动力声波实验.pdf.doc

第卷 第期 年月动 力 工 程 学 报 文章编号：（） 中图分类号： 文献标志码： 学科分类号：声场强化煤粉燃烧的试验研究王瀛洲， 韩 璞（华北电力大学 自动化系，保定 ）摘 要：在 炉燃 装置中安装超声波发射器，使 粒较大且不易燃烧的煤粉 粒产生共振，通过 得到煤粉产生共振的最佳 率，并在有、无超声波作用的种环境中分 进行燃烧试验，分析 燃烧灰渣 量来 得煤粉燃尽率 果表明：加入超声波后可提高煤粉周 氧的扩散速度，扩大煤 粉与氧的接触面积，保 燃料充分燃烧，燃尽率可以提高 ，同 降低了煤粉黏结的概率， 有效减轻了 炉 焦，提高了 炉的整体性能关键词：超声波；煤粉共振；燃尽率；燃烧优化 ， （ ， ， ，）： ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： ； ； ； 电站锅炉燃烧优化一直是电力行业研究人员努 力的方向，设计一套高效的燃烧系统将对电厂发展 起关键作用国内以上的发电机组是火力发电 机组，如果有一套先进的燃烧优化系统可以使锅炉 燃烧效率提高，那么每年节约的原煤量将是一个巨 大的数字超声波煤粉共振燃烧优化系统基于燃烧理论基 础，在燃烧装置中加入超声波后使得煤粉在燃烧时 产生共振，提高了扩散速度和化学反应速度，从而使收稿日期：修订日期：煤粉燃尽率大大提高，同时可降低氮氧化物、碳氧化 物的排放该技术为实现新形势下节能减排和经济 高效的目标提供了一种全新的途径 优化系统试验装置及参数采用的试验装置（见图）是由一维管式炉改造 的，主要设备包括管式炉、热电偶、单片机、电机驱 动、超声波发射器、温控仪、气泵、陶瓷舟及重量监测 仪管式炉内温度可以视为恒温，其温控范围为作者简介：王瀛洲（），男，山西汾阳人，硕士研究生，研究方向为：网络控制和燃烧优化韩 璞（通信作者），男，教授，博士生导师，电话（）：；：式中： 为煤粉的固有频率，； 为单个煤粉颗粒的质量，；为煤粉的刚度，； 为煤粉颗粒弹性模量，；为煤粉颗粒的半径，；为煤粉密度，煤粉理论振动强度与其固有频率之间的关系见 图在满足煤粉理论振动强度要求下，计算所得的超声波的作用下颗粒的动能增大，颗粒之间、颗粒与 受热面之间的吸引力减小，从而减轻结焦为验证试验装置中超声波的主要作用是增强了 悬浮煤粉颗粒共振效应或延长煤粉的空中停留时 间，使之充分燃烧，将等量的煤粉在未燃烧状态下分 别置于有、无声场作用中，对从给粉装置到取样装置 的悬浮下落时间进行比较从观察结果来看，有、无声场作用对煤粉悬浮下落时间的影响不大，几乎可 以忽略超声波对其燃烧时间的影响 动 力 工 程 学 报第卷 炉体为立式电加热炉，主炉为高位石英玻 璃管，内径为，总长为 ，有效长度为，给粉采用沸腾式装置，给粉质量流量为，硅碳管作为加热元件与可调变压器和可 控硅温控装置一起控制加热速率和温度，利用热电 偶测量温度在主炉顶端可通过反光镜观察炉内的 火焰，以便观察炉内着火情况主要试验参数如下：炉温为，一次风体积 流量为，一次风温度为，炉膛截面内 径，给粉量为次采用开滦烟煤作为 煤样，其元素分析与工业分析见表在主要试验 条件不变的情况下，通过多次试验对比加入超声波 装置前后试样燃尽率的大小，以了解超声波装置对 煤粉燃烧的改进效果图 煤粉共振燃烧优化系统试验装置 表 煤粉的元素分析与工业分析 煤种元素分析工业分析（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ）（ ） 开滦烟煤 优化系统设计理论依据如果以碳的消耗速度 表示燃烧速度，则有（） 式中： 为碳和氧消耗的摩尔浓度比； 为折算速度系数（或称表观反应速度常数）；为周围环境中氧的体积分数（），从式 可以看出 增大燃料与周围介质气流的相对运动速度，可以提高氧的扩散速度，强化氧向燃料粒子表面的扩散过程，并且在固体排渣煤粉炉中， 优化系统最佳频率的选取煤粉以悬浮状态燃烧，尤其是在高温的扩散燃烧区，化学反应速度远远大于扩散速度，提高燃烧速度的 煤样的理论最佳频率主要措施就是提高扩散速度在超声波的作用下开滦烟煤煤粉的固有周期为会引起煤粉共振，使得煤粉与热空气的相对运动速度增大，提高了扩散速度，从而提高了化学反应速 槡，度 强化了煤粉的燃烧过程当大部分焦炭燃烧之后，内部灰分将会对燃尽，过程产生影响外层的内在灰分裹在内层焦炭上 形成一层灰壳，甚至形成渣壳，灰壳或渣壳会阻碍氧向，焦炭表面的扩散 延长燃尽时间然而 超声波引起 的煤粉共振可以及时震落煤粉表面的灰壳或渣壳， 加快氧向焦炭表面的扩散，从而可以提高煤粉燃尽 率同时煤粉共振可减小煤粉黏结的概率，扩大煤粉 与氧的接触面积，使得煤粉与氧接触更充分同样在（）（）（） 第期王瀛洲，等：声 强化煤粉燃烧的试验研究图 煤粉理论振动强度与固有频率之间的关系图 煤粉振动强度与超声波发射频率之间的关系 固有频率最小理论值 ，最大理论值 ，理论取值为动给煤机，并调至适当给煤速度，待燃烧完毕，收集 ， 超声波发射器的最佳频率灰渣并清理锅炉待锅炉冷却后 加装超声波发射器及控制装置，然后启动装置并调到最佳频率，重复上、利用超声波发射器 密立根油滴仪 电视述试验过程和显微镜等仪器观察超声波作用下煤粉振动情况，记录煤粉振动最剧烈时超声波的发射频率，从而得由于在固体排渣煤粉炉中，煤粉以悬浮状态燃，到相对接近煤粉固有频率的最佳频率，测出煤粉固烧 燃烧后的灰分随烟气一起流动由于炉膛四周不存在黏性液渣层对灰分的捕捉，约有的有频率在 煤灰随着烟气被带出炉膛，只有少量的大灰尘粒在由于煤粉的固有频率与颗粒的大小、质量、形重力作用下落至冷灰斗，这部分灰渣占总灰渣量的状、煤质以及所处的环境等很多因素有关，然而这些，为保证试验结果分析的准确性，试验中因素是不固定的，而且模拟装置也存在误差，测量煤 粉的固有频率时每次只能取某一颗粒作为观察对将高温烟气充分冷却后在除尘器中收集 为了证明优化系统的优越性与试验结果的正确，象 也会产生误差 所以理论值和实测值会有差异，、 、限于现有的技术还无法准确快速地确定最佳频率，性 进行多次试验样品分别标号和，、并且煤种不同，煤粉的最佳频率值也不同，只能通过 其中样品和 分别表示在未加超声波的初；、模拟试验对超声波的发射频率进行适当调整始装置中燃烧的样品煤 样品和分别表示在，通过密立根油滴仪测煤粉最佳频率试验，得到开启超声波装置中燃烧的样品煤经过多次试验 其结果见表煤粉共振最佳频率在 ，经过多次表 煤粉燃烧试验结果燃烧试验，最佳频率为 左右（见图）环 ，境不同 不同煤质的最佳频率会有明显的不同样品陶瓷舟陶瓷舟干 陶瓷舟标号陶瓷舟质量样品质量灰渣质量 优化系统运行及结果分析样品质量试验锅炉燃煤质量流量为超 声波发射器及控制装置功率为，发射频率 为，发射频率可调给风机的给风量、给 煤机的给煤量及燃烧器火焰大小均可调 优化系统运行及结果在试验装置运行前，需对炉体进行安全试验，通 过模拟锅炉内部环境来研究超声波对炉体钢质的影 响，从而保证系统的安全性和消除安全隐患然后再 启动单片机、调节风机、点火、加入漏斗煤粉使用热 电偶测量主炉膛内部温度，当温度显示时启 优化系统运行结果分析对样品、在未加超声波的初始燃烧装置中 的燃烧结果进行分析，以灰渣质量表示的燃尽率 见表，其中样品的参数表示个样品对应参数 动 力 工 程 学 报第卷 的平均值（下同）样品、在加装超声波的优化燃烧装置中 的燃烧试验结果见表，其中以灰渣质量表示燃尽 率，表示样品在优化装置中的燃尽率相对于在原 始燃烧装置中的提高率由表可以看出，以灰渣质 量表示的燃尽率在超声波煤粉共振燃烧系统中的燃 尽率平均提高了 ，试验数据科学可靠当使用贫煤及无烟煤等燃料时，此试验装置均可显著 提高燃烧效率表 煤粉在初始燃烧装置中的燃烧试验结果 样品样品干样品样品水分灰渣燃尽率标号质量质量质量质量 表 煤粉在超声波共振环境下的燃烧试验结果 样品样品干样品 样品水分 灰渣燃尽标号质量 质量 质量 质量 率 结 论（）超声波煤粉共振燃烧优化系统可以显著提 高锅炉燃烧效率，延长燃烧时间，保证燃料充分燃 烧，降低燃煤量（）该优化系统可降低煤粉黏结的概率，扩大 煤粉与氧的接触面积，使煤粉与氧接触更充分，燃料 燃烧更充分，锅炉的整体性能有所提高参考文献： 王莺歌大型电站锅炉飞灰