（化学工程专业论文）低压热脏煤气燃烧器的特性研究及工程应用.pdf

四川大学硕士学位论文 y6 5 42 5 5 低压热脏煤气燃烧器的特性研究及工程应用 化学工程专业 研究生龙玲指导教师叶世超教授 随着油价飙升，燃料成本大幅增涨，如何充分地利用我国蕴藏十分丰富的 煤矿资源替代油类燃料是工业界关注的焦点。同时为了保证中国能源环境的可 持续性发展，减少燃煤对大气污染，应当积极发展洁净煤技术。实现发生炉产 生的低压热煤气高效洁净燃烧，经济性高且环境友好，应用前景十分广阔。 本文就热煤气燃烧系统的核心部件燃烧器进行冷态流动特性实验，通 过测定模拟煤气与助燃空气流量以及压力变化关系，研究了同轴射流燃烧器的 抽吸性能：热态点火实验考察了同轴射流燃烧器与同轴旋转交叉射流燃烧器的 预混性能，并同轻柴油燃烧情况进行比较。此外，还对同轴射流燃烧器出口有 限空间内的湍流燃烧过程进行了数值模拟，采用湍流扩散燃烧k 一一g 模型得到 了场内气流的压力、速度、湍流动能、湍流耗散能、温度和组分浓度等参数的 分布及其变化。最后由工程计算设计热煤气工艺流程，提出了劈离砖隧道窑切 实可行的油改气方案。 研究结果表明：冷态实验中，切断模拟煤气风机电源并关闭煤气管道阀门， 煤气管路测压点处出现真空度，并随助燃空气的流量而增大，对低压煤气具有 抽吸作用；模拟煤气流量一定时，空气对低压煤气的抽吸作用与空气的流量有 关，且当助燃空气的流量大于一定数值才能对煤气产生抽吸作用。 同轴射流燃烧器的热态实验，燃烧最高温度可达1 0 5 0 c ，当稳定煤气的压 力和流量，温度还能升高，在工程操作允许范围内是可以满足劈离砖烧成要求 的；采用优化改进的同轴旋转射流燃烧器燃烧低压热煤气，平均温度到达1 0 8 8 ，有时还可攀升到1 2 5 0 以上，将热脏煤气同轻柴油的燃烧情况进行比较， 结果发现煤气燃烧火焰的颜色和透明程度优于轻柴油，说明燃烧器可使得煤气 四川大学硕士学位论文 燃烧比柴油更充分，表明改进后的同轴旋转交叉射流燃烧器的预混性能更为良 好，能够实现低压热脏煤气的洁净燃烧，可以满足劈离砖隧道窑的生产要求。 数值分析结果表明，燃烧器出口压力随着轴向x 值增大而逐渐减小：煤气 和助燃空气按化学适配比射出后，很快在煤气芯管出口区域处形成一个很小的 回流：忽略煤气中其它含量较低的可燃组分，最高模拟燃烧温度为1 2 0 7 ，这 与实验和工程计算所得温度的误差，在工程应用上是可接受的；c o 质量分数值 随x 增加而减小，0 2 质量分数值最初为零，自燃烧器出口有限区域中部开始增 大，燃烧产物c 0 2 的质量分数值则是先增大后减小，热煤气可燃组分c o 与空 气中的0 2 燃烧核心区为水平轴x = 0 1 o 8 m 空间范围内。 通过工程燃烧计算，将热煤气与柴油燃烧系统进行对比，得出欲满足隧道 窑烧制劈离砖1 2 6 0 左右的烧成气氛，理论上每小时每个燃烧器所耗煤气量为 3 6 9 6 2 n m 3 h ，助燃空气需求量为4 2 9 1 3n m 3 h 。依据该化学适配比，设计了热 态实验选用的同轴射流燃烧器与同轴旋转交叉射流燃烧器，并为热煤气工艺选 取了型号为m q l 2 0 0 0 混合煤气发生炉，以及风机、阀门、管道等相应配套设 各。 关键词热煤气同轴射流同轴旋转交叉射流燃烧器冷态实验热态燃烧实验 数值分析湍流扩散燃烧k 一占一g 模型工程计算劈离砖隧道窑 竖业查兰堡主堂竺堡苎 s t u d y o nc h a r a c t e ro fc o m b u s t o rw i t h l o w - p r e s s u r e h o t d i r t yg a s a n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n m a j o rc h e m i c a le n g i n e e r i n g s t u d e n t l o n gl i n gs u p e r v i s o rp r 啄y es h i c h a o t h ef u e lc o s tr e c e n t l yh a sb e e ni n f l a t e dw i t hr i s ei no i lp r i c e a n dh o wt om a k e f u l lu s eo fc h i n e s ec o a lr e s o u r c ei n s t e a do fo i lb e c o m e so n ef o c u si ni n d u s t r y t o e n s u r ec o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n to f e n e r g ys o u r c e sa n dc i r c u m s t a n c ei nc h i n a ，t h e p o l l u t i o no fc o a l c o n s u m e dm u s tb er e d u c e d ，a n dm o r e o v e r ，t h et e c h n o l o g ya b o u t c l e a nc o m b u s t i o nw i t hc o a ls h o u l db ed e v e l o p e d a c t i v e l y t h er e a l i z a t i o n o f e f f e c t u a l a n dc l e a nc o m b u s t i o nw i t h l o w - p r e s s u r e h o t g a s f r o mf u m a c e ，w h o s ea p p l i e d f o r e g r o u n di sv e r yw i d e ，c a ni m p r o v ee c o n o m y a n d p r o t e c te n v i r o n m e n ta v a i l a b l y ah a v i n gb e e nd e t e r m i n e dt h ec o r r e l a t i o no ff l u xa n d p r e s sb e t w e e ns i m u l a n t g a sa n dc o m b u s t i o n s u p p o r t i n ga i r , t h ep u m pp e r f o r m a n c eo fh o tg a sc o m b u s t o ri s s t u d i e dw i t h o u ti g n i t i o nt oi n v e s t i g a t et h ec h a r a c t e r i s t i ch y d r o d y n a m i cp r o p e 矗i e so f t h ec o a x i a lj e tc o m b u s t o ra n dc o a x i a ls w i r l i n gc o m b u s t o r t h ea i ra n dg a sp r e m i x i n g a b i l i t yi st e s t e dw i t ht h eb u r n ye x p e r i m e n t a t i o na b o u tt h el o w - p r e s s u r eh o tg a s a n d w h i c hi sc o m p a r e dw i t ht h ec o m b u s t i o nu s i n gd i e s e lo i l b e s i d e s ，n u m e r i c a la n a l y s i s i sc o n d u c t e df o rt h et u r b u l e n tc o m b u s t i o np r o c e s si nf i n i t es p a c eo u to fc o a x i a lj e t c o m b u s t o r k 一占一g m o d e li sa d o p t e dt or e c e i v ed i s t r i b u t i n ga n dc h a n g eo np r e s s v e l o c i t y , t u r b u l e n tk i n e t i ce n e r g y , d i s s i p a t i o nr a t e ，t e m p e r a t u r ea n d m a s sf r a c t i o ne t c o fr e s e a r c h f u la r e a f i n a l l y , t e c h n i c a lf l o wo f s u b s t i t u t i n gg a s f o ro i lb yc a l c u l a t i o ni s d e s i g n e d ，a n dt h e f e a s i b l eb l u e p r i n t i s b r o u g h tf o r w a r d i nt h ek i l n s y s t e m o f d e t a c h e db r i c k 1 1 1 一堕型奎兰堡圭堂垡堡塞 a l lt h er e s u l t ss h o wt h a ti nt h ee x p e r i m e n tw i t h o u ti g n i t i o n w h e ns i m u l a n tg a s b l o w e rc u to f f a n dc o n d u i t c l o s e d ，t h e r ei sav a c u u mo nt h et e s t i n gd o to f g a s p i p e l i n e ， w h o s ev a l u ei n c r e a s e sw i t ht h ee l e v a t i o no ft h ec o m b u s t i o n s u p p o s i n ga i rf l u x ，a n d w h i c hc a r lp u m p l o w p r e s sg a s ；a st h es i m u l a n tg a sf l u xi sd e f i n i t e ，t h ep u m pa c t i o n h a sr e l a t i o nt oa i rf l u x o n l y w h e nt h ea i rf l u xe x c e e d so n ef i x e dv a l u e t h eu p m o s tt e m p e r a t u r ea t t a i n s1 0 5 0 ( 2i nt h ec o m b u s t i o ne x p e r i m e n t a t i o n w i t hc o a x i a l j e tc o m b u s t o r , w h i c h m a y e v e nb eh i g h e rw h e nt h e p r e s sa n d f l u xo f g a s i sh e l df i r m l y , i tc a r lb es a t i s f i e dw i t ht h ec o m b u s t i o n r e q u e s to f d e t a c h e db r i c k ；u s i n g t h ea m e l i o r a t e dc o m b u s t o rw i t ht h ev i r t u eo fc o a x i a l ，s w i r l i n ga n d c r o s s e d ，t h e a v e r a g et e m p e r a t u r ei su pt o1 0 8 8 。c ，a n ds o m e t i m e sc a r la r r i v ea t1 2 5 0 co re v e n m o r e ，t h ef l a m ec o l o ra n dc l a r i t yd e g r e es h o ws u p e r i o r i t y c o m p a r e dw i t h t h e c o m b u s t i o n u s i n gd i e s e lo i l ，a n dt h ec o m b u s t o rw i t hg a sb u r n sm o r ea d e q u a t e l yt h a n w i t hd i e s e l o i l b yt h i st o k e n ，t h ep r e m i x i n ga b i l i t yo fc o a x i ms w i r l i n gc r o s s e d c o m b u s t o ri sm u c hb e t t e r , t h ec l e a nc o m b u s t i o no f l o w - p r e s sh o tg a sc o m e st r u e ，a n d y i e l d i n gr e q u e s to f d e t a c h e db r i c kc a nb es a t i s f i e d n u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t si n d i c a t e ，t h eo u tp r e s so fc o m b u s t o rd e c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n gt h e x v a l u e ；t h e r ei sal i t t l eb a c k f l o wa b o u tt h ee x i to ft h ec o r ed u c to f c o m b u s t o r , a f t e rg a se m i s s i o nw i t ha i rp o s s e s s e de n o u g hc h e m i cp r o p o r t i o n ；w h e n o t h e rf e wc o m b u s t i o nc o m p o n e n t si g n o r e d ，s i m u l a n tt e m p e r a t u r ei su pt o1 2 0 7 c ，t h e e r r o rb e t w e e nt h et e m p e r a t u r eo f e x p e r i m e n t ，e n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o na n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a l lb ea c c e p t e do nt h ee n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ；t h ev a l u eo f m a s sf r a c t i o n o fc oi n c r e a s e sw i t hx i n c r e a s i n g ，m a s sf r a c t i o no f0 2i n i t i a l l yd o e s n te x i s t ，b u t e s c a l a t e sf r o mc e n t r a ls e c t i o no ff i n i t er e g i o nb yt h ee x i to fc o m b u s t o r , t h em a s s f r a c t i o no fc o m b u s t i o no u t c o m ec 0 2 ，f i r s t l y a u g m e n t sa n d l a t e r d e c r e a s e s ，t h e c o m b u s t i o nb e t w e e nc oa n d0 2 h a p p e n s i nt h es p a c eo fx = 0 1 0 8 m t h es y s t e mo fh o tg a si sc o m p a r e dw i t 1t h a to fd i e s e lo i lt h r o u g he n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n ，a n dt h u si tc a nb es e e n ，t om e e tt h en e e do f t h ec o m b u s t i o na t m o s p h e r e a t1 2 6 0 c ，e v e r yc o m b u s t o rn e e d sc o n s u a t l e3 6 9 6 2 n m ho f g a sa n d 4 2 9 1 3n m h o fa i ri na i lh o u r a c c o r d i n gt ot h ec h e m i cp r o p o t i o n ，t h ec o a x i a l j e tc o m b u s t o ra n d t h ec o a x i a l s w i r l i n g c r o s s e dc o m b u s t o r , w h i c hh a v eb e e nu s e di nt h e b u r n y - - 四川大学硕士学位论文 e x p e r i m e n t a t i o n ，a n d t h e g a s f u r n a c e m q l 一2 0 0 0 ，b l o w e r , v a l v e ，a n d o t h e r c o r r e s p o n d i n ge q u i p m e n t s a r es e l e c t e df o rt h ec r a f to f h o t g a s k e y w o r d s ：h o tg a s ，c o a x i a lj e t ，c o a x i a l s w i r l i n g c r o s s e d j e t ，c o m b u s t o r ， e x p e r i m e n t a t i o n w i t h o u t i g n i t i o n ，b u m y e x p e r i m e n t a t i o n ，n u m e r i c a l a n a l y s i s ， t u r b u l e n td i f f u s e dc o m b u s t i o n ，k 一占一gm o d e l ，e n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n ，k i l n ， d e t a c h e db r i c k v - 四川大学硕士学位论文 刖茜 劈离砖通常又称劈裂砖，因其由两块砖背对背地同时挤出成型，烧成后再 沿厚度方向劈成两片单砖而得名。环保型彩色劈离砖形态古朴、典雅、质感柔 润、自然，具有很高的文化品味，是一种中、高档新型装饰装修材料，深受消 费者青睐。目前主要用于建筑物内、外墙面及甬路、花园、广场等各种地面砖。 它具有吸水率低、耐压、耐磨、耐酸碱、热稳定性好及颜色稳定等优点，加上 具有自然色泽的优势，其使用功能和适用性均优于釉面砖和墙地砖。 工业上，以优质岩为主原料的劈离砖通常是采用热能利用率高、干燥均匀 耗时短、节省劳力的连续式隧道窑以轻质柴油为燃料进行其坯体的高温焙烧。 近年来柴油受资源匮乏，尤其是中东局势的影响导致其价格一路攀升，劈离砖 烧制成本居高不下，极大地加重了生产企业的燃料负担。直接燃煤间接加热的 隧道窑生产能力小，环境污染严重。通过煤气发生炉将固体煤气化，再以煤气 替代柴油作为燃料，可以显著降低劈离砖的烧制成本。 煤气发生炉工段的工艺一般可分为冷净煤气和热脏煤气两种。冷净煤气工 艺需要建立完善的冷却、增压和净化系统。3 1 “，设备投资大，容易产t t - 次 污染。热脏煤气则是将发生炉产生的约5 5 0 。c 的低压热煤气经过旋风除尘的简单 处理后直接送入烧嘴燃烧，设备投资低、环境污染小，并且还能利用煤气的物 理热以节省燃料，是劈离砖隧道窑油改气的首选方案。然而，由国内知名专业 技术公司按热脏煤气工艺实施的油改气工业性实验中，因产生大量的花砖和黑 头砖、产品合格率由燃油的9 2 降至4 9 ，而以失败告终。 我们认为，失败的主要原因是煤气燃烧状况不理想，火焰形态发生了变化， 改变了隧道窑的温度场。针对劈离砖生产对色彩的特殊要求，本文对热脏煤气 清洁燃烧过程进行了专门的工程计算和过程优化设计。 由于发生炉煤气的压力很低，实现低压热脏煤气洁净燃烧有很大的技术难 度，首先必须解决好两个技术难题：一是用空气引射煤气，按化学适配比计算 的热煤气体积流量和常温常压下所需空气流量，应在煤气喷口处造成足够的真 空度，使其足以对周边的助燃空气起到卷吸的作用；二是煤气与空气的混合问 题，混合程度不同、燃烧机制不同、火焰状态不同。要保证砖体色泽一致，必 四j i l 大学硕士学位论文 须形成动力学因数控制的短焰燃烧，这就要求燃烧器必须具备良好的预混性能 6 o 基于上述构想，本文还设计了结构相对简单的同轴射流燃烧器和混合燃烧 性能效果很好的同轴旋转交叉射流燃烧器，并通过冷态流动模拟实验和热态燃 烧实验，研究了适合劈离砖燃用热脏煤气的燃烧器的流动和燃烧特性，为低压 热脏煤气洁净燃烧提供了实验依据。研究阶段后期，从计算燃烧学的角度进行 系统深入的理论分析，构筑前者射流燃烧器相应的数学模型定量表达流体流动 及燃烧这一物理和化学过程的依变关系，进而为开发低压热脏煤气的高效洁净 燃烧技术提供科学依据。 我国在化工、轻工、冶金、建材等行业使用的各种窑炉数万座，其中三分 之二以上燃用煤炭和油料。燃煤污染严重，燃油经济性差，亟待优化升级”+ ， 实现发生炉低压热脏煤气高效洁净燃烧，经济性高且环境友好，应用前景十分 广阔口1 ”“”1 。上述劈离砖隧道窑煤气燃烧存在的问题具有共性，而低压煤气 预混不好难以实现高效清洁燃烧的问题在其他窑炉也同样存在，工程界已迫切 需要低压热脏煤气洁净燃烧技术以装备生产过程。但是，由于燃烧过程的复杂 性，迄今为止湍流及燃烧理论尚不完善，有关极低压下热脏煤气洁净燃烧的基 础研究还很少，因此本文具有一定的科学价值和良好的社会经济效益。 塑型奎兰堡主兰垡塑塞 第一章文献综述 1 1 煤气工艺 1 1 1 概述 煤是我国最主要的能源资源，目前煤炭在我国的一次能源消耗总量中约占 7 5 ，我国石油资源相对匮乏，以煤代油为我国长期战略性的重要能源政策“。 目前在工业窑炉上直接燃煤还有许多困难，例如当采用层燃方式时，如倒焰窑、 反射炉等，虽然可以获得较洁净的火焰，但却难以得到长时间连续稳定的燃烧 工况，也难以实现燃烧过程的自动控制和调节。又如采用粉煤燃烧方式时，虽 然可以实现火焰长时间连续稳定的燃烧，也容易实现对燃烧状况的自动控制与 调节，但其火焰和烟气中却含有大量的灰渣和碳粒，影响产品质量，造成环境 污染。水煤浆的输运、储存和使用同燃油相似，但火焰和烟气中同样含有大量 的灰渣，比粉煤燃烧相差无异。 进入2 1 世纪，为了保证中国能源环境的可持续性发展，减少燃煤对大气污 染，必须大力发展洁净煤技术。煤炭气化是最重要的应用广泛的洁净煤技术， 也只有煤气化才是当前工业窑炉实现以煤代油的唯一有效的方法。煤气化技术 过程可以简单描述为：将固体煤加入气化炉内，在高温条件下与气化剂反应， 煤由固态转化为气态煤气，剩下的含碳残渣排出炉外。 根据生产工艺不同，煤气可分冷煤气和热煤气两种。冷煤气是指煤气自发 生炉排出后，经冷却、清洗净化系统，煤气温度由出炉的4 5 0 5 5 0 。c 降低3 5 。c 左右，经加压送往用户。热煤气只需经旋风除尘器除去大颗粒灰尘后在保持其 原有的热态下直接送入炉内燃烧。建造冷煤气站投资巨大，一般中小企业难以 承受。因此烧热煤气已成为一种趋势。 1 i 2 热煤气气化工艺和流程 按照洁净煤技术的标准和要求来衡量，热煤气是一种“脏”的燃料，煤中 所含有的大部分硫均转移到煤气中。劈离砖生产对色彩的高品质要求决定了必 须对燃烧过程进行严格掌控。因此对热煤气的正确了解是很有必要的，包括对 一 婴! ! ! 奎兰婴主兰篁笙塞 热煤气工艺特点和能耗进行分析，以期达到正确认识和合理使用热煤气的目的。 热煤气系统由煤气发生炉、旋风除尘器、输送管道、阀门和燃烧器组成。 热煤气和冷煤气的区别仅在于热煤气省去煤气的冷却、湿式净化等后处理过程。 煤气发生炉主要采用弱粘性烟煤、无烟煤或焦炭等块煤为气化原料，以空气和 水蒸汽的混合物作为气化剂，炉内煤料与气化剂通常为逆流接触，煤料在气化 炉内从上到下分为干燥层、干馏层、还原层、氧化层及灰渣层。气化剂在灰渣 层中不发生化学反应，仅与灰渣之间进行热交换气化剂入炉后先在此预热 灰渣被冷却。在氧化层主要发生碳的燃烧反应，为气化反应过程提供热量，反 应方程式为： c + 0 2 斗c 0 2 + 4 0 6 4 m j 在还原层主要发生二氧化碳还原和水蒸气汽化等气一固相反应，同时还进 行水煤气变换与甲烷化等气相反应，使得热量得到相应的补充。气化剂经过还 原层之后，气体中c o 和h 2 含量迅速升高，水蒸气含量迅速下降，反应式为： c + c 。2 2 c 0 1 6 2 4 m j c + 日2 0 ( g ) - 9 , c o + h 2 1 1 8 8 m j c o + h 2 0 ( g ) 一c 0 2 + 日2 + 4 3 ，6 m j c o + 3 h 2 c h 4 + h 2 d ( g ) + 2 0 3 6 m j 进入气化炉的煤料首先在干燥层吸收上升气流中的显热而脱水干燥，干燥 后的煤料温度进一步升高在干馏层发生热解反应而逸出煤中挥发物，被析出的 挥发物有时还会发生裂解和聚合反应，生成高度粘稠并富含碳的焦油，以雾状 物的形式夹带于生成气体中，一起从气化炉引出。 热煤气中含尘量较高时，需设置除尘器，一般选用旋风除尘器。由于热煤 气的出口压力不高，不允许旋风除尘器有太大的压力损失，另一方面选择的简 体直径不宣过小，以免引起粉尘堵塞。 1 1 3 热煤气的组成及热效率 下面给出了我国主要煤种发生炉煤气生产指标中最具代表型的三种。并附 上相应的煤气组成1 ： - 4 - 四川大学硕士学位论文 表卜1 煤气组成及煤气出炉温度 项目煤气体积成分( )出炉温度 炉型规格 煤nc 0 2 h 2 sc m h n0 2 c o h 2 c h a n z ( ) 抚顺长焰煤 3 7 50 0 8o 9 8o 1 52 8 1 41 0 4 93 4 45 3 0 73 a i i 1 35 1 0 5 5 0 千秋矿褐煤8 6 3 0 20 10 1 72 2 7 41 7 3 62 3 64 8 4 53 m i i3 0 0 4 0 0 焦作无烟煤 6 6 30 0 40 12 5 91 5 3 0 85 1 2 3 m q l 2 0 0 05 5 0 6 0 0 由表1 一l 可见，煤气主要可燃物为c o 、h 2 和c h 4 。热煤气除含有以上几种 气体成分外，还含有一定比例的焦油蒸气、水汽和粉尘，焦油含量的多少取决 于煤的组成。焦油是煤经热分解产生的有机物质，发热量约为3 5 m j k g ，其分 馏温度在3 6 0 以上为沥青，2 7 0 3 6 0 者为蒽油，2 3 0 2 7 0 者为杂酚油 1 7 0 2 3 0 者为中油，1 7 0 以下为轻油。为使焦油随煤气一起参与燃烧供热， 保持热煤气高温状态是必要的。 根据表1 1 中煤的煤气生产指标数据，以l k g 干燥基为基准，在环境温度 2 5 时，取出炉温度的平均值，对这三种煤的发生炉进行热平衡计算，结果列 于表1 2 。由其可知，干煤气发热量约占总热量的7 0 ，干煤气物理热约占8 ， 其热值与煤气出口温度、煤气组成、煤气产率有关，在冷煤气站中，该项热值 很难得到有效利用。对热煤气，煤气中还含有焦油热、煤气物理热，加上这几 部分的热量，三种煤气气化成热煤气后的热利用率分别为8 4 1 4 、7 9 5 3 和 7 5 7 7 “”。从能源利用角度来看，热煤气是燃煤供热较好的一种方式。 在损失能量中，不容忽视水分带出的热量及炉渣中残碳损失的热量。水分 在煤气中是一种惰性成分，燃烧时会增加烟气余热损失，因此应设法降低。当 煤气温度不很高，而水分含量较高时，不宜使用热煤气，而应将煤气冷却降温 脱水，使用冷煤气。千秋矿褐煤气化的热煤气中含有水分1 3 1 9 m j ，煤气中水汽 带出热占52 3 ，煤气出炉温度又较低，因此不宜将褐煤生产的煤气作为热煤 气使用。焦作无烟煤在气化中，炉渣含碳量2 6 ，炉渣带出热量高达7 2 9 ， 因此设法降低炉渣含碳量也具有十分明显的节能效果。通过对煤气生产过程的 优化操作，可以达到提高产气率，降低炉渣含碳量的目的“”。 ， 璺出奎兰堡主兰堡堕兰 表卜2 气化炉的热平衡 t a b l e 1 - 2h e a tb a l a n c eo f g a s i f i c a t i o nf u r n a c e 抚顺长焰煤千秋矿褐煤焦作无烟煤 项目 k j k g k j k g k j k g 煤的化学热2 9 1 0 2 4 59 7 42 18 0 0 6 79 3 5 92 6 1 2 5 6 39 4 8 煤的物理热2 8 2 30 1 34 4 5 0 1 92 5 5 60 0 9 水蒸气热量6 9 9 5 12 3 41 4 0 9 6 1 6 0 51 3 3 1 8 54 8 3 空气热量6 8 3 6o 2 33 8 5 5 0 1 77 4 8 9o 2 7 收入合计 2 9 8 7 8 5 71 0 02 3 2 9 3 3 31 0 02 7 5 5 7 9 31 0 0 干煤气发热量 2 0 l1 7 5 76 7 3 31 6 7 4 4 97 1 8 91 8 5 2 6 5 9 6 7 2 3 干煤气物理热 2 3 3 2 3 67 ，8 l1 4 2 6 2 66 1 22 3 5 2 9 48 5 4 煤气中水汽热5 2 8 3 3 1 7 71 2 1 8 0 l5 2 38 1 6 6 32 9 6 焦油化学热 2 6 1 9 1 98 7 73 4 8 6 71 5 焦油物理热 7 0 4 20 2 35 6 30 0 2 带出物热量 5 1 5 0 41 7 26 5 3 4 8 2 86 6 7 7 22 4 2 灰渣热量 6 3 8 6 52 1 4 8 4 9 9 23 6 52 0 1 8 0 77 2 9 炉体散热 3 0 5 7 0 11 0 2 32 0 4 6 4 68 7 93 1 8 4 9 8 1 1 5 6 支出合计 2 9 8 7 8 5 71 0 02 3 2 9 3 3 31 0 02 7 5 5 7 9 3 1 0 0 1 1 4 热煤气的工业应用现状 由于我国燃油价格偏高，使用热煤气的燃料成本具有较大竞争优势。热煤 气温度较高，含有焦油雾，热值较高，燃烧时火焰的辐射能力较强，热效率高。 缺点是热煤气含有焦油及粉尘，易于堵塞烧嘴及管道影响使用等。 工业上采用热煤气工艺应有下列条件：( 1 ) 因煤气中带有焦油和煤灰，煤气 出炉压力一般又小于l k p a ，为避免热煤气降温太多及煤粉灰大量沉降管壁，热 煤气不宜远距离输送，一般不应超过1 0 0 m ；( 2 ) 燃烧室内温度不宜低于8 5 0 。c ， 因气化焦油含有大量致癌物质3 、4 一苯并芘，这种有害物质在燃烧过程中，最 适宜的生成温度在6 0 0 8 5 0 。c 之间，只有高于8 5 0 。c 时才会分解；( 3 ) 输送热煤 6 四川大学硕士学位论文 气管道不宜直接设置普通控制元件，如孔板流量计、蝶阀等，因热煤气中含有 较多杂质，流量测量和调节装置容易被堵塞，而应采用专门适用于热脏煤气的 管路附件；( 4 ) 净煤气的燃烧器喷嘴不能用于烧热脏煤气，因热煤气中含有焦油， 燃烧时容易结焦，发生堵塞。目前多采用空气引射煤气的结构形式有利于减少 烧嘴内结焦。 1 2 热煤气燃烧装置 1 2 1 概述 燃烧装置是阻燃料为热源的工业炉用以实现燃料燃烧过程的装置。根据加 热要求，各种燃烧器应满足的基本要求是：在规定的热负荷条件下保证燃料的 完全燃烧；具有一定的调节比，燃烧过程要稳定，能向炉内连续供热；火焰的 方向、外形、刚性和铺展性符合炉型及加热工艺的要求；结构简单，使用维修 方便，能够保证安全和满足环保要求。 各种燃料的燃烧过程不同，因而燃烧装置的结构也各不相同，按燃料种类 一般分为气体、液体和固体燃料燃烧器“。气体燃料燃烧装置是燃烧各种煤气 的燃烧器，通常俗称煤气烧嘴，其主要作用是按一定比例和一定混合条件将煤 气和空气供入炉内燃烧或在烧嘴内部实现燃烧，并满足炉内加热过程对火焰的 要求。 1 2 2 燃烧器分类与特性 1 分类 煤气燃烧器按燃烧方法可分为有焰燃烧器和无焰燃烧器：按火焰形状分为 平焰、直焰、短火焰和长焰燃烧器；按火焰特性分为氧化焰、还原焰、中性焰、 低氧化氮燃烧器；按供风和混合方式分为高压喷射式、半喷射式、预混式、半 预混式、内混或外混式、低压涡流式、高速或亚高速式燃烧器；按煤气热值分 为低热值与高热值燃烧器。 璺型盔兰堡主兰垡堡壅 2 特性 ( 1 ) 有焰燃烧器 煤气与空气在燃烧器内部不进行混合或只进行部分混合，喷入炉内后再边 混合边燃烧，因而火焰较长，并有明显的轮廓。其特点是：燃烧速度慢，火焰 长，火焰黑度大；空气系数较大，一般口= 1 1 1 2 5 ；空气和煤气的预热温度 可不受限制：所需煤气压力较低( 5 0 0 3 0 0 0 p a ) ，但需要设置燃烧风机及输送 管道：燃烧器燃烧能力大，结构紧凑。 有焰燃烧器改变火焰形状和强化燃烧的基本方法是变化煤气和空气的混合 条件，如将煤气和空气分成许多细流股，使得空气、煤气按一定角度相交，或 利用旋流装置促使气流加剧混合等。目前常用的有焰燃烧器主要有低压涡流式 燃烧器、平焰燃烧器、自身预热燃烧器等。 ( 2 ) 无焰燃烧器 无焰燃烧器常见的有高压喷射式燃烧器和引射式平焰燃烧器。由于煤气和 空气在燃烧器内部已预先混合均匀，因而火焰短且透明，主要特点是：燃烧速 度快，火焰黑度小；空气系数小盘= 1 0 3 1 0 5 ；易回火，调节比较小；空气与 煤气的预热温度受到一定限制，不能超过煤气的着火温度；通常以煤气作为喷 射介质，因此煤气需具有较高的压力，不需设置燃烧风机及其输送管道；由于 煤气喷射时能从大气中按比例吸入助燃空气量，因此自动控制系统比较简单， 但煤气的发热量波动不能太大。 3 影响火焰传播速度“。的因素 影响“。的主要因数：煤气的物理化学性、空气系数口、管径( 或火孔孔径) 、 可燃气体的预热温度、可燃气体中惰性气体含量、压力、含尘量、少量的水蒸 汽等m 1 。 1 2 3 扩散式煤气燃烧器 扩散式煤气燃烧器是指煤气没有和空气预先混合，在燃烧室内( 或无燃烧 室) 煤气依靠扩散作用和空气混合并逐渐燃烧。优点是煤气的燃烧稳定，运行 可靠：结构简单；使用便利：可利用低压煤气( 一 3 0 m m h 2 0 ) ；缺点是火焰较 四川大学顼士学位论文 长，需较大可供燃烧的容积空间；为了使得煤气能完全燃烧必须供给较多的过 剩空气；由于过剩空气系数较大，因而燃烧温度较低。应用范围：用于温度要 求不高，但燃烧温度要求很均匀的地方，常用于纺织工业、食品或小型炉窑等“”。 1 2 4 大气式煤气燃烧器 大气式煤气燃烧器按下列方式工作；煤气以一定流速自喷嘴流出，进入引 射器，靠煤气本身的能量将一次空气吸入燃烧器。在引射器中，煤气与空气混 合，并流向燃烧器的头部。大气燃烧器工作时空气系数通常为口= o 4 5 0 6 5 。 煤气由燃烧器头部流出火孔，形成两个锥形火焰。在内锥表面燃烧与一次空气 相混合的煤气：外锥表面燃烧与二次空气混合。 优点：可以在低压下工作：不需要特殊的鼓风装置送风；可以燃烧各种特 性的煤气。缺点：一次空气系数较大时，煤气燃烧的稳定范围将大大的缩小； 燃烧器生产率较大时，结构比较笨重；如果空气系数较小，则需增加燃烧室内 的过剩空气，但燃烧温度将被降低。主要应用于家用煤气灶、沸水器，热水器 等。 1 2 5 混合式煤气燃烧器 煤气进入燃烧器的进气小管，并在管内流动：管端压扁，与轴线成一角度， 以便可以呈扇状的将煤气送至燃烧器头部。空气进入管间，沿着环形空隙进入 燃烧器头部，并冲向管中喷出的煤气细流根部且与其混合。在较小的过剩空气 情况下，得到较短的火焰和完全燃烧。 优点：生成率大，燃烧器的结构紧凑；可以在较低的煤气压力下工作；有 较高的热工指标，过剩空气系数口= 1 1 1 2 ，化学未完全燃烧小于2 。缺点： 燃烧器结构复杂，火焰较长，需要机械送风。可应用于大、中型锅炉或工业炉 中3 。 四川大学硕士学位论文 1 , 2 6 无焰煤气燃烧器 以一定压力的煤气引射空气，这种燃烧器简单、投资少、便利。优点：燃 烧强度大，可达2 5 x 1 0 6 5 0 x 1 0 6 k e a l m 3 h ；过剩空气用量小；易于燃烧低热值 煤气：无化学不完全燃烧。缺点：要求煤气热值和重度稳定，以保证稳定的燃 烧；发生回火的可能性大；生产率大时结构庞大。应用范围：工业加热炉、锅 炉及其加热装置上。 1 2 7 红外无焰煤气燃烧器 红外燃烧器是近年来一项新兴技术，煤气加热红外线发生装置是用煤气的 燃烧加热耐火板的表面，利用赤热表面的辐射线，和一部分火焰的辐射能产生 红外线“。耐火板的加热方法一般有两种：煤气火焰由耐火板火孔周围开始加 热表面，使其达到高温：煤气火焰直接接触耐火板表面。前者称为表面燃烧法， 后者称为辐射燃烧法。 优点：热值高、无污染、燃烧完全：缺点：燃烧器造价高，附属设备投资 大。应用范围：采暖、食品、纺织，或其他轻工业。 1 3 燃烧器的流动及燃烧特性研究 1 3 1 概述 燃烧器内燃烧流体力学是一门交叉学科，它是物理、化学、流体力学、燃 烧学、传热传质学、数值计算方法、测试技术等学科的交叉。通过建立合理理 论模型，并将所得数值解与相应的实验数据有机结合起来，把握燃烧现象、揭 示燃烧规律。 1 3 2 实验研究 为了研究燃烧器的流动及燃烧特性，般通过冷态模化实验、热态燃烧实 一 ：巴纠盔兰璧圭堂垡堡苎 验来分别考察流体流动和燃烧情况。冷态实验是指没有燃烧升温状态下的模拟 燃烧器内流动情况，其目的在于通过试验来了解、掌握其流动规律。冷态试验 技术被认为是省时、省力、效率高、灵活性强的一种试验方法。冷态试验中， 采用空气来代替燃气。但是冷态实验不可能准确地描绘燃料在炉内燃烧的复杂 物理化学过程，因此还必须进行现场的热态燃烧实验。 现场热态实测法是依据燃烧空间内燃烧过程的直接有效方法，它可以为燃 烧器操作和自动控制提供必要的数据。但是，工作中的燃烧器处于高温封闭状 态，冉看目前测试技术和测量仪表还不够完善，使得很难对燃烧空间内的速度 场和温度场分布进行全面准确的测量。此外，为了寻找最佳结构和操作参数， 常要研究在不同的条件下燃烧空问内的气体流动和燃烧情况，所以还应借用计 算流体力学和燃烧学为基础的数值模拟理论及方法，建立各种复杂条件下的基 本守恒方程组以揭示燃烧器的引射、掺混和燃烧机理，最后加以封闭和一定程 度上的简化求解，进而对开发低压热脏煤气的高效洁净燃烧技术提供可靠的科 学依据。 1 3 3 湍流流动模型 工程和自然界中的流体流动、对流传热传质和燃烧过程几乎都是湍流过程， 湍流是一种无规则的流动状态。在湍流中各种量呈现着随着时间和空间的随机 变化，但这些量的统计平均值的变化是有规则的。 湍流的产生可能是由于所流过的固壁的摩擦作用，也可能由于具有不同速 度的流体层之间的相互作用。通常前者称固壁湍流( w a l lt u r b u l e n c e ) ，后者称为 自由湍流( f r e et u r b u l e n c e ) 。在湍流运动中，粘性的作用一方面是把动能耗散成 热能，另一方面是使湍流在空间位置和同一位置的各个方向上趋于均匀。研究 体系内处处具有同样结构的湍流称为均匀( h o m o g e n e o u s ) 湍流；把其统计平均 性质不随方向而异的湍流称为各向同性( i s o t r o p i c ) 湍流。在各向同性湍流中不 存在平均简应力，也就没有平均流的梯度。只要流场中有均流梯度，就一定伴 随有剪应力，湍流就一定是各向异性的，这通常称为剪切湍流。 湍流的出现影响着流场的特征，影响着输运过程，也影响着燃烧速度。要 想对有实际意义的流体流动、对流传热传质和燃烧过程进行计算机模拟，就需 四川大学硕士学位论文 要正视湍流稳态，找出能为实际过程所接受的和定量描述湍流过程的途径。至 今，解决湍流流动问题的焦点仍关注于湍流模型的建立方法上。