中圖分類號：TK223.21
文獻標識碼：A
文章編號：1001－2060（2000）03－0220-03
Stagnation Concentration Process and Diffusion Process of a Bluff Body
Jin Yan Wei Yonghua, Xiong Fanfan
（Department of Thermal Engineering, Qinghua University, Beijing, China, Post Code 100084）
The authors have come up with a new concept, proposing that both a stagnation concentration process and a diffusion process of particles constitute a basis for the concentrated pulverized-coal combustion technology. An analysis of the mechanism of the above-mentioned two processes is given in the present paper. With the help of a particle dynamic analyzer a study has been conducted of both the concentration process and the diffusion process of a bluff body which assumes the form of a damper, demonstrating for the first time the existence of the stagnant concentration process. The experimental test results show that through the use of the bluff body a concentration or enrichment of the pulverized coal can be readily attained.
Key words: concentrated pulverized-coal combustion technology, pulverized coal burner, stagnation concentration process, diffusion process, bluff body
1 前言
濃縮煤粉燃燒技術作為一種穩定燃燒的手段，以其良好的效果和廣闊的開發前景，在國內外得到了廣泛的研究和應用［1］。大量的理論分析和運行數據證明了煤粉燃燒器出口附近的煤粉濃度對煤粉的著火和燃燒存在著重大影響［2］：當煤粉濃度提高時，煤粉燃燒所需要的著火熱減少、著火時間縮短、著火點提前和煤粉燃燒所形成的NOx減少。因此，發展濃縮煤粉燃燒技術，無論對提高火焰穩定性，還是對降低NOx排放造成的環境污染都是很好的解決手段。近年來，許多科研工作者針對煤粉穩燃問題，運用濃縮煤粉燃燒技術研製成功了多種新型煤粉燃燒器，如船形燃燒器、鈍體燃燒器、徑向濃淡旋流燃燒器等。剖析這些燃燒器的穩燃機理可以發現，為了在適當的位置達到高濃度煤粉，它們都利用了在一次風口內或一次風出口附近裝設非流線型體(船體、鈍體等)而產生的氣固兩相分離流滯止濃縮過程和彌散過程。由此可見，滯止濃縮過程和彌散過程是濃縮煤粉燃燒技術的基礎。為研究方便起見，本文將以擋板為非流線型體，以顆粒碰撞擋板時達到局部空間增濃為例，對滯止濃縮過程和彌散過程進行理論分析，以期為進一步開發新的煤粉燃燒器和發展煤的高效低污染燃燒技術提供更好的理論依據。
2 滯止濃縮過程與彌散過程
滯止濃縮過程是指氣固兩相流中的固體顆粒由於受阻(氣相阻力或機械阻力)滯止減速，從而在局部空間內顆粒質量濃度增加的過程。在一維穩態條件下，假設顆粒沿x軸方運動(如圖1所示)。根據質量守恆原理，沿x軸方向質量流率Gs(kg/m2s)不變，即
其中，v為顆粒的速度(m/s)，C為顆粒空間質量濃度(kg/m3)。這裡顆粒空間質量濃度可以用下式表示：
C＝ρp(1-ε)
式中，ρp為顆粒密度(kg/m3)，ε為氣固兩相流的空隙率。當顆粒由於某種原因速度減小，即dv/dx＜0時，顆粒空間濃度就會增加，這就是滯止濃縮過程。
彌散過程是指由於顆粒存在與固相平均速度v垂直的速度vy，使顆粒從控制體兩側飛離控制體的過程。
通常，在煤粉的實際燃燒過程中，最理想的煤粉濃度組織應當是：在燃燒前期，需要增強滯止濃縮過程，使煤粉濃度增加，並與高溫迴流區配合形成穩燃區；在燃燒後期，需要增強彌散過程，使煤粉與空氣充分混合，以有利於煤粉的燃盡。因此，組織好滯止濃縮過程與彌散過程對改進煤粉燃燒技術很有意義。
3 試驗系統
為試驗系統示意圖［3］，主要由供氣供粉部分、測試部分和吸氣部分組成。其中，供氣供粉部分由送風的羅茨風機和送粉的螺旋給粉器組成，吸氣部分包括旋風分離器和引風機，測試部分由測試對象與PDA(粒子動態分析儀)測試系統組成。在試驗測試對象(如圖3所示)中，測試段是高100 mm，寬100 mm，長500 mm的長方體，除上表面採用氟化玻璃作為PDA測試窗口外，其餘材料均為有機玻璃。一次風口為100 mm×10 mm的長方形，其風速為30 m/s。為了易於觀察，將寬為20 mm、高為40 mm的矩形擋板(非流線型體)放置在距一次風口120 mm處。試驗時，在一次風中加入0～200 μm的球形玻璃珠，以測量擋板附近的流場和濃度場。為了減小氣固兩相流的脈動隨機誤差
