浅谈工业燃烧技术

浅谈工业燃烧技术

0对燃料的要求也不断提高工业燃料是一种将燃料和助燃空气混合燃料的锅炉。测量的性能指标是排放、效率、安全性和使用寿命等。北京、上海等城市早已经明确工业锅炉不允许燃煤,而且对燃烧器的排放要求也逐年提高。目前中国每年工业燃烧器有上百亿市场,但几乎被欧美等燃烧器厂家所垄断。随着耗资200亿美元的西气东输工程的深入,俄罗斯、哈萨克斯坦、澳洲等燃油、气的输入,东海和南海油田气的开发,青海350亿吨油当量的可燃冰的发现,国内超过40万亿立方米可开采近百年的天然气储量的确定,国家节能减排政策的实施,我国燃烧器产业必将迎来新一轮的大发展。1燃料种类和应用1.1根据燃料分类工业用燃烧器根据燃料不同,可以分为燃气燃烧器、燃油燃烧器和燃煤燃烧器等三大类。本文主要指燃气和燃油燃烧器。1.1.1降低过大的中国燃燃剂用量,保持燃烧燃气燃烧器燃用的气体燃料是由若干可燃气体、不可燃气体以及水蒸气等组成的混合气体。如:天然气、高炉煤气、发生炉煤气、炼焦炉煤气以及一些特殊的CO、H2等可燃气体。国内外对气体燃烧器已经有较好的研究,特别是天然气、LPG燃烧器,技术已经相对比较成熟。但是,国内燃烧器还存在着一些不足:由于在大功率燃烧器(20MW以上)上研发不足、研发投入少,使得燃烧不充分,过量空气系数过大,NOx和CO等排放大,能耗高,安全性能有所欠缺。故而该市场仍然被欧美等燃烧器厂家垄断,其大功率燃气燃烧器NOx排放已经可以做到10.25mg/m3(标态)(5ppm)以下。过量空气系数α是锅炉运行中非常重要的指标之一。随着α的增大,烟气量增加,排烟热损失同步增加,同时也使得风机电耗增加。但如果α太小,则不能保证完全燃烧,产生过多的CO,气体不完全燃烧损失增大且易引起锅炉喘震。因此,要求在保证完全燃烧的前提下,应尽量降低过量空气系数。目前,先进的燃烧器厂家已经能将气体燃烧器的过量空气系数降低到1.02左右,且保持燃烧稳定。此外,调节比也是用户比较关注的。目前,燃气燃烧器最大可以做到20:1的高调节比。这就为新锅炉的烘炉煮炉提供了方便。1.1.2雾化油粒的大小是燃烧质量较低的一个重要认锅炉用燃料油主要是原油炼制过程中的产品:轻油、重油以及渣油等。燃油锅炉中,燃油经雾化喷入炉膛和空气混合,并被点燃后着火燃烧。试验证明,油滴燃烧完所需要的时间和它的直径平方成正比,即τ=d02/K(1)式中d0——油滴直径K——燃烧速度常数燃烧速度常数主要取决于燃料性质。重油和轻油的燃烧有很大区别,但均符合式(1)的规律,所不同的是,对于重油,油滴被包围在火焰内部而得不到氧气,重油会热分解产生油焦,油焦还将继续燃烧。由于有焦粒产生,使重油的燃烧时间延长,为了使它能完全燃烧,应当保证火焰尾部有足够的温度,并且供给足够的氧气。可见,雾化油粒的大小是燃烧质量高低的关键因素之一。目前对燃油锅炉允许的最大油滴直径还没有一个一致的看法,一般倾向于尽可能地改善雾化质量。为了实现低过量空气系数燃烧,必须使油雾和空气混合得很均匀,此时希望能将平均油滴直径减小到100μm以下。而欧美等先进燃烧器雾化重油的平均油滴可达到50μm左右。燃油燃烧器采用的雾化器主要有以下几类:(1)机械式雾化器:也叫离心式雾化器或者压力式雾化器。油雾从雾化器的喷出速度可达到100m/s,主要应用于轻油;现在也有将重油加热后使用机械雾化油枪的燃烧器,但是功率不大。一般而言,该类雾化器出力不大,否则的话就要求采用很高的油压,对油系统的制造和维护带来很大困难。虽然该类雾化器技术已经非常成熟,用户只要根据需要选型就可以,但是,目前还很难通过理论方法较准确计算雾化器的雾化质量。(2)转杯式雾化器:油经过高速旋转(3000~6000r/min)的旋转杯的内壁,在离心力作用下,油从旋转杯四周甩出而雾化。由于它是一个高速旋转的部件,制造和运行都较复杂,目前已较少使用。(3)介质辅助雾化器:有空气式雾化器和蒸汽式雾化器两种。空气式雾化器一般要求油品的粘度相对较小;而蒸汽式雾化器可使得粘度较大的油品较好地雾化,特别是蒸汽机械式雾化器,气耗率最低可达到0.03kg/kg左右,它要求的油压相对也较低,调节比最大可达到15:1,目前广泛应用于各类锅炉上,单枪最大流量已经达到12t/h,这对燃烧器配风提出了极高的要求。一般而言,采用雾化角适当大一些的雾化器对燃烧有利,对于平流式调风器也是如此,而油雾化器的雾化角应大于气流的扩散角。油雾穿透风层的能力除了和雾化角有关外,还和油滴的粗细、油雾的喷射速度、风层的厚度以及风速、动量等因素有关。1.2炉内育风布置按配风形式燃烧器可分为直流燃烧器、平流燃烧器和漩流燃烧器。直流燃烧器一般功率不大,大约在14MW以下,且在π型锅炉的四角布置中有着广泛应用。漩流燃烧器能够依靠自身的回流区保持稳定着火,着火性能较好,但是漩流要消耗能量,因此应当使调风器有一个适当的漩流强度,漩流过分强烈反而不利。而平流式燃烧器则综合利用了这两种气流的特点,中心一小部分气流是旋转的,可以产生回流区,在外层大部分气流是直流的,衰减较慢,有利于后期混合。大出力油枪一般应用在平流燃烧器和漩流燃烧器。1.3全预混式燃料按燃料和空气的混合可分为非预混式、预混式和部分预混式燃烧器。非预混式燃烧器又叫扩散式燃烧器,燃料喷头喷出单一的燃气,燃烧过程中的火焰不会回窜入喷口内,所以燃烧器和燃气供应系统中不会发生回火和爆炸,目前市场上以该类燃烧器为主流。但是,在燃烧碳氢含量较高的气体燃料时,常因还未来得及和氧相互混合就受热分解,形成难以燃尽的细微炭粒,使烟囱冒黑烟,并排放未燃烧完全的气体,使环境受到污染。一般为了在较短的距离内使燃气与空气尽快均匀混合,采取多股高压的形式,气流扰动程度很大,虽然燃烧器的主气流没有旋转,但空气仍能很好的与燃气混合。部分预混式燃烧器与扩散式燃烧器相比,火焰短,火力强,燃烧温度高。全预混式燃烧器过量空气系数小(α=1.01~1.1),燃烧效率高,火焰短。但是它发生回火的可能性较大,负荷调节范围小,一般只限于小功率。2当前和未来的研究方向2.1流固耦合平台测试传统的燃烧器设计上均采用理论计算和试验相结合的方法。上世纪五六十年代起,我国各大锅炉厂就依托前苏联资料进行了燃烧器设计的理论研究和推广。纯理论计算的误差一般较大,但是对于较大功率燃烧器而言,如50MW以上的燃烧器,用试验的方式需耗费大量的人力物力和财力,而且整个设计周期比较长。上世纪九十年代初,一些国外厂家便采用数值模拟(CFD)来优化设计,如美国是走在比较前面的国家,燃烧器厂家最早与美国航天局合作,利用仿真技术为燃烧器设计提供支持,从而大大减少了设计周期,提高了市场竞争力。特别是一些燃烧器厂家更是与CFD软件公司合作开发了适合自己的仿真软件,并通过试验及市场应用验证,其仿真总体误差能控制在5%以内。商用软件上,各大软件如Fluent、CFX等都能对燃烧进行模拟。而今ANSYS公司更是推出了三大软件流固耦合平台。商用软件一般都留有一些辅助接口可供选择使用,如用户需要可以自定义编程(UDF)来限定流动和燃烧机理与工况,或者联合其它软件如Chemkin等来细化燃烧化学反应。(1)对燃气燃烧器而言,目前的仿真技术已经相当成熟,其得益于燃烧和流动理论的成熟,如湍流燃烧理论、湍流扩散火焰的κ-ε-g模型、Spalding的ESCIMO湍流燃烧理论、机率密度函数的输运方程模型等。(2)在新型油枪设计方面,目前也开始采用CFD仿真技术。油在油枪内的流动方向、形态不断变化,从而造成流动可能跨越几个流区,即连续区、滑移区、过渡区以及自由分子流区。通常模拟流体流动时根据努森数Kn大小决定是否采用连续假设或分子假设。努森数Kn按式(2)计算,即:Kn=λ/L。(2)式中λ——流体分子平均自由程L——系统特征长判断方法如下:若Kn接近于零,则采用Euler法;Kn<0.001,采用无滑移边条N-S方程;0.001<Kn<0.1采用有滑移边条N-S方程;0.1<Kn<10是过渡区;10<Kn采用分子假设,直接用波尔兹曼方程描述。对于以上前三者,可通过传统连续介质方程加滑移修正得到精确模拟。对于后两者,传统模拟方法已无效。这里,推荐采用直接模拟蒙特卡罗法DSMC的基于分子运动理论和统计规律的流体计算方法。它通过分子运动和碰撞在一定条件下解耦处理,从而实现对流体行为有效模拟。在模拟过程中,每个粒子代表大量真实气体、颗粒,在分子混沌和气体稀薄假设条件下,只考虑粒子间二元碰撞。(3)对于燃油燃烧仿真技术的研究已有一定的发展。目前的仿真技术还不能将油枪、燃烧器及锅炉炉膛三者有机的联合起来模拟,只能先规定油枪的雾化效果,比如常用的离散相模型(DPM),规定雾化颗粒大小及碰撞模式、喷射方向、喷射流量等,然后联合锅炉,并运用输运模型和机率密度函数(PDF)进行燃烧模拟。但是据笔者经验,该类模拟对计算机辅助工程师(CAE)提出了比较高的要求,比如网格处理技术、喷雾条件设置等。国内研究只处在定性参考阶段。对于工程技术人员而言,只有深刻理解了问题的物理意义,以及问题的实际情况,同时很好的掌握上述数值模拟方法的要领以及适用范围与条件,才能恰当地选择这些软件为己所用,同时,也能尽可能求得较精确解。此外,在实验研究方面,近年来激光诱导荧光法(LIF)在燃烧诊断领域的应用越来越广泛,Schulz等人详细总结了该方法在定量测量燃油浓度、温度及空燃比方面的应用。2.2燃气燃烧技术能源紧张与环保问题已经为各国所重视。我国在这方面也加大了政府投入与立法。以北京为例,燃气锅炉的NOx排放限值已经从205mg/m3(标态)(100ppm)降低到目前的123mg/m3(标态)(60ppm),从而使一些高排放锅炉燃烧器淡出北京市场。在今后相当长的时间内,节能减排、新特燃料燃烧器的开发仍然是发展和研究方向。试比较北京某35t/h锅炉用2台燃气燃烧器,理论空气量为30000m3/h(标态),甲燃烧器过量空气系数为1.077(烟气含氧量为1.5%),乙燃烧器过量空气系数为1.17(烟气含氧量为3%),是目前市场上普遍采用的燃气燃烧器。若以每年投运7000h计,则理论上每年甲燃烧器可节省用电约43200度。故空气量过大,耗电,且带走的锅炉热量也多,降低了锅炉热效率。目前,国外已经有多种新型低NOx燃烧器,其NOx抑制原理不外乎采用促进混合、分割火焰、烟气再循环、分级燃烧、浓淡燃烧、蒸汽湿法、蓄热式高温空气燃烧技术(HTAC)等。此外,对于燃气燃烧器而言,空气引射燃气全预混式催化无焰技术是重点研究方向。该燃烧技术实现了极低量的NOx、CO和未燃燃料的排放。目前该技术正小范围用于小功率燃烧器上,对于大功率燃烧器上的应用还有待研究与深入。至于燃油燃烧器,下列方面需要研究:①大功率油枪的配风以及防止火焰烟雾的产生等问题有待进一步优化;②在保证雾化质量的前提下,继续降低蒸汽辅助式油枪的汽耗也是关键问题;③喷嘴油孔等部位易发生磨损,从而影响油枪的出力和使用寿命,合适的耐磨、膨胀系数小的喷嘴材料或者材料表面处理方