水平直環(huán)形管內(nèi)慣性煤粉濃水分離裝置流動阻力特性的研究

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)在國內(nèi)外廣泛傳播。測定技術(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大,不僅要影響燃燒器四角風(fēng)粉分配的均勻性,還會使空預(yù)器的漏風(fēng)量增加。因此高濃淡比、低流阻的技術(shù)性能對煤粉濃淡分離裝置來說是非常重要的。本文結(jié)合已開發(fā)的旋流濃淡燃燒技術(shù),對水平直圓環(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)計和運行參數(shù)。2顆粒相存在對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,使流動阻力損失ΔP比純空氣流要復(fù)雜得多,與純空氣流動下的阻力損失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),由實驗確定。盡管上式簡單實用,但很多人仍用多種表達(dá)式來描述兩相流顆粒濃度對阻力的影響,且與由試驗所得的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ΔPs(ΔP-ΔPa),而且kμ不是一般的濃度修正系數(shù),而是濃度、流動雷諾數(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,而實際kμ變化幅度很大;文認(rèn)為,輸粉管道中濃度對流體流動特別是邊界層的流動狀態(tài)有很大影響,對于水平管道,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,國外有文獻(xiàn)稱之為托馬斯效應(yīng)。可見氣固兩相流阻力特性較復(fù)雜,應(yīng)予重視。3試驗方法和步驟按多相流模化理論設(shè)計的試驗系統(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艿腢型差壓計監(jiān)控,試驗物料由給粉機送入該系統(tǒng),經(jīng)試驗管段后的粉料送入旋風(fēng)分離器,氣流被再次送入送風(fēng)機入口,構(gòu)成閉式循環(huán);經(jīng)旋風(fēng)分離器分離下來的粉料落入料斗。撞擊式慣性煤粉濃淡分離器見圖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,由于濃縮環(huán)的導(dǎo)向作用及煤粉顆粒運動的慣性作用,大部分煤粉顆粒反彈至濃側(cè)通道,同時由于導(dǎo)流作用在濃縮環(huán)后形成1個低壓區(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時,給粉機不投入,風(fēng)量由文丘利管監(jiān)控。進(jìn)行氣固兩相流阻力試驗時,先調(diào)節(jié)好氣相參數(shù),如風(fēng)量等,然后投入給粉機,產(chǎn)生一定濃度的氣固兩相流后進(jìn)行試驗。由文丘利管得到分離器入口平均流速w并測得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主要是流動雷諾數(shù)Re和濃淡分離裝置幾何特性的函數(shù)。對濃淡分離裝置,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)。試驗時圓環(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結(jié)果見圖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,隨擋環(huán)高度h(D0/2-d1/2)的增大,ΔPa增加,且增幅變劇,這是因為由于氣流的收縮及擴展造成渦流區(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,會使阻力系數(shù)加大。圖4和圖5為h變化時,L對ΔPa的影響。由圖可見,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)過擋環(huán)收縮、擴展后的內(nèi)外環(huán)速度比變化幅度很小,可認(rèn)為當(dāng)L>(7～8)h時,L對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,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ΔPa影響不大。試驗結(jié)果還表明,變化后傾角(15°～45°)對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值大小便可知對應(yīng)工況的ζa懸殊程度。濃縮環(huán)類似圓環(huán)形節(jié)流元件,回歸結(jié)果表明,m1<1.0時,其負(fù)指數(shù)約等于3,故m1由1.0遞減時,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。將上述實驗點用多元回歸成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)果與試驗結(jié)果最大絕對誤差不超過5%,平均誤差為1.5%。圖9綜合地表示了ζa=f(Re,m1)的試驗結(jié)果。4.2回歸試驗結(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)以及來流速度。結(jié)果如圖10,對試驗數(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。上式計算結(jié)果與試驗結(jié)果最大絕對誤差不超過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的管中心移至管上部,這種速度場的改變隨濃度增加和流速的降低而加劇。當(dāng)濃度較低時,粉粒對速度場的影響較小,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,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度或速度梯度。當(dāng)由此而減小的壓力損失超過輸送粉粒所加的壓力損失時,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。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,粉粒與管壁的摩擦阻力比內(nèi)淡外濃時小得多。由于分隔圓環(huán)的存在,氣流的橫向脈動減少了,湍流摩擦也大大減少,這時ΔPS較水平圓環(huán)管的ΔPS要小。用多項式對上述2種情況進(jìn)行回歸:無分離裝置: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,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試驗表明無分離裝置時,阻力損失約為137Pa,純粹由于分離裝置引起的阻力損失可計算如下:ΔP=250.1((C/A)濃/(C/A)淡))0.4121-137(Pa)(22)對應(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加濃分離裝置時兩相流阻力損失氣固兩相流濃淡分離器阻力特性試驗及數(shù)據(jù)回歸結(jié)果表明,對于水平直圓環(huán)管內(nèi)實現(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,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)來流速度在21m/s