富氧微油點(diǎn)火與穩(wěn)燃系統(tǒng)

富氧微油點(diǎn)火與穩(wěn)燃系統(tǒng)

0低負(fù)荷下穩(wěn)定燃燒中國有很多低蒸發(fā)煤資源，比如貧煤和無煙煤，但這些煤礦的分解率低，火災(zāi)溫度高，燃料消耗低，因此很難燃燒和燃燒。在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí),由于爐膛溫度降低,燃燒穩(wěn)定性變差,須投油助燃,這增加了發(fā)電成本、降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。為了提高中小機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)煤粉的點(diǎn)火與低負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒,需要進(jìn)行燃燒調(diào)整和燃燒器設(shè)備改造。富氧微油燃燒器的點(diǎn)火與穩(wěn)燃技術(shù)是在微油氣化燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的,能夠保證穩(wěn)燃回流區(qū)的高溫狀態(tài)。本文對其點(diǎn)火及穩(wěn)燃機(jī)理和特性進(jìn)行介紹。1氧氣微油燃燒機(jī)的點(diǎn)火和穩(wěn)定燃燒1.1煤的揮發(fā)分含量煤粉的燃燒過程一般要經(jīng)歷3個(gè)階段:煤粉氣流的預(yù)熱階段、煤粉的著火燃燒階段和燃盡階段。煤粉火焰的著火和穩(wěn)定燃燒主要取決于煤粉氣流的預(yù)熱階段,在這一階段中,煤粉氣流被加熱,使水分第3期李新夢,等:富氧微油燃燒器的點(diǎn)火與穩(wěn)燃特性研究·15·蒸發(fā),揮發(fā)分充分析出并被加熱到著火溫度。但其所需熱量即著火熱必須由外部提供,著火溫度低,著火熱就越小,就越容易著火。褐煤、煙煤的揮發(fā)分含量高,易著火及穩(wěn)燃;貧煤、無煙煤的揮發(fā)分含量低,著火區(qū)域的揮發(fā)物濃度低(空間濃度),著火溫度要求高,因而不易著火和穩(wěn)燃。由此可見,煤的揮發(fā)分含量極大地影響著火溫度和相應(yīng)的穩(wěn)燃效果,提高著火區(qū)的高煤粉濃度和揮發(fā)分濃度(空間濃度)是降低著火溫度、提高穩(wěn)燃能力的重要措施。在煤粉氣流的預(yù)熱階段,著火熱一方面要加熱煤粉本身到著火溫度,另一方面要加熱輸送介質(zhì)到著火溫度。煤粉的輸送濃度越大,用來輸送煤粉所需的氣體介質(zhì)比例越小,用來加熱輸送介質(zhì)的熱量就越少,同樣煤質(zhì)下所需的著火熱就降低了;另外,由于著火區(qū)域煤的揮發(fā)分濃度提高,也使著火溫度降低。因此,高濃度煤粉容易著火和穩(wěn)燃。富氧微油燃燒器就是利用提高煤粉濃度使一小部分煤粉預(yù)先著火,形成小火焰,然后利用其生成的熱量去點(diǎn)燃整個(gè)一次風(fēng)煤粉,即小火點(diǎn)大火原理而實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定。1.2煤粉燃燒的微油燃燒機(jī)理富氧微油燃燒器由外套筒和設(shè)置在外套筒內(nèi)的中心筒構(gòu)成,一次風(fēng)管與燃燒器的外套筒對接并固定連接為一體結(jié)構(gòu),油燃燒導(dǎo)管以45°的傾角插設(shè)在中心筒管上,其構(gòu)造如圖1所示。霧化極好的富氧和燃油的混合物燃燒產(chǎn)生的高溫油火焰引入煤粉燃燒器一級(jí)燃燒區(qū),當(dāng)濃相煤粉通過氣化燃燒高溫火核時(shí),煤粉溫度急劇升高、破裂粉碎,釋放出大量的揮發(fā)分,在極短的時(shí)間內(nèi)迅速著火燃燒。已著火燃燒的濃相煤粉在次級(jí)燃燒區(qū)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉。富氧微油燃燒器實(shí)現(xiàn)了煤粉的分級(jí)燃燒,燃燒能量逐級(jí)放大,達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的,從而大幅度減少了煤粉燃燒所需的引燃能量。為防止燃燒器燒壞和在燃燒器內(nèi)發(fā)生結(jié)渣,采用多級(jí)氣膜冷卻風(fēng)保護(hù)噴口安全。1.3富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)創(chuàng)造性地利用霧化極好的富氧和燃油的混合物所燃燒釋放的熱能,在一次風(fēng)煤粉噴口內(nèi)形成3T區(qū)域(Temperature——溫度、Turbulence——湍流度及Time——時(shí)間),即在穩(wěn)燃回流區(qū)內(nèi)使煤粉具有較高的溫度與較強(qiáng)的湍流度,提前了點(diǎn)火時(shí)間,將順流相遇的濃相煤粉進(jìn)行持續(xù)加熱,使煤粉達(dá)到燃點(diǎn)而著火。由于富氧氣體濃度高、反應(yīng)快、燃燒溫度高,使穩(wěn)燃回流區(qū)迅速達(dá)到高溫狀態(tài),迅速加熱引燃整個(gè)噴口的一次風(fēng)煤粉,實(shí)現(xiàn)該燃燒器一次風(fēng)煤粉噴口的可靠點(diǎn)火與穩(wěn)燃。在鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),容易發(fā)生一次風(fēng)煤粉噴口滅火。在穩(wěn)燃回流區(qū)內(nèi)注入富氧霧化油氣混合物,使一次風(fēng)出口內(nèi)的溫度始終高于煤粉著火溫度,確保穩(wěn)燃回流區(qū)的高溫狀態(tài),避免了高水分、煤質(zhì)波動(dòng)導(dǎo)致燃燒器一次風(fēng)煤粉噴口的滅火,實(shí)現(xiàn)了該燃燒器一次風(fēng)煤粉噴口可靠的點(diǎn)火穩(wěn)燃,確保在煤的應(yīng)用基含水率和煤質(zhì)發(fā)生波動(dòng)的情況下,鍋爐能安全高效地穩(wěn)定運(yùn)行,避免鍋爐滅火引發(fā)重大安全事故。富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)主要由油系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)、油燃燒器、控制系統(tǒng)(燃油源控制柜、燃油分配柜、富氧氣源控制柜、富氧氣分配柜、終端控制柜、中央控制柜)、管道及閥門等組成。富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)如圖2所示。2氧氣微油燃燒法的穩(wěn)定性能2.1高溫回流區(qū)的存在,使火焰?zhèn)鞑ジ臃€(wěn)定燃燒器出口端的內(nèi)壁上設(shè)有向內(nèi)凸起的擋塊,如果它是不良流體,即非流線形物體,煤粉空氣混合物流過后,在其尾跡區(qū)形成回流渦漩,即內(nèi)回流區(qū)。內(nèi)回流區(qū)內(nèi)湍流混合強(qiáng)烈,回流煙氣溫度達(dá)1000℃以上,為煤粉氣流的著火過程提供穩(wěn)定的熱源。內(nèi)回流區(qū)邊界處的湍流強(qiáng)度較大,能使其中的熱量迅速傳給主氣流;同時(shí)煤粉氣流因擋塊的存在而改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí),煤粉顆粒會(huì)因慣性作用而繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng),使回流區(qū)外邊界附近的煤粉濃度顯著增大,且氣流的平均速度減慢,回流區(qū)邊界附近的煤粉顆粒停留時(shí)間延長,改善了煤粉氣流的著火條件,增強(qiáng)了火焰的穩(wěn)定性,具有明顯的穩(wěn)燃能力。富氧微油燃燒器是利用氣化燃油富氧燃燒產(chǎn)生的有利于著火的高溫回流區(qū),使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?提高了火焰的穩(wěn)定性,同時(shí)由于氧濃度的提高也大大加快了火焰的傳播;另外,回流區(qū)低速區(qū)的存在使得具有較低火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊娜紵橘|(zhì)的著火火焰能夠穩(wěn)定存在,提高了火焰的穩(wěn)定性?；亓鲄^(qū)外層是溫度較低的二次風(fēng),起助燃作用。對煤粉的著火起決定作用的是煤粉氣流與高溫?zé)煔獾慕佑|與熱交換,因此,本文重點(diǎn)研究一次風(fēng)的流場特性。2.2富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)定的將源地流體在回流區(qū)的內(nèi)燃效果本文采用數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算分析,數(shù)值計(jì)算中的邊界條件與某電廠實(shí)際運(yùn)行條件相同,點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)溫為300K,風(fēng)速為23m/s,壁面溫度為1200K,氧氣純度為90%,且入口處煤粉濃度可以調(diào)節(jié)。由于油槍側(cè)的油霧在高濃度氧中汽化、燃燒,此反應(yīng)過程又牽涉到氣-液兩相流的流動(dòng)與燃燒過程,反應(yīng)過程極其復(fù)雜,為了便于簡化計(jì)算,本文把油槍側(cè)油霧在氧氣中的燃燒進(jìn)行簡化,認(rèn)為其燃燒產(chǎn)物只有高溫CO2。計(jì)算采用三維網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)為14678,算法采用“計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法”(PSIC),其中,氣相場計(jì)算采用SIMPLE算法。模擬出的一次風(fēng)流場分布如圖3所示,從圖3中可明顯看出回流區(qū)的形狀變化。高溫流體的熱量隨回流帶到燃燒器出口部位,流體的脈動(dòng)及流體的卷吸使高溫回流流體與煤粉氣流之間發(fā)生熱、質(zhì)交換,加熱煤粉氣流,直至著火燃燒。所以,燃燒器的煤粉氣流是在回流剪切層附近開始著火燃燒的,并由內(nèi)向外擴(kuò)展?；亓鲄^(qū)向煤粉氣流提供的著火熱來源于兩方面:一是回流高溫?zé)煔獾臒崃?其大小既取決于回流煙氣溫度的高低和回流量的多少,又取決于回流煙氣與風(fēng)粉氣流混合的強(qiáng)烈程度;二是進(jìn)入回流區(qū)中煤粉顆粒的燃燒熱,其量取決于進(jìn)入回流區(qū)的煤粉顆粒量及其在回流區(qū)的燃燒程度。富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃效果如圖4所示。在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間的剪切層邊界上,風(fēng)粉氣流與回流區(qū)流體之間發(fā)生熱交換。沿流體的流動(dòng)方向,剪切層不同位置將發(fā)生方向或大小不同的熱交換過程。剛從燃燒器流出的風(fēng)粉氣流受到回流區(qū)高溫流體的加熱,為煤粉的加熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出等過程提供熱源,熱流方向是由回流流體指向風(fēng)粉氣流。在剪切層后部區(qū)域,在揮發(fā)分充分燃燒并有部分焦炭也開始燃燒,風(fēng)粉氣流溫度大幅度提高的情況下,熱流方向由風(fēng)粉氣流指向回流區(qū);當(dāng)風(fēng)粉氣流中燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以大幅度提高其溫度時(shí),熱流方向仍然由回流區(qū)指向風(fēng)粉氣流。維持回流區(qū)高溫流體溫度的條件是,在火焰根部區(qū)域,從回流區(qū)傳遞給風(fēng)粉氣流的熱量應(yīng)與剪切層尾部區(qū)域由風(fēng)粉氣流傳遞給回流區(qū)流體的熱量保持平衡。富氧燃燒器的特殊構(gòu)造能夠讓風(fēng)粉氣流中較多的煤粉顆粒,尤其是粗煤粉顆粒進(jìn)入回流區(qū),對強(qiáng)化燃料的燃燒是很有利的:一方面,煤粉在回流區(qū)內(nèi)有較多的停留時(shí)間,對粗煤粉燃盡有利;另一方面,煤粉在回流區(qū)內(nèi)燃燒可為回流流體補(bǔ)充一部分熱量。同時(shí),在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間的剪切層邊界還發(fā)生質(zhì)交換。剛從燃燒器流出的風(fēng)粉氣流動(dòng)能較高,將回流區(qū)流體卷吸到其內(nèi)表面與風(fēng)粉氣流平行流動(dòng),在剪切層后部區(qū)域,風(fēng)粉氣流的動(dòng)能沿風(fēng)粉氣流流向明顯降低,卷吸能力減弱;相反,在流動(dòng)過程中風(fēng)粉氣流范圍擴(kuò)張,回流區(qū)寬度尺寸逐漸變小,部分風(fēng)粉氣流因被擠壓而穿過剪切層進(jìn)入回流區(qū),并折向作反向流動(dòng),成為回流流體。回流區(qū)流體質(zhì)量的守衡條件是在火焰根部被風(fēng)粉氣流卷吸的回流區(qū)流體的質(zhì)量應(yīng)與剪切層后部由風(fēng)粉氣流折回至回流區(qū)的流體質(zhì)量平衡狀態(tài)。另外,在剪切層邊界上,在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間還存在固相(煤粉)顆粒的交換。剪切層流體的脈動(dòng)是風(fēng)粉氣流與回流流體之間的氣相質(zhì)交換和固相質(zhì)交換的動(dòng)力,但脈動(dòng)速度較小,僅為主流速度的百分之幾(比主流速度約小2個(gè)數(shù)量級(jí)),對固相質(zhì)交換而言,流體脈動(dòng)只會(huì)導(dǎo)致極微細(xì)煤粉顆粒的隨機(jī)遷移。另一類固相質(zhì)交換是隨被卷吸的回流流體帶出回流區(qū)和隨被擠壓的風(fēng)粉氣流進(jìn)入回流區(qū)的氣相交換過程中發(fā)生的。富氧微油燃燒器使更多的煤粉進(jìn)入回流區(qū)著火燃燒并反復(fù)循環(huán),也提高了中心回流區(qū)的煙氣溫度,從而強(qiáng)化了高溫?zé)煔鈱γ悍蹥饬鞯募訜?。另?該燃燒器存在較大的富氧燃燒區(qū),對減少NOX的生成十分有利。2.3高溫區(qū)火炬的形成油槍出口截面溫度場計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。煤粉氣流在靠近油槍的一側(cè)著火后,火焰中心(即高溫區(qū))逐漸向另一側(cè)移動(dòng),在出口形成一個(gè)向外擴(kuò)展的火炬。由圖6可知,出口截面的計(jì)算溫度場與理論分析是相符合的。2.4煤粉氣流最佳溫度與燃燒反應(yīng)平衡模型煤粉質(zhì)量濃度為0.2kg煤粉/kg風(fēng)時(shí),沿z軸的軸向溫度場如圖7所示。圖7中每點(diǎn)的溫度為在對應(yīng)軸向距離(z向)上,且r=0.189m的環(huán)線上的所有網(wǎng)格的溫度的平均值。對著火點(diǎn)的判定采用Semenov著火理論。在煤粉著火前,一次風(fēng)煤粉主要靠從高溫CO2獲得的輻射熱和對流熱而升溫。隨著靠近油槍處的煤粉氣流溫度的升高,其從高溫CO2獲得的熱能減少,則溫升趨緩,當(dāng)溫升快的煤粉氣流達(dá)到一定溫度,揮發(fā)分開始析出著火,則煤粉氣流溫升逐漸加劇,從此處(即溫度曲線的拐點(diǎn))起,煤粉氣流開始著火。該點(diǎn)的數(shù)學(xué)條件為:dTdx≥0?(1)dTdx=0。(2)dΤdx≥0?(1)dΤdx=0。(2)式中,T為溫度,K;x為坐標(biāo)軸。由圖7可見,計(jì)算所得的最高溫度點(diǎn)較高。其原因是對氣相場的湍流燃燒模擬采用的是PDF與局部瞬時(shí)反應(yīng)平衡模型,該模型忽略了燃燒反應(yīng)中動(dòng)力作用的影響,使揮發(fā)分中的CH4及CO的反應(yīng)比實(shí)際要迅速,故最高溫度點(diǎn)偏高。當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)后,溫度有所下降,這是由于局部缺氧抑制了燃燒造成的;同時(shí),前段著火燃燒產(chǎn)生的CO2,H2O和