（动力工程及工程热物理专业论文）结构参数对旋风气化炉内流场影响的实验研究.pdf

国内图书分类号：tq54学校代码：10213 国际图书分类号：620密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 结构参数对旋风气化炉内流场影响的 实验研究 硕 士 研 究 生：杜昌帅 导师：谭建宇副教授 申 请 学 位：工学硕士 学科：动力工程及工程热物理 所 在 单 位：汽车工程学院 答 辩 日 期：2012 年 7 月 授予学位单位：哈尔滨工业大学 classified index：tq54 u.d.c：620 dissertation for the master degree in engineering experimental study of inner folw with structural parameters in cyclone gasifier candidate:du changshuai supervisor:ass.prof. tan jianyu academic degree applied for:master of engineering speciality: power engineering and engineering thermophysics affiliation:school of automobile engineering date of defence:july, 2012 degree- conferring- institution: harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘要 煤炭在中国的产量和消耗量逐年增长，对人类生存环境造成严重污染，极 大的危害了人类的身体健康。然而煤气化则是煤炭洁净高效利用的核心技术， 是能源领域的研究热点。气化炉作为煤气化技术的核心设备，在当今已发展的 气化炉中存在着难以解决的关键工业问题，其中喷嘴和水冷壁的烧损问题最为 常见，严重影响了气化炉的工作效率。针对当今气化炉存在的问题，本文提出 干煤粉旋风气化技术，旨在解决气化炉内烧嘴和水冷壁烧损问题，同时提高气 化性能。 本文通过改变气化炉重要的结构参数， 展开炉内气固两相流场的实验研究， 分析各参数下炉内流场的规律，通过分析各参数下形成的气固两相流场结构， 得到最优的结构参数，为未来旋风气化炉的设计研究提供参考和依据。 本文首先根据气固两相冷态模化方法，对单炉容量为 700t/d 旋风气化炉进 行冷态模化，得到模型结构及运行参数，并以此设计搭建了冷态实验台。然后 对采用的测量方法（粒子成像测速仪）进行了调试，提高了本文实验结果的精 确度。 本文重点研究了不同的二次风入射切角和二次风入射位置下炉内气固两相 流场的分布， 并通过分析得出较佳的范围。 在不同的二次风入射切角的研究中， 分析了不同切角下炉内不同轴向截面内中心区域和边壁区域的气固两相流动特 性，得到了最佳的切角范围，在该范围内炉内不同轴向位置截面内沿径向分布 的旋转流场较佳，有利于气固两相在径向的混合；在不同的二次风入射位置的 研究中，分析了不同实验工况下炉内沿轴向截面内中心区域和边壁区域的气固 两相流动特性，综合考虑一二次风、气固两相混合情况和保护一二次风喷嘴的 程度，得出最佳的二次风入口位置范围。 关键词关键词：旋风气化炉；piv；结构参数；旋转流场 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract with the growing of coal production and consumption in china, coal causes serious pollution to the environment and does great harm to the human health. gasification is the core technology of clean and efficient use of coal, and the focus of energy research field. gasifier is the core equipment of the coal gasification technology. now, there exits some difficulties in the development of gasifier, in which the burning of the nozzle and the water wall is the main problem impacting the efficiency of the gasifier. in order to solver the difficulties, dry pulverized coal cyclone gasification technology was proposed which can also improve the performance of gasification. the two- phase flow in various parameters was studied in this paper and got the optimal structural parameters which can provide a reference and a basis for future study of cyclone gasifier design. firstly, the model structure and operation parameters of a single furnace capacity of 700t/d cyclone gasifier cold modeling was studied based on cold gas- solid modeling method. then a cold test stand was designed and constructed depending on the model structure and operation parameters above. in order to improve the accuracy of the experiments, the measurement method (particle image velocimetry) was adjusted. this paper focuses on gas- solid two- phase flow distribution in different incident positions and incident angles of the secondary air, and obtained the best range. the impact of various cutting angles on the gas- solid flow characteristics at different axial cross- sections in the central and side wall region of the furnace has been analyzed in the research of different secondary air cutaways. the best cutting angles range was obtained. in the range of best cutting angles, the rotating flow field was much better at different axial cross- sections and it s conducive to the gas- solid mixing in the radial direction. in the study of the different incident positions of the secondary air, analyze the gas- solid flow characteristics in the central regions and side wall regions of the different experimental conditions, by considering the mixture of a secondary air, gas- solid and the extent of the protection of nozzle, obtained the better range of the incident positions of the secondary. the best position range was obtained. keywords: cyclone gasifier, piv, structural parameters, swirling flow 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii 目录 摘要.i abstract. ii 目录.iii 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究背景及意义.1 1.1.1 国内外煤气化技术发展现状.1 1.1.2 煤气化技术简介.2 1.1.3 课题研究思想的提出 .3 1.2 课题的研究现状.5 1.2.1 生物质旋风气化研究现状 .5 1.2.2 旋风炉内流场研究现状 .6 1.2.3 旋风分离器内流场实验研究现状.7 1.3 课题研究内容 .9 第 2 章 实验系统的设计与搭建 .11 2.1 引言.11 2.2 实验台的气固两相冷态模化过程.11 2.3 实验系统的设计.13 2.3.1 实验台主体设计.15 2.3.2 给料系统设计.17 2.3.3 配风系统设计.18 2.3.4 测量系统设计.19 2.4 本章小结 .19 第 3 章 piv 测速仪的调试及测试运行 .21 3.1 引言.21 3.2 实验中 piv 的测量原理及特点.21 3.3 实验中 piv 测量系统的选取调试 .24 3.3.1 piv 照明系统 .25 3.3.2 piv 成像系统 .27 3.3.3 piv 图像处理系统 .27 3.4 实验中 piv 的运行调试.30 3.4.1 示踪粒子及浓度的选取 .30 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 3.4.2 片光源及相机的布置 .32 3.4.3 曝光间隔时间及查询区域尺寸的设定 .34 3.4.4 数据处理及误差消除 .35 3.5 本章小结 .38 第 4 章 炉内气固两相流动的实验研究.39 4.1 引言.39 4.2 不同二次风切角对炉内气固两相流动的影响 .39 4.2.1 中心测量区域内气固两相流动特性.40 4.2.2 边壁测量区域内气固两相流动特性.42 4.3 不同二次风入射位置对炉内气固两相流动的影响.44 4.3.1 中心测量区域内气固两相流动特性.45 4.3.2 边壁测量区域内气固两相流动特性.47 4.4 本章小结 .49 结论.51 参考文献.52 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 .56 致谢.57 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1- 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 1.1.1 国内外煤气化技术发展现状 根据国家能源局发布的煤炭工业发展“十二五”规划报道，2010 年世 界煤炭产量为 53.3 亿吨标准煤，比 2005 年增加 9.5 亿吨，而我国的煤炭产量 占这一增量的 74.7%；2010 年世界煤炭消费量为 50.8 亿吨标准煤，比 2005 年 增加 7.8 亿吨，其中我国的煤炭消耗量占增量的 91%1。随着经济发展的需求， 我国的煤炭产量及消耗量将逐年增加煤炭在我国能源利用的比重仍会持续增长 2。同时煤炭的消耗所排放的污染物给人类环境带来了一系列问题，极度危害 了人类的身体健康3,4。我国以煤为主的能源结构、燃煤发电为主的电力形式以 及巨大的总量消耗，使我国面临着能源和环境方面的双重压力。然而提高燃煤 效率降低能源消耗， 同时解决环境污染问题， 只有发展煤炭清洁高效利用技术， 并满足当今世界能源可持续发展的需要。其中煤气化则是煤炭清洁高效利用的 核心技术，成为煤炭科学领域研究的热点，并积累了大量的理论基础和关键技 术，取得了显著的研究成果，得到广泛的工业应用。 煤气化是将化石能源煤炭在一定温度和压力下，通过化学反应将固体煤或 煤焦中的可燃部分转化为气体燃料的热化学过程。图 1- 1 是煤气化技术在各方 面的应用，主要应用在化工、炼油、电力和冶金等领域。气化产生的以 co 和 h2为主的合成气，可作为工业燃料气，加热各种窑炉或者直接加热产品，与直 接燃煤相比，火焰温度易于调节，并且可以节能和改善环境条件；同时可作为 民用燃气（城市煤气）改变城市燃料结构，满足城市日益增长燃料需要。通过 合成气的水汽变换反应转变成富含 h2的清洁气体， 从而可实现高效清洁的燃烧 发电（igcc），也可作为能量转换效率高和污染小的燃烧电池的燃料；合成气 的强还原性可用于直接还原炼铁等冶金产业；煤气化技术在煤化工方面的应用 最为广泛， 用于生产化肥、甲醇、二甲醚、烯烃类等各种化工产品，该技术替 代了昂贵的石油原料，并可以有效控制环境污染，使得大型煤化工项目对该技 术的应用。煤气化技术的广泛应用、技术优势及发展潜力，推动了对煤气化技 术的研究5,6。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2- 图 1- 1 煤气化技术的应用 5 1.1.2 煤气化技术简介 目前国际上应用的煤炭气化技术主要分为固定床气化（移动床气化）、流 化床气化和气流床气化三类。虽然三种气化工艺都可完成将固相煤炭转化为易 高效利用、易净化的气体的过程，但技术流程、特点及工业应用差别较大。其 中固定床气化技术以合成气中 ch4含量高和冷煤气效率高等特点，在煤制天然 气项目中获得广泛应用；流化床气化技术以床层温度均匀、传质传热效率高、 污染小等特点，在煤化工方面有一定的应用；气流床气化技术工业应用最为广 泛，以单炉容量大、技术指标高、气化压力和效率高以及环境友好等特点成为 气化技术研究重要的发展方向。 固定床气化一般采用一定粒度的块煤（焦、半焦、无烟煤）或成型煤为原 料，原料和气化剂分别由顶部和底部加入，原料与气化剂发生逆流接触，使得 原粒下降速度极慢，有可能固定在气流中。多数的固定床气化技术利用移动炉 篦把固相灰渣从底部排出为固态排渣， 固定床气化技术也有采用熔融排渣方式。 典型的固定床气化炉主要有 lurgi 气化炉和采用熔融排渣方式的 bgl 气化炉。 lurgi 气化炉在气化过程中能够产生 10%左右的甲烷，所以该技术用于煤制天 然气方面具有较好的优势，并且目前世界上有超过 125 台鲁奇气化炉在运行， 其中大部分应用于南非煤制天然气方面；bgl 气化炉是在前者的基础上发展的 一种液态排渣气化技术，该技术提高了气化炉的操作温度，从而提高了生产能 力， 降低了环境污染程度。 固定床气化技术的单炉容量有限和污染严重等特点， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3- 限制了该技术的发展及工业应用。 流化床气化是以粒径范围在 010mm 的小颗粒煤作为气化原料，使其悬浮 分散在气化炉内垂直上升的气流中，并保持连续的随机运动状态，该技术正是 利用这种流态化的原理和技术，使煤颗粒通过气化介质达到流态化，因而有较 高的气固相间的传热传质速率，并且燃料层温度均匀，易于控制。典型的流化 床气化炉主要有 winkler 气化炉、高温 winkler 气化炉、kbr 输运床气化炉和 灰熔聚气化炉等。流化床气化技术对于低阶煤的气化有较大的优势，但对煤的 颗粒度要求较高，影响了碳转化率。 气流床气化，是利用流体力学中射流卷吸的原理，将煤浆或煤粉颗粒与气 化介质通过喷嘴高速喷入气化炉内，射流引起卷吸并高度湍流，从而强化了气 化炉内的混合，煤料在高于其灰熔点的温度下与气化剂发生燃烧反应和气化反 应，该气化技术为液态排渣。气流床气化技术按煤粉进料方式分为水煤浆进料 的气化工艺和干煤粉进料的气化工艺两大类： 典型的水煤浆气气化工艺包括 ge （原 texaco）气化炉、美国康菲 e- gas 气化炉和国内自主研究的多喷嘴对置式 气化炉及清华炉等；典型的干煤粉气化炉工艺主要包括荷兰 shell 气化炉、西 门子 gsp 气化炉和伍德 prenflo 气化炉等。气流床气化技术的特点：煤种适应 范围广、单炉容量高、技术指标高、合成气质量高、低污染、运行经验丰富等， 使该技术成为大型煤气化项目的首选5- 10。 1.1.3 课题研究思想的提出 煤炭气化工艺是一个非常复杂和庞大的系统，所以要达到在设计负荷下长 时间稳定运行的要求，需要系统中各设备能够在设计参数下稳定运行。然而气 化炉本体是气化流程中的核心设备，其运行可靠性和稳定性至关重要。气流床 气化技术发展至今，已广泛应用在大型煤化工和 igcc 等项目中，比如：当今 最大的煤制烯烃 500mwth 项目使用的 gsp 气化炉；当今世界四座正在运转的 igcc 电站：荷兰 buggunum 250mw shell 气化炉、西班牙 puertollanto 300mw 的 prenflo加压气流床气化炉、 美国 tampa 250mw texaco气化炉及美国 wabash river262mw e- gas 气化炉；拥有自主产权的对置式四喷嘴水煤浆气化在国内 外推广应用十多家企业，如：兖矿鲁南 1150t/d 的煤化工项目等。然而在这些 气化技术工业应用中，由于其高温高压的操作条件，造成炉内传热剧烈，特别 是在煤和纯氧混合区域，一般为气化炉喷嘴出口部分，所以喷嘴寿命得不到保 证。有资料表明，烧嘴是引起气化炉停车次数最多的原因，其寿命一般在 3- 6 个月，而且价格昂贵。针对该问题各气化炉工艺也提出相应解决方法，如 gsp 气化炉的组合单喷嘴、航天炉的水冷夹套式冷却方案及清华炉的分级送风来降 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4- 低喷嘴温度等，喷嘴寿命虽有延长，但仍会引起气化炉的非计划停车，从而降 低气化炉的运行可靠性。此外，气化炉内的耐火衬里容易被烧损，其使用寿命 是影响气化炉运行可靠性、降低生产成本的重要因素。所以提出在水冷方案的 前提下，增大喷嘴距燃料和氧化剂混合区域之间距离的思想，使得降低喷嘴部 位温度，从而起到保护喷嘴的作用。水煤浆进料方式的气化炉的耐火衬里为耐 火砖，由于高温及操作温度变化时引起的损害，需要进行定期换砖，并且其价 格昂贵，换砖周期长，很大程度上影响了生产。干煤粉进料方式的气化炉内壁 为水冷壁，依靠挂在水冷壁上的熔渣层抵抗气体和熔渣的冲刷和磨损来保护水 冷壁，这种自我修复式的水冷壁结构采用“以渣抗渣”思想延长衬里的使用寿 命。所以气化炉内熔渣在水冷壁上的沉积尤为重要。从气化炉内壁挂渣优化角 度，提出炉内旋风流场的思路，使得旋风气流携带燃料在内壁表面旋转，从而 在内壁持续形成一层稳定的渣层，起到保护水冷壁的作用。 针对以上气流床气化技术工业应用中主要存在问题提出的解决思路，并结 合常规燃烧旋风炉的旋风燃烧方式的优点，本课题提出旋风煤粉气化炉的设计 思想。顶部运载气体携带煤粉高速喷入炉内，侧壁同一截面内以一定切角平均 布置四个喷嘴， 高速喷入氧化剂形成炉内旋风流场， 与顶部喷入的煤粉混合后， 带动煤粉做旋转运动， 完成在炉内的气化过程。 使得该气化技术拥有诸多优点： （1）保护顶部煤粉喷嘴，延长喷嘴寿命；由于氧化剂是从侧壁喷嘴切向射 入炉内，所以在气化炉顶部喷嘴周围基本全为载气携带喷入的煤粉，使得该区 域不能发生燃烧反应，并拉大了喷嘴距离高温区的距离，从而降低了喷嘴周围 的温度，起到保护喷嘴的作用，提高了气化炉运行可靠性。 （2）保护内壁水冷壁，延长水冷壁寿命；旋风气流携带煤粉在水冷壁表面 发生气化反应，熔渣沉积在水冷壁表面，形成一层保护膜来保护水冷壁使其不 受高温损害和冲刷磨损。 （3）延长煤粉在炉内停留时间，提高碳转化率；受旋风气流和壁面液态渣 粘滞力的作用，煤粉沿内壁成螺旋线缓慢运动，增加了停留时间，同时气固旋 流动力场作用下，煤粉发生高速自旋和脉动，扩大了接触面积，加强了气固相 间的传热传质，从而提高了碳转化率。 旋风气化炉气化过程涉及热力学、化学反应过程和流体力学等许多学科， 是非常复杂的物理与化学相互作用的结果，其中炉内气固两相之间的混合过程 （质量、动量和热量的传递）起着关键作用，可见，旋风气化炉能够实现以上 优点与炉内流体流动密切相关。所以，对煤粉旋风气化炉内气固两相流场的实 验研究是评价旋风气化效果的重要指标， 是深入探索煤粉旋风气化过程的基础。 本文通过改变气化炉部分结构参数，展开炉内气固两相流场的实验研究， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5- 分析各参数下炉内流场的规律，进而评价各流场结构对解决关键问题的影响， 并根据炉内流场分布定性分析各参数下气化炉的气化性能，由此，得到最优的 结构参数，为未来旋风气化炉的设计研究提供参考和依据。 1.2 课题的研究现状 1.2.1 生物质旋风气化研究现状 至目前为止，国内外还未发现关于旋风煤气化技术的研究及应用。但生物 质旋风气化已有一定的发展，并且取得了许多研究成果，同时生物质旋风气化 技术研究的成功，也给予本课题提出的旋风煤气化技术思想深入研究的信心。 英国 cardiff 大学（uwcc）c. syred 等11,12研究了提出了一种倒置生物 质旋风气化炉连接一个二次旋风燃烧室的装置产生的合成气，用于热电联产中 小型燃气轮机中。该研究通过气化器里的旋流收集器和中心收集管，分离气流 中的大颗粒、飞灰颗粒和黏附在飞灰上的碱金属和其它微量重金属。出口燃气 不需经过复杂的燃气净化系统直接通入二次旋风燃烧室。 通过实验和模拟研究， 得出倒置旋风气化炉在当量比在 0.190.24 之间是适合生物质气化的，分离装 置可以出去气流中 50%的碱金属含量；并且产生的合成气可以直接送入二次燃 烧室内燃烧，得出该系统产生的气体可直接在燃气轮机内燃烧的。瑞典吕勒奥 理工大学 m. gabra、b. kjellstr m 等13,14开发了一种旋风气化器，也是采用一 次旋风气化器与二次燃烧室联用。 气化器主体设计思想遵循标准的旋风分离器， 以甘蔗渣为气化对象，利用空气和水蒸气作为气化介质，空气当量比的研究范 围是 0.180.25。其优势在于气化温度保持较低的水平使得钾、钠等碱金属不能 挥发，从而存留在未燃尽的碳中一起被分离下来。实验结果表明该气化装置能 将生物质原料中的 6070%碱金属分离下来，燃气热值在 2.84.5 mj/nm3。美 国俄克拉何马州立大学 k. n.patil 等15参考 m. gabra 的设计，对旋风气化器 研究了空气当量比对燃气产率、反应器温度和焦炭分离情况的影响。研究表明 最佳空气当量比为 0.15，反应器出口温度为 756800，燃气中 co 体积百分 含量为 120%，h2体积百分含量为 4.26%，ch4体积百分含量为 3.24%， 产气率为 0.91.2m3/kg。哈尔滨工业大学赵义军、孙绍增16对生物质气化器内 气化反应机理、气化反应动力学进行了研究；依据机理研究的结果，开发了生 物质旋风气化装置，并进行了一系列关于气化性能的实验研究。华中科技大学 郭献军、肖波等17,18对微尺度生物质颗粒进行了旋风空气气化研究。 生物质旋风气化技术在提高气化性能，改善合成气品质，提高碳转化率中 突显出该技术的优点，然而采用空气作为气化剂以及生物质特殊的组成成分， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6- 仍存在裂解产生焦油、合成气热值低、灰渣中碳含量高等问题。以纯氧作为气 化剂及干煤粉为燃料的旋风煤气化技术在继承该技术的优点外，还可以很大程 度上避免以上问题的存在，同时生物质旋风气化的以上研究将有助于我们今后 对旋风煤气化技术的深入研究。 1.2.2 旋风炉内流场研究现状 至目前为止，关于旋风煤气化炉内流场的实验研究的文献及报道检索中属 于空白区域。然而为展开对煤粉旋风气化炉内气固两相的实验研究，以其结构 及流场相似的常规燃烧旋风炉和旋风分离器流场研究为依据，并借鉴其成熟的 研究方法及思路，深入研究旋风气化炉内流场规律。 常规旋风炉内空气动力场结构是建立旋风燃烧过程的基础。合理的气流动 力场对燃料在炉内的燃烧过程至关重要。清华大学的王希麟等19,20使用一些谷 类及粒径为 8002000 m 的玻璃微珠代表粒径在 5mm 以下的煤粉， 采用流场显 示，热线速度测量和轨道计算等方法，研究了各运行参数匹配关系下炉内气固 两相流动特性，并且在有反应两相流动及煤粉燃烧的全双流体模型（ftp 模型， pure two- fluid model）基础上，采用修正后的 p 两相湍流模型，针对旋 风炉内甲烷和一氧化碳的湍流气相燃烧以及其中的两相流动进行了数值模拟， 有效了模拟了旋风炉内气流流动情况以及气固两相切向速度的分布特征；清华 大学的周力行等21提出一种极强旋流的代数应力湍流模型与连续介质- 轨道有 反应颗粒相模型结合的思想及数值解法，用于模拟旋风炉内两相流动，并且对 旋风流化床炉内稀相的强旋流场进行预测，得到了合理结果，同时揭示了流场 内各向异性湍流的特点；清华大学的李荣光、李勇和张会强等22采用能够同时 测量流场方向和速度的旋转式一孔探针，针对不同结构的旋风筒内强旋流流动 进行了实验研究，轴向出口的旋风筒内流场比切向出口结构形成更强的旋转流 动，而且出口直径愈小，旋转愈强；中部进气的结构可在旋风筒顶部形成一个 较强的中心和近壁回流区，从而有助于炉内的点火和稳燃；北京科技大学的沈 颐身和王立民23通过对原炉进行模型实验研究，在相似准则下，用颗粒模拟粉 煤在炉内的空间行为，用油模模拟液态渣在炉壁的行为，讨论了改变旋风炉的 一次风口结构、二次风口结构、出口结构及一二次风动量比对流场的影响，得 到了旋风炉从顶部到底部出现不对称中心回流区，出口的最佳结构为直挡式， 可在炉底形成一个稳定的回流中心，另外一次风应尽可能小；上海交通大学的 还博文等24利用多种数值模拟模型，模拟了旋风炉内旋流场及煤粉燃烧，结果 表明: 前置室内空气动力场分布具有中心回流、强旋和各向异性湍流的特点； 浙江大学的岑可法25针对旋风炉内强旋气流的紊流结构提出了合理的物理模 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7- 型及假设，并通过实验校核，通过理论计算发现其紊流脉动绝对值非常高，可 使旋风炉内气固混合更佳，并通过实验的方法研究了不同几何结构的旋风炉， 得到出口喷嘴结果对旋转气流紊流运动的重大影响。 早在 20 世纪 50 年代，国内的一些研究单位及高等院校就开展了针对旋风 炉气流动力场的研究，并且对旋风室内气流动力场特性有清晰深入的认识。在 此只说明立式前置式旋风炉的旋风筒内切向进入的二次风射流靠近中心一侧， 由于向中心部分疏散而形成射流的紊流边界层，因而射流的束缚侧和自由侧的 切向速度分布是不同的，使得炉内旋转运动分为两个区域：位于炉体截面的外 缘为射流的核心部分；位于炉体中心区域为射流的边界层部分。两个区域的分 界线为最大切向速度 max w所在的径向位置 max r。 在炉体外缘区域，切向速度随半径增大而减小，分布规律可以表示为： n r 常数(1- 1) 式中 为旋转角速度，r为旋转半径，n为指数。n 1 时即为理想流体的 “等势”流动，该区域一般叫做“准势流”区。在炉体中心区域，切向速度沿 径向具有相同的角速度，可表示为： / n r 常数(1- 2) 通常称该区域为“准刚体流”区。 旋风炉内轴向速度分布较为简单，仅分为主气流区和中心回流区。二次风 切向速度决定了轴向主气流的径向厚度，速度越大该区域越薄；中心回流区是 在做准刚体旋转运动过程中卷吸主气流形成的，属于“闭式”回流26。 1.2.3 旋风分离器内流场实验研究现状 旋风分离器的工作过程是一种极复杂的三维、湍流、 两相运动，其流场的 深入研究是提高分离效率和优化结构与运行参数的基础。其结构与旋风气化炉 筒体较为相似，所以借鉴对旋风分离器内流场实验研究及分析的方法和手段， 来深入研究旋风气化炉内部流场特性。由于旋风分离器广泛的应用，引起国内 外诸多对旋风分离器内部流场的研究。中国石油大学的马艳杰27针对导叶式旋 风管内气固两相流动控制的研究，采用五孔球探针来测量旋风管内不同流动控 制结构情况下的三维速度场，进而分析管内气固两相流动控制的机理，同时该 单位有一些学者利用五孔球探针进行管内气固两相流场测量来分析不同结构及 参数的旋风器的分离效率、阻力特性及压力场等多方面的研究，比如：姬忠礼 等28采用五孔探针和热线风速仪两种测量方法，针对蜗壳式旋风分离器分别测 定了其中的速度场和压力场，分析了旋风分离器的不同结构参数对其流场的影 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8- 响，分析得到，较低的分离效率是因为分离器内的流场是一个非轴对称的三维 湍流场，并且内部有二次流的存在，在排尘口处出现返混现象；王建军、金有 海等29同样利用五孔球探针测试仪测量了对不同排气芯管结构及插入深度下 双蜗壳型分离器内的三维速度，得到了改变这两种结构参数对分离器内部流场 的影响；李永健、王建军等30还利用了七孔球探针对直切式旋风分离器以及入 口加有挡板结构的情况进行了流场的测量，得到了改变挡板角度对流场变化的 影响；吴飞雪、董守平等31将颗粒粒子成像技术用于旋风分离器的颗粒浓度场 的测量，可实现对流场的无干扰瞬态多点测量。其测量原理:采用一定厚度的激 光片光照射一定浓度的颗粒，并利用 piv 中的成像系统将研究区域内一定浓度 的颗粒记录在底片上，然后通过 piv 图像处理软件进行处理，通过处理可得到 图像上光斑的参数，然后根据拍摄前的标定可将其参数转化成颗粒粒径；中科 院的张蝶丽等32亦采用五孔探针和热线风速仪详尽地测定了旋风分离器的三 维速度以及湍流强度场。该单位的王海刚33博士课题中，利用电容层析成像技 术测量旋风分离器内颗粒的浓度分布，用电容三维成像算法显示三维图像，并 且与相关技术相结合，得到固体颗粒沿轴向和周向的二维速度；魏名山等34 采用 piv 技术研究静电旋风除尘器内的流场分布， 改变旋风除尘器的入口速度， 对旋风分离器的不同截面进行测量，并获得了切向速度和径向速度在截面内的 分布情况；清华大学的陈由旺，吴学安等35采用 pda 测试仪测量了方形扩散 段内不同截面流场的分布；同时该单位的王建军、王连泽等36利用激光多普勒 测速仪（ldv）针对带有减阻杆的旋风分离器的流场进行了测量，根据流场分 布的特点进一步研究了减阻杆在旋风分离器中的减阻机理；加拿大的新不伦瑞 克大学的 z. l. liu、y. zheng 等37,38先后利用 2d- piv 和 stereo- piv 测量旋风 分离器内的三维速度，对测量方法引起的测量误差进行移除，准确测量了流场 的分布， 并得到入口气流速度对整个旋风分离器内的流场影响很大； 在旋风分 离器内的强旋流表现为一个典型的内部准强制涡的兰金旋涡结构和外部准自由 涡；非理想对称分布的轴向速度表现为一个内部上行流和外部下行流；径向速 度在靠近旋风筒内壁总是向心方向的；意大利米兰理工大学的 g. solero、 a. coghe 等39通过 ldv 测量了旋风器内切向入口部位、旋风筒部位及排气管的 气相三维速度分布，并分析了在流场内一些限制区域内固相运动对于分离过程 非常关键，实验证明流体运动的不稳定性，是由高速的旋转运动引起的；中佛 罗里达大学的 a. gupta、r. kumar40利用粒子追踪测速技术（ptv）测量带有 切向入口和切向出口结构的旋风分离器内的三维速度场，分析发现在进口速度 增加时，速度分量和压力变化很小，但是在改变入口结构长宽比时，分离器内 旋流程度变化很大。a. stella、g. guj 等41利用三维 piv 技术对湍流预混火焰 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9- 进行速度测量，研究了带有湍流燃烧机制的射流火焰。可见，至今为止针对旋 风分离器内部流场已开展较深入的研究工作，其通常情况下流场规律也已经比 较清楚，如常温下蜗壳式旋风分离器内部流场变现为以下规律：内部流场是三 维非轴对称湍流流场；切向、轴向和径向三个速度分量中，其切向速度数量级 最大；切向速度分布为轴对称，同时沿轴向的衰减很小，这是强旋流的流动特 征，切向速度在径向的分布为内、外旋流，其分界点大约在 0.750.8 芯管半径 处； 流场内的内外旋流分别可视作准强制涡和准自由涡； 轴向速度分布较复杂， 接近轴向对称，在流场内可分为内侧上行流和外侧下行流；径向速度呈非轴对 称性，沿轴向和径向变化较大，绝大部分为向心气流。 通过以上旋风炉及旋风分离器内部流场的研究现状，可见不同的二次风入 口结构及部位、不同的二次风切角、不同的入口颗粒浓度以及不同的一二次风 动量比等这些结构和运行参数极大的影响了旋风炉内的燃烧情况及旋风分离器 的分离效率。然而针对煤粉旋风气化炉，由于燃料为顶部输送，二次切向风为 侧壁输送，为气固两相分别输送，交叉射流使其内部流场混合过程更为复杂， 然而不同的结构及运行参数会极大的影响旋风气化炉内流场形式，所以本课题 针对旋风气化炉的结构参数对炉内流场的影响展开了实验研究。 1.3 课题研究内容 本课题根据设计的单炉容量为 700t/d 的旋风气化炉结构，进行气固两相冷 态实验模化，然后设计冷态实验台，利用颗粒成像测速仪（particle image velocimetry）在改变结构参数情况下测量气化炉内速度分布场。本文主要研究 内容具体如下： （1）设计 700t/d 的煤粉旋风气化炉，按照相似模化理论进行计算，得到 旋风气化炉冷态实验台的设计参数，并以此完成实验台的设计与搭建过程，通 过对实验台实际的运行调试，得到能最大程度反映炉内气固两相流动特性的实 验模型。 （2）对本文采用的测量方法 piv 测试仪进行调试及测试运行，首先完成 piv 系统的选取与安装， 针对本文要展开的实验内容得到合适的 piv 系统组成， 并在此基础上对 piv 进行实际的测试运行，得出适合本文实验研究所采用的 piv 系统调试的原则和方法。 （3）实验研究不同二次风切角情况下，一二次风在径向混合特性研究；保 持一二次风入口位置不变的情况下，改变二次风入口切角，既是改变旋风炉内 旋转半径，从而影响一次风射流与二次风射流在径向方向上的混合情况，通过 piv 测量炉内二次风入口截面内气固两相的速度分布，分析炉内气固两相的混 哈尔滨工业大学工学硕士学位