（化学工程专业论文）燃油锅炉高效燃烧技术研究.pdf

自穗人 。 华乐) 碳 j 论文， ，史撼爱 摘要 通过埘潦辩漓豹燃浇特点和各军孛燃油燃瓷器酶研究，分析了彰# 融 锅炉燃烧的几种因素。结合炼油厂的实际情况，针列现有燃油炉的燃 烧系统设汁不合理，喷嘴形式陈旧，雾化不均，气流组织存在缺陷， 健燃烧不良，严重影响了炉子的热效率等问题，从改善燃烧入手，设 计出新型商效喷嘴以代替襟有的机械雾化喷嘴，以提高燃油炉的热效 率。提出了采用“y ”型喷嘴替换暇有机械雾化喷嘴，采用文丘利管式 平流配风器作为其相应配触器的燃烧器改造方案。通过本次燃烧器改 造达到了改善、强化燃烧，提高锅炉热效攀，减少能源消耗，减少锅 炉壁面及炉管的结垢，提商传热效率，降低排烟灞度，减少有害气体 的瓣藏等一系列预期效果。 关键词：燃料油燃烧器雾化设计 _ i 油人学( 华尔) 硕十沦文 r e s e a r c h e so nh i g he f f i c i e n t c o m b u s t i o nt e c h n o l o g yo fb o i l e r t h i s p a p e ra n a l y z e s s e v e r a lf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h eb o i l e r s c o m b u s t i o no nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e n s t i c so ff u e lo i la n da l ls o r t so fo i l b u r n e r b e c a u s et h e p r e s e n t o i lf u m a c eh a ss o m eq u e s t i o n s ，s u c h a s u n r e a s o n a b l ed e s i g nf o ri t sc o m b u s t i o ns y s t e m ，o l d e rt y p en o z z l e s ，u n e v e n a t o m i z a t i o n ，d e f e c t se x i s t i n gi nt h eg a ss t r u c t u r e ，b a dc o m b u s t i o na n di t s l o w e rh e a t e f f i c i e n c y , a n e wh i g he f f i c i e n tn o z z l ew a sd e s i g n e d ，a n d v e n t u r is t r a i g h ta i r r e g i s t e rw a sa d a p t e dt om a t c ht oi t i tc a nr e p l a c et h e o l dm e c h a n i c a la t o m i z a t i o nn o z z l ea n di m p r o v et h ec o m b u s t i o na sw e l la s t h eh e a te f f i c i e n c yo fo i lf u m a c et h r o u g ht h i sr e v a m po fb u r n e r , as e r i a l i n t e n d e de f f e c t sc a nb e a c c o m p l i s h e d ，s u c h a sc o n s o l i d a t i o na n d i m p r o v e m e n t o fc o m b u s t i o n ，i m p r o v e m e n to fb o i l e r sh e a t e f f i c i e n c n r e d u c t i o no f e n e r g yc o n s u m p t i o n ，r e d u c t i o no f s c a l e so nt h ef a c eo fb o i l e r a n d t u b e s ，i m p r o v e m e n t o fh e a t e f f i c i e n c y , t h e l o w e r e x h a u s t i n g t e m p e r a t u r e ，r e d u c t i o no f d i s c h a r g i n g h a r m f u lg a se r e k e y w o r d ：f u e l o i lb u r n e ra t o m i z a t i o n d e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和 致谢的地方外，论文中玎i 包含其他人已经发表或撰写过的研究 成果，也不包含为获得石油大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一一j 工作的同志对本研究所做的任何贞 献均已在论文中作了明确的况明并表示了谢意。 签名：至煎螽3 年，月，f 1 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和 借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名：至矗盏矽3 年 ， 月i t 同 导师签名：迎叠叼年月 日 第1 章前言 第1 章前言 1 1 工业背景 随着我国石油化工行业的发展，燃料的需求量越来越大“1 ，各种 工业炉生产过程中的节能降耗、减少环境污染等问题，己经成为每个 石化企业在市场竞争中求生存、求发展必须面对和解决的问题。而我 固石化工业的能耗比先进国家高出3 0 5 0 ，产品能耗高，能量利用 率低，与国外先进水平差距较大”3 1 。究其主要原因，在于能量转换 和用能单元过程没有强化，用能系统没有进行合理的优化配置和能量 集成综合。这加剧了我国能源和环境的双重压力。因此，根据过程高 效用能机理，可以采用改善燃烧、强化换热和热回收利用等高效节能 技术作为节约能源和改善生态环境的突破口，而且这也是实现可持续 发展用能模式转换的有效途径和炼油厂合理利用和节约能源，降低企 业的产品能耗，促进企业技术进步，提高企业经济效益的必由之路。 国内老炼油企业的锅炉和加热炉使用的燃料分为燃料油( 减压渣 油) 和燃料气两种。胜利炼油厂也使用了这两种燃料，燃料气的使用 范围主要为重整、制氢、加氢等生产装置，而燃料油的使用范围则为 热电高压锅炉、动力中低压锅炉、常减压、减粘等装置，其用量一般 占原油加工量的4 o 7 0 。 齐鲁石化公司胜利炼油厂现有8 台工业锅炉和2 3 台工艺加热炉， 消耗燃油2 2 8 t h ，燃油占总供能的8 4 9 5 ( 包括催化烧焦) 。胜利炼 油厂的能耗特点是锅炉与加热炉较多，燃耗比例较大，且大部分为重 油。胜利炼油厂9 9 年共用燃料3 5 9 万吨，占原油加工量的5 2 9 ， 燃料气的硫含量一般为0 0 1 0 o 0 1 5 ( v ) ，燃料油的硫含量一般 为1 3 1 8 5 ( w ) ，进入2 0 0 0 年后，出于加工硫含量高的外油比 例加大，燃料的硫含量均大幅度提高，其中燃料气的硫含量一般为0 0 1 0 0 5 ( v ) ，燃料油的硫含量一般为1 5 5 2 0 1 ( w ) 。如此大 量的含硫燃料燃烧产生的烟气排放后，对大气产生了严重的污染。同 4 l 油人7 ：( 华尔) 硕十呛文第1 章前j 时，胜利炼油厂炼油装置的加热炉一般都是七十年代建设的，采用的 都是自然通风的老式喷嘴，雾化质量较差，热效率一般为6 5 8 5 ， 极大地浪费能源。含硫高的燃料易在燃烧时形成各种硫酸特粘敷在炉 管的外表血上，h 积月累其垢层厚度一般为1 5 5 m i l l ( 燃料为燃油气 的加热炉其垢层厚度一般为1 5 3 m m ，使用燃油的加热炉其垢层厚度 般为3 5 m m ) ，垢层的导热系数一般为0 0 4 2 0 3 1 4 k j m ! h ， 其热阻大约是钢材的4 0 0 倍，这严重地影响了传热效率，在高负荷生 产时，尤其是生产术期易造成炉膛温度超标，影响加热炉及锅炉的安 全运行，因此，如何采用新型高效节能技术，改善和强化燃烧，提高 锅炉和加热炉的热效率，减少重油的消耗，是炼油厂节能的重点，而 且对齐鲁石化公司节能降耗，提高经济效益意义重大。 1 2 研究内容 通过查阅大量的炼油过程节能和热能综合利用方面的有关文献资 料，进行认真分析认为，开展先进能量转换与用能新技术构成的高效 率、低能耗、低污染、高经济性、安全可靠的过程用能的实验研究与 燃油炉高效用能机理与新型高效节能技术的应用实验研究是提高炼油 过程能源利用效率和经济效率的关键技术。其目标是在重点能耗部位 的研究的基础上，通过改善燃烧、强化换熟，结合胜利炼油厂的实际 情况，对胜利炼油厂过程能量的转换、传递、利用过程进行技术更新， 实现高效率、低能耗、低污染的综合利用。 现有燃油锅炉的燃烧系统设计不合理，喷嘴形式陈旧，雾化不均， 气流组织存在缺陷，加之燃油质量变劣，使燃烧不良，炉膛热负荷不 均，存在不完全燃烧，油嘴和炉管结焦严重，对流室积灰增多，严重 影响了炉子的热效率。因此，必须从改善燃烧入手，提高燃油炉的热 效率。 fj 汕人学( 华尔) 硕十论文第1 章前i 1 3 研究路线 131 建立冷态喷雾和热态燃烧的数学模型 建立冷态喷雾和热态燃烧的数学模型，通过计算机数值求解，找 出影响燃烧的因素，为设计实用的节能环保型喷嘴，改善和强化燃烧 提供理论依据。 13 2 典型燃油炉高效燃烧技术研究 通过对炼油厂锅炉燃烧建立数学模型，进行计算、分析和试验， 得到影响喷嘴雾化质量及锅炉燃烧的各种凶素，并根据各种类型喷嘴 的特点、燃油的特性，设计新型优质雾化喷嘴；选用合理的平流配风 器；通过现场试验所确定的新型燃烧技术，包括新型喷雾技术和平流 配风技术，验证是否达到改善燃油炉的气流组织和雾化质量、消除不 完全燃烧和局部析碳与结焦、提高燃油炉的燃烧效率、减少污染物的 排放的目的。 t 汕人学( 华j i ) 硕十论文第2 章油的燃烧特点及雾化 第2 章油的燃烧特点及雾化 2 1 油的燃烧特点 21 1 油燃烧的特点。” 油是一种液体燃料。液体燃料的沸点总是低于它的着火温度。液 体燃料的燃烧总是在蒸汽状态下进行的。所以，实际上直接参加燃烧 的才i 是液体状态的油，而是油气，这是液体燃料燃烧的共同特点。 幽2 1 所示是在一个油罐表面上油的燃烧情况。在油罐上面，油 的蒸气和空气混合，着火后形成火焰，火焰辐射热量传给油罐内的油， 稳定情况下，油的蒸发速度等于燃烧速度，而油的表面温度则接近于 它的沸点。 图2 - 1 油罐上面的油的燃烧情况 l 一燃烬区；2 一火焰；3 一油的蒸发雨i 热分解产物 因此，液体燃料在它的自由液面上的燃烧速度是由火焰对液体表 面的辐射热强度、燃料的温度、比热和蒸发潜热所决定的。火焰的辐 射热强度只与燃料的物理化学性质有关，对于每一种燃料是一个常数， 每一种液体燃料在它表面上的燃烧速度变化不大。为使燃烧加强，必 须增加油的表面积。 21 2 重油油滴燃烧的特点 在重油燃烧时，油滴被包围在火焰内部，被剧烈加热，而得不到 氧气重油会热分解产生油焦。当形成封闭的焦壳后，焦壳阻碍了内 第2 章油的燃烧特点及雾化 部重油的蒸发，使它的温度升高，更促进r 焦壳的生成。焦壳内部产 生的气体，使焦壳内部压力升高，焦壳膨胀，到一定极限后，焦壳破 裂成几部分，这些气体以及部分液态的油喷出。气体和液体的油很快 烧完，剩余的焦壳继续燃烧。 图2 2 为重油油滴在燃烧过程中相对直径d d 。的变化( d 。，是油滴 的初直径) ，其中还有油滴温度的变化。由图2 2 可见，起初油滴直径 并没有明显变化，而油滴温度却不断升高，这况明形成了焦壳。以后， 焦壳突然破裂，直径很快下降。 0 20 4 0 6 u b i u j z l 4 i - 秒 幽2 - 2 重油油滴燃烧时直径和温度舟勺变化 d d o 一油滴直径利初直径之比：t 一时间；t 一油滴温度， 有关试验还得出，初直径越大，破裂以后焦壳粒子直径也越大。 焦壳重量可为油滴初重的1 0 2 0 。 理论分析和大量试验证明，油滴燃烧完所需要的时州和它的直径 的平方成正比，即 2 t = 旦 ( 2 1 ) k 虽然重油的燃烧过程和轻质油有很大区别，但是，试验还得出， 重油液体部分的燃烬所需要的时间仍然和它的直径的平方成正比。 焦粒是固体，它的燃烧过程和煤粉相似，燃烧速度是比较慢的。 某些试验得出：在7 0 0 。c 时，它的燃烧速度才可以被觉察，温度升高， 燃烧速度显著加快，它燃烧完所需要的时问也和直径的平方成正比。 1 l l 1 o o o 0 l 油人学( 华尔) 硕十论文第2 章油的燃烧特j i l 及雾化 其比例常数k 在8 0 0 。c 时为0 1 2m m ! s ，在8 9 0 时增加到0 2 5m m ! s 。 因此，由于有焦粒产生，使重油的燃烧时问延长。为了使它能完全燃 烧，应当保汪火焰尾部有足够高的温度，并且供给足够的氧气。 2 2 油的雾化 2 21 燃油的雾化 由前述知，在油的燃烧过程中，实际上直接参加燃烧的不是液体 状态的油，而是油气。每+ 种液体燃料在它表而上的燃烧速度变化不 夫。为使燃烧加强，必须增加油的表面积，所以，在锅炉内组织燃油 燃烧时，总是将燃油尽可能雾化为细滴后再燃烧。理论和实际均已证 明为了获得高强度、高效率的燃烧效果，必须将液体燃料破碎成小液 滴，这就是通常所说的雾化，雾化是提高燃烧效率的先决条件“1 。燃 烧喷嘴的雾化效果是决定燃烧效率的最关键因素，对燃烧喷嘴的雾化 机理进行深入研究对于开发新型高效火嘴，提高燃烧效率，降低污染 物排放是至关重要的。 1 雾化原理及方法? 9 1 燃油雾化是个十分复杂的过程，雾化产生的形式也随着喷嘴的结 构不同而异，但燃油雾化过程的本质是一样的，即液滴在外加能量的 作用下克服分子间的作用力( 包括分子间的作用力和液体表面张力) ， 形成碎裂的过程。它主要依赖于雾化器中的燃油的流动性质，既是层 流也是湍流，依赖于给液体加入能量的途径，还依赖于液体的物理性 质以及周围大气的性质。这一过程包括主液体的射流碎裂、二次液滴 的碎裂和液滴间的碰撞等。 把燃油通过喷嘴破碎为细小颗粒的过程称为油的雾化过程。根据 雾化理论的研究，雾化过程大致是按以下几个阶段进行的( 如图2 3 ) ： ( 1 ) 液体由喷嘴流出时形成薄幕或流股； ( 2 ) 由于流体的初始紊流状况和空气对液体流股的作用，使液体表 面发生弯曲波动； ( 3 ) 在空气压力作用下，产生了流体薄膜； 6 第2 章油的燃烧特点及雾化 ( 4 ) 靠表面张力的作用，薄膜分裂成颗粒 ( 5 ) 颗粒的继续破裂； ( 6 ) 颗粒( 互相碰撞时) 的聚合。 书一导 口o o 图2 - 3 雾化过程示意图 由此可以看出，雾化过程是一个复杂的物理过程。在这旱，无论 是液体的流出和薄膜的形成，还是克服表面张力而形成小颗粒都是要 消耗能量的。只有对体系做功，才能使油雾化。根据雾化过程所消耗 的能量来源，可以把雾化方法分为两大类： ( 1 ) 主要靠附加介质的能量使油雾化。这种附加介质称为“雾化 剂”。实际常用雾化剂是空气或蒸汽，个别的也有用煤气或燃烧产物的。 ( 2 ) 主要靠液体本身的压力把液体以高速喷入相对静止的空气中， 或以旋转方式使油流加强搅动，使油得到雾化。这种方式称为油压式 或机械式雾化。 不同的方法中，雾化过程都会包括上述6 个阶段中的全部或一部 分过程，但各阶段所占的地位在不同情况下则是不同的。在用气体介 质作雾化剂的过程中，雾化剂以较大的速度和质量喷出，当与重油流 股相遇时，气体便对油表面产生冲击和摩擦，使油表面受到外力的作 用。这种外力大于油的内力( 表面张力和粘性力) 时，重油流股便会破 碎成分散的油粒。只要外力还大于油的内力，油的雾化过程将继续下 去，直到在油的表面上的内力与外力达到平衡，油粒就不再破碎，雾 化过程便到此结束。 _ 洲1 人学( 华尔) 硕l 论文第2 章汕的燃烧特点及雾化 在油压式雾化或机械式雾化条件下，重油从高压小孔喷出。这时， 荤油流股本身将产生强烈的脉动。与此同时，在与周围介质相对运动 中，也受到周围气体的磨擦作用。重油流股的强烈脉动能使它产生很 大的径向分力和波浪式运动。加上周围介质对它的附j j l # l 力，从而使 重油流股的连续性遭到破坏而分散成细颗粒。 根掘以上原理，我们可以把雾化过程归结为油的表面上外力( 如冲 击力、摩擦力) 和内力( 粘性力、表面张力) 相互作用的过程。外力火于 内力时，油流即破碎成小颗粒。山于沿流股轴线上雾化剂和油流的速 度都是逐渐减少的，即外力越来越小。而当油粒变小时，表面能是逐 渐增加的，所以外力和内力将会达到平衡，雾化过程将不再进行。 222 衡量雾化质量的主要指标。 衡量雾化质量的指标主要有雾化角、雾化粒度和流量密度的分川j ， 下面简单介绍它们的意义。 ( 1 ) 雾化角 油雾离开喷嘴后，如果没有外力作用，由于惯性，它应当沿直线 运动，油雾应当呈圆锥形。但是，在油喷嘴试验台，油雾离丌喷嘴后， 也要携带部分空气随它一起运动。在油雾的中心，可能形成一定的负 压，油雾四周的压力将高于中心的压力，使油雾收缩，如图2 4 。因 此，油雾的边界不是直线，雾化角有不同的表示方法。 | 塾| 2 4 雾化角的定义 a 出口雾化角：在喷嘴出口处，作油雾边界的切线，两根切线的 央角即为出1 3 雾化角，用q 表示。出口雾化角的数值和理论计算值比 较接近。 _ i 油人。、产( 华尔) 硕i 。论文第2 草油的燃烧特点及雾化 b 条件雾化角：在离喷嘴一定距离处，作一垂直于油雾中一d 线的 垂线，或以喷嘴出口中心为圆心作一圆弧，它们与油雾边界得到两个 交点，该两点和喷口中心相连，两连线的夹角即为条件雾化角。在距 离x 毫米处测得的条件雾化角用。x 表示。在半径为x 处测得的条件雾 化角用a 。表示。 显然条件雾化角小于出口雾化角，相差有时可达2 0 。以上。条件 雾化角随所用的距离或半径而变，是有条件性的，它便于测量，能更 真实地反映油雾的运动方向。因此，试验时常常采用条件雾化角。 ( 2 ) 雾化粒度( 即油滴的大小) 雾化粒度是雾化质量的主要指标，油雾中油滴的大小是不均匀的， 常用平均直径作为指标。对于同样的油雾，如果采用不同的平均方法， 所得到的平均直径也将不同。 常用的油滴取样方式有两种： a 沿油雾整个半径取样，计算它们的平均直径。 b 在油雾最密集处取样，计算它们的平均直径。 在油雾最密集处，油滴要比其它地方粗一些。按第一种方法计算 得到的平均直径用d 。表示，按第二种方法计算得到的平均直径叫做条 件平均直径，用d + 。表示。 ( 3 ) 流量密度 单位时间内，通过垂直于油雾速度方向的单位面积上的燃料体积， 叫做流量密度。用符号q 。表示，单位为c m ：c m 2 s 。机械雾化喷嘴的流 量密度分布呈马鞍形，如图2 5 所示。 “汕人学( 华尔) 倾+ 论文第2 章油的燃烧特点及雾化 刎蕊 l l 油天掌 馥七沦文翁4 章玲、热袈露戮瓣露 吸绷弘钱 糍# 彝黝睫 热鬣的转移。实验结果表明，不等温自由射流中，各截面之问不仅冉 螅似的速凄场，还青相似豹湿度场。若龛寸沆贫质翻周围夯质不厨，还 存存相似的浓度场。 射流边界层中任一截翻上的滠度分布为 嚣= ( 省小 y s ， 疋一毛弧ji 。， 上式中，对射流对射流初始段，y 。指的是射流边界层的宽度：对 嚣滤基本段，孤是褰漉癸边豢劐x 毒| l 懿题枣；y 是惑瀛中菜患到x 辕戆 距离；u 悬射流中心速度为1 1 且与射流中心线垂意的截面上，距射流 中心线距离为y 处麴速度；l 为任藏嚣上鞭射滚y 处熬瀑攫；l 为任 一截面中心线上的温度；t 。为周围介质温度。 对燃涵峻雾，有 盟：! ：! ( 4 7 ) 毛一瓦竺+ 0 2 9 r o 类似地，当射流介质与周围介质中某组份的浓度不同时，有 籍= 器= i 小y 5 s ， 厶五气一1 i 。 式中，f 为某组份在任截面上与射流中心相距y 处的相对浓度 ( f = c p ，e 为浓度，p 为密度) ；f 。为菜缀爨在周阑赍震中的据对楣 对浓度；f 。为某组份在射流中心线。i = 的相对相对浓魔。 对燃濑囔雾，中心线上豹相对浓度豹变纯为 丛：姓：竺：!