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Experimental and numerical investigation of vortex-induced flame propagation in a biomass furnace with tangential over fire registers

Authors

  • K. S. Shanmukharadhya,

    Corresponding author
    1. Department of Mechanical Engineering, Bannari Amman Institute of Technology, Sathyamangalam 638 401, Tamil Nadu, India
    • Department of Mechanical Engineering, Bannari Amman Institute of Technology, Sathyamangalam 638 401, Tamil Nadu, India.
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  • K. G. Sudhakar

    1. Advanced Studies, Government Tool Room and Training Centre, Rajajinagar, Bangalore 44, Karnataka, India
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Abstract

The tangentially fired furnaces have evolved because of rapid contacting of the fuel and air flame impingement, and the increased particulate residence time due to vortex motion. Tangentially fired units have a good record in being able to meet emission regulation on NOx as a result of their flexibility and the ability to control the heat release rate. Yet, the flow inside the tangentially fired furnaces is known to have its own peculiar aerodynamics; it is quite complicated in such a way that it is not easy to reach a satisfactory model to describe it. The drawbacks with the traditional tangentially fired furnaces are burner velocities. Low velocities are not suitable for fuels having high volatile contents, as ignition occurs in or near the burner causing slugging and distortion problems. Very high velocities on the other hand are undesirable as fuel particles can centrifuge out of the main combustion zone as unburnt carbon. The test boiler used in this work has tangential over fire registers located in the side walls, which are directed to form an imaginary circle at the centre to aid the suspension burning. The vortex formed by these jets, is then induced by the under grate air in reaching the higher levels in the furnace. In the test furnace, the fuel is not coming along with the tangential over fire air, but enters the furnace through the bagasse spreaders and carried by the distributor air. The combustion of bagasse and the propagation of the flame within the furnace are influenced by the tangential over fire air and the under grate air. In the present work, the furnace is simulated and analyzed for the propagation of flame and the patterns at various heights of the furnace supported by the measurements.

Abstract

Les fours à alimentation tangentielle ont évolué à cause de la mise en contact rapide entre le combustible et la flamme d'air ainsi que du temps de séjour accru des particules en raison du déplacement en vortex. De tels fours sont reconnus pour leur capacité de régulation des émissions de NOx grâce à leur flexibilité et leur capacité à contrôler le taux de libération de la chaleur. Pourtant, l'écoulement dans les fours à alimentation tangentielle est connu pour présenter une aérodynamique particulière et compliquée à décrire par un modèle satisfaisant. Les inconvénients de ce type de four traditionnel résident dans les cinétiques des brûleurs. De faibles cinétiques ne conviennent pas aux combustibles ayant des teneurs élevées en volatils, étant donné que l'allumage survient dans le brûleur ou près de celui-ci, entraînant des problèmes d'engorgement et de distorsion. D'un autre côté, des cinétiques élevées ne sont pas souhaitables, vu que les particules de combustible peuvent se centrifuger à l'extérieur de la zone principale de combustion, comme le carbone non brûlé. La chaudière d'essai utilisée dans ce travail possède des registres de suralimentation tangentielle, localisés dans les parois latérales et dirigés sous la forme d'un cercle imaginaire au centre afin d'aider le brûlage des suspensions. Le vortex formé par ces jets est alors induit par l'air se trouvant sous la grille à l'approche des niveaux supérieurs dans le four. Dans le four d'essai, le combustible n'arrive pas en même temps que l'air de suralimentation tangentielle, mais entre dans le four par les épandeuses de bagasse et est transporté par l'air du distributeur. La combustion de la bagasse et la propagation de la flamme dans le four sont influencées par l'air de suralimentation tangentielle et l'air sous la grille. Dans le présent travail, le four est simulé et analysé en termes de propagation de la flamme et des différents schémas à des hauteurs de four variées, et en s'aidant de mesures.

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