（热能工程专业论文）微油气化燃烧直接点火的数值模拟与应用研究.pdf

摘要 微油直接点火是一种对煤粉锅炉传统点火技术的革命，实现了利用5 的常规燃 油量把煤粉气流引燃，具有广阔的应用前景。研究微油点火技术具有十分重要的现 实意义。 本文应用数值模拟方法，对微油点火燃烧器的多种运行工况进行了数值模拟研 究。分析了煤粉浓度、煤粉细度、一次风速度、燃油流量、油枪的插入方式等主要 因素对煤粉气流着火的影响，在此研究的基础上，选定了煤粉着火影响因素的合理 组合，对锅炉启动过程的一些工况进行了数值模拟。研究结果将为燃烧器运行参数 的优化及锅炉启动提供参考和依据。 关键词：微油点火，汽化燃烧，煤粉燃烧器，数值模拟 a b s t r a c t t i n y - o i li g n i t i o ni sar e v o l u t i o no fb u r n i n gt e c h n o l o g yc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n i g n i t i o n r e a l i z e dd i r e c t i g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a l a i rf l o w 谢t h5 o ft o t a lf u e lo i l a m o u n tt r a d i t i o nu s e d ，i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h u si so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d yt i n y - o i li g n i t i o nt e c h n o l o g y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di se m p l o y e di nt h i st h e s i s t oi n v e s t i g a t ev a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft i n y - o i ld i r e c t - i g n i t i o nb u r n e ro fp u l v e r i z e dc o a l s e v e r a l i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ei g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a la r ea n a l y z e d ，w h i c ha r e p u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o na n df i n e n e s s ，t h ei n l e tv e l o c i t yo fp r i m a r ya i rf l o w , t h e q u a n t i t yo ff u e l o i la n dt h em o d e lo fp l u g g i n go fo i l - g u n o nt h eb a s i so f b e f o r e m e n t i o n e ds t u d yr e s u l t s ，t h eo p t i m a lv a l u e so fb e f o r e - m e n t i o n e df a c t o r sa r e p r o d u c e d a n ds o m ec o n d i t i o n so fs t a r t i n gu po fb o i l e ra r es t u d i e dw i t hn u m e r i c a l m e t h o d t h es t u d yr e s u l t sw i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o no ft h eb u r n e r a n ds t a r t i n gu po fb o i l e r s w a n gz h i p e n g ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) k e yw o r d s ：t i n y o i li g n i t i o n ，c o m b u s t i o ni ng a sp h a s e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p u l v e r i z e dc o a lb u r n e r 摘要 微油直接点火是一种对煤粉锅炉传统点火技术的革命，实现了利用5 的常规燃 油量把煤粉气流引燃，具有广阔的应用前景。研究微油点火技术具有十分重要的现 实意义。 本文应用数值模拟方法，对微油点火燃烧器的多种运行工况进行了数值模拟研 究。分析了煤粉浓度、煤粉细度、一次风速度、燃油流量、油枪的插入方式等主要 因素对煤粉气流着火的影响，在此研究的基础上，选定了煤粉着火影响因素的合理 组合，对锅炉启动过程的一些工况进行了数值模拟。研究结果将为燃烧器运行参数 的优化及锅炉启动提供参考和依据。 关键词：微油点火，汽化燃烧，煤粉燃烧器，数值模拟 a b s t r a c t t i n y - o i li g n i t i o ni sar e v o l u t i o no fb u r n i n gt e c h n o l o g yc o m p a r ew i t ht h et r a d i t i o n i g n i t i o n r e a l i z e dd i r e c t i g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a l a i rf l o w 谢t h5 o ft o t a lf u e lo i l a m o u n tt r a d i t i o nu s e d ，i th a saw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t t h u si so fg r e a ti m p o r t a n c et o s t u d yt i n y - o i li g n i t i o nt e c h n o l o g y n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di se m p l o y e di nt h i st h e s i s t oi n v e s t i g a t ev a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft i n y - o i ld i r e c t - i g n i t i o nb u r n e ro fp u l v e r i z e dc o a l s e v e r a l i m p o r t a n tf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ei g n i t i o no fp u l v e r i z e dc o a la r ea n a l y z e d ，w h i c ha r e p u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o na n df i n e n e s s ，t h ei n l e tv e l o c i t yo fp r i m a r ya i rf l o w , t h e q u a n t i t yo ff u e l o i la n dt h em o d e lo fp l u g g i n go fo i l - g u n o nt h eb a s i so f b e f o r e m e n t i o n e ds t u d yr e s u l t s ，t h eo p t i m a lv a l u e so fb e f o r e - m e n t i o n e df a c t o r sa r e p r o d u c e d a n ds o m ec o n d i t i o n so fs t a r t i n gu po fb o i l e ra r es t u d i e dw i t hn u m e r i c a l m e t h o d t h es t u d yr e s u l t sw i l lp r o v i d eg u i d a n c ef o ro p e r a t i o no p t i m i z a t i o no ft h eb u r n e r a n ds t a r t i n gu po fb o i l e r s w a n gz h i p e n g ( t h e r m a le n g i n e e r i n g ) k e yw o r d s ：t i n y o i li g n i t i o n ，c o m b u s t i o ni ng a sp h a s e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， p u l v e r i z e dc o a lb u r n e r 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文微油气化燃烧直接点火的数值模 拟与应用研究，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所 知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著 作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中 以明确方式标明并表示了谢意。 签名：制 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： 日 王毒渺侈导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 目前中国电力工业中，火电装机总量所占比重达7 5 6 ；火力发电所占比重超 过8 0 。截止2 0 0 6 年底1 4 甜，中国电力装机总量6 2 2 0 0 万k w ，其中火电装机4 8 4 0 4 0 0 万k w 。据不完全统计，全国电厂燃煤机组耗油量逐年增长，2 0 0 3 年5 1 2 万吨，2 0 0 4 年5 5 0 万吨。目前，中国电力工业年耗油量已达1 6 0 0 万吨( 其中电厂锅炉启停时耗 油约占6 0 ，低负荷稳燃耗油约占4 0 ) 。随着我国经济建设的高速发展，对能源的 需求越来越大，尤其是石油，消耗量增加很快，而我国的石油资源又相对匮乏，目 前石油最终可采储量较低，人均占有量只有1 0 吨，居世界第4 1 位，仅相当于世界平 均水平的1 1 。现阶段每年需要进口l 亿五千万吨。2 0 2 0 年中国的石油消费量可能 要达到4 亿吨以上，其中需要进口2 亿吨以上，并且这一趋势在日趋严重，所以节 约石油资源对我国来非常重要。 现行常规电站煤粉锅炉最普遍的点火方式是二级( 轻油或燃气一煤粉) 或三级 点火( 轻油或燃气一重油一煤粉) 。锅炉启动时，先点燃燃料油，油在炉膛中燃烧 一段时间后，温度升高到能使煤粉着火的温度，通常按运行规程规定要求锅炉负荷 在1 5 - 2 0 左右，炉膛出口温度达到5 8 0 以后再投粉，进行油煤混燃，直到煤粉能 稳定的燃烧再断油( 通常要求4 5 m c r 以上) ，完成点火启动过程。一旦负荷降低燃 烧出现不稳定现象，便又开启油枪进行稳燃。电厂点火用油量相当可观。 随着我国经济的快速发展，轻工、商业和生活用电的大幅增加，昼夜用电量相 差巨大( 局部地区高达5 0 以上) ，因而要求电网中有更多的机组参与调峰，在未来 几年，局部地区( 如山东电网内) 3 0 0 m w 机组有可能实行两班制运行，致使点火和 助燃的用油量大幅增加。据统计1 4 4 j 1 2 5 m w 机组锅炉启动一次需要耗油1 5 吨，而 3 0 0 m w 机组启动一次需要耗油1 0 0 吨；一台6 0 0 m w 机组锅炉点火和助燃的燃料油 超过3 0 0 吨，一台3 0 0 m w 机组一年助燃耗油约1 5 0 0 0 吨。针对燃煤电站，开发 无油或微油点火和低负荷稳燃新技术，降低点火助燃用油，有着重要的意义。这也 是二十多年来，电力行业内普遍关心的课题。 1 2 煤粉炉点火及低负荷稳燃技术研究现状 总结多年来国内外在有关煤粉气流着火问题方面的研究，总体看来，主要从三个方 面进行的：基础理论方面的研究m 】；新产品开发领域的研究【8 1 ；以及针对实际对象( 如 锅炉、高炉) 的研究【6 。 华北电力大学硕士学位论文 在基础理论领域，人们对单颗粒、静态的煤粉堆l l 引、煤粉气流i 引，在特定的试验装 置中进行了大量的试验研究【7 j ；在特定的边界条件下，进行了深入的理论模型研究1 2 引。 包括两个方面：( 1 ) 作为对不同煤种基本特性的研究，研究了煤的着火指数( 着火温度) ， 如美国c e 公司的着火指数测定装置1 2 0 j ；作为对煤粉气流着火特性的研究，如d o n g k e z h a n g 等人1 研究了在激光加热情况下煤粉气流的着火现象。( 2 ) 建立了单颗粒煤粉着 火模型以及煤粉气流着火模型，如x i a n g y a n gd u 等人h 所做的煤粉气流着火分析；姚 强等人卜u 建立的煤粉群非稳态统一模型。 新产品开发领域的研究包括：( 1 ) 预燃室点火技术p 1 ( 2 ) 直接点火燃烧器的研究。 在这方面，煤粉气流着火问题是其最核心的问题。如东南大学研制的中心火炬点火r ， 如美国f o s t e rw h e l l e r 公司、张孝勇等在等离子点火燃烧器方面的研究1 4 6 j ；李文蛟r 感应加热煤粉：陈刚等v 1 在稳燃腔煤粉燃烧器方面的研究；王永正在少油煤粉直接点火 燃烧器方面的研究；涂建华p 1 在电加热无油直接点火燃烧器方面的研究；一( 3 ) 新的 稳燃燃烧器的研究。如如日木三菱公司的p m 型燃烧器1 4 3 j ；浙江大学在可控煤粉浓淡燃 烧器方面从事的研究f 1 1 l ；清华大学徐旭常等研发的船体燃烧器f 4 7 】；傅维镳等p 1 进行的 大速射流的研究等等。 对实际对象，如煤粉锅炉炉膛，人们给予了最大的关注。阎维平1 4 9 j 所做的着火前区域 中煤粉气流非稳态过程分析；徐旭常提出的煤粉火焰稳定一“三高区原理1 47 j 等等。 1 3 课题的提出及主要研究内容 由于近几年来，新建的大型燃煤机组较多，许多机组在投产及1 6 8 试转期间耗油量 近万吨。也有一些大型机组( 6 0 0 w m 及以上) 采用等离子点火。等离子点火固然有许多 优点，如：等离子体温度高；有热冲击作用和电离反应；挥发分析出快，点火性 能好，实现无油点火，超低负荷稳燃能力好等。但也存在许多问题，如：可靠性差。究 其原因有二：在引弧的过程中，对阴阳极间的间隙要求非常严格，由于阴极会发生不 均匀氧化，往往导致不能一次引弧成功；系统复杂导致可靠性降低，维护量大，阴极 寿命保证为5 0 小时，但一般运行大概在2 0 小时左右就需要更换。安装等离子点火装置 的煤粉炉仍然要保留传统的燃油系统。另外，等离子点火装置占地大，需要专门的场地。 相对于等离子点火，在传统油点火的基础上电站节油点火技术得到了一定的发展。 微油气化燃烧直接点火代表了目前用油点火的最新技术。其特点：点火能量高，可调范 围大；系统简单，用油枪点火也是非常成熟和可靠的技术，系统占地小，日常维护量小。 微油点火燃烧器已在多台电站锅炉( 1 5 0 t h - - 一1 0 5 0 t h ) 的直流煤粉燃烧器技术改造上。 它具有低负荷稳燃，节油效果显著( 冷炉点火计算节油率大于9 5 ) ，附加阻力不大，改 造工作量小和安全可靠等优点，但仍然存在需要改进的方面，如：燃烧器内一次燃烧室 的结构、防磨耐热及引燃的煤粉量的研究；另外，微油点火燃烧器的设计还没有一种公 2 华北电力大学硕士学位论文 认的方法，特别是对油枪容量基本上是通过试验确定的。目前在6 0 0 m w 及以上的机组应 用较少。 在这样的背景下，作者在导师付忠广教授的指导下开始了燃煤锅炉微油点火及低负 荷稳燃的研究。另外，随着计算机技术的发展，针对气一固两相流、煤粉燃烧过程的数 值模拟已经成为研究燃烧器及炉内流动和燃烧的重要手段。利用计算机模拟可以缩短研 究时间，节省资金，对于锅炉的运行、改造具有重要的意义。为了使研究课题具有针对 性和应用性，本文主要针对华电大通1 0 2 5 t h 锅炉直流燃烧器微油点火改造项目，进行 数值模拟和应用研究。 本课题的主要研究内容： 运用f l u e n t 6 2 对华电大通1 0 2 5 t h 锅炉冷态启动微油直接点火燃烧器进行数值模 拟，研究油枪的雾化、气化燃烧特性；研究燃烧器内的流动、燃烧、传热状况，分析一 次风速、煤粉浓度、煤粉细度、煤种变化对煤粉气流着火的影响：分析燃烧器的阻力特 性，确定油火焰进入的最佳角度和速度。研究不同煤种下，各种影响因素的合理组合， 优化运行参数，以确定最低点燃能量和稳燃油量；分析微油直接点火燃烧器对炉内燃烧 及相邻的燃烧器的影响。为微油直接点火燃烧器的合理设计、经济与安全运行提供参考。 3 华北电力大学硕士学位论文 第二章徼油点火及低负荷稳燃技术 煤粉的燃烧分为着火、燃烧、燃烬三个过程。首先煤粉颗粒随运载它的空气喷 人炉膛后，受到炉内火焰的辐射加热、高温回流烟气的加热，温度升高，开始把水 分蒸发掉；随着温度的进一步上升，煤颗粒变软，成为塑性状态，损失了颗粒的棱 角，变得更接近球形，同时不断地析放出挥发份；挥发份将在碳粒外围空间燃烧， 形成空间气相火焰，进一步加热煤粉颗粒；析出挥发分后，煤粉颗粒就变成了高温、 多孔的焦炭颗粒，会与气相氧化剂发生气一固两相燃烧，直至燃尽。因此，研究煤 粉的点燃技术，应首先从煤的加热、着火过程开始。 2 1 煤的着火机理 煤的着火问题是一个多相系统的着火问题，由于煤的成分、组织结构的复杂性， 以及加热条件、运动状况等因素对着火的影响较大，致使煤的着火问题非常复杂。 从1 9 世纪4 0 年代开始，就有人开始对这一问题进行研究，直至今日才对煤的着火 问题有了相对统一的认识。 2 1 1 均相着火理论 所谓均相着火，即认为煤的着火总是在气相中发生的，煤粒受热后先释放出挥 发分，这些挥发分与氧混合后在一定条件下着火，然后迅速燃烧，产生的热量使煤 焦加热、燃烧直至固定碳燃尽。均相着火模型被认为是煤的唯一的着火机理。这一 理论能成功地解释固定床的燃烧，因而被长期广泛采用。 2 1 2 多相着火理论 1 9 1 2 年，w h e e l e r 在矿井爆炸的研究中发现：在缓慢燃烧时，煤是按均相着火 方式进行的；而在爆炸燃烧时，可能是由表面燃烧开始的，并由此提出了多相着火 的概念。但受当时试验条件和试验手段的限制，多相着火理论未能在试验中被证实。 直到2 0 世纪6 0 年代中期，h o w a r d 和e s s e n h i g h 驯才最早试验证实了这一着火机制， 并提出了多相着火的模型。他们指出，煤的着火不一定是由挥发分先着火燃烧，然 后引燃整个颗粒；有时是在煤表面直接着火，整个煤粒包括挥发分和焦炭同时以固 相形式反应。多相着火模型所采用的一般是s e m e n o v 热力着火理论1 5 ，着火温度可 通过求解温度曲线的临界点或转变点而得到。大量试验证明，在快速加热条件下， 4 华北电力大学硕士学位论文 小颗粒倾向于多相着火1 5 2 。 2 1 3 均相一多相联合着火理论 j u n d g e n 通过实验指出1 52 。，在有的情况下，均相着火和多相着火同时存在。这种由 挥发分火焰直接引燃焦炭的着火方式称之为联合着火方式。图2 - 1 是一张典型烟煤的着 火方式图谱，描述了着火方式与颗粒加热速率、粒径的关系。从图中可以看出，当加热 速率低、粒径大时，着火是均相的：当加热速度高、粒径小时，着火是非均相的：而在快 速加热情况下，对于所有粒径，都是均相多相联合着火方式。 v 董s 确 楼 鬟 d a 0 王a o2 0 0 粒径弘融) 图2 - 1 煤粉着火方式图谱 ( i 多相着火均相着火山联合着火) 2 1 4 傅维镳等的煤焦着火通用规律 傅维镳等在研究煤的燃烧通用规律同时，也提出了一个着火的通用规律。用与煤种 有关的无因次参数屁= ( + 虬) 2 c 乙x 1 0 0 = 瑶c 乙x 1 0 0 表示煤的着火特性指标。 ( + 虬) 表示由于挥发分和内在水分析出后在炭内部形成空隙的程度，即( + ) 越大，其比表面积就越大，炭的活性也就越大；c 0 表示炭中含碳量的大小，单位面积 上含碳的比例越大，化学反应放出的热量就越大；所以尼越大，越利于着火。 2 2 煤的着火判据 研究煤的点火，如何判断是否着火也是非常关键的。在各种实际的研究过程中， 人们采用了各种不同的试验手段，也采用不同的着火判据。下面就各种着火判据归 纳如下： ( 1 ) s e m e n o v 判据。这是最常用的判据，即窑：o ，宰o 。对煤粉群着火时的着 d t m 5 华北电力大学硕士学位论文 火温度的判别，采用的是这一方法【捌。 ( 2 ) 绝热判据( v a n th o f f 判据) 。对于点火时，用孥：0 即当在可燃质温度场中的温 以x 度梯度由于可燃物的燃烧出现竿= 0 ，即燃烧释放的热量在局部“积累 而无法传 积 出时，即为出现爆燃现象。在s t e v e n 的煤联合着火模型1 2 8 j 中采用了这一判据。 ( 3 ) 煤总体质量消耗率跃迁判据。当煤的质量消耗率发生突变，使反应状态由动力 控制转变为扩散控制时，该转变点即为着火点，该判据对于同时考虑多相反应和均 相反应的着火模型时很方便，可以避免上述方法带来的实质上的困难。用热重分析 法确定煤的着火特性中通常采用这种方式。 ( 4 ) 气体可燃浓度判据，即混合可燃气体的浓度丘达到高温混合气体可燃浓度极限 时，达到着火。从这个定义看出，这个判据适用于均相着火。章明川等 2 4 j 的煤挥发 分着火模型使用了这一判据。 ( 5 ) 恒温壁面系统超温判据，即墨 瑶，当气流温度高于当地壁面温度时，气流将 放热给壁面，定义此点为着火点。该判据相当于q l q 2 ，在一维着火试验中常用此 判别方法。 ( 6 ) 闪光法。随着光学检测系统的完善，现代燃烧研究利用燃烧发光这一现象而采 用出现“闪光 作为着火的判据已经成为着火的主要判据之一，特别是在高强度高 速加热条件下的着火研究，更是必须用光学方法才可能进行精确测量，如激光点火 的研究中【2 5 j 。 ( 7 ) 其他。判断着火的方法除了上面几种，还有如爆炸法，以群体发生爆炸作为着 火点；压力突升法，以容器内可燃物压力突升为着火判据等等。 2 3 煤粉气流的加热方式与点燃理论 2 3 1 常用的加热方式 现有的直接点火技术均是把气粉混和物全部或局部加热，使其达到着火温度，从而 实现煤粉气流的点火。因此，点火技术与加热技术联系密切，选择加热方法的优劣直接 关系到点火技术的成功与否。现行的加热方式主要有火焰加热、电阻加热、电弧加热、 感应加热、介质加热、红外线加热、电子束加热、等离子加热和激光加热。 2 3 2 煤粉气流的引燃 工程上煤粉空气混合气流着火及气体可燃混合物的着火都是以点燃方式进行 的，常采用高温烟气回流；采用炉拱、卫燃带或其他炙热物体、保证炉内有高温水 6 华北电力大学硕士学位论文 平，向火炬根部辐射热量；采用附加的重油或其他的点火火炬，或应用电火花点火 等。根据预混可燃气体点燃的热力理论，要点燃气体可燃混合物则必须提供一定的 点火能量，即在短时间内提供大量的热量，或用较低水平的能量维持足够长的时间， 否则着火是不可能的。在可燃气体混合物局部被点燃而先行着火后，着火的部分通 过火焰面向未燃部分的混合气体输送热量及活化中心，使之相继着火和燃烧，及开 始发生火焰传播。煤粉空气混合物与气体燃料相比不易点燃且更难维持稳定的着 火。在煤粉炉中煤粉的点燃过程是将一次风射流与高温烟气混合，使得煤粉空气混 合物的温度升高到煤粉能够着火，这一温度由一定环境条件下煤粉着火的临界条件 所决定l g j 。即： 铲一五( a 鲈二t o ) g l = 口f 乙一 j l ( 2 1 ) ( 罢1 表示在万层可燃物厚度内的温度梯度，9 2 是由于化学反应向周围可燃物 导出的热量。t o 表示可燃物的初温。当由万层内所能导出的热量等于或大于由该层 向周围散失的热量时，万层火焰就能不断地传播下去。所以，煤粉气流的着火条件 不仅取决与用来点燃煤粉气流的热烟气温度，还和煤粉本身的性质有关，所需着火 热比气体可燃混合物的点火能量大的多。如果能够对一次风一粉混合物连续的提供 足够的着火热量，则可维持煤粉气流连续稳定的着火，并维持燃烧状态继续下去。 尽管煤的着火性质有其特殊性，影响煤燃烧的因素也较多，但与其他各种可燃物燃 烧的本质是相同的，即燃烧需要同时满足三项条件：可燃物、氧气和足够高的温度。 一次风管中的混合物已同时具备两个着火条件，即煤粉和输送煤粉气流空气中的氧 气，虽然输送用的空气中的氧有限，但一定程度上还能满足初期燃烧。微油点火就 是将微量油高效、快速、充分燃烧产生高温火焰( 烟气) 通入到燃烧器一次喷口内 的一次燃烧室，利用高温火焰的热量将部分煤粉热解、点燃，着火后的煤粉释放出 的热量又将其它煤粉点燃，最终形成一个火炬。 2 4 微油气化燃烧直接点火技术 2 4 1 技术原理 微油气化燃烧产生的高温火焰，它对煤粉的作用是属于气固两相反应，高温火 焰直接加热的是2 0 。c 1 0 0 的煤粉空气混合物。如果高温火焰把进入一次风管的 煤粉全部加热裂化，将需要较多的燃油，从经济角度来看是没有效益的，另一方面， 华北电力大学硕士学位论文 一次风管中的煤粉全部裂化燃烧，势必会造成燃烧器结焦和烧毁，危及锅炉的安全 运行。 综上所述，要把微油气化燃烧直接点火应用到工程中，就必须解决微油气化燃 烧直接点火技术的经济性和装置的安全可靠性问题。采用“燃料的异体一自身热能 转化原理 是有效的解决方法之一。其具体办法是：在燃料的热能转化过程初始阶 段，加热燃料所需的热能来自外部热源( 如高温火焰) ，由外部热源提供燃料反应过 程( 如气化过程) 所需的热量，进而激发燃料自身释放热量，外部热源和燃料自身热 源再作为后续反应的激发热源。这样，就不需要大功率的油燃烧器，也不需要将所有 煤粉一次热裂化。在燃料的热能转化过程中，高温火焰只是引燃热源而已。 2 4 2 微油燃烧技术分析 一、油的燃烧过程及特点 油的燃烧过程可分为：雾化、蒸发、扩散混合和着火、燃烧等5 个阶段。雾化 和混合的质量直接影响到燃烧的进程和燃烧的效率。油蒸汽在与氧接触前达到高 温，则会产生热解形成炭黑；未蒸发的油滴，如果剧烈受热而达到高温，就会发生 裂化现象，产生固态焦粒。油粒的燃烧过程存在两个互相依存的过程，一方面燃烧 反应需要油的蒸发提供反应物，另一方面，油的蒸发要燃烧反应提供热量。在稳态 过程中蒸发速度与反应速度是相等的。因此，油的燃烧既包括均相燃烧过程，又包 括油粒表面的传热和传质过程。油的强化燃烧必须保证有良好的雾化的质量，同时 进行合理的配风。 二、油的雾化过程及影响因素 把燃料油通过喷嘴破碎为细小颗粒的过程称为油的雾化过程。图2 2 描述了油 雾化的一般过程：( 1 ) 液体由喷嘴流出时形成薄膜；( 2 ) 由于流体的初始紊流状态 和空气对薄膜的作用，使液体表面发生弯曲波动；( 3 ) 依靠表面张力的作用，薄膜 分裂成颗粒。影响雾化颗粒平均直径的因素有喷嘴结构参数、油的性质参数及工况 参数。用无因次方程式表示为： 阜= f ( r e , w e ，丝，丝，兰，仃r 。，陆) ( 2 2 ) u op l拽u t 。h 华北电力大学硕士学位论文 一 l 1 一 一 lkf mf 0 m l a t i o n 么- = 二薹心肌舢啪。 口 o 0 000o0 6 l 旦地盘j f l n 图2 - 2 雾化示意图 式中：d 耐一颗粒的平均直径，m ； 或一喷口直径，m ； 耽一维伯准数( w e ：攀) ； 2 仃 & ，所周围气体介质和流体密度，k g m 3 ； 心，鸬一周围气体介质和流体的粘度系数姆( 册j ) ； “。气体介质的速度m s ； 嘞。一流体在喷口处的速度，m $ ； 盯一表面张力，n m ； 足，足一表征喷嘴结构特征的相对尺寸，m 。 l 、油温的影响 改变油温可以改变油的粘度和表面张力。提高油温可以显著降低油的粘度，改 善雾化质量。表面张力对雾化质量的影响还不十分清楚，各研究工作的结论不完全 一致。油温提高，表面张力也有所减少( 但变化不大) ，实际工作中一般不考虑表 面张力对雾化质量的影响。 2 、雾化剂压力和流量的影响 提高雾化剂的压力时，雾化剂的喷出速度将增加，同时流量也将增加，如果要 保持雾化剂流量不变，则应相应减少喷口断面积。由于调节油喷嘴时，油的流量或 喷口速度也可以变化，所以一般讨论雾化剂与油流股的相对速度和雾化剂单位耗量 对雾化质量的影响。相对速度对颗粒平均直径的影响较大，相对速度越大，雾化后 的平均直径越小，而且在高速范围内影响越明显。提高雾化剂压力可以使雾化质量 得到改善。雾化剂的单位耗量对颗粒的直径有重要的作用，在低压喷嘴中，由于雾 化剂的流速不大，一般不超过1 0 0 m s ，所以需要雾化剂量较多，当雾化剂量太少 ( 小于燃烧空气量的2 5 3 0 ) 时，雾化质量严重变坏。在高压油喷嘴中，由于雾 9 华北电力大学硕士学位论文 化剂速度很大，雾化剂的单位耗量可以小些，一般为燃烧空气需要量的1 0 左右， 且过大的消耗，对改善雾化的效果不显著。 3 、油压的影响 油压决定油的出口流速，在一定的流量下，当增加油压时，应减少喷口面积。 采用气体作雾化剂时，油压不宜太高，特别是低压喷嘴，油压过高，油流股的速度 太快，从而会穿过雾化剂流股，使油得不到良好的雾化。对于高压雾化的喷嘴( 内 混式) 除考虑油压不宜过高外，也要保证大于内混腔的压力，以免油被雾化剂封堵。 对于压力( 机械) 雾化喷嘴，主要是靠油流股本身的脉动而实现雾化的，因此，油 压越大，速度越大，雾化的质量越好。 4 、油喷嘴结构的影响 在喷嘴结构中，影响雾化质量的主要结构尺寸是：雾化剂的出口断面；雾化剂 与油流股的交角；雾化剂的旋转角度；油的旋转角度；雾化剂与油相遇的位置；雾 化剂或油的出口孔数；各孔的形状以及它们之间的相对位置。一般情况，为了减少 颗粒平均直径，提高雾化质量，可以采取减少雾化剂和油的出口断面，适当增加雾 化剂与油的交角，造成流股的旋转，分级燃烧，多孔流出，内部混合等措施。 三、微油燃烧技术 微油燃烧技术由微油气化油枪和微油点火燃烧器组成，如图2 3 所示。 微油气化燃烧是利用机械雾化和压缩空气的高速射流将燃料油挤压、撕裂、破 碎，产生超细油滴后通过高能点火器引燃，同时巧妙地利用燃烧产生的热量对燃油 进行加热，使超细油滴在极短的时间内蒸发气化。由于燃油是在气化状态下燃烧， 可以大大提高燃油火焰温度，并急剧缩短燃烧时间。气化燃烧后的火焰，中心温度 高达1 6 0 0 - - - 2 0 0 0 。c 。它作为高温火核在煤粉燃烧器内快速点燃一级煤粉。 微油点火燃烧器：把微油气化油枪产生的高温油火焰引入煤粉燃烧器一级燃烧 区，当浓相煤粉通过气化燃烧高温火核时，煤粉温度急剧升高、破裂粉碎，释放出 大量的挥发份，并迅速着火燃烧。已着火燃烧的浓相煤粉在二次室内与稀相煤粉混 合并点燃稀相煤粉，实现了煤粉的分级燃烧，燃烧能量逐级放大，达到点火并加速 煤粉燃烧的目的，大幅度减少煤粉燃烧所需的引燃能量。为了防止燃烧器烧坏和在 燃烧器内发生结渣，采用多级气膜冷却风保护喷口安全。 1 0 华北电力大学硕士学位论文 撇髑离涨油( 气) 删翻燃三徽髓 图2 3 微油点火燃烧器原理图 2 4 3 技术经济分析 微油量燃油气化燃烧2 0 6 0 k g h 的油来点燃4 8 t h 的煤粉( 节油率9 0 以上) 以 取代原来的1 5 0 0 2 0 0 0 k g h 的大油枪和2 0 0 8 0 0 k g h 的稳燃油枪，在锅炉点火开始就 投运煤粉燃烧器。现以华电大通1 # 炉( 1 0 2 5 t h ) 使用微油点火冷态启动与传统方式进 行比较： 按原方式锅炉启动一次耗油为1 0 0 吨，启动时间平均1 0 小时【1 0 。采用微油点 火及稳燃技术，锅炉启动一次耗油为1 0 小时0 0 6 吨小时只4 只= 2 4 吨。节 油率：( 卜2 4 1 0 0 ) = 9 7 6 。 l 、采用微油点火及稳燃技术启动一次总费用= 燃油费用+ 燃煤费用+ 制粉厂用电费 用约为7 8 3 4 万元； 2 、采用原方式( 大油枪) 方式启动费用：每次点火启动平均总耗油量为1 0 0 吨； 启动一次运行费用：0 4 2 1 0 0 = 4 2 万元； 3 、每启、停一次可节约运行费用： 4 2 7 8 3 4 = 3 4 1 6 6 万元； 4 、每年启动节约运行费用计算：3 4 1 6 6 4 = 1 3 6 6 7 万元； 5 、每年用于低负荷稳燃节约的运行费用：5 1 3 万元； 每年用于机组启动及低负荷稳燃节约的费用：1 3 7 + 5 1 3 = 1 8 8 万元。 2 5 煤粉炉低负荷稳燃技术 2 5 1 影响煤粉气流着火的主要因素 一、煤粉性质 煤的常规特性表征了煤的基本性质，是分析煤的着火、燃烧特性的重要依据。煤的 常规特性主要包括：挥发份、水分、灰分、发热量和煤粉细度等。 1 、挥发份 挥发份主要有各种碳氢化合物、水、一氧化碳、硫化氢等可燃气体、二氧化碳和氮 等不可然气体、焦油以及少量的氧组成。煤的着火燃烧与其所含的挥发份的多少、成分 1 1 华北电力大学硕士学位论文 以及加热状况有关。挥发份含量愈多其析出和着火温度愈低，煤就愈容易着火和燃尽。 外界加热愈多，挥发份析出愈快愈多，煤也就愈容易燃烧、燃尽。 2 、水分 水分多将使炉内温度降低，延长了煤的着火和燃尽时间，影响了煤的燃烧稳定性， 同时对煤粉炉的制粉系统也有不良的影响，如导致输煤管道的堵塞，影响了干燥介质的 选择与排放等。 3 、灰份 灰分影响挥发份的析出，其含量愈多则挥发份析出的温度愈高着火速度也愈慢，且 燃烧温度下降。燃用灰分高且熔点低的煤将影响锅炉的正常运行工况。 4 、煤粉细度 煤粉气流的着火温度随煤粉的细度变化而变化。煤粉愈细着火愈容易。因为在同样 的煤粉浓度下，煤粉愈细进行燃烧反应的表面积就愈大，煤粉本身的热阻愈小，所以细 煤粉比粗煤粉升温速度快，着火更容易。煤粉过细，将增加制粉单耗。针对一定的煤种、 制粉、燃烧系统有一个经济细度。 5 、煤粉浓度 煤粉浓度高，相应于每公斤煤粉所需加热总介质减少，所需着火热减少，着火容易。 但煤粉浓度过高，着火初期所需氧气量不够。试验发现不同煤种都有一着火温度最 低的最佳煤粉着火浓度，煤种不同，最佳煤粉浓度不同。 二、一次风风温、风量和风速 提高一次风风温可以降低着火热，使煤粉气流更容易着火，但过高的风温会增加煤 粉自燃的可能性。在燃用低挥发份煤种时可以采用比较高的一次风风温。 增大一次风风量，就是增加了着火热，使着火延迟；减少一次风风量，会使着火热 显著降低，但是一次风风量又不能太低，否则会使煤粉气流在着火初期得不到足够的氧 气而使化学发应速度降低，影响煤粉火炬的扩散，所以每种煤粉都有一个对应的最佳一 次风风率。 一次风风速对煤粉气流的着火也有显著的影响。一次风速过高，通过单位面积的流 量增加，当加热量一定时，加热速度会下降，使着火距离加长，煤粉气流不易着火；一 次风速过低时，会使燃烧器喷口烧坏煤粉管道堵塞。因此有一个最佳一次风速。 三、燃烧器的结构特性 燃烧器的结构特性能够影响一二次风的混合情况。如果燃用的是无烟煤，燃烧器采 用一次风喷口相对集中布置，二次风喷口分层布置，即分级配风方式。如果燃用的是烟 煤、褐煤一、二次风喷口则采用相间布置，即在两个一次风喷口之间均等布置1 到2 个 二次风喷口，即均等配风方式。 四、锅炉负荷 锅炉负荷降低时，送入炉内的燃料相应减少，水冷壁总的吸热量虽然也减少，但减 1 2 华北电力大学硕士学位论文 少的幅度较小，相对于每公斤燃料来说，水冷壁的吸热量反而是增加的导致炉内温度水 平下降，燃烧器区域的烟温也降低，所以对煤粉气流着火来说是不利的。当锅炉负荷降 低到一定水平时，会危及着火的稳定性，甚至可能熄火。 2 5 2 低负荷稳燃原理 切圆燃烧锅炉，其具有煤种适应性广，稳燃性能好等特点，在我国电站锅炉中得到 了广泛应用。这种燃烧方式基本上都采用了直流煤粉燃烧器，本节以分析直流煤粉燃烧 为例讨论切向燃烧锅炉的低负荷稳燃问题。 在煤粉锅炉中，将一次风煤粉加热到着火温度所需的热量称为着火热；炉内高温烟 气实际传递给一次风粉的热量称为着火供热。着火供热主要来自高温烟气对流传热。研 究指出，对流能提供着火热量的7 0 - - - 9 0 1 1 1 j 。而普通的直流燃烧器，一次风粉射流从 一次风喷口射入炉膛后，只能靠从射流外侧卷吸炉内的高温烟气来提供着火供热，一次 风粉混合物的火焰传播速度一般为1 5 - - - 6 m s ，而一次风粉速度却是2 0 一- - 3 0 m s ，因此 在煤粉喷嘴出口处稳定的着火一般只可能发生在一次风粉射流的边缘处。从理论上说， 自由射流的外边界处速度梯度趋于零，几乎没有湍流扰动，传热传质的作用很差。此外， 射流离开喷口后向外扩张，煤粉颗粒因惯性作用而集中在射流内侧，射流获得的热量必 须首先加热外层的空气，然后才能对煤粉加热，所以，普通单股直流燃烧器所形成的射 流的着火条件是很差的。它必须依靠上游邻角的火焰稳燃。当锅炉负荷降低时，炉温将 下降，为了维持必要的煤粉混合物输送速度，一次风中的煤粉浓度将大为降低；对于切 圆燃烧锅炉来说，二次风速度也要降低，炉膛中火球的转动强度也渐渐减弱，以至于不 投油最低负荷运行时，火球不能自行稳定燃烧，因此每个煤粉喷嘴必须具有自稳燃能力， 而不能仅依靠邻角燃烧器油火焰的助燃。 通常用稳燃指数n 来衡量煤粉气流着火的稳定性，则若要使一次风煤粉气流着火， 应保证： 刀：娶l ( 2 3 ) 如 、。 幺：表示外界提供给煤粉射流的着火供热； q 。：表示煤粉气流达到着火温度所必须的着火热； 从稳燃角度来看，n 的值越大越好。从2 3 式来看， 着火热锄和增加着火供热q g 。 一、降低着火热 着火热锄包括用于加热煤粉和一次风所需的热量， 所需的热量，可近似用下式表示： 1 3 可以从两方面进行稳燃：降低 以及使煤粉中水份蒸发与过热 华北电力大学硕士学位论文 既= w o 口，似。等- i - c g r 等等肥 似， 急 2 5 1 0 + c q ( t ：h - 3 7 3 ) ( 2 4 ) 一瓮老c 2 5 1 0 + c q ( t o 圳3 式中：d ，进入每台稳燃室原煤消耗量，k e , h ； 矿o 标准状况的理论空气量，m 3 堙； q 过量空气系数； ，i t 一次风率( 进入稳燃器) ； q t 标准状况下一次风比热容，j ( m 3 足) ； 吼不完全燃烧损失； 勺标准状况下煤的干燥质比热容，j ( m 3 k ) ； 朋矿煤的受到基水分，； 抽煤粉气流着火温度，k ； 五一次风煤粉气流温度，k ； c 口过热蒸汽比热容，j l ( k g o k ) ； 煤粉的水分，； q ： 煤粉气流着火热，j h 。 二、增加着火供热： 1 、建立稳定的高温热源 为确保低负荷状态下锅炉稳定燃烧，电厂一般都装设一层或几层油枪，在锅炉 燃烧不稳定时利用油燃烧释放的大量热量来建立稳定的着火热源。 2 、在燃烧器喷口提高烟气回流的数量和温度 炉内点燃煤粉气流的着火热主要来自于热烟气的回流，带一次热烟气的回流的 着火链环。对着火链环过程做热平衡，以l k g 煤粉空气混合物为基础，则： 五一t o 导击 ( 2 5 ) 其中：正一热烟气回流混入煤粉后气流温度，k ； t o 一煤粉气流混合物初温，k ； q c 一整个环链中每千克煤粉空气混合物燃烧发热量，k j ； c 。一烟气比热容，k j k g k i r 一回流烟气与煤粉气流的质量流量比率。 从2 5 式可以看出，要提高烟气混入后温度z ，需要保证回流烟气的当量温度 1 4 华北电力大学硕士学位论文 和数量。2 5 式中，烟气返回煤粉空气混合物的热量只占全部燃烧放热量的r ( 1 + r ) 这一部分，即回流的“量是比较小的，因此，为改善煤粉气流的着火燃烧条件， 稳定着火，除增大烟气回流量外，还要组织好链环内煤粉的早期燃烧增大q 。 2 5 3 低负荷稳燃技术 一、制粉系统方面的稳燃措施 应加强燃煤管理，尽量避免煤质的大幅度变化。根据煤质特性、磨煤机型式、燃烧 方式、炉膛结构和热负荷等因素，选择经济的煤粉细度；提高一次风粉混合物温度等。 二、炉膛设计方面的稳燃措施 燃用极难燃烧的劣质烟煤、贫煤或无烟煤时，可考虑采用w 炉或u 型火焰炉。w 型 火焰锅炉由于着火条件好，火焰行程长，煤粉在炉内的停留时间达3 s - - 4 s ，比其它燃烧 方式几乎增加一倍，所以燃烧效率高。国外的实践表明，w 型火焰锅炉能燃用可燃基挥 发份旷= 4 - - 2 0 的无烟煤和贫煤。所以，燃用无烟煤时，很多国外公司都推荐采用这种 燃烧方式的炉型。 三、