大尺度电站锅炉中的强声传播和声效应研究

In large-scale power plant boilers, using the high-intensity sound waves to enhance pulverized coal combustion and heat exchanger transfer in power boilers is a potential way to improve the efficiency of boiler, reduce the coal consumption and pollutant emissions. However, because of the large gradients variation and multivariate cross-coupling efffect in the combustion zone, nonlinear propagation of sound waves and its acoustic effect are very complex in the negative pressure gas containing solid particles. Currently, the nonlinear acoustics issue in coal-fired power boilers is still an unsolved problem. On the basis of previous fund project studies, this thesis focuses on the mechanisms and methods of promoting combustion and heat transfer by using high-intensity sound waves, it reveals the nonlinear acoustics law in the large-scale power plant boiler through using this new application of acoustic technology. The main research contents include:(1) high-intensity sound propagation in the gas containing solid particles;(2) oscillatory flow characteristics around coal particles under the high-intensity sound effects;(3) the influence of high-intensity sound effects on the heat and mass transfer of coal particle with the surrounding environment; and (4) the efffect on the heat transfer efficiency of the heat exchanger tube surface in boiler. The research reveals the propagation of high-intensity sound waves in boiler, explores the acoustic effects about coal particle combustion and heat-exchanger transfer under high-intensity sound effects.

在大尺度电站锅炉中，用强声波来促进炉内煤粉燃烧、强化换热器传热是提高锅炉综合效率、降低煤耗、减少污染物排放的重要潜在手段，但由于炉内燃烧区域具有大梯度变化和多变量交叉耦合作用等物理特征，导致声波在炉内含固体颗粒负压气体中的非线性传播及其声效应十分复杂。目前，电站燃煤锅炉中的非线性声学问题仍是一个尚未解决的难题。本课题将在前一基金课题研究基础上，针对大尺度电站锅炉用强声波促进燃烧和强化传热的新一代应用声学技术，以揭示炉内非线性声学规律为目的，重点探讨强声波促进燃烧、强化传热的机理和方法。主要研究内容包括：（1）炉内含固体颗粒气体中的强声传播；（2）强声作用下煤颗粒周围的振荡流动特征；（3）强声作用对煤颗粒与周围环境的传热和传质的影响；（4）强声作用对炉内换热器管道表面传热效率的影响。通过课题研究，揭示炉内强声波的传播规律，探索强声作用下煤颗粒燃烧和换热管道传热的声效应。

本课题针对大尺度电站锅炉用强声波促进燃烧和强化传热的新一代应用声学技术，以揭示炉内非线性声学规律为目的，重点探讨强声波促进燃烧、强化传热的机理和方法。在炉内含固体颗粒气体中的强声传播方面，推导了声波的非线性波动方程，研究了位于可听声频率段的强声波在电站锅炉中的非线性传播特性。研究了可听声频率范围内声波在电站锅炉含颗粒介质气体中的传播机理，建立了电站锅炉含颗粒介质气体中的声衰减系数计算公式以及声速公式，得到了声衰减系数、声速与声频率、颗粒介质体积分数、颗粒粒径及烟气温度的关系。在强声作用下煤颗粒周围的振荡流动特征方面，分析了声场中炉内煤颗粒的夹带特性以及声波作用下的次级效应—声流，并在此基础上，研究了声波作用下煤颗粒周围气体的振荡流动特性。根据所求得通用微分方程的解，详细分析了在不同声雷诺数与斯特劳哈尔数的情况下，颗粒壁面的流场分布、轴向压力梯度、切向应力以及分离角的分布规律。在强声作用对煤颗粒与周围环境的传热和传质的影响方面，分析了不同声压级不同频率的颗粒壁面的温度场、局部努赛尔数、表面平均努赛尔数以及时间-空间平均努赛尔数的分布规律；同时还探讨了声波作用下烟气中滑移单颗粒煤粉的传热传质特性。在强声作用对炉内换热器管道表面传热效率的影响方面，研究了炉内管阵列中的声场分布特性，辐射特性以及多种换热器管道间存在的声二极管效应，得到在阵列环境中声场分布呈现方向性增强或减弱等现象，并且声波通过多种不同管道时存在某些频段呈现单向导通现象。同时对课题进行了相关的拓展研究，包括：(1)非均匀温度场的声线弯曲以及根据声线弯曲进行温度场重建算法研究；(2)声波对燃烧火焰的影响，声波对火焰的助燃与阻燃效果研究；(3)泄漏喷流绕流管道的流场和声场特性研究等方向。对通过课题研究，揭示炉内强声波的传播规律，探索强声作用下煤颗粒燃烧和换热管道传热的声效应。