（热能工程专业论文）多联产中粗煤气基本燃烧特性的实验研究.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 多联产中粗煤气基本燃烧特性的实验研究 摘要 气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产系统，利用气化煤气富 碳和焦炉煤气( 热解煤气) 富氢的特点，将气化煤气与焦炉煤气进行 重整，以实现大量焦炉煤气的有效利用。在此多联产系统中，用于发 电的粗煤气的成分和物理参数会随系统的运行状况而发生变化。因此 有必要对粗煤气的基本燃烧特性进行研究，以保证发电系统稳定地输 出电力产品。 本文在分析气体燃烧特性的基础上，对气体燃烧的形式和特点、 气体燃料的组成和性质进行了分析。根据分析的结果，从理论上对气 体燃烧产生火焰的形状，长度以及火焰传播速度从层流扩散燃烧和部 分预混燃烧两个方面分别进行研究。研究表明，层流扩散燃烧和部分 预混燃烧火焰均呈圆锥形，火焰长度和传播速度与气流速度有关。对 完全预混式燃烧的特点进行分析，有助于进一步了解粗煤气在扩散和 预混燃烧下的燃烧特性，为更好地研究粗煤气的基本燃烧特性提供指 导。 本文研究的粗煤气主要组成部分为流化床气化气和焦炉煤气，其 主要成分为h 2 、c o 、c i - h ，此外还含有少量的c 0 2 和n 2 。实验中将 h 2 、c o 、c h 4 等可燃成分按一定的比例混合作为粗煤气进行燃烧， 以便探讨粗煤气的物理化学性质。基于气体燃料燃烧的特点，作者对 实验所用的燃烧室和燃烧器进行了设计计算，并依据热力计算的结果 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 对实验所用的测量分析仪器进行了合理的选型，完成了能够适合粗煤 气基本燃烧特性研究的扩散燃烧的实验系统，该系统由燃烧室系统、 燃气系统、空气系统、测量系统和排烟系统组成。 过量空气系数不仅影响着燃烧的完全程度，而且也影响着最终的 烟气成分和烟气量。因此，在实验中对不同过量空气系数下的粗煤气 的燃烧特性进行了研究。实验结果表明，燃烧室各测点径向温度的最 高值均达到11 0 0 0 c ，所处位置集中在燃烧室中心处或其左右各5 m m 的范围内，并且以最高值为中心，呈对称分布。过量空气系数的变化 对粗煤气的燃烧温度分布和燃烧产物有较大的影响，即过量空气系数 较大时，燃烧温度较高，燃烧室中心处氧气浓度较低且二氧化碳浓度 较高。所以，采用合理的过量空气系数有利于提高粗煤气的燃烧温度， 还可以进一步促进粗煤气的完全燃烧。 通过对粗煤气在扩散燃烧条件下的燃烧特性进行实验研究，为今 后在预混燃烧和加催化剂进行燃烧的条件下研究粗煤气的燃烧特性 提供了理论依据，并为建立控制催化燃烧的数学模型打下了基础。 关键词：多联产，粗煤气，扩散燃烧，过量空气系数 太原理工大学硕士研究生学位论文 e x p e r i n 【e n t a ls t u d yo nb a s i cc o 喝u s t i o n c h a ra c t e i u s t i co fra wg a si np o l h g e n e r a t i o n s y s t e m a bs t r a c t t h e p o l y g e n e r a t i o ns y s t e m ，b ym a k i n gs y n t h e t i cg a sw i t ht h e g a s i f i c a t i o ng a sa n dt h ep y r o l y z a t i o ng a s ，i so ft h ec h a r a c t e r i s t i co f h y d r o g e n r i c hg a s i f i c a t i o ng a sa n dc a r b o n r i c hp y r o l y z a t i o ng a s w i t ht h e r e f o r m i n gt e c h n o l o g y ，t h ec o k eo v e ng a si se f f e c t i v e l yu s e d i nt h i s p o l y g e n e r a t i o ns y s t e m ，t h ec o m p o n e n t sa n dp h y s i cp a r a m e t e r so fr a w g a sf o rg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y a r ev a r i a b l ew i t ho p e r a t i n gc o n d i t i o n s t h e r e f o r ei ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ht h eb a s i cc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fr a w g a si no r d e rt oi n s u r et h es t a b l ee l e c t r i cp o w e ro u t p u t b a s e do nt h eg a sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，t h ea u t h o ra n a l y z e sn o t o n l yt h ec o m b u s t i o nf o r ma n df e a t u r ef o rg a s ，b u ta l s ot h ec o m p o s i t i o n a n dp r o p e r t y a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sr e s u l t s ，t h er e s e a r c ho nt h eg a s c o m b u s t i o nf l a m ef o r m ，l e n g t ha n dt r a n s m i s s i o nv e l o c i t yf r o mt w o a s p e c t so fl a m i n a rd i f f u s i o nc o m b u s t i o na n dp r e m i xc o m b u s t i o ni nt h e o r y h a sb e e nc a r r i e do n t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ef l a m ef o r m so fl a m i n a r d i f f u s i o nc o m b u s t i o na n dp r e m i xc o m b u s t i o na r ec i r c u l a rc o n e ，a n dt h e f l a m el e n g t ha n dt r a n s m i s s i o nv e l o c i t ya r er e l a t e dt ot h eg a sv e l o c i t y i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 s t u d y i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fc o m p l e t ep r e m i xc o m b u s t i o ni sh e l p f u lt o f u r t h e ru n d e r s t a n d i n go ft h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cf o rr a wg a su n d e r d i f f u s i o na n dp r e m i xc o m b u s t i o n ， t h em a i np a r t so fr a wg a sa r ef l u i d i z e db e dg a s i f i c a t i o ng a sa n d c o k eo v e ng a s t h em a i nc o m p o n e n t sa r eh 2 ，c o ，c h 4 ，a l s oi n c l u d i n ga l i t t l eo fc 0 2a n dn 2 i nt h ee x p e r i m e n t , t h er a wg a sc o n s i s t so ft h e c o m b u s t i b l ec o m p o n e n to fh 2 ，c o ，c 心w i t hc e r t a i n p r o p o r t i o n a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fg a sc o m b u s t i o n ，t h ea u t h o rc a r r i e do n t h ed e s i g nc a l c u l a t i o nf o rc o m b u s t i o nc h a m b e r t h e nt h em e a s u r i n g i n s t r u m e n t sf o rt h ef l u eg a sa n dt e m p e r a t u r ea r es e l e c t e da c c o r d i n gt ot h e c a l c u l a t i o nr e s u l t s t h ed i f f u s i o nc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e mi s d e s i g n e dw h i c ha d a p t st ob a s i cc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c ho fr a w g a s t h i ss y s t e m c o n s i s t so ff i v e s u b s y s t e m s ，s u c ha sc o m b u s t i o n c h a m b e rs y s t e m ，f u e lg a ss y s t e m ，a i rs y s t e m ，m e a s u r i n gs y s t e ma n d s m o k ee x t r a c t i o ns y s t e m t h ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t sa f f e c tt h ec o m b u s t i o nd e g r e e ，t h ef i n a l f l u eg a sc o m p o n e n ta n df l u eg a sv o l u m e t h e r e f o r e ，i nt h ee x p e r i m e n t ， r e s e a r c h e so nc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i co fr a wg a sh a v eb e e nd o n ea t d i f f e r e n te x c e s sa i rc o e f f i c i e n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h e m a x i m u mr a d i a lt e m p e r a t u r ei nc o m b u s t i o nc h a m b e rr e a c h e su pt o 110 0 。c t h ep o s i t i o nf o c u s e si nt h ec e n t e ro fc o m b u s t i o nc h a m b e ro r 5 m ma w a yf r o mt h ec e n t e r , a n dt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni si n i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 s y m m e t r yn e a ra x i s c h a n g i n ge x c e s sa i rc o e f f i c i e n t sw i l la f f e c tr a wg a s b u r n i n gt e m p e r a t u r ea n dp r o d u c t i o ns e v e r e l y t h el a r g e rt h ee x c e s sa i r c o e f f i c i e n t sa r e ，t h eh i g h e rt h ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r e sa r e i nt h ec e n t e r o ft h ec h a m b e r , t h eo x y g e nc o n c e n t r a t i o ni sl o w e ra n dc a r b o nd i o x i d e c o n c e n t r a t i o ni sl a r g e r t h e r e f o r e ，u s i n gr e a s o n a b l ee x c e s sa i rc o e f f i c i e n t m a y i n c r e a s ec o m b u s t i o nt e m p e r a t u r ea n dm a k er a wg a sb u mc o m p l e t e l y b yt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nr a wg a sc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c u n d e rd i f f u s i o nc o m b u s t i o n ，w ec o u l dg i v et h e o r e t i c a lb a s i st or a wg a s c o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i cr e s e a r c hi nc o m b u s t i o no fp r e m i xa n da d d i n g c a t a l y s t m o r e o v e r , t h e m a t h e m a t i cm o d e l sf o r c o n t r o l l i n gc a t a l y t i c c o m b u s t i o na r ee s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h eo b t a i n e dr e s u l t s k e y w o r d s ：p o l y - g e n e r a t i o n ，r a wg a s ，d i f f u s i o nc o m b u s t i o n ，e x c e s s a i rc o e 所c i e n t v 太原理工大学硕士研究生学位论文 v l 声明尸明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日期：上生勺。 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：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；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签缸：选钮达 嘞 垒望：珥一 导师签名：么选日期：羔生圭：望 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 1 多联产能源系统 第一章绪论 由于能源问题面临资源与环境的双重压力，全世界都在寻求解决问题的有效 途径1 1 。但由于长期以来各工业部门所管辖领域之间的分隔，例如：发电、动力、 石化和化工，甚至于冶金，都在本行业内单独寻求最优解，实际上这些局部最优 并不定是整体最优。多联产系统正是从整体最优角度、跨越行业界限，所提出 的一种高度灵活的资源、能源、环境一体化系统，基本思路可用图1 ，1 来表达【2 ， 3 1 o 图1 1 资源、能源、环境一体化系统 f i g 1 1i n t e g r a ls y s t e mo f r e s o u r c e ，e n e r g ya n de n v i r o n m e n t 该系统的要点为： ( 1 ) 以煤、石油焦或高硫重渣油为原料( 后者可以和石化企业结合) ，用纯 氧或富氧气化后生成的合成气( 主要成分为：c o + h 2 ) 通过高温净化可得到纯净 的硫磺； 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 合成气可有多种用途，即一部分可用作：城市煤气，分布式热、电、 冷联产；大型发电( 燃料电池或燃气轮机、蒸汽轮机联合循环) ：一步法生产甲 醇；一步法生产液体燃料( f t 液体燃料，二甲醚) ；其它化工产品( 合成氨、 尿素、烯烃) 。另一部分经过变换反应：c o + 2 h 2 0 = c 0 2 + 2 h 2 后，通过气体分离 把h 2 和c 0 2 分开。氢气可用于质子交换膜燃料电池，主要用于城市交通的车辆， 可以达到零排放，从根本上解决大城市汽车尾气污染问题。长远来看，氢气作为 载能体，可作为分布式热、电、冷联供的燃料，实现当地零排放。 ( 3 ) 分离出来的c 0 2 的处理：由于这个多联产系统所排放出来的c 0 2 不像 常规燃煤电站那样掺混在烟气( 含有7 5 以上的氮气) 中，而是十分清洁的纯 c 0 2 ( 纯度达9 9 ) ，这样c 0 2 应用的范围就大大扩展了。它可以作为化工原料 生产化肥，制造干冰，促进植物生长或用于其它工业用途。 多联产系统的实质是多种产品生产过程的优化耦合。优化耦合之后的产品生 产流程比各自单独生产的流程可以简化，从而减少基本投资和运行费用，降低各 个产品的价格。同时，系统调节多个产品( 尤其是发电) 之间的“峰谷 差，使 得各流程优化运行。通过对合成气的集中净化，s o x 、n o x 、粉尘等传统污染物 接近零排放，温室气体c 0 2 的排放也因效率的提高而减少降6 】。 1 2 煤的热电气多联产 我国煤炭资源丰富，煤种齐全，目前煤炭在一次能源生产和消费结构中约占 7 0 。虽然对能源的需求量不断增长，并且对能源的质量要求越来越高，但是根 据我国的国情，短期内煤炭在能源结构中的主导地位不会变。煤炭是我国的主要 化工能源，也是许多重要化工产品的主要原料，随着社会经济持续、高速发展近 年来我国能源、化工产品的需求也出现较高的增长速度，煤化工在我国篾源、化 工领域中已占有重要地位【7 】。 煤的多联产技术是一个非常复杂的系统工程，它不是多种煤炭转化技术的任 意简单叠加，而是以煤炭资源合理利用为前提，建立在相关技术发展水平的基础 之上，以煤炭资源利用价值的提高、利用过程效率、经济效益及环境污染等为综 合目标函数的多个子系统的优化集成，从而实现煤炭资源的分级利用、高利用效 率、高经济效益及极低污染排放。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 、以煤热解为基础的热电气多联产技术【瓢9 】 以煤热解为基础的多联产技术针对这些特点，将煤加入热解气化炉，经热裂 解析出挥发分，产生的热解气可以作为工业用气和民用煤气，热解煤气和焦油也 可以通过进一步的工艺从中获得苯、萘、葸、菲及目前尚无法人工合成的多种稠 环芳香烃类化合物及杂环化合物，热解产生的半焦可直接送到燃烧炉中，作为燃 料燃烧产生蒸汽，用于发电或供热。 这种技术具有以下特点： ( 1 ) 获得热值较高的热解煤气，且c o 含量较低，经简单净化处理即可作 为城市煤气； ( 2 ) 不追求热解气化炉的煤气转化率，且生产的半焦可以直接作为循环硫 化床燃烧炉的燃料利用，对煤种要求低，一般v 较高的烟煤和褐煤均可； ( 3 ) 煤的热解气化与半焦燃烧有机集成，半焦直接燃烧利用，热解煤气中 所含焦油既可作为副产品，又可作为燃料，系统的煤炭利用效率大大提高； ( 4 ) 热解和循环流化床燃烧锅炉相集成，使系统工艺简单，运行参数要求 低，设备投资低，运行费用也较低； ( 5 ) 煤的热解工艺与半焦燃烧相集成，在同一系统中产生高热值热解煤气、 蒸汽、电力及其他产品，从而实现在一个系统同时向城镇供给煤气、蒸汽及电力； ( 6 ) 煤炭中硫、氮等污染源绝大部分在煤的热解过程中以h 2 s ，n h 3 的形 式析出，与直接燃烧产生的烟气中的s o z ，n o x 等相比，脱除煤气中的h 2 s ，n h 3 要容易得多。 2 、以煤部分气化为基础的热电气多联产技术 以煤部分气化为基础的热电气多联产技术就是针对煤中不同成分实现分级 利用，将煤部分气化后所得的煤气用作燃料或化工原料，剩下的半焦通过燃烧加 以利用。 这种技术具有以下主要特点【1 0 1 2 】： ( 1 ) 不追求气化过程的高转化率，实现煤炭的分级转化利用，对煤气化技 术与设备要求较低，从而降低了系统的投资和运行成本； ( 2 ) 部分气化技术可以采用较低的气化温度，所以可以与目前相对较成熟 的煤气低温净化技术直接集成； 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 煤炭中的硫、氮在汽化炉中被转化成相对容易脱除的h 2 s ，n h 3 等， 可在气化炉内或煤气净化过程中脱除，半焦中残余的硫、氮、磷、氯和碱金属等 污染物相对于原煤大大降低，燃烧起来相对清洁，系统污染物控制成本降低。 3 、以煤完全气化为基础的热电气多联产技术 以煤完全气化为基础的热电气多联产技术就是将煤在一个工艺过程气 化单元内完全转化，将固相炭燃料转化为合成气，合成气可以用于燃料、化工原 料、联合循环发电及供热制冷，实现以煤为主要原料，联产多种高品质产品，如 电力、清洁燃料、化工产品以及为工业服务的热力。 这种技术具有以下主要特点： ( 1 ) 多种技术的有机结合，以目前已相对成熟的煤炭完全气化技术为核心， 使煤炭在气化炉中转化为煤气，使得该技术在目前阶段可与已成熟的技术相组合 直接应用，随着合成气其它利用技术的发展与成熟，可对系统进行进一步的优化 组合： ( 2 ) 在系统中，颗粒物、s 0 2 ，n o x 和固体废物等污染物可以有效的得到控 制。因为采用纯氧气化技术，通过有机集成相应的技术，系统产生的废气是高纯 度的c 0 2 ，可直接进行利用或处理，如贮存在海洋、地层或陆上生态系统中，或 采用先进的生物和化学工艺处理等办法，实现污染物的近零排放。 1 3 课题背景 中国是一个以煤炭为主要能源资源的国家。与此相适应，中国的能源结构也 是以煤为主。目前煤资源往往作为单一用途来利用，大部分以煤炭利用效率极低 的直接燃烧为主，存在着煤炭利用率低，资源浪费，生产成本高以及污染物排放 严重等问题，因此为使中国能源工业实现可持续发展，必须提高能源利用率，充 分发挥能源的系统效益，使之能一能多用l l3 。此外虽然目前我国的焦炭生产量、 消费量、出口量均屠世界第一位，但大量的焦炉煤气得不到有效利用。按全国年 产2 亿吨焦炭计算，除用于回炉燃烧和少量发电外，尚有近2 9 0 亿n m 3 的焦炉 煤气未得到利用而排放，相当于耗资1 2 0 0 亿元的西气东输期工程1 2 0 亿n m 3 年送气量的2 4 倍。由此可以看出如何更好并且有效地利用煤炭资源，实现资源 的合理利用迫在眉睫。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 国内外现有的多联产模式均是以单一煤气化为气头，通过c o 变换反应调整 粗煤气中的碳氢比以满足合成部分的需要，这不仅增加了系统和技术的复杂性， 导致了能量的损耗，而且增加了c 0 2 排放( 每产生一分子氢，就会产生一分子 的二氧化碳) 。基于以上两点，国家“9 7 3 ”重点基础研究发展计划气化煤 气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究提出：选择现有的有可能形 成自主知识产权的大规模煤气化技术，将气化煤气富碳、焦炉煤气( 热解煤气) 富氢的特点相结合，采用创新的气化煤气与焦炉煤气共重整技术，进一步使气化 煤气中的c 0 2 和焦炉煤气中的c 地转化成合成气。这样，不仅可以提高原料气 的有效成分，调解氢碳比，而且可以免除c o 变换反应，实现c 0 2 减排，并降低 能量损耗。 气化煤气与热解煤气共制合成气的多联产应用的基础研究【1 4 j 是以燃气 轮机为核心的联合循环发电系统。无论是已经得到工业应用的燃气一蒸汽联合循 环发电，还是正在工业试验的i g c c 联合循环发电都是一种以电力为唯一产品的 技术方案，供给燃气轮机的燃料的品质是系统主要保障的指标之一，所以，在常 规的这两种发电方案中，燃料的热值较为稳定，污染物含量也较低。但是对于多 联产系统，电力并非唯一的产品，原料气需要用于制备其它化学品，而用于发电 的是化工过程弛放气和剩余粗煤气。因此在多联产系统中燃气发电会存在以下问 题：( 1 ) 弛放气及粗煤气的成分随系统的运行状况变化，因而热值不稳定，其它 相关的物理、化学特性也会变化；( 2 ) 弛放气及粗煤气的压力、温度、流量等参 数随系统的运行状况变化，导致最终进入燃气轮机的燃料配比也会发生变化。 因此，为了保证系统中燃气一蒸汽联合循环发电系统稳定地输出电力产品， 首先需要根据运行情况调配进入燃气轮机燃料的总热值。此外，由于系统弛放气 和粗煤气的成分和参数也是变化的，在总热值达到要求的情况下，还必须保证燃 料气能够稳定、充分、低污染燃烧，这样才能保证燃气轮机的稳定正常运行。因 此，在利用多联产弛放气及粗煤气发电中燃烧的控制就显得尤为重要，是亟待解 决的关键科学问题。 气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架如图1 2 所示，其技术方案 为：首先按照煤的组成和性质将煤分为用于气化的气煤和热解焦化的焦煤。将气 煤和由空分装置分离的0 2 及水蒸汽进行加压、中温分级部分气化，生成气化煤 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 气，主要组份为c o 、h 2 、c 0 2 。加热及气化所需的热量由煤炭的部分燃烧提供， 产生的高压蒸汽用于蒸汽发电。经过除尘、脱硫等净化后，使总硫含量降到燃气 k 塑墼皇丝一一一盈篮盐l 叫 。l 。、- nj 1 空气 ： 7 i 衢几厌屯_ 上 + 墓旁 ：l 耷分i 团 i 弥：、 “i 、1 t - 殊- x , 。i 、。，1 i 。i 一部分、儿i 7 。译托7 l 腧- h z y , - 吧i + 煤一 j ： ， i r会虚气 i i 叫热；焦嗍净化i - , i 重整嘉化冈譬i - -叫醇醚燃料i ；i 压 i - 回 i i - 回 图l - 2 气化煤气和热解煤气多联产工艺和技术总体框架图 f i g 1 2 f r a m e w o r ko ft e c h n o l o g ya n dt e c h n i q u ei np o l y g c n e r a t i o no fg a s g a s i f i c a t i o n & g a sp y r o l y s i s 轮机发电要求的质量。净化后的大部分气化煤气用作燃气轮机的燃料生产电力产 品，少部分用作热解焦化的燃料和化工合成原料。在部分气化煤气的加热下，焦 煤发生热解焦化，生成焦炭、焦油和焦炉煤气，焦炉煤气的主要组成为c o ( 5 8 ) ，h 2 ( 5 5 石o ) ，c i - h ( 2 3 2 7 ) 。按照一定比例，将提取焦油后的经 过粗脱硫( 湿法) 的焦炉煤气加压和气化煤气混合，进入催化重整反应器，使混 合气体中的c h 4 和c 0 2 发生重整反应，生成c o 和h 2 ，加压后最终达到合成混 合醇燃料要求的最佳合成气组成( h 2 c o = 2 ，4 0 0o c ) 。 该过程中，充分考虑了我国大量生产焦炭的国情，综合利用气化煤气和焦炉 煤气中的化学组成的相互补充和化学转化，达到合成混合醇燃料的最佳比例，从 而使化工合成过程达到最优，并且避免了传统的c o 变换制氢工艺，减少了c 0 2 排放。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本文的研究工作 基于课题的相关要求，本论文的主要工作有以下几点： 1 、分析粗煤气的主要组成成分和其成分的基本物理化学特性。 2 、通过分析粗煤气的主要组成成分和其成分基本物理化学特性，确立实验 方案和方法，进行实验系统设计并完成实验系统的建造工作。 3 、通过实验得到纯扩散燃烧情况下过量空气系数对粗煤气的燃烧温度和燃 烧产物的影响。 通过以上的工作为后期研究不同成分、不同流动参数的粗煤气在预混燃烧情 况下的温度水平、火焰传播速度及燃烧产物；不同成分、不同流动参数的粗煤气 在无催化材料和有催化材料的情况下，其燃烧的温度水平、火焰传播速度及燃烧 产物，并且建立基础理论体系和燃烧特性数据库，打下良好的基础。 1 5 本章小结 针对我国目前煤炭资源利用率较低的现状，发展煤的热电气多联产技术已经 迫在眉睫。本章介绍了几种煤的热电气多联产技术，而本课题气化煤与热解煤 气共制合成气的多联产应用的基础研究所研究的正是煤的热电气多联产技术中 的一种，即以煤完全气化为基础的热电气多联产技术，并且进一步提出了本课题 中的关键科学问题不同成分粗煤气的基本燃烧特性的研究。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章气体燃烧的基本理论 2 1 气体燃烧的形式 燃烧方法是燃烧装置热工性能最直接和最重要的影响因素之一。燃气燃烧是 一种较理想的燃烧方式，一般是将燃气通过燃烧器喷向空气中进行。根据燃气与 空气在燃烧前的混合情况，可将燃气燃烧分为三种：扩散式燃烧、完全预混式燃 烧和部分预混式燃烧【1 5 】。 2 1 1 扩散式燃烧 扩散燃烧【1 6 1 7 1 是指将燃气、空气分别从相邻的喷口喷出，或者燃气直接喷 入空气中，两者在接触面上边混合边燃烧，也称有焰燃烧。 由于燃料与空气的混合速度比燃烧反应速度慢得多，因此燃烧速度与燃烧完 全性主要取决于混合过程的快慢和混合的完全程度。实际上，燃料与空气混合是 靠它们之间的质量扩散作用来实现的，因此扩散燃烧的速度也主要取决于反应气 体混合扩散的速度。 流动介质中的质量扩散过程与流动状态有关。在层流状态，质量扩散以分子 扩散的方式实现，称为层流扩散；而在湍流状态下由于大量气团的无规则运动， 使燃料与空气之间的质量扩散速度明显增加，因此被称为湍流扩散。 燃烧火焰，通常指有比较规则外形的、正在进行燃烧反应的高温混合物所围 成的一个区域，其中包含正在燃烧的物质和燃烧刚生成的物质。扩散式燃烧所产 生的火焰为扩散火焰，按燃气与空气供入的方式可分为：自由射流扩散火焰、同 轴流扩散火焰和逆向喷流扩散火焰；按射流流动的状况可分为：层流扩散火焰和 紊流扩散火焰。 图2 1 表示了层流扩散燃烧的火焰结构。气体燃料从喷口流出，着火后形成 圆锥形火焰锋面。火焰锋面以内为燃气，火焰锋面以外是静止的空气。氧气从外 部扩散到锋面，燃气则从内部扩散到锋面，而燃烧产物又不断从锋面向内、外两 侧扩散。该图中还表示出a - a 截面上氧气、燃气和燃烧产物的浓度分布。氧气浓 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 度从静止的空气层朝着锋面方向逐步降低，燃气浓度则从火焰中心朝相反方向逐 步降低。燃气和空气的混合比等于化学计量比的那层表面就是火焰锋面。在火焰 锋面上，q 正好等于l 。这是因为，如果在a l 的区域先着火，那么多余的氧气将向着燃气扩散，与锋面内 的燃气混合而燃烧，锋面又移向萨1 的表面。所以，锋面上的仅既不可能大于1 ， 也不可能小于1 ，只能等于l 。在锋面上，燃烧产物的浓度最大，然后向内、外 两侧逐步降低。纯燃气和纯空气之间的混合区被锋面分隔成两个区，内侧为燃气 与燃烧产物相互扩散的区域，外侧为空气与燃烧产物相互扩散的区域。扩散火焰 的形状之所以呈圆锥形，是因为沿火焰轴线方向流动的燃气要穿过一个较厚的内 侧混合区才能遇到氧气，而这需要一定的时间，这段时间内燃气将流过一定的距 离，使锋面拉长。燃气在向前流动过程中不断燃烧，纯燃气的体积越来越小，最 终在中心线上全部燃尽，火焰末端变尖而整个火焰锋面呈圆锥形。锥顶与喷口之 间的距离称为火焰长度或火焰高度。 图2 - 1 层流扩散燃烧的火焰结构 c 折一空气浓度c v - - 燃烧产物浓度c 一燃气浓度 f i g 2 1f l a m ec o n s t r u c t i o no f d i f f u s i o nc o m b u s t i o ni nl a m e l l a rf l o w c n 睁一a i rc o n c e n t r a t i o nc v p r o d u c tc o n c e n t r a t i o ncf g a sc o n c e n t r a t i o n 对上述层流射流火焰的动量方程和能量方程进行若干简化和假定，可推导出 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 层流射流火焰的长度公式： 式中 岛= 丽v o r 孓2 0 f l 火焰长度，m ； 射流出口速度，m s ； 喷口半径，m ； ， 大空间中空气的氧浓度，m o l m 3 ； ( 2 1 ) 口化学计量比。 随着燃料流量的增加，火焰中心的气流速度也逐渐增大，但氧气向锋面扩散 的速度基本未变，这就使锥顶离喷口越来越远，即火焰的长度不断增加。此时， 由于火焰的表面积增加，单位时间内燃烧的燃气量也增加。当气流速度增加到某 一临界值时，气体流动状态由层流转为紊流，火焰顶点开始跳动。若气流速度再 增加，则火焰本身也开始扰动，此时的扩散过程由分子扩散转变为紊流扩散，燃 烧过程得到强化，火焰的长度会相应缩短。也就是说，当气流速度增加到一定值 时，火焰的顶端开始出现不稳定。当速度继续增加时，这种不稳定将发展为带有 噪声的紊动刷状火焰。这种变化见图2 2 。 刨 埏 囊 弋 火孔出惋逮度一 图2 2 气流速度增加时扩散火焰长度和燃烧工况的变化 f i g 2 2d i f f u s i o nf l a m el e n g t ha n dc o m b u s t i o ns t a t ew h i l eg a sv e l o c i t yi n c r e a s e s 1 火焰长度终端曲线；2 层流火焰终端曲线 1 - t e r m i n a lc u l v eo ff l a m el e n g t h2 - t e r m i n a lc u i v eo fl a m i n a rf l a m e 太原理工大学硕士研究生学位论文 从图2 2 中可以看出，当射流火焰由层流向紊流过渡时，产生明显折皱的位 置逐步向喷口靠近，当达到充分发展的紊流状态时，开始折皱的位置离喷口最近。 火焰长度在向紊流过渡的过程中，先是线性增加，当达到紊流时，火焰长度基本 上不发生变化，但火焰噪声却继续增大，亮度进一步减弱，当流速增大到某一值 时，火焰被吹离喷口而熄灭。 紊流扩散火焰长度的确定，实质上就是要决定火焰锋面的位置，火焰锋面的 近似确定方法是在燃气与空气的混合气流中( 假设未产生火焰) 寻找燃气浓度与 氧气浓度符合化学当量比的点的轨迹。 紊流扩散火焰长度l f 为 名= 三 o 7 0 ( 1 + 行) 一0 2 9 ( 2 _ 2 ) 式中口紊流结构系数； r 射流喷口的半径，m 。 扩散火焰的稳定性是指在规定的燃烧条件下，火焰这个高温混合物区域能保 持一定的位置和体积，既不回火，也不脱火，能够稳定燃烧的一种性能。 导致回火或脱火的根本原因是火焰传播速度与可燃混合气流喷出速度之间 的平衡遭到破坏。 对于扩散火焰，燃气与空气是分别送入燃烧室的，不会出现回火，但燃气或 空气的喷出速度过大或喷口直径过小，都可能产生脱火或熄灭。为了提高火焰的 稳定性，也必须有稳定火焰的措施，尤其在提高扩散火焰燃烧强度的同时，更应 注意保证火焰的稳定。 射流扩散火焰的稳焰措施，可以有以下几种方法： ( 1 ) 使射流界面上的燃烧速度与气流速度相平衡； ( 2 ) 利用喷燃气的喷口边缘后面所形成的气流环流区和回流区； ( 3 ) 利用气流的旋转所产生的环流与回流区； ( 4 ) 依靠射流出口处的短圆管与射流之间形成的环流等。 2 1 2 部分预混式燃烧 部分预混式燃烧是指燃气燃烧时，一次空气过剩系数a 在0 l 之间，预先 混入了一部分燃烧所需空气，也称为大气式燃烧。由于扩散式燃烧容易产生煤烟， 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 燃烧温度较低，预先混入一部分空气后火焰会变得清洁，火焰的温度也提高了， 所以部分预混式燃烧获得了广泛的应用。 预混气流的燃烧过程就是火焰的传播过程。预混式燃烧火焰由内锥体和外锥 体组成，如图2 3 所示【1 8 19 2 0 l 。在内锥表面，火焰向内传播，而未燃的燃气和 空气的混合物则不断地从锥内向外流出。在气流的法向分速度v n 等于法向火焰 传播速度s n 之处便出现一个稳定的锋面，其形状近似于一个圆锥面。锋面内侧 有一层很薄的浅蓝色的燃烧层，因此内锥又称蓝色锥体。由于一次空气量小于理 论空气量，因而在蓝色锥体上仅进行一部分燃烧，所产生的中间产物穿过内锥锋 面，在其外部按扩散方式与空气混合而燃烧。一次空气系数越小，外锥就越大。 l t ； 图2 3 本生火焰 1 内锥面；2 外锥面 f i g 2 3b u n s e nf i r e 1 - i n n e rc o n ef a c e2 - o u t e rc o n ef a c e 含有较多碳氢化合物的燃气进行预混式燃烧时，外锥可能出现两种情况。当 一次空气较多时，碳氢化合物在反应区内转化为含氧的醛、乙醇等，扩散火焰可 能是透明而不发光的。当一次空气较少时，碳氢化合物会在高温下分解，形成碳 粒，扩散火焰就成为发光的火焰。 事实上，蓝色锥体的出现是有条件的。如果燃气和空气的混合物的浓度大于 着火浓度上限，火焰不可能向中心传播，蓝色锥体就不会出现，燃烧将成为扩散 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 式。如果浓度低于着火浓度下限，则该气体根本就不可能燃烧。因而，氢气燃烧 火焰出现蓝色锥体的一次空气系数的范围相当大，而甲烷和其它碳氢化合物的燃 烧火焰出现蓝色锥体的一次空气系数的范围相当窄。 蓝色锥体的实际形状可用管道中气流速度的分布和火焰传播速度的变化来 解释。层流时，沿管道横截面上气流的速度分布呈抛物线状。喷口中心气流速度 最大，管壁处降为零。截面上任一点的气流法向分速度均等于法向火焰传播速度， 火焰虽然有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。另一方面，该点还有一个切向 分速度，使该处的质点向上移动。所以，在锋面上不断进行着下面质点对上面质 点的点火。在火焰根部，靠近壁面处气流速度逐渐减小，至管壁处降为零，但火 焰并不会传播到燃烧器内部，因为该处的火焰传播速度因管壁散热也减小了。 静止的蓝色锥体焰面说明了锥面上各点的正常火焰传播速度s n ( 其方向指 向锥体内部) 与该点气流的法向分速度相平衡，也即对于预混火焰锥面上的每一 点都存在以下关系式，又称为米赫尔松余弦定律： = = v e o s 自o ( 2 3 ) 式中 妒预混气流方向与焰面上该点法线方向之间的夹角。 余弦定律表明了层流火焰传播速度与迎面来的气流速度在火焰稳定情况下 的平衡关系，火焰虽有向内传播的趋势，但仍能稳定在该点。另一方面，蓝色锥 体沿面上各点，还有一个气流切向分速度，使该处的质点要向上移动。 此外，只要准确测得气体的流量和火焰内锥高度，便可按下式求得法向火焰 传播速度： 墨：堪(2-4ljg t z 。a ) 最2 而 万，、厂。十力 式中 t 燃气流速，m 3 s ； 厶空气流速，朋3 s ； ， - 火焰内锥的底半径，m ： 火焰内锥的高度，m 。 图2 4 中示出了火焰焰锋内反应物的浓度、温度及反应速度的变化情况【2 1 2 2 ，2 3 1 。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 一( 火焰焰替竟度) 矗 一毒c 一 o 4 、z ，t ，j ，。t ，f ，妻，一，1 0 仇l z j ，l ，一z 。l 。 已搭一 台气一”l 气体- _ 呻 ，f ，产，于产，一f 产? ，一，矗”，押 tco 矗t - - ) 叫岛1 、 l _ _ _ _ 死一j义 c = k ) 一 强毒 ( f ) 公 警帆厶一夕 图2 - 4 稳定的平面火焰前锋 f i g 2 - 4e n df l a m ef o rs t e a d yl e v e l 从图中可看出：在前锋宽度内温度由原来的预混气体的初始温度t o 逐渐上 升到燃烧温度t f ，同时反应物的浓度c 由0 - 0 截面上的接近于c o 逐渐减少到a o a 截面上接近于零。在火焰前锋内，实际上只有9 5 0 旷9 8 燃料发生了反应。火焰 前锋的宽度极小，但在此宽度内温度和浓度变化很大，出现极大的温度梯度和浓 度梯度，因而火焰中有强烈的热流和扩散流。热流从高温火焰流向低温混合气， 而扩散流则从高浓度流向低浓度；反之，燃烧产物分子则向新鲜混合气方向扩散。 从图中还可以看到化学反应速度的变化情况。在