（热能工程专业论文）一维燃烧炉系统的设计和给粉系统的实验研究.pdf

华北电力大学硕十学位论文 捅要 随着国内外对环保的日益关注，火电厂燃煤产生的污染物n o x 和s 0 2 的排放，严 重地影响着环境、气候和人类的健康，成为一个迫切需要解决的问题。 根据教育部重点实验室的设备采购计划而搭建了一维燃烧炉，主要用于降低d ， 和s 0 2 的排放的研究。要求实验台具有一定通用性，既可以进行煤粉燃烧试验又可以 进行污染控制试验的热态实验平台。 本论文对整个一维燃烧炉系统进行了设计，主要包括给粉系统、炉体、取样系统、 尾部烟道和控制系统五项内容。由于精确地控制给粉量、均匀给粉是保证试验精确可 靠的关键，因此我们对给粉系统进行了实验研究。实验表明，通过先螺旋给粉后鼓泡 床给粉这两级给粉，给粉的精确稳定和均匀性都可以满足试验的要求，此实验具有较 好的重现性。 关键词：污染物，一维燃烧炉。炉体，给粉系统 a b s 1 1 t a c t a l o n gw i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li n c r e a s i n gs o l i c i t u d e f o re n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n c o n t a m i n a n tn o x a n ds 0 2e m i t t e df r o mc o a lc o m b u s t i o no ft h ep o w e r p l a n t a r ei n c r e a s i n gt h r e a t st oe n v i r o n m e n ta n dh u m a nh e a l t h ，w h i c hb e c o m ea nu r g e n tp r o b l e m t ob es o l v e d a c c o r d i n gt ot h ee q u i p m e n tb u y i n gp l a no ft h ek e yl a b o r a t o r yo fm i n i s t r yo fe d u c a t i o np u t u pt h eo n e d i m e n s i o nc o m b u s t i o ns t o v e , w h i c hi su s e dm a i n l yt or e d u c et h ee m i s s i o na n d w h i c hh a sc e r t a i nv e r s a t i l i t y , n o to n l yc a nc a r r yo u tt h ec o m b u s t i o no fc o a lf i n e sb u ta l s oc a n c a r r yo u tt h eh o tf o r me x p e r i m e n tp l a t f o r mo fp u l l u t i v ec o n t r o le x p e r i m e n t t h i sp a p e ri sd e s i g n e df o rt h ee n t i r ed i m e n s i o nc o m b u s t i o ns t o v es y s t e m ，t h es y s t e mo f c o a lf m e sg i v i n g ，t h es t o v eb o d y ，t h es a m p l i n gs y s t e m ，t h ec o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h et a i lf l u e s y s t e m t h ec o a lf i n e sg i v i n gi sg u a r a n t e et h ek e yw i t ha c c u r a t e l yr e l i a b l ee x p e r i m e n t , t h e s y s t e mo fc o a lf i n e sg i v i n gi sf o r m e ds p i r a lg i v i n gf i r s t l ya n dt h e ns o a k e dd r u mg i v i n g ，t h e a c c u r a t e l ys t e a d yr e q u i r e m e n to fp o w d e ra n dt h a tu n i f o r m i t y 啪s a t i s f ye x p e r i m e n t t h i s e x p e r i m e n th a sb e t t e rr e a p p e a r a n c e j i a n gj i a z o n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o m i n k e yw o r d s ：c o n t a m i n a n t ，o n e d i m e n s i o nc o m b u s t i o ns t o v e ，s t o v eb o d y ，c o a l f i n e sg i v i n g l 华北电力大学硕士学位论文 英文字母 口2 ，a i 彳 4 4 4 4 b b p c ，：，c ，- d 以 d i 砍 昂 e g h 日 风 h h f 工 主要符号表 管程，壳程换热系数 w ( m 2 0c 1 通流面积 流通面积 折流板间流通截面积 阿基米德数 壳程的平均流通面积 进口宽度 折流板问距 烟气，空气的比热 取样枪内径 当量直径 炉膛内径 风帽上小孔的直径 传热面积 结构校正因素 重力加速度 进口高度 锥体长度 静止料层厚度 圆缺高度 管子长度 简体长度 珊2 m 2 m 2 m 2 m 肌 ( k g o c ) m 坍 m m m ， 肌 m 辨 m m m 研 华北电力大学硕十学位论文 质量流率 压降减少系数 折流板数 中心管排的管子个数 圆缺部分的管子数 管程数 串联的壳程数 管子总数 管道气体静压 鼓风机的压头 烟气，空气的普朗特数 引风机压头 雷诺数 管间距 苏士兰常数 沉降分离高度 烟气，空气的定性温度 壁温 烟气，空气的黏度 转变速度 临界流化速度 小孔风速 管道气体流速 采样嘴气体流速 1 1 1 k g | s p 口 p 口 p 口 m k m 砌s m | s m s m s ，霄s ，竹s 芝 日 厶 h 心苊m 坼 m 珥 射 只 弓鼬 ， s m o y 华北电力大学硕七学位论文 布风板阻力 压差 总压降 沿程摩擦阻力 回弯阻力 过量空气系数 静止料层堆积空隙率 动力粘度 阻力系数 烟气，空气的导热系数 热损失系数 开孔率 流体密度 烟气，空气的密度 静止料层的堆积密度 表观密度 初始状态 壳程 管程 流体 内 径向 壁面 w ( m 0 c 1 船矿 船州 堙肌3 堙研3 砌 忍 砌 鼢 m 叱 肇 衅 舰 娩稍口 气宇 吼 仇 p 蝴 岛 砟体。： ， ， ， 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文一维燃烧炉系统的设计和给粉 系统的实验研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：差址日期：2 写耻 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名_ 牲 导师签名： 华北电力大学硕十学位论文 1 1 课题背景 第一章引言 我国能源资源并不十分丰富，供应非常紧张。在各种能源中，最具有实际意义的 是煤炭、石油、天然气、水能和核能资源。在我国的各种能源资源中，煤炭资源最为 丰富。从1 9 8 0 年以来，煤炭在我国一次能源构成中的比例在7 0 - 7 5 左右。作为动 力燃料，每年我国电力工业的锅炉、工业锅炉、工业炉窑耗煤量占6 2 一6 4 ，这种 以煤为主要动力燃料的状况将会长期存在【1 1 。 大量煤炭的直接燃烧，使得燃煤造成的环境污染问题日益突出。在排放到大气中 的污染物中，约9 9 的氮氧化物、9 9 的一氧化碳、9 1 的二氧化硫、7 8 的二氧化 碳、6 0 的粉尘和4 3 的碳化氢是由化石燃料燃烧过程中产生的，其中煤燃烧产生的 污染物又占大多数。1 9 9 7 年我国s 0 2 排放量为2 3 4 6 x 1 0 7 f ，其中燃煤排放的量占了8 5 1 2 1 ， n o x 的排放总量已由1 9 8 0 年的4 7 6 x 1 0 6 f 快速发展到1 9 9 6 年的1 - 2 x 1 0 7 t 【3 1 ，燃煤排放 n o x 的占了总量的7 0 以上。大量污染物的排放使得环境同益恶化，严重地影响了人 类的健康与生存。 污染物中，s o x 和n o x 形成的酸雨，不仅对作物、森林、地下水和建筑物造成了 严重危害，而且加重了对臭氧层的破坏，对人类的健康也将产生深远的影响【4 1 。n o x 是 氮氧化物的总称，燃烧过程中排放出来的n o 约占排放出n o x 量的9 5 ，n o 进入大气 后，与氧或臭氧结合形成n 0 2 ，n 0 2 参与光化学烟雾的形成，具有致癌作用1 4 l 【5 1 。因此 控制s 0 2 和n o x 的排放已迫在眉睫。 1 2 煤燃烧技术综述 1 2 1 煤的燃烧 煤的热解过程和焦炭燃烧过程综合起来，就形成了煤的燃烧1 6 l 。其中关键的影响 因素是挥发分和灰分。 挥发分在煤的着火过程中起十分重要的作用。它随着煤粒被加热而析出，并当环 境温度超过5 0 0 以后，与空气混合至一定比例后，所含的气态烃就会首先达到着火 条件而燃烧起来，从而迅速地提高煤粒周围气体温度，引燃焦碳，并使在煤粒内剩余 挥发物继续析出。显然，碳化程度浅的褐煤和烟煤等煤种由于挥发分含量比碳化程度 深的贫煤和无烟煤高，因而易于着火。挥发分本身的燃烧是煤燃烧的一部分，不仅为 焦碳的着火与燃烧创造了有利条件，而且它的析出还使煤粒膨胀，增大内部孔隙及外 部反应表面积，也有利于提高焦炭和真个煤粒的燃烧速率，但另一方面，挥发分在煤 粒周围的燃烧会消耗氧气，使扩散到煤粒表面的氧气显著减少。尤其是在挥发分的析 1 华北电力大学硕士学位论文 出和燃烧速率较大的燃烧初期，这种影响尤为严重。为控制煤粉炉氮氧化物的排放所 发展的分级燃烧技术正是利用了这一特点，延缓了焦炭燃烧，使之与挥发分燃烧分开， 降低了局部燃烧温度和氮氧化物的生成。 煤的灰分分为三种，第一种是有机性灰，是成碳质所含的矿物性杂质，均匀分布 在煤的可燃质中，占总灰量的极小部分，第二种灰分是煤在碳化期间渗入的矿物质， 数量变化范围很大，表现为可燃质的残渣或间隔可燃质的内部夹层，其分布也比较均 匀。这两种灰分数量不是很多，是在煤矿形成过程中伴生而来的，故称为“内在灰分”。 第三种灰是在采煤过程中混入的的杂质，又叫“外在灰分”。它颗粒大，占灰分的大部 分，直接决定所开采煤的质量，但可以用机械选煤法加以清除。特别是在煤在磨细以 后，大部分外在灰分及夹层状灰分会与可燃质分开，因此，对煤的可燃质燃烧过程中 没有直接的影响内在灰分是影响焦炭燃烧的重要因素，当温度低于灰的软化温度，焦 炭颗粒从外向里逐层燃烧时，燃尽的外表会形成一层灰壳，并随燃烧过程的深入而增 厚。灰壳增加了氧气向内层焦炭扩散的阻力，从而妨碍了焦炭的燃尽。当燃烧温度高 于会熔点时，灰层会熔融成液态从焦炭表面剥离坠落，而不断暴露出焦炭的反应表面， 有利于焦炭燃烧。但对于大煤粒堆积的层燃情况，熔融灰渣会堵塞煤层问的空气通道， 使燃烧过程恶化。 1 2 2 n o x 的生成过程简介1 1 煤燃烧过程中产生的氮氧化物主要是一氧化氮 ( n o ) 和二氧化氮( d 1 ) ，这两者统称为n o , 。 在通常的燃烧温度下，煤燃烧生成的n q 中，n o 占 9 0 以上，n 0 2 占5 一1 0 ，而d 只占1 左右【l 】。 在煤燃烧过程中，生成n o 的途径有三个：x ( 1 ) 热力型n o , ( t h e r m a ln o , ) 。它是空气中的 氮气在高温下氧化而生成的n o 。x ( 2 ) 快速型n o ( ) ，它是燃烧时空气, p r o m p t n o 中的氮和燃料中的碳氢离子团如c h 等反应生成的 n o , 。 图1 - 1 煤粉燃烧中各种类型n o x 的 生成量和炉膛温度的关系 ( 3 ) 燃料型n o , ( f u e ln o ) ，它是燃料中含有的氮化合物在燃烧过程中热分解而又 接着氧化而生成的n o x 。 m 0 和燃料型n o , 一样，也是从燃料的氮化合物转化生成的，它的生成过程和燃 料型的生成和破坏密切相关。图1 - 1 是煤粉炉中三种类型的晓，其各自的生成量的 范围和炉膛温度的关系。由图可见，煤粉燃烧所生成的n o 中，燃料型n o 是最主要, 的，它占n o 总生成量的6 0 8 0 以上；热力型n q 的生成和燃烧温度的关系很大， 2 华北电力大学硕士学位论文 在温度足够高时，热力型n o 的生成量可占到n o , 总量的2 0 ；快速型崛在煤燃烧 过程中的生成量很小。 1 2 3 现代燃烧技术控制崛生成的原理 众所周知，d ，的生成与燃烧方式和燃烧条件密切相关。因此，现代燃烧技术控 制的d 思路主要是从改变燃烧方式和条件方面入手，以求在燃烧过程中减少n o 的 生成，同时也减轻后续尾部烟气脱硝的负担。对于燃煤锅炉而言，如果o ，的污染排 放标准要求高，还必须将低n o 燃烧技术与烟气脱硝技术相结合才能满足要求川畸1 。 n o 生成的一般规律是燃烧环境中的氧气浓度越高以及温度场越不均匀，生成量越 大。当燃烧温度超过1 0 0 0 ，j v 晓开始急剧增加，特别是当燃烧温度高于1 5 0 0 以 后，n q 生成量岁温度按指数规律增加。因此控制n o 的基本途径是： 1 ) 减少燃烧空间中的氧浓度，即降低过量空气系数； 2 ) 在有过剩空气的条件下，降低局部高温和平均温度水平； 3 ) 缩短燃烧产物在高温燃烧区内的停留时间；而在氧浓度较低的条件下，则应维 持足够的停留时间，使燃料中的不易生成d ，并使已有的n o 经过均相和多重均, 相反应被分解还原； 4 ) 加入还原剂，使之生成c o 、n i t 3 和h c n ，可将d 。分解还原。 d ，的控制方法有多种，但从原理上讲，可大致分为富燃料分级燃烧、富氧预混燃 烧和高温空气燃烧三种方式，下面分别介绍。 富燃料分级燃烧是目前在煤粉锅炉中普遍采用的燃烧方式，根本上说是控制燃烧 区过量空气系数低于化学当量比的燃烧方法。具体是将用于燃烧的总空气量( 口，1 ) 沿着整个燃烧区的主流方向分批依次供入，形成“多级”燃烧区，使当地的过量空气 系数口t 1 。这样既降低了燃烧放热量和燃烧温度，也抑制了晓的生成，已生成的n o 也会发生分解还原。在最后一级将剩余的空气量送入，使火焰中由于缺氧而剩余的未 燃燃料和不完全燃烧产物得以补充燃烧，保证燃烧效率不降低。这时。虽然口，1 ，但 由于火焰温度已经降低，而不会生成更多的0 ，。 富氧预混燃烧是现代燃气轮机燃烧室采用的一种先进的低肥燃烧技术。它是与 上述分级燃烧方式恰好相反的的另一种供氧燃烧方式，就是使燃烧区的过量空气系数 口，1 ，使之朝富氧状态的方向偏离化学当量比，这样既能保证燃烧效率，又可以有效 地抑制燃烧温度，进而达到控制n o 生成量的目的。, 高温空气燃烧又称“高温低氧燃烧”。这是2 0 世纪9 0 年代发展起来的新型燃烧技 术，实现了超低氮氧化物的生成和排放，突破了高温产生高n o , 的禁区。它是通过蓄 热换热的方式将空气温度预热到1 0 0 0 以上，然后与燃料分别供入燃烧空间。通过 组织流场和燃料浓度场，使燃料在氧气浓度远远低于通常的2 1 环境中燃烧。氧气浓 度甚至可以低于5 ，从而可以将崛的生成水平控制在3 0p p m 左右。燃烧空间局部 3 华北电力大学硕十学位论文 氧浓度低并不意味着总的供氧量低，由于总的过量空气系数足够，因此燃烧效率并不 因局部低氧而降低。 1 3 本论文的主要工作 在总结前人设计和研究工作的基础上， 统进行了试验研究。结合试验的实际情况， 平台。 主要进行了一维燃烧炉的设计，对给粉系 为以后热态实验建立一个性能良好的实验 具体工作如下： 一、设计一维燃烧炉系统，包括给粉系统、炉体、尾部烟道系统、取样系统和控 制系统等。给粉系统采用先螺旋给粉后鼓泡给粉，这样可以大大提高给粉的均匀性和 连续性，使炉膛内稳定着火，炉内取样系统在工作时也会因给粉的均匀和连续而能得 到准确可靠的数据，为进一步的试验数据处理和分析提供条件；炉体系统采用硅钼棒 加热炉子内胆，可以保证炉膛稳定工作在1 5 5 0 ，并可以在1 6 0 0 下连续工作两个 小时；尾部烟道系统包括三台换热器( 一台空冷，两台水冷) 和一台除尘器，尾部烟 道系统把从炉膛出来的高温气固两相流体冷却至1 4 0 ，然后进入除尘器进行气固分 离，固体粉尘留在除尘器中，气体由引风机抽出；取样系统包括炉子的本体取样和尾 部烟道取样，取样系统包括取样管，冷却装置，气固分离装置和抽气泵：控制系统主 要由计算机发出指令来控制炉子的升温和降温，发生紧急情况时切断给粉和电路，以 免发生人身伤害。 二、由于要在实验台上进行烟气再循环，d ，! c 0 2 燃烧、空气分级燃烧、联合脱硫 脱硝、变煤种、变工况等试验，要考虑到各部件在各种实验下，能够很方便地对试验 台整个系统进行调整并可以顺利进行试验，因此在方案的设计要考虑全面。 三、对给粉系统进行试验，用空气压缩机的一支流作为一次风使用，螺旋给粉机 把煤粉送入鼓泡床，再由一次风携带出鼓泡床，送入旋风除尘器，煤粉气流进入旋风 除尘后，煤粉从旋风除尘器下部被分离出来，通过此试验标定好给粉量和一次风量， 同时标定好给粉率和测定给粉的均匀性。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章热态实验理论简介 2 1 热态实验常用设备简介 电站锅炉炉膛较为庞大，因此研究锅炉炉膛的空气动力场，除了在已建成的锅炉 机组上实际测试外，通常都按照一定的模拟方法建立模型实验台，在模型实验台对炉 内空气动力场进行试验研究，将其研究结果 用以指导实际锅炉的设计及运行。 目前用于热态实验研究的试验系统有： 滴管炉系统、自由沉降反应炉、等温柱塞流 反应器、实验室煤预处理炉、下行火焰燃烧 试验系统、煤粉燃烧试验系统、循环流化床 燃烧试验系统、多功能燃烧室和全尺寸煤粉 燃烧系统。 滴管炉系统( 如图2 1 ) 是燃烧研究最 基本和最常用的试验系统之一，它由给粉器、 反应管、取样管和温控系统组成。由于该 系统燃烧量很小，一般为2 5 9 m i n ，所以 图2 一i 滴管炉系统( d t f s ) 卜冷却水入口；2 - 取样管；3 一反应警： 4 一加热管及保护层；5 一给粉器；6 一二次风 要求给粉器精确可靠，给粉均匀1 7 j 。7 - 一次风；8 - 流量计；9 - 泵；1 0 一取样盒； 自由沉降反应炉由燃料斗、给料器、 1 卜冷却水出口； 反应器、过滤器和煤焦斗组成。反应器由多组电热丝加热，为防止反应产物温度下降 而结露尾部过热器及连接管路也由电热丝加热。根据不同的需要系统可以供入氧气或 氮气。收集的固体和气体样品分别进行分析。 等温柱塞流反应器由预热器、t 型接头、给煤器、反应管及取样系统组成。给煤 器中的煤输入给料管落入反应管内，与经预热器来的燃烧气体一起在反应管内进行反 应。反应管是几段加热元件组成。燃烧气体由下部排出，其固体样品由探针取出以便 进行分析。 实验煤预处理炉上，空气和氮气经空气预热器加热引至预处理炉入口，煤经给料 器也进预处理炉，产生的煤焦从焦炭出口取出，经煤粒上部管系进系统尾部，产生的 热解及燃烧气体经取样管引出进行分析，细煤粒及气体进袋式分离器，部分细煤粒进 入底部的分离箱。根据对样品不同的要求，可采用不同的预处理方式。 下行火焰燃烧试验系统上，煤粉经给粉机下落后，由一次空气输送进入燃烧器， 燃烧器由三层套管组成，中心通过煤粉，第二层引入二次空气，最外层引入三次空气。 5 华北电力大学硕十学位论文 煤粉进入炉膛后开始燃烧，火焰向下传播。为了对燃烧过程中的固体和气体取样，在 每段炉体都布置有数目不同的采样孔。燃烧气体由引风机送入湿式烟气除尘器后由烟 囱排出。除尘器用的洗涤浆液贮存在氧化槽内用泵打入除尘器。在除尘器前后装有气 体采样点，将气体直接引入烟气分析仪即可测定气体的含量。 煤粉燃烧试验系统中煤斗内的燃料经给煤机进入磨煤机，磨碎后的煤粒经分粒器 将符合粒度要求的煤粉送至样品仓，经燃烧器进入炉内燃烧。燃烧室带有丙烷点火系 统，沿程布置有1 6 个测孔，进行烟气分析和固样分析。燃烧烟气经电除尘器后排出。 燃烧所需的空气经管式废气预热器和丙烷加热器升高温度后从燃烧器直接送入炉内， 或分级送入炉内。为干燥和输送煤粉，部分燃烧气体经循环管引入磨煤机。燃烧中的 部分灰渣落入下部灰池。 2 2 热态试验方法简介 燃烧试验仍然是进行燃烧反应机理研究和燃烧新技术开发的主要手段。通过燃烧 试验探索燃烧过程的内在规律，通过燃烧试验优化设计方案及运行方式，以期提高燃 烧过程的经济性和稳定性，并降低燃烧污染物的排放。本实验太主要采用的燃烧试验 的方法包括燃烧产物的取样、常规的速度测量、常规的温度测量等。 燃烧产物的取样：从烟道或炉膛中取得有代表性的烟气是保证分析结果准确性的 关键。取样点的位置和取样方式需要认真考虑。一般要求是能够连续自动地取样，取 样点应尽可能避开有化学反应的位置，不要在有回流、停滞或泄漏处取样，即测点应 远离局部阻力件。管道中取样应考虑介质沿截面是否均匀，在水平管道内介质易分层， 槲吣 高速取样 低速取样 图2 - 2 等速取样与不等速取样 在弯头处成分易分离，都不利于取出有代表性的样品，故常在垂直管道上取样。沿管 道截面流速分布不均匀也影响取样，不应在边界层处取样。另外一些研究性的实验中， 还需要测量从炉膛内抽取高温烟气样品进行分析。为了正确测得烟气中个成分的浓度， 取样必须在等速的条件下进行，即让进入取样探头进1 ：3 的吸入速度与探头周围烟道中 6 1l 样 ，上t取+li：-虢 华北电力大学硕十学位论文 的烟气流速相等。当不等速取样时，流线会有如图2 - 2 所示的变化。取样速度太高， 流线收缩。取样速度太低，流线膨胀。等速取样。除了上述情况以外，取样管不能 设计太大，取样管的截面仅占流通截面1 2 ，最大不能超过5 。 常规的速度测量：在燃烧试验过程中，对气体的流速测量是必不可少的。这些气 体包括冷空气、热空气、热烟气和带有粉末颗粒的气体。所测位置有在管道内，有在 燃烧器出口，有在燃烧室内空间。气体流动分为一元流动、二元流动和三元流动。目 前用于流动测量的装置有许多不同型式，应用于燃烧试验中的主要有压差式测量和热 电式测量，激光测速近十几年来越来越多地被广泛采用。流动测量内容主要包括流体 质点的平均速度和速度方向，流体质点脉动速度的均方根值，脉动速度的关联量等。 常规速度的测量主要指压差式测量，是一种较为古老的测速装置，其结构简单，制作 方便，测量数据可靠，目前仍被广泛地应用于气体和液体的速度测量。压差式速度测 量装置的原理是根据动压( 即全压与静压之差) 与流速之间的关系，来测量其他在流 动中的速度。根据伯努里方程计算气体的速度： 峥2 9 a p ： 、f p 由于实际测量中通常不能满足理想的伯努里方程，故必须进行修正，即 一k j 警- 4 4 3 k 倍州s 式中：w 测量点的气体速度； k 结构修正系数； p 一流体密度，姆m 3 ； 卸流体在流动过程中产生的压差，m m h ，0 ； g 重力加速度，小s 2 。 实际测量中常用压差表、u 型管和倾斜微压计作为压差测量仪器。 常规的温度测量：温度测量是燃烧调整试验和燃烧研究中的重要测量项目。测量 方法的种类很多，而各种测量方法都是基于物体的某些物理化学性质与温度有一定的 关系，当温度不同时，物性参数中的一个或几个随之发生变化，根据这些参数的变化， 即可求得被测物体的温度。热电偶温度计是燃烧领域使用最广泛的测温工具。热电偶 温度计的基本原理如下图2 3 所示。由两种不同的导体a 、b 组成的闭合回路中，如 果两个接点1 、2 处于不同的温度，回路中就会产生电动势，这一现象即为热电现象。 当两个接点的温度分别为f 和气时，所产生的总的热电势( t , t o ) 为 匕。( t , t 。) = k ( f ) 一厶) 邑。( f ，t o ) 只与a 、b 的材料性质及温度f 和f o 有关，若使热电偶的一个接点温度f o 保持 华北电力大学硕十学位论文 不变，则厶( t o ) 为常数，即 e 仰( f ，t o ) 一，邶( f ) 一c 所以热电偶产生的热电势( f ，f o ) 只与温度f 有关。因此，测量热电势的大小，就可 以求得温度f 了，这就是热电偶测量温度的工作原理。气端称为自由端或冷端，f 端称为工 作端或热端。 1 t b 圈2 - 3 热电偶回路图 2 t o 热电偶温度计测量系统由热电偶元件、二次仪表、补偿导线、冷端温度补偿和多 点转换开关组成。热电偶的感温元件是两根不同材料的导线，其一端彼此相连，当连 接的一端与不连接的一端有温差时，即产生电动势。温差作为电动势的函数由二次仪 表显示出来。在相同温差条件下，热电偶的热电势随热电极的材质而不同，它们的相 应关系可用分度表的形式显示出来，在进行测温时，只要已知各该热电偶的分度特性， 并考虑冷端温度修正，即可测得工作端所处位置的温度。 8 华北电力大学硕士学位论文 第三章热态实验台系统的设计 本实验台包括电炉本体、燃烧器、尾部烟道、除尘器( 可以扩建脱硫脱硝装置) 、控 制系统、送风机和引风机、冷却水泵等辅助设备。电炉本体高度为2 4 米，炉管内径为0 1 5 米，炉管分为三段，每段长0 8 米，每段炉管之间用子扣结构连接。炉管内的烟气自上而 下流动，第一段炉管开有二次风和烟气再循环的送风口，今后可以实现烟气再循环功能的 扩展。在实验台上可以进行无烟煤、贫煤、烟煤和褐煤的煤粉颗粒群燃烧特性参数表观值 的测定，也可以模拟电站煤粉锅炉尾部烟道的工作，如果扩建硫脱硝装置，可以进行硫脱 硝装置、除尘、重金属污染等方面的吸附、化学反应机理的研究工作。也可以模拟电站煤 粉锅炉进行混煤的燃烧特性实验，此实验台是一个具有一定通用性的煤粉燃烧和污染控制 的热态实验平台。下面分别介绍鼓泡床、炉体、取样枪和尾部烟道系统的设计及计算。 3 1 鼓泡床的设计 3 1 1 概述 设计鼓泡床的目的是为了给正在搭建的一维燃烧试验炉连续、均匀、稳定地给粉。传 统的螺旋给粉虽是目前的主流，但如果把时间间隔划分得更加细致一点，可以发现螺旋给 粉的均匀性还是差强人意，这在一定程度上就影响了给粉的连续性。如果螺旋给粉连续性 的误差稍微大一点，则很有可能造成炉内突然熄火，不仅会给实验本身的准确性带来很大 的误差，也会给操作实验的工作人员的人身安全带来威胁， 同时也会影响实验设备的寿命，甚至可能使实验设备当场毁 坏。因此，改进给粉装置，保证其连续、均匀、稳定地给粉， 才能使一维燃烧试验炉上得到的实验结果更准确、更有说服 力，使实验结论具有指导意义。 设计的给粉系统的给粉量为5 堙所3 。示意图如右图3 - 1 所示意，通过螺杆装置把料仓里的煤粉较为均匀地下到鼓泡 床的床体空间，一次风把煤粉鼓起，通过引出管把煤粉气流 更为均匀地送入到燃烧器。通过两次给粉( 螺旋给粉和鼓泡睡3 - 1 给粉系统示意图 给粉) ，实现比螺旋给粉更加连续、均匀、稳定地给粉。l 一床体2 吲出管3 燃烧器4 - 炉子 3 1 2 主要参数计算 3 1 2 1 临界流化速度 通常将床层从固定状态转变到流化状态( 或称沸腾状态) 时暗部风板面积计算的空气 流速称为临界流化速度“。，即所谓的最小流化速度。至于临界流化速度的大小，至今尚 9 瑶驻 华北电力大学硕士学位论文 未从理论上找到可靠的计算方法，一般依赖于实验测定或借助于经验公式作近似计算。 g e l d a r t 根据在常温常压下对一些典型固体颗粒的气固流态化特性的分析，提出了一种颗粒 分类方法。依照这种分类法，所有固体颗粒均可被分为a ，b ，c ，d 四类。 按g e l d a r t l 8 l 对颗粒的分类，平均直径为7 4 i t m ，表观密度p p 1 4 0 0 k g m 3 的煤粉属 于a 类。这类颗粒粒度较细，一般为2 0i t m 一9 0i t m ，如化工流化床反应器常用的裂化催 化剂即属此类颗粒。这类颗粒通常很易流化，并且在开始流化至开始形成气泡之间一段很 宽的气速范围内床层能均匀散式膨胀。 取环境温度为2 5 摄氏度， 由e r g u n 公式得： d p u p t p f 一c ? + g ! 学1 一c j c s 一， 其中c l 。2 7 2c 2 0 0 4 0 8 对气固两相流最适合，已知d 。一7 4i t m p 。一兰! ! 一1 2 9 3 。1 1 8 5k g m 3 2 7 3 + 2 5 “- 1 8 4 x 1 0 。m 2i s ，p p1 8 0 0k g m 3 可求得临晃流化速度 u w - 2 8 5 x 1 0 - 3m s 用经验公式l e v a 9 l ( 1 9 5 9 ) 算法： “可。二兰!兰兰!二i；华。262t。一，小， 此时。u m f d p 。o 0 1 3 6 属于低雷诺数范围， 用以下公式来检验： ，必1 6 5 0 i t 。嬲删册，s 误差最大为8 ，结果可取为“呵一2 8 5 x 1 0 - 3m s 3 1 2 2 鼓泡速度 从鼓泡流化床到湍流流化床的转变速度用h o r i o 等( 1 9 8 6 ) 经验公式： 塑! 丝。1 4 l 4 甲 其中4 。堡鱼鱼二生丝 “。 计算得u t = 1 5 0 5m s ( 3 2 ) ( 3 - 3 ) 华北电力大学硕十学位论文 对于a 类颗粒，最小鼓泡速度u 。甚至可以大过临界流化速度1 0 倍，因此 “m l o u 耐- 2 8 5 x 1 0 - 2 m s 因此鼓泡速度的范围可认为： 2 8 5 x 1 0 - 2 ( “w 1 5 0 5m s 3 1 3 鼓泡床的设计 3 1 3 1 确定床体的参数 暂取风速，- 1 2m s 送粉量取 q p 一5 船i l 一次风量为 q ，- 1 4 1 1m 3 h 床层截面面积为 4 3 2 7 x 1 0 3 r a 2 若取正方形截面，则边长( 图3 - 2 所示) 口- 5 7 2 x 1 0 4m 按h d 一2 0 得h l 一1 1 4 4 x 1 0 4m 由坳一和砌关联式：见，。一1 4 9 d ；( u - - u m f ) 】“ 对g e l d a r ta 类颗粒，t d h 可由h o r i o 等( 1 9 8 0 ) 沉降分离高度t d h ：t d h 一4 4 7 x - d - ： 其中 见。最大气泡直径 d ：床层表面处的气泡直径 显然 见。d 0 所以t d h ( 4 4 7d 瓜b , - 0 1 2 6 m h 1 h 2 3 1 3 2 确定床体的具体尺寸 取正方形截面，边长取为 a 一6 0 x 1 0 4m 则床层截面面积为 一次风量为 所以风速约为 4 - 3 6 x 1 0 。m 2 q ，- 1 4 1 1 m 3 h 口，一1 0 8 9m s 1 1 的经验关联式求出： 圈3 - 2 鼓泡床结构4 意图 1 进风管2 - 布风板3 风帽 4 - 7 l 出管5 料仓 ( 3 - 4 ) 华北电力人学硕士学位论文 假定风帽开孔率 仇；4 5 2 4 则小孔风速为 盟 驴筹旬8 9 州s 取风帽个数为9 ，且角度( 与水平面) 为向下倾斜4 5 度。每个风帽上开孔1 6 个( 开 成两排) ，则每个小孔的直径d k * 1 2m m 3 1 3 3 阻力计算 布风板阻力 叱；亭譬“2 砌 其中阻力系数亭取为亭一2 在理想状态下，流化后的流化床阻力瓴应等于单位面积布风板上的料层重量，即 因为 所以 料层厚度 a n h o ( 岛一p 1 ) g o 一气) p p p t 瓴一h o p p g h o 一3 5c m 其中h 。静止料层厚度，m 办，办- 颗粒和气体的密度，k g m 3 以静止料层的堆积密度，七g 川3 但在实际情况下，瓴 h o p p g ，可写成瓴；n h 。p e g 其中n 压降减少系数，取n 0 8 所以瓴一2 2 0 p a 鼓泡床出口输出管道阻力经计算不超过1 0 砌， 因此，总压力损失s 8 0 0 p a 。 鼓风机的压头只一吃一8 0 0 p a ， 取为 一2 e , - 1 6 0 0 p a 1 2 ( 3 - 5 ) 华北电力火学硕十学位论文 取鼓风机流率q 一2 0 - 3 0 m 3 h 则至少可以鼓起h 墨二些，墨二些。o 8 0m p b gp p g 其中 岛堆积密度 而床的高度h 1 日： h 所以不用考虑能吹起的燃料层厚度问题。 并且只要保证粉仓里的煤粉厚度达到5c 研，就不会冒粉。因此鼓风机的参数：压头为1 6 0 0 p a ，流率为3 0m 3 h 。 经计算得，螺杆的通流面积为a 一0 3 6 8c m 2 ，旋转角速度为w 一7 5 5r a d s 。 取料仓的粉量每次可供应一个小时的煤粉，则可得料仓高度为4 0 0c m ，取为4 5c m 。 3 1 4 阻力计算的探讨 旦 小孔风速“。可根据鼓风量q 及开孔率仇按下式求得： h 。3 6 0 0 m s 月6 仉 风帽阻力系数一般可取为亭- 2 ，计算和实测结果如下表3 - 1 所示1 8 1 ： 表3 - 1 风帽阻力的计算和实测结果 q 佃3 h ) l o o d1 5 0 02 0 0 02 5 0 01 4 1 1 _ ，伽j ) 1 1 21 6 82 2 3 2 8 01 8 9 a 弓( p 口) 1 5 13 3 95 9 89 4 l 4 6 2 实测a 己( 忍) 1 5 73 5 36 2 79 2 1 ， 上表中a p d ( e a ) 表示布风板阻力，虽然我们设计的风帽阻力只一4 6 2 p a 是理论计 算值，但通过对比风速和阻力可以发现，计算结果已经是相当精确了。 由于风帽的本身直径已定，因此在一圆周上开孔变大将同时意味着开孔数目的减少。 同时按照循环流化床布风板开孔率一般不超过5 的要求，通过下表3 2 的计算结果，我 们可以发现： 1 ) 风帽上开孔的增大会使开孔个数减少，因此开孔率并不一定增大： 2 ) 风帽的阻力随着风帽开孔的增大并不是一直下降，反而可能上升； 3 ) 由于上述条件的限制，风帽上通过小孔的风速只能在一定范围内变化，因此对阻力 的影响并不大。 1 3 华北电力大学硕七学位论文 表3 - 2 风帽的阻力随小孔直径的变化表 小孔直径( m m ) 1 21 5 1 82 ，0 风帽个数 9 9 99 每个风帽开孔个数1 61 288 开孔率4 5 2 4 5 3 5 0 9 6 2 8 3 小孔风速( m s )1 8 9 02 0 5 41 7 3 32 1 4 0 阻力( p a )4 6 25 4 6 5 9 2 33 8 8 5 由上述讨论可以看出： 已经设计的方案可以满足实验的需要，即使阻力系数亭一8 ，则己 2 0 0 0p a ，加 上阀门流量计以及连接管道的阻力也不过4 0 0 0 p a ，现有的的风机完全能够满足需要。 3 2 炉体的设计 炉体包括电炉本体、燃烧器和控制系统，下面分别介绍其结构。 3 2 1 电炉本体的设计 电炉从内到外共有四层，依次为内胆、外胆、保温层和外壳。其中加热元件布置在内 外胆之间。炉内胆为刚玉材质，内胆分为三区，长度为2 4 米，每区长0 8 米，内胆内径 为0 1 5 0 米，外径为0 1 8 6 米，每区各配一根热电偶，热电偶不穿过内胆。保温层采用 石棉耐火材料来保温。炉子侧面开一观察孔和一测压孔，并配有一压力表( 1 0 0 0p a ) 。 在一区开三排，每排四个直径为0 0 1 2m 的侧二次风孔，侧二次风孔有配套的法兰连接。 侧二次风孔、测压孔和观察孔都从炉膛内引出。加热元件短期工作在1 6 5 0 的情况下不 会出现损坏。加热元件采用水平布置、直线型，可从侧面方便更换。炉膛长期工作在1 5 5 0 时各设备不会被烧坏，电炉的尺寸如图3 3 所示。同时加热元件( 硅钼棒) 的展开空 间能在现有的实验室钢架范围以内。炉子底座把炉子固定在实验室的二层钢架平台上，平 o 一一 l 每杏 * 一 每 令 杏 令 ， 3 卜测压孔2 一观察扎3 - - - - 次风孔 图3 - 3 电炉内胛的结构示意图 1 4 华北电力大学硕十学位论文 台距离地面高度为2 1 米，炉子底部距离地面高度为2 4 米。 3 2 2 燃烧器的设计 燃烧器为同心套管直流燃烧器，燃烧器与炉子通过法兰相连，燃烧器内管通过煤粉气 流，外套管通过二次风。燃烧器出口处的炉膛温度等于1 5 5 0 。燃烧器的示意图如图3 4 所示。其中定形塞不仅可以维持燃烧器同心套管的形状，而且可以留出炉膛内高温烟气与 刚送入的一、二次风快速混合的通道，更有利于煤粉的快速着火【1 0 】【1 1 1 。 ：心- 。| 3 f 一 j 一2 i ； 3 2 3 温度控制系统的设计 1 二次风管2 一次风管3 定形塞 图3 4 燃烧器结构1 意图 温度控制系统可以控制炉子的升温和降温，同时可以维持炉膛内部的温度场的均匀。 在炉子上部和尾部加装保温装置，使炉子的升温曲线趋于平缓。温度控制仪采用厦门宁光 公司生产的p i d 数字控温仪。电输出功率采用无触点连续调节。控温精度可控制在t 1 范围。控制柜包括三套柜体、三套温控系统、三个变压器、三套电控系统和三根铂铑一铂 铑热电偶。 3 3 取样枪的设计计算 1 5 华北电力大学硕七学位论文 3 3 1 方法介绍 等速取样的主要方法主要有预测流速法、静压平衡式等速取样、动压平衡式等速取样、 皮托管平行测速法，以下分别介绍。 3 3 1 1 预测流速法1 ”i 此方法应用的前提条件是烟道截面颗粒物的分布比较均匀，烟气气流比较稳定。但实 际工况下气流的流速是波动的，颗粒物的分布也是随时间变化的。因此规定只要采样前后 烟道截面烟气流速波动不超过2 0 ，测定的结果就是可以接受的。由于该方法在采样前预 先测出各采样点的烟气温度、压力、水分含量和气体流速等参数，结合所采用的取样嘴直 径，计算出等速条件下各采样点的采样流量，然后按该流量在各点采样。显然，测量和计 算的过程非常烦琐，方法的同步性差，取样滞后于测速，当该方法用于大截面烟道中的烟 尘测量时，滞后的时间达几十分钟，因而测试结果的可靠性差。 3 3 1 2 静压平衡式等速取样“3 】f ” 静压平衡法等速取样是利用采样喷嘴内外静压相平衡原理实现等速取样的，见图3 - 5 。 根据流体力学原理，管道内气体由截面1 - 1 至截面2 - 2 时，气体流动方程为： v 一一 j 旦 j 。：蛙巡立一：坚主三兰= 图3 - 5 静压平衡等速取样示意图 对管道 量+ 堡2 一鲁+ 堡2 + 对采样嘴_ i 寿! i + 下1 7 1 2 一星p 2 + v 2 兰2 + 碰：n zz 。 式中号，昱一管道气体静压，p a v 一管道气体流速，m s v 7 一采样嘴气体流速，m s 1 6 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 p 气体密度，堙m 3 兄：气体流过管道断面1 2 时的压力损失，p a p ，。气体流过采样嘴断面1 - 2 时的压力损失，p a 在断面1 - 1 处，管道和采样嘴处气流能量相等， 所以有 墨p + 竺2 幔：一竺p + 等一一： 通过改进采样嘴结构，使置一：一p 7 。：，则有 所以当巴一g 时，v y 7 即等速。 综上所述，只要实现采样嘴内，外静压相等即可实现等速取样。 3 3 1 3 动压平衡式等速取样”1 动压平衡等速采样管的结构如图3 - 6 所示。 图3 6 动压平衡等速采样管 1 热电偶2 采样接头3 汛板接嘴4 后盖5 手把 6 装饰管7 - 前盖s - - i t , 板9 采样头1 d - 皮托管 ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - 1 0 ) 动压平衡等速采样的等速性能很高，在4 一“米秒的范围内时，相对误差不超过t 5 。 且装置使用简便，简