煤粉濃淡比關(guān)系如圖13,其回歸公式如下:ΔP=250.1((C/A)濃/(C/A)淡))0.4121(Pa)(r=0.9446)(20)或ζ=0.877((C/A)濃/(C/A)淡))0.4121(r=0.9446)(21)上式適用范圍為:0.25<[(C/A)濃/(C/A)淡]<8.0試驗(yàn)表明無(wú)分離裝置時(shí),阻力損失約為137Pa,純粹由于分離裝置引起的阻力損失可計(jì)算如下:ΔP=250.1((C/A)濃/(C/A)淡))0.4121-137(Pa)(22)對(duì)應(yīng)圖13可認(rèn)為純粹由分離裝置引起的最大阻力損失約為363Pa。6加濃分離裝置時(shí)兩相流阻力損失氣固兩相流濃淡分離器阻力特性試驗(yàn)及數(shù)據(jù)回歸結(jié)果表明,對(duì)于水平直圓環(huán)管內(nèi)實(shí)現(xiàn)內(nèi)濃外淡的分離裝置的阻力除與Re有關(guān)外,主要與濃縮環(huán)、速度平衡件的高度(節(jié)流比)有關(guān)。(1)純空氣流時(shí)濃縮環(huán)、速度平衡件的阻力損失經(jīng)多元回歸分析后有如下關(guān)系:ζa=2.2545×103Re-0.6265mm-0.42022(2)氣固兩相流時(shí),由于圓環(huán)管水平布置及濃度分布是內(nèi)濃外淡等原因,加濃淡分離裝置后,兩相流阻力僅比純空氣流阻力大20～29Pa;(3)當(dāng)來(lái)流速度在21m/s