（工程热物理专业论文）基于无焰燃烧的小型燃油锅炉研究.pdf

摘要 摘要 节能和减排是燃烧领域的热点问题 是我国可持续发展的重要战略措施 本 文将无焰燃烧技术应用于燃油锅炉 取得较好的节能减排效果 本文以市场上较典型的某小型立式燃油锅炉优化设计为背景 研究在燃油锅 炉上实现无焰燃烧的可行性及相关机理 燃油锅炉具有不同于燃气锅炉的燃烧特 点 燃油燃烧存在雾化和气化过程 要实现无焰燃烧 一要促进燃油雾化效果 强化燃烧 提高整个炉膛平均温度并且均匀温度场 二是要促进高温烟气的循环 稀释并加热新进燃料 总之 可以通过炉内结构的改进 营造无焰燃烧的高温低 氧环境 通过在炉内设置耐火砖壁 燃油撞击高温固体表面蒸发气化 随高速气流进 入炉膛充分混合 提高燃油雾化效果 二是设置烟气导流结构 促进烟气循环 炉内极易形成强旋流 三是通过采用高导热材料加工燃烧搅拌反应器 强化炉膛 内换热效果 均匀温度场 以上种种措施采用整体化设计 合理布置 尽可能简 化结构 并且考虑加工工艺 搭建实验平台 进行了大量的实验验证设计方案的合理性 实验结果表明 通过改进 燃油锅炉运行时具备了无焰燃烧的特征 一 观测可见炉内燃烧状 况良好 炉内火焰形状淡化 二 测得炉膛内平均温度显著提高 温度分布均 匀 并且排烟温度降低 估算得锅炉热效率提高2 以上 三 由测得的排烟烟 气组分浓度 可知锅炉在低过量空气系数下仍能完全燃烧 测得n o x 排放量较 低 基本维持在2 4 0m g m 3 以下 远低于传统燃烧n o x 排放量 测得其它烟气成 分如c o 等都符合环保要求 四 研究发现 采用高导热材料作为燃烧搅拌器 比一般的耐火材料更能有效强化炉内换热 快速形成高温环境 对于无焰燃烧的 实现起到事半功倍的作用 在小型燃油锅炉上运用无焰燃烧技术 高效节能并且降低了污染物排放 为 无焰燃烧技术在小型燃油加热设备上的应用做了有益的探索 关键词 常温空气无焰燃烧 立式燃油锅炉 优化设计 实验研究 碳化硅 a b s t r a c t a b s t r a c t e n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o ni sn o to n l yh o ti s s u e si nb u r n i n gf i e l db u t a l s oa ni m p o r t a n ts t r a t e g i cm e a s u r e so fs u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y t h i s p a p e ra p p l i e df l a m e l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yt of u e lb o i l e r s a c h i e v i n gg o o de f f e c t o fe n e r g ys a v i n ga n de m i s s i o nr e d u c t i o n f i r s t b a s e do no p t i m i z a t i o nd e s i g no ft h et y p i c a ls m a l lv e r t i c a lf u e lb o i l e r so n t h em a r k e tf o rb a c k g r o u n d s t u d i e dh o wt or e a l i z ef l a m e l e s sc o m b u s t i o no nf u e l b o i l e r s t h ef u e lb o i l e ri sd i f f e r e n tf r o mg a sb o i l e ri nt h ec o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a n df u e lc o m b u s t i o na c c o m p a n i e sa t o m i z a t i o na n dg a s i f i c a t i o np r o c e s s t oa c h i e v e f l a m e l e s sc o m b u s t i o n f i r s t p r o m o t ef u e la t o m i z a t i o ne f f e c t s t r e n g t h e nc o m b u s t i o n i m p r o v et h ec h a m b e ra v e r a g et e m p e r a t u r ea n du n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l d s e c o n d p r o m o t et h ec i r c u l a t i o no fh i g ht e m p e r a t u r ef l u eg a sa n dh e a td i l u t e dn e wf u e l a n y h o w t h r o u g hf u r n a c es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o n w ec a nb u i l df l a m e l e s sc o m b u s t i o n h i g ht e m p e r a t u r ea n dl o wo x y g e ne n v i r o n m e n t t h e nt h ep a p e rp r e s e n t st h ec o n c r e t ed e s i g ns c h e m e f i r s t s e r i n gf i r e b r i c kw a l l i naf u r n a c e t h e nf u e li m p a c t e dh i g hs o l i ds u r f a c ee v a p o r a t i o na i r g o n ei n t of u r n a c e m i x i n gf u l l yt oi m p r o v ef u e la t o m i z a t i o ne f f e c t s e c o n d s e t t i n gf l u eg a sf l o ws t r u c t u r e p r o m o t et h ec i r c u l a t i o n s oe a s yf o r m i n gs t r o n gv o r t e xi nt h ef u r n a c e t h i r d a d o p t e dh i g ht h e r m a lc o n d u c t i v e m a t e r i a l st o p r o c e s s s t i rr e a c t o r c o m b u s t i o nc h a m b e r t os t r e n g t h e nt h e r m a le f f e c ta n dt ou n i f o r mt e m p e r a t u r ef i e l d a b o v ea l lm e a s u r e sa d o p t e di n t e g r a t ed e s i g n r e a s o n a b l ea r r a n g e m e n t a n dc o n s i d e r s i m p l i f i e ds t r u c t u r ea n dp r o c e s s i n gt e c h n i c f i n a l l y b u i l tae x p e r i m e n t a lp l a t f o r ma n d d o n ee x p e r i m e n tt op r o v er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h r o u g ho p t i m i z i n gd e s i g n f u e l b o i l e r s r u n n i n gw i t ht h e f l a m ec o m b u s t i o n c h a r a c t e r i s t i c s 1 o b s e r v a t i o ni si ng o o dc o n d i t i o n f u r n a c ec o m b u s t i o nf l a m es h a p e d e s a l ti nf u r n a c e 2 i nt h ef u r n a c e a v e r a g et e m p e r a t u r es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nu n i f o r m e d e x h a u s tt e m p e r a t u r e r e d u c e da n de f f i c i e n c yo f b o i l e ri m p r o v e d m o r et h a n2 3 m e a s u r e db yt h eg a sc o m p o n e n ts m o k e c o n c e n t r a t i o n b o i l e ri nl o we x c e s sa i rc o e m c i e n tc a ns t i l lc o m p l e t ec o m b u s t i o n n o x e m i s s i o n sl o wi n2 4 0m g m f a rl e s st h a nt r a d i t i o n a lc o m b u s t i o nn o xe m i s s i o n s o t h e ri n g r e d i e n t ss u c ha sg a ss u c hc oa c c o r d 析t he n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n r e q u i r e m e n t 4 s t u d i e df o u n dt h a t a sb u r n i n gm i x e r h i g ht h e r m a lc o n d u c t i v e a b s t r a c t m a t e r i a l sm o r ee f f e c t i v e l ys t r e n g t h e nh e a tt r a n s f e rt h a nr e f r a c t o r ym a t e r i a l sf u r n a c e f o r m e dh i g ht e m p e r a t u r ee n v i r o n m e n tf a s ta n de a s yr e a l i z e df l a m e l e s sc o m b u s t i o n f l a m e l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yt op u tt ou s ei ns m a l lf u e lb o i l e r sc a ns a v e e n e r g ya n dr e d u c ep o l l u t i o ne m i s s i o n w h i c hm a d eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o nt h a t f l a m e l e s sc o m b u s t i o nt e c h n o l o g yu s i n gi ns m a l lf u e lh e a t i n ge q u i p m e n ta p p l i c a t i o n s k e yw o r d s n o r m a lt e m p e r a t u r ea i rf l a m e l e s sc o m b u s t i o n n o r m a lt e m p e r a t u r e v e r t i c a lf u e lb o i l e r o p t i m i z a t i o nd e s i g n e x p e r i m e n t a ls t u d y s i c i i i 图表目录 图表目录 图1 1 高温空气无焰燃烧技术基本工作原理 3 图1 2 不同实现方式燃烧组织示意图 6 图1 3 天然气常温空气无焰燃烧实验照片 7 图2 1 立式燃油锅炉分类 1 2 图2 2 油滴的燃烧 1 4 图2 3 排烟温度 过量空气系数对热损失q 2 的影响 1 7 图3 1 原锅炉结构图 2 2 图3 2 反应器循环模型 2 3 图3 3 方案一示意图及实际效果图 2 4 图3 4 方案二示意图及实际效果图 2 4 图3 5 方案三示意图 2 4 图3 6 方案三模拟计算效果图 2 5 图3 7 锅炉改进前后示意图 2 6 图3 8 炉内烟气流动预期效果图 2 7 图3 9 炉内换热简化模型 2 9 图3 1 0 燃烧完全度占与6 v p 2 的关系 3 5 图3 1 l 炉胆尺寸设计计算模型 3 6 图4 1 数据采集仪 4 2 图4 2 烟气分析仪 4 2 图4 3 实验台架示意图 4 3 图4 4 一般耐火材料加工的内炉胆 4 3 图4 5 碳化硅材料加工的内炉胆 4 3 图4 6 碳化硅材料其它部件 4 4 图4 7 燃烧器工作范围 4 5 图4 8 炉内测点分布示意图 4 6 图4 9 炉内燃烧情况 p 情况在额定工况下 4 8 图4 1 0 炉内燃烧情况 t 情况在额定工况下 4 8 图4 1 l 过量空气系数仅与炉膛温度图 4 9 图4 1 2 炉胆内温度分布图 5 0 图4 1 3 过量空气系数仅与n o 排放量的关系 5 0 图4 1 4 不同材料对c 0 排放量的影响 5 2 v i 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果 除己特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果 与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明 作者签名 签字日期 型 每 呈 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一 学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权 即 学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 可以将学位论文编入 中国学 位论文全文数据库 等有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制 手段保存 汇编学位论文 本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 导师签名 签字日期 圣啦 么 乜 签字日期 第1 章绪论 1 1 研究背景 第1 章绪论 哥本哈根全球气候大会的召开 给世人一个强烈的信号 环保问题刻不容 缓 节能减排迫在眉睫 为了抑制大气环境的恶化 2 0 世纪末2 l 世纪初 全 国许多大中城市都纷纷提出了用燃油燃气锅炉替代燃煤锅炉的实施方案 这给 燃油燃气锅炉的发展提供了很好的发展机遇 近年来 随着我国改革开放的深 入和经济建设的发展 各级政府对城市和风景旅游区的环境保护越来越重视 特别在沿海开放城市以及经济特区 涌现出大量各种高级宾馆酒店 商业办公 楼和公寓等高层建筑 为了达到政府所提出的环保要求 将对环境的污染程度 降到最低 都需要使用高效 节能 清洁安全的锅炉 由于燃油锅炉具有安全 可靠 污染物排放低等优点 无疑是较受欢迎的锅炉之一 另外在一些野外作 业使用的锅炉 譬如野营沐浴车等 由于燃料运输储存容易 安全性好 通常 采用小型燃油锅炉作为加热设备 最早在锅炉上采用燃油燃料是在2 0 世纪3 0 年代 5 0 年代国外燃油锅炉已 取得很大发展 直到7 0 年代后期 燃油锅炉才在我国生产和使用 燃油锅炉具 有占地面积小 热效率及自动化程度高 污染排放低 重量轻和运输安装方便 等优点而获得广泛使用 在市场中占据较大份额 l l 然而 由于油资源的紧缺 油价不断上升 对环保的要求越来越高 怎样提高锅炉的热效率同时减少有害 气体排放显得十分重要 无焰燃烧技术是从高温空气燃烧发展起来的一种新型燃烧技术 它的显著 优点在于节能 低污染物排放 燃烧噪声低 目前无焰燃烧的实现主要是通过 预热空气 即在空气进入炉膛前需预热至较高温度 制约了无焰燃烧的发展 中国科学技术大学燃烧研究室在高温空气无焰燃烧的基础上发展了一种常温空 气条件下实现无焰燃烧的新技术 它无需预热空气 很大程度上简化了燃烧装 置 具有一定的应用价值 作者以某小型立式燃油热水锅炉设计为背景 从现有立式燃油热水锅炉的 结构特点出发 研究在燃油锅炉上实现常温空气无焰燃烧的可行性 设计了多 种具体实施方案 在此基础上进行了实验研究 进一步论证设计方案的可行性 并分析燃油锅炉中无焰燃烧的相关机理 第1 章绪论 1 2 已有研究基础 1 2 1 无焰燃烧的发展历程 无焰燃烧一词最早是用来描述气体燃料预混燃烧时的火焰特征 由于预混 燃烧的火焰透明并且火炬无明显轮廓 我们将其称为 无焰燃烧 在森林火灾 中 泥炭 腐殖质和腐朽木等可燃物 加热后因不能分解出足够数量的可燃性 气体 燃烧时没有火焰缓慢燃烧 燃烧学中将在一定条件下发生的无可见光的 缓慢燃烧现象称为阴燃 类似这种阴燃 或焖烧 过程以固体燃料的表面燃烧为 主 无可见光 通常产生烟和温度上升等现象 往往被燃烧学家叫做 无焰燃 烧 也称为暗火 2 1 近年来 一些研究人员先将燃料与空气在燃烧器中进行 有焰燃烧反应 然后燃烧产物再流过炉膛 因为在炉膛内没有燃烧反应过程 因此也将这种炉子称作 无焰燃烧炉 上述这些无焰燃烧只是看不见明显火 焰 实际应属于传统燃烧的范畴 高温空气无焰燃烧技术阻i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n 简称h 1 a c 由于一般需要将空气预热到8 0 0 以上 无可见的火焰前沿 通常被称为高温 空气无焰燃烧或无焰燃烧 这种 无焰燃烧 是以高温空气作为实现无焰燃烧 的技术措施 以反应区的局部低氧作为实现无焰燃烧的技术条件 如果根据火 焰特征称为无焰燃烧 则应该属于现代无焰燃烧的范畴 这一技术最早的应用可以追溯到8 0 年代初 h o tw o r k 公司和b r i t i s hg a s 公司开发了一种运用于小型玻璃熔炉上的陶瓷蓄热式燃烧器 r c b r e g e n e r a t i v e c e r a m i cb u r n e r r c b 的烟气余热利用接近极限 节能效益巨大 被应用于美 国和英国的钢铁熔铝行业 但是它存在n o x 排放大 以及系统可靠性差等问题 1 3 污染物排放高的弱点决定了它还不是真正意义上的高温空气无焰燃烧技术 真正意义上的高温空气无焰燃烧技术是在进入9 0 年代以后发展起来的 它 已经不单单只是传统的高温高效节能燃烧技术 重点考虑了环保的因素 日本 人买进欧洲专利 并且联合了美国 瑞典学者以及相关研究机构合作进行基础 研究 田中良一等人在2 0 世纪8 0 年代末提出高效并且低污染排放的高温低氧 空气燃烧技术 实现了在2 0 世纪9 0 年代后期的大范围推广 在钢铁 冶金 机械 化工 建材 陶瓷等工业部门得到广泛的重视并成功应用 成为最有发 展前景的燃烧技术之一 由于观念上的突破 还为其它领域如煤炭和垃圾等同 体物料气化 新型锅炉的开发和燃气一蒸汽联合循环开辟了一个新天地 钔 目前 国际火焰研究会 i f r f 等国际燃烧研究权威机构对h t a c 技术的机理研究仍作 为研发热点 2 第1 章绪论 如图1 1 它的原理是在一定条件下将空气预热到8 0 0 c 以上高温 再将燃 烧区空气中的含氧量降低至1 5 以下 燃料在低氧环境下燃烧时 不再出现局 部高温高氧区 炉膛平均温度提高 传热效率明显改善 n o x 生成受到抑制 排放量巨减 燃料消耗也大幅度减少 这无疑也降低了c 0 2 空气 图1 1 高温空气无焰燃烧技术基本工作原理 体 实现高温空气无焰燃烧主要涉及到两项基本技术手段 首先是燃烧产物显 热最大限度的回收 或称极限回收 其次要保证燃料在低氧气氛围下燃烧 5 l 因此这一技术又被称为高温低氧燃烧技术 前一种技术手段主要采用高效蓄热式余热回收装置 切换高温烟气和冷空 气 交替流经蓄热体并进行换热 从而把1 0 0 0 度以上的排烟温度降低到2 0 0 甚至更低的水平 最大限度地回收了高品质余热 同时冷空气可以被预热到 1 0 0 0 以上 甚至十分接近燃烧区的温度 拓展火焰燃烧区域 火焰边界扩大 到炉膛边界 获得了优良的均匀温度场分布 陶瓷材料学领域内科技进步起到 功不可没的贡献 它促进了热回收技术的发展 九十年代日本研究者利用蜂窝 蓄热体回收废气热 达到极限换热水平 6 后一种技术手段则通过组织低氧浓度条件下的燃烧 大大降低n o x 的生成 与排放 减少4 0 以上 其中低氧燃烧的实现方式主要包括以下四种 低过 量空气系数 使燃烧过程在尽可能接近理论空气量的条件下进行 通过减小燃 烧中过量氧来实现低氧燃烧 二次供风 基本原理是空气分级燃烧 即将燃 料燃烧所需的空气分阶段送人炉膛 由此改造出二次供风式低氧燃烧器 这是 目前使用比较普遍的低氧燃烧技术之一 高速射流 它依靠助燃空气及燃料 气高速射流的卷吸效应 引起炉内大量燃烧产物回流来稀释燃烧区的含氧体积 浓度 例如目前采用的高速烧嘴 烟气再循环 利用炉外排烟来稀释空气中 氧浓度也是获得低氧燃烧的一条有效途径 为了能更好的实现低氧燃烧技术 第l 章绪论 最好能开发出可以自身组织炉膛中烟气循环来冲淡空气中氧浓度的燃烧器 o j 与传统扩散式燃烧不同 高温低氧燃烧是将氧含量低于2 1 并且预混温度 高于8 0 0 的高温气体 伴随燃料一起进入炉内 燃烧在整个炉膛空间进行 区别于传统燃烧通常燃料在中间 阻燃空气在四周 燃烧具有发光火焰 高温 空气无焰燃烧非常充分稳定 炉内是透明的 无明显可见火焰 相对于传统常 规燃烧方式 高温空气无焰燃烧技术具有一些显著的优点 1 高效节能 高温空气无焰燃烧技术由于采用先进的蜂窝陶瓷作为蓄热 体 能够解决常规预热方式不能实现的极限预热回收 它能极大地回收高温烟 气物理显热 使排烟热损失减低到极低限度 该技术可将空气预热到高温烟气 温度的9 0 左右 空气被预热到高温增加了炉内的物理热 具有明显的节能效 果 同时由于炉内气流强制循环流动 炉气混合均匀对流换热增大 而且燃料 在高温低氧气氛中燃烧 火焰体积成倍增大 火焰充满炉膛 炉膛温度分布趋向 均匀 温差减少 由于炉膛平均温度提高 炉气辐射能力也大幅增强 由于极 限回收了高温烟气余热 助燃剂温度预热到燃料着火点温度以上 因而燃料分子 与氧气一接触便迅速燃烧 而且由于炉内烟气部分回流 燃烧火焰体积成倍增大 燃料与助燃剂在炉内充分混合 采用该技术在过量空气系数接近1 的情况下亦 能实现完全燃烧 采用低过量空气系数燃烧是比较经济的节能方法 在保证完 全燃烧的前提下 过量空气系数越小 节能效果越显著 2 低污染排放 c 0 2 等温室气体的排放量显著降低 在实际排放中 c 0 2 排放量不见得减少 但是由于h t a c 技术的高效节能 燃料消耗显著降低 而这也 就意味着可减少c 0 2 等温室气体的排放 减少多少消耗 c 0 2 排放量就降低多 少 比如高温低氧燃烧烧嘴能实现节能6 0 以上 即可减少c 0 2 排放量6 0 以上 n o x 生成量极大降低 采用h t a c 技术 n o x 生成量极少 其主要因为炉内平 均温度升高 但峰值温度降低 没有传统燃烧火焰的局部高温区 炉内部分高温 烟气回流掺混 减小了氮气 氧气的体积分数 3 燃烧噪音低 这是由于炉内气氛为高温低氧 燃料与氧气发生燃烧的区域 扩大 燃料首先进行裂解 重组等过程 形成与传统燃烧完全不同的热力学条件 燃料在低氧条件下 化学反应速度反而得以延缓 因而 燃烧产生的噪音较低 1 2 2 国内外无焰燃烧的研究现状 自2 0 世纪9 0 年代以来 以无焰燃烧为基础 具有高效燃烧及低n o x 排放 特征的高温空气无焰燃烧技术 h i g ht e m p e r a t u r ea i rc o m b u s t i o n 简称h t a c 一直是国际上燃烧领域研究的重点 由8 0 年代发展到至今 几个发达国家都具 有了各自的技术特点 申请了多项专利 在日本学者在超焓理论的基础上发展 4 第1 章绪论 了h i t a c 技术 意大利学者则提出 中度与强化的低氧稀释 燃烧技术 m i l d m o d e r a t ea n di n t e n s i v el o wo x i d a t i o nd i l u t i o n 德国发展所谓的 无焰 氧化 燃烧技术f l o x f l a m e l e s so x i d a t i o n 美国发展了 低氮氧化物喷射 燃 烧技术l n i l o wn o xi n j e c t i o n 这些概念分别从燃烧原理和采用的技术手段等 不同角度体现了高温空气无焰燃烧的特征 它们的差异主要在于燃烧装置结构 的不刚7 国外学者以及一些大型公司对这一燃烧技术做了众多基础理论及应用研 究 1 9 9 7 日本m n i s h i m u r a 等研制成功一种新型高温空气无焰燃烧蓄热式的低 n o x 燃烧器并在工业炉上得到应用 还研究了空气入射角 燃烧器倾角 燃料 和空气入射速度之比以及热量输入值等因素对n o x 排放的影响 8 j 美国a r k a n s a s 玻璃器皿公司 年采用高温低氧燃烧技术对一座玻璃窑炉进行改造 燃料 节约接近 大 19大8659 减少了工业有害气体的排放 美国m o r i o n 钢铁公司在加热 炉上采用高温低氧燃烧技术后 大大提高产量 g u p t aak 9 对h t a c 着火延迟 进行了研究 分析了空气预热温度 氧气浓度 以及燃料初始入射温度对着火 延迟的影响 国外学者对无焰燃烧的基础研究仍在不断深入 针对燃烧机理进 行了深入探索 近年来 我国学者开始致力于无焰燃烧技术的研究与应用 由于起步晚 发达国家在研究和开发这一技术方面掌握了大量的专利 这就在一定程度上制 约了我国对该技术的发展 l o 在消化吸收国外先进技术的基础上 国内各种研 究机构开展了基础理论及技术应用方面的研究 清华大学傅维标等人 l l 在自行 研制的高温低氧燃烧器基础上利用f l u e n t 商业软件对高温空气无焰燃烧进行 数值模拟 并做了相关实验研究 对燃烧器喷口形状和尺寸以及燃烧供给通道 等改造 北京科技大学苍大强等人 1 2 在蓄热式锻造炉上进行实验研究 应用烟 气外部再循环的低n o x 燃烧技术 并采用 燃料不换向 以及 炉气马蹄形循 环 等新技术 燃烧操作系统和操作得到简化 实验表明取得了超低n 0 x 排放 效果 由于城市生活垃圾热值低 着火困难 高温空气高温稳定燃烧等特性十 分适应垃圾的焚烧 华南理工大学楼波等人i l3 在高温空气无焰燃烧技术应用于 生活垃圾焚烧处理方面做了相关研究 设计了两种高温空气垃圾燃烧系统中关 键部位之一的高温空气发生器 即产生高温烟气又限制了n o x 的产生 上海交 通大学郑彦民等人 1 4 研究生物质和垃圾高温空气气化 对高温空气发生器低 n o x 燃烧火焰进行实验研究与分析 上海理工大学钟水库等人 1 5 1 对高温低氧燃 烧火焰进行实验测试 同时采用c f d 软件对火焰热辐射特性进行了数值计算 研究火焰形状及火焰热辐射特性变化规律 太原科技大学王云等人 1 6 通过对电 站锅炉煤燃烧过程分析 在对高温低氧燃烧条件下的煤粉火焰图像分析的基础 第1 章绪论 上 提出了对燃烧火焰稳定性进行识别的算法 东华大学的杨艳超等人i l 通过 数值模拟燃烧射流环绕空气射流的五喷口高温空气无焰燃烧的燃烧特性进行相 关研究 中科院广州能源所张建军等人i 1 针对切换式蓄热燃烧系统的优点及不 足 采用陶瓷金属蜂窝蓄热体以及蓄热燃烧专用高温切换阔技术 开发了一种 可连续燃烧的自蓄热式高温空气无焰燃烧器 实现了无焰燃烧 大大节约燃料 提高产量 并且取得较好的排放效果 华南理工大学的程小苏等人 则针对高 温燃烧技术在陶瓷窑炉上的应用做了相关研究分析 肯定了这一技术在陶瓷窑 炉上的节能减排潜力 但也注意到要将高温空气无焰燃烧技术应用到陶瓷窑炉 上还需要大量的工作 以上绝大部分的研究都集中在用尾气预热空气到1 0 0 0 的高温 甚至以上 来实现无焰燃烧的高温空气燃烧技术 但是否只有预热空气才能稳定低氧浓度 下的无焰燃烧呢 清华大学 5 海鹰教授 在综合论述了大量国外最新研究进展 后指出 常规燃烧的方式在一定条件下 完全可以转变为低n o 燃烧 关键是 射流效应 提高射流对烟气卷吸量 稀释可燃混合物 造成低氧条件 高速射 流使传统意义上的火焰脱体而远离喷口 学家j o a c h i mgw u n n i n g w sg m b h 希望是把空气加热到非常高的温度口 23 常温空气无焰燃烧的实现 高温条件又保证不发生熄火 德国科 r e n n i n g e n 提出 无焰燃烧的实现 不 高温空气无焰燃烧技术在工业上得到广泛推广应用 取得巨大商业成功 但其应用存在一定局限性 复杂的蓄热和换热装置 进气和换气周期性 换向 造成燃烧脉动 仅适用于原尾气排烟温度比较高的燃烧装置 燃饶揽拌反应器 景8 黧 燃料 b 与 n 常t 温a f 空c 气 图12 不同实现方式燃烧组织示意图 本课题组成功发展了一种不需要预热空气的新型常温空气无焰燃烧技术 第l 章绪论 根据流体力学 传热学和燃烧学基本原理 通过合理科学组合燃烧搅拌器 旋 流燃烧器 蓄热体在炉膛内的布置 如图12 设汁耐高温材料的燃烧搅拌反 应器 内部装蓄热体 改变换热方式 强化炉内换热过程 这样空气就无需在 炉外加热到l 0 0 0 以上 而是直接引入燃烧室内 实际上这是将空气在炉外的 加热过程转移到炉内口 课题组前辈在燃煤锅炉的炉膛内安装了自行设计的常 温空气无焰燃烧反应器 利用反应器高温辐射壁 增大炉膛热辐射量 将燃煤 锅炉改造成了燃气锅炉 实测发现锅炉效率提高了3 0 实现了无焰燃烧 燃烧 室温度分布均匀 排放效果良好口 邢献军等人己在2 t h 07 m p a 燃煤锅炉上 实现天然气常温空气戈焰燃烧 在启动过程或热负荷小于04 m w 时 炉膛温度 较低 这时燃烧方式为传统有焰燃烧 天然气流量g 太于5 0 n m 3 1 1 时 火焰前 沿开始缩短 随着流量增大到1 0 0n m 3 h 时 火焰消失 炉膛内透明 形成了 无焰燃烧 如图13 口 在此基础上对常温空气无焰燃烧中烟气排放规律的研 究 对不同工况燃烧反应过程的c o n 吼的生成进行了实验研究 常温空气无 焰燃烧反应在整个炉膛内同时进行 弥散燃烧 燃气混合均匀 反应稳定 且 无明显高温区 因此c o 与n o 排放生产量都较低 且过量空气系数与容积热 负荷对烟气中n o x 生成量影响不大 2 4 2 5 1 王宝源等人采用耦台骨架化学反应机 理的涡耗散概念 对某常温进气无焰燃烧锅炉的n o 生产过程进行了三维数值 模拟 并通过试验验证模拟结果的合理性 2 6 在燃气锅炉上成功实现无焰燃烧 积累的经验 为探索燃油锅炉无焰燃烧的实现打下坚实基础 i o 鼬h h 彻 t 亭 州m h 培 g t r i o n m d j 墙 o 1 3 0 f ho i 焙o i h 躅1 3 天然气常温空气无焰燃烧实验照片 3 研究内容及研究方法 第1 章绪论 1 3 1 研究内容 炉膛的优化设计 针对燃油锅炉的结构特点 研究其实现无焰燃烧的条件 对锅炉进行结构 改进 设计炉内反应器 并考虑加工工艺 通过方案对比 优化设计 常温空气无焰燃烧的研究 利用燃烧学 传热学基本原理 考虑柴油在炉内燃烧情况 重点考察n o x 等污染物的生成和排放 探索在燃油锅炉上实现常温空气无焰燃烧的实现途径 从炉内火焰的外部特征和污染物特别是n o x 的生成和排放等来考察炉膛内燃烧 反应是否实现无焰燃烧 1 3 2 研究方法 研究总结国内外实现无焰燃烧的技术方案 重点研究本实验室在燃气锅炉上 实现常温空气无焰燃烧的方法 总结经验 找出异同点 在此基础探索燃油 锅炉上无焰燃烧相关机理 并设计实现方案 在初步设计计算的基础上 设计实验燃烧反应器 进行大量实验 并通过 f l u e n t 等模拟程序 进一步优化设计 节省实验费用 在多种设计方案中寻 找最佳的优化方案 8 第1 章绪论 参考文献 1 张淑荣 伊洪超 2 0 0 6 小型燃油锅炉的柴油燃烧适应性分析 j 化工进展 2 5 z 1 4 3 3 4 3 5 2 王平 徐晓楠 郑兰芳等 2 0 0 9 阴燃一潜在的火灾危险 j 新安全 0 9 5 8 6 2 3 朱彤 饶文涛 刘敏飞等 2 0 0 1 低n o x 高温空气无焰燃烧技术 j 热能动力工程 1 6 9 3 3 2 8 3 2 1 4 中国科协工程学会联合会 清华大学国家煤燃烧工程中心 2 0 0 0 关于我国应大力推广高温 空气无焰燃烧技术的建议 j 科技导报 8 4 6 4 7 5 张宏丽 2 0 0 6 对高温空气无焰燃烧技术问题的探讨 j 科技资讯 7 3 9 4 0 6 夏德宏 薛根山 敖雯青等 2 0 0 9 低氧燃烧技术研究 j 冶金能源 2 8 i 3 5 3 8 7 祁海鹰 李字红 由长福等 2 0 0 3 高温空气无焰燃烧技术的国际发展动态 j 工业加热 1 i 7 8 n i s h i m u r am s u z u k it n a k a n i s h ir e la 1 19 9 7 l o wn o xc o m b u s t i o nu n d e rh i g hp r e h e a t e da i r t e m p e r a t u r ec o n d i t i o ni na ni n d u s t r i a lf u r n a c e j e n e r g yc o n v e r s i o na n dm a n a g e m e n t 38 1 0 1 3 1 3 5 3 1 3 6 3 9 e f f e c t so fa i rp r e h e a tt e m p e r a t u r ea n do x y g e nc o n c e n t r a t i o no nf l a m es t r u c t u r ea n de m i s s i o n j j o u r n a lo f e n e r g yr e s o u r c e st e c h n o l o g y 1 9 9 9 1 2 1 3 2 0 9 2 1 6 1 0 祁海鹰 李宇红 由长富等 2 0 0 2 高温低氧燃烧条件下氮氧化物的生成特性 j 燃烧科学 与技术 8 1 1 7 2 2 1 1 傅维标 周雁 杜以恒等 2 0 0 1 高温低氧燃烧炉的实验与数值计算 j 工业炉 2 3 3 4 5 4 9 1 2 苍大强 关运泽 毛一心等 2 0 0 3 高温空气无焰燃烧技术的超低n o x 研究 j 燃烧科学 与技术 9 2 1 9 0 1 9 3 1 3 楼波 马晓茜 2 0 0 4 高温空气无焰燃烧技术用于生活垃圾焚烧处理的分析 j 工业炉 2 6 4 2 1 2 4 1 4 郑彦民 曹小玲 柳楷玲 2 0 0 5 高温空气发生器低n o 排放的实验研究 j 华电电力 3 3 5 4 3 4 6 1 5 钟水库 马宪国 赵无非等 2 0 0 4 高温低氧燃烧火焰辐射特性的实验研究 j 动力工程 2 4 3 3 9 7 3 9 9 1 6 王云 董增寿 卓东风 2 0 0 8 基于i a e p s o i a i n 的高温低氧燃烧火焰稳定性识别 j 太 原科技大学学报 2 9 4 2 6 7 2 7 0 1 7 杨艳超 苏亚欣 万鑫 2 0 0 8 新型低n o 排放高温空气无焰燃烧的数值模拟 j 能源研究 9 第l 章绪论 与信息 2 4 3 1 5 6 1 6 1 1 8 张建军 邹得球 肖睿等 2 0 0 9 自蓄热式高温空气无焰燃烧技术的开发 j 工业炉 3 1 4 l 一4 1 9 程小苏 柯善军 曾令可 2 0 0 9 高温空气无焰燃烧技术在陶瓷炉窑的应用分析 j 工业炉 2 0 j g w u n n i n g 19 9 7 f l a m e l e s so x i d a t i o nt or e d u c et h e r m a ln o f o m r a t i o n p o r g e n e r g y c o m b u s r s e i 2 3 8 卜9 4 2 1 唐志国 程建萍 马培勇等 2 0 0 7 新型常温空气无焰燃烧实现技术即特性分析 j 工业加 热 3 6 1 4 8 5 1 2 2 邢献军 王宝源 林其钊 2 0 0 7 常温空气无焰燃烧在燃煤锅炉煤改气中的应用 j 热能 动力工程 2 2 3 2 8 4 2 8 7 2 3 邢献军 2 0 0 6 常温空气无焰燃烧研究及其在燃煤锅炉煤改气中的应用 d 博士 合肥 中 国科学技术大学 2 4 邢献军 林其车 2 0 0 6 高温空气无焰燃烧中c o 生成的研究 j 热能动力工程 2 1 6 6 1 2 6 1 7 2 5 邢献军 林其钊 2 0 0 6 高温空气无烟燃烧中n o 生成的研究 j 环境科学学报 2 6 1 0 1 6 7 1 1 6 7 6 2 6 王宝源 俞瑜 林其钊等 2 0 0 9 无焰燃烧n o 生成的数值分析和实验研究 j 热能动力工 程 2 4 6 7 8 7 7 9 1 1 0 第2 章立式燃油锅炉现状及分析评价 2 1 概述 第2 章立式燃油锅炉现状及分析评价 燃油锅炉在本世纪中期才出现 到2 0 世纪7 0 年代末己取得很大发展1 1 从外型来说 燃油锅炉有卧式和立式之分 卧式的容量一般较大 蒸发量大于 l t h 蒸发量小于l t h 的燃油锅炉一般是选用立式结构的 小型立式燃油锅炉 因为较燃煤锅炉更符合环保要求 占地面积小 热效率及自动化程度高 重量 轻和运输安装方便等优点而获得广泛使用 在市场中占据较大份额 2 然而由 于油资源的紧缺及不可再生性 油价不断上升 怎样提高锅炉的热效率同时减 少有害气体排放显得十分重要 2 2 立式燃油锅炉 2 2 1 立式燃油锅炉分类 立式燃油锅炉的样式较多 大致根据其本体结构 目前最常用的主要有立 式水管燃油锅炉 立式火管燃油锅炉 立式盘管燃油锅炉 立式锅壳式无管燃 油锅炉等1 3 4 j 立式水管燃油锅炉体积小 结构简单 制造成本低 本体水容量小因而启 动迅速 但是其主要缺点是内圈水管极易结垢而发生变形甚至发生爆管 一般 只能报废 水管式结构多为贯流式结构 如图2 1 a 3 1 当然也有一些为非贯流 式如图2 1 b 为m 型立式水管燃油锅炉 5 1 如图2 1 c 5 立式火管锅炉结构则多为下置炉膛 烟气通过直立多束烟管进 入小烟室 最后由烟道排出 这种锅炉烟气流程简单且在炉内 无窜烟现象 保温易处理 同时可有效防止积灰 但是这种锅炉炉胆顶部存在较大的安全问 题 维修困难 装配麻烦 如图2 1 d 4 立式盘管燃油锅炉其本体为密排的盘管组成 盘管内圈为炉 膛 是辐射受热面 运行时烟气往下 在炉膛下部方向朝上冲刷盘管外圈 水 从本体下部进入盘管 蒸汽从上部排出 缺点是循环倍率低 水冷壁热负荷高 对水质要求高 水冷壁易爆管 锅炉检修困难 如图2 1 e 5 立式锅壳式无管锅炉为炉膛与锅壳组合 炉膛下置 燃烧器喷 第2 章立式燃油锅炉现状及分析评价 出的火焰在炉膛内燃烧 然后烟气通过上置或旁置换热区后排入烟囱 这种锅 炉以其结构简单 对水质要求低为主要特点 缺点是无管锅炉外围的保温层是 用耐火材料围成 与高温烟气接触 对耐火材料材质和施工工艺要求较高 容 易造成窜烟以至烧穿外包 另外还有一些新型立式锅炉 譬如一种立式锅炉即 是通过立式无管锅炉与立式水管锅炉的对流管束改造组合而产生的 一方面它 有立式无管锅炉对水质要求低的特点 另一方面 解决了立式无管锅炉向大容 量发展的问题 同时 它具有立式水管与立式无管锅炉的传热特性 6 a a 水管式 贯流式 c 火管式 b 水管式 m 型 d 盘管式e 无管式 图2 1 立式燃油锅炉分类 本文待改进的燃油锅炉属于立式锅壳式锅炉 烟道外盘管 水从盘管进入由 低温烟气加热后继续进入锅壳内吸收高温烟气热量 另外 本锅炉属于常压热 水锅炉 锅炉容量较小 燃烧器功率小 克服的烟气阻力较小 由于燃烧器下 侧置 火焰形状受到炉胆的极大限制 得不到完全展开式火焰 但是这种锅炉 对水质的要求降低 结构简单便于维修 而且这种燃烧器下侧置方式比较适合 家用习惯 便于操作 因此得到较大发展 此种锅炉的效率需待进一步提高 2 2 2 立式燃油锅炉技术特点 1 2 第2 章立式燃油锅炉现状及分析评价 7 0 年代以后 燃油锅炉步入了独立开发的发展时期 现代燃油锅炉是专门 按照燃油锅炉燃烧特点进行设计的 按照燃油火焰形状特点设计加工炉膛 燃 油锅炉一般亦可作为燃气锅炉 即可作燃油又可燃气的锅炉称为燃油燃气锅炉 本文主要研究小型立式燃油锅炉 立式燃油锅炉跟一般的燃油锅炉具有某些相 同的技术特点 同时也有其独有的特征 2 2 2 1 我国燃油锅炉发展进程 1 从燃煤锅炉基础上发展而来 我国是产煤耗煤大国 最早燃油锅炉只 能说是对燃煤锅炉略作改造 去除不需要的部件设备 基本上保持了燃煤锅炉 的布置和结构特征 2 国外引进燃油锅炉 多用于研究机构以及专用