PDF《高温氧气发生器的煤粉点火特性研究》

第37 卷第

4 期哈尔滨工程大学学报Vol.

37 №.4

2016 年4月Journal of Harbin Engineering University Apr.2016 高温氧气发生器的煤粉点火特性研究 闫高程,齐心,任婷,刘石 (华北电力大学 能源动力与机械工程学院, 北京 102206) 摘要:针对劣质煤电站锅炉在冷态启动过程中燃油消耗量大的问题,提出了一种高温氧气直接点火技术,可用少 量燃油将氧气加热至

1 480 ℃ 的高温状态,然后用高温氧气直接点燃煤粉气流. 本文采用热态点火实验的研究方 法证明了该方法的有效性. 研究了高温氧气发生器的性能特点,总结出优化运行参数,验证了稳燃氧气流量最佳 值应取

40 (N・m3 ) / h;

然后,研究了高温氧气发生器在山西晋中贫煤煤粉气流中的点火特性,实验结果证明:贫煤 煤粉气流的最高火焰温度达到

1 160 ℃ ,火焰长度超过

6 m,证明了高温氧气点火技术是可行的. 关键词:劣质煤点火;

煤粉燃烧;

高温氧气;

电站锅炉;

富氧燃烧;

节能 doi:10.11990/ jheu.201506006 网络出版地址:http:/ / www.cnki.net/ kcms/ detail/ 23.1390.u.20160127.1137.032.html 中图分类号:TK 223.23 文献标志码:A 文章编号:1006?7043(2016)04?0568?05 Ignition characteristics of pulverized coal flows for a high temperature oxygen generator YAN Gaocheng, QI Xin, REN Ting, LIU Shi (College of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electronic Power University, Beijing 102206, China) Abstract:Cold start?up of boilers in inferior coal?based thermal power plants consume a large amount of fuel oil. In this paper, a direct ignition technology using high?temperature oxygen is proposed. In the proposed ignition technol? ogy, oxygen is heated to a maximum temperature of

1 480°C using a very small amount of fuel oil, and then the high temperature oxygen is used to directly ignite flows of pulverized inferior coal. The performance of the high?tem? perature oxygen generator was evaluated, and optimized operation parameters were determined. The optimum oxygen flow for stabilizing combustion is

40 (N・m3 ) / h. The ignition performance of the high temperature oxygen generator for a meager pulverized coal flow in Jinzhong, Shanxi province, was experimentally studied. The results show that the flame temperature of the pulverized coal flow can peak at

1 160°C with a flame length greater than

6 m, which proves that the proposed ignition technology is feasible. Keywords:inferior coal ignition;

pulverized coal combustion;

high temperature oxygen;

power station boiler;

oxy? gen?rich combustion;

energy conservation 收稿日期:2015?06?02. 网络出版日期:2016?01?27. 基金项目:高等学校学科创新引智计划( B13009);

中央高校基本科 研业务费专项资金项目(2015XS89,13XS08). 作者简介:闫高程(1977?), 男, 工程师, 博士. 通信作者:闫高程, E?mail: yangaochengbox@ 163.com. 大型电站燃煤锅炉在冷态点火启动和低负荷稳 燃过程中要消耗大量的燃油,我国

600 MW 的发电 机组平均年耗油量为 451.62 吨/ 台,电力工业耗油 量已经达到

1 600 万吨/ 年[1] ,因此各类节油点火技 术得到了日益广泛的重视和研究. 目前,主要的节油技术有

3 类:等离子点火技 术[2?4] 、微油点火技术[5] 和微油-富氧点火技术[6?8] . 这3种技术在烟煤和褐煤机组取得了良好的节油效 果,但对于燃用劣质煤的锅炉,仍然存在煤粉燃烬率 差和节油率低等问题. 研究表明,劣质煤在富氧氛围下的着火温度下 降约

50 ℃,燃尽温度下降约

150 ℃ [9] ,煤粉的最大 燃烧失重率增加一倍[10] ,综合燃烧指数增加近

5 倍[11] . 因此,基于劣质煤在富氧氛围下燃烧特性的 明显改善,本文提出了高温氧气直接点火技术. 该 技术的原理是在特定的高温氧气发生器内用极少量 燃油将常温氧气加热至高温状态(本文的实验中氧 气温度最高达到了

1 480 ℃),然后再将高温氧气送 入到特殊设计的煤粉点火燃烧器中,直接点燃劣质 煤煤粉气流. 与常规微油-富氧点火技术相比,高温氧气点 火技术的特点是氧气不仅是助燃剂,而且作为高温 热源直接点燃煤粉,充分发挥了富氧燃烧的优势.

1 高温氧气发生器原理 高温氧气发生器的原理如图

1 所示:燃油经 喷嘴雾化后喷射到燃油稳燃室内,与稳燃氧喷嘴 送入的氧气充分混合,在电打火装置的作用下, 形成稳定持续的油火焰;

同时大量的热载体氧气 以切向旋流方式喷入到氧气加热室中,形成强旋 流流场,与油火焰强烈混合,其中少部分氧气用 于补充燃油燃烬所需的氧量,剩余氧气则吸收燃 油燃烧释放出的热量,温度急剧升高,形成高温 氧气. 实物如图

2 所示. 图1高温氧气发生器结构原理 Fig.1 Schematic diagram of the high?temperature oxygen generator 图2高温氧气发生器实物 Fig.2 The high?temperature oxygen generator

2 高温氧气发生器实验台 高温氧气发生器的实验台由燃油系统、供氧系 统、高压风系统、壁温监测系统和高温氧气发生器组 成,如图

3 所示. 其中:燃油压力 2.5 MPa,燃油流 量为 20~80 kg / h 可调;

氧气压力为 0.2~0.3 MPa,流 量为 200~1

000 (N・m3 ) / h;

高压风压力为

2 000 Pa;

壁温监测用铂铑― ― ―铂铑热电偶,最高测量温度可 达1600 ℃. 图3高温氧气发生器实验台系统 Fig.3 Experiment system of the high?temperature oxygen generator

3 高温氧气发生器的实验研究 影响高温氧气发生器着火性能的主要因素是稳 燃氧气流量 Q1 和热载体氧气流量 Q2 ,因此在本实 验中对这两个参数分别进行了重点研究. 3.1 稳燃氧气流量实验 在初期的实验方案中,没有设计稳燃氧气,只有 热载体氧气,但在实验中出现了火焰脱火、油滴径向 飞溅等问题,这个现象与文献[12]的研究结果基本 相同. 后期增设稳燃氧气后,解决了上述问题,因此 稳燃氧气的主要作用是将燃油持续引燃,形成稳定 的着火源,并提供油滴蒸发汽化所需的热量. 本实验的目的是确定稳燃氧气流量的最佳值, 研究方法是将热载体氧气关闭,然后调整稳燃氧气 的流量 Q1 ,分析油燃烧火焰、着火距离(指燃油着火 点和油枪喷嘴之间的距离)和稳燃室壁面温度等主 要指标. 实验数据如表

1 所示. 表1最佳稳燃氧气流量实验 Table

1 The optimal flow rate experiment of stable combustion oxygen 序号 Q1 / ((N・m3 )・h-1 ) 着火距 离/ mm 火焰温 度/ ℃ 氧气加热室 壁面温度/ ℃ 工况

1 20 100~200

750 250 工况

2 30

80 790

308 工况

3 40

40 840

450 工况

4 50

0 930

650 实验现象如下所述: 工况 1:火焰较持续,但着火推迟,着火点不稳定, 周期性前后移动,火焰呈现为暗黄色,如图

4 所示. 工况 2:能够形成持续的火焰,但火焰的稳定性 较差,如图

5 所示. 工况 3:火焰持续稳定,刚性进一步增大,火焰 颜色明亮,呈现为黄色,如图

6 所示. 工况 4:火焰持续稳定,呈现为金黄色,燃油在 喷嘴处就开始强烈燃烧,最终烧损了燃油喷嘴,如图

7 所示. 通过对上述

4 个实验的比较和分析,可以发现: 当稳燃氧气流量 Q1 =

40 (N・m3 ) / h 时,燃油火焰 稳定,着火距离适当,稳燃室的壁面温度处于材质允 ・

9 6

5 ・ 第4期闫高程,等:高温氧气发生器的煤粉点火特性研究 许的范围之内,所以本实验的稳燃氧气流量最佳值 应取 Q1 =

40 (N・m3 ) / h. 图4Q1 =

20 (N・m3 ) / h 图5Q1 =

30 (N・m3 ) / h Fig.4 Q1 =

20 (N・m3 ) / h Fig.5 Q1 =

30 (N・m3 ) / h 图6Q1 =

40 (N・m3 ) / h 图7烧损的油枪喷嘴 Fig.6 Q1 =

40 (N・m3 ) / h Fig.7 The overfire oil gun nozzle 3.2 热载体氧气流量实验 高温氧气的温度和流量是影响煤粉点火效果的 关键参数. 因此,非常有必要通过实验研究,确定不 同工况下氧气流量和氧气温度的对应关系. 实验用氧气加热室材料为 0Cr25Ni20Si2,该类 型材质的工作温度为

1 100 ℃ ~1

200 ℃. 考虑到本 实验的工作介质是高温氧气,氧化性极强,将壁面温 度的允许上限定为

800 ℃. 在实验中发现,雾化良好的燃油在纯氧氛围下 燃烧强度非常高,燃油在极短距离内瞬间燃尽,人眼 无法直接观察到燃油火焰,只能观察到剧烈抖动的 无色气流热浪. 但CCD 摄像机记录下的实验画面, 利用灰度的差异能够识别出高温区范围,但却不能 识别出不同工况的温度差别. 本文选取了工况

8 给 出的高温氧气发生器火焰如图

8 所示. 实验的具体数据如表

2 所示. 在本实验中,我 们发现: 1)载体氧气的流量和温度之间是互为反比的 关系: 流量小,温度高 、 流量大,温度低 . 这个 实验现象与理论分析结果相同. 2)随着氧气温度的升高,加热室的壁面温度也 同步升高,根据表

2 的实验数据和材质允许的安全 使用温度,我们发现:本实验中氧气的最小安全流量 为Q2 =

300 (N・m3 ) / h. 图8工况

8 的高温氧气发生器火焰 Fig.8 Flame of the high?temperture oxygen generator under working condition

8 表2高温氧气发生器点火实验数据 Table

2 Experiment data of the high?temperature oxygen generator ignition 序号 Q2 / ((N・m3 )・h-1 ) 氧气加热后 的温度/ ℃ 氧气加热室 壁面温度/ ℃ 安全性 分析 工况

5 600

843 425 安全 工况

6 500

992 493 安全 工况

7 400

1 168

579 安全 工况

8 300

1 480

757 安全 工况

9 200 壁温超过

800 ℃ , 实验停止. 超温

4 贫煤煤粉气流点火实验 4.1 高温氧气点火燃烧器原理 本文以东方锅炉厂

600 MW 机组配套的直流燃 烧器为实验模型(结构如图

9 所示),进行了

1 ∶

1 热态点火实验研究. 该燃烧器的特点是:高温氧气 发生器与点火燃烧器为同轴心布置,可以防止高温 氧气与燃烧器壁面直接接触而发生烧损;

煤粉浓淡 分离环的出口侧采用了流线型设计,能够防止局部 回流,同时在分离环上设计有减阻孔. 图9高温氧气点火燃烧器结构示意图 Fig.9 The high?temperature oxygen ignition burner ・

0 7

5 ・ 哈尔滨工程大学学报第37 卷 燃烧器本体采用了 煤粉分级燃烧,能量逐级 放大 的原理,首先用高温氧气将一级浓相煤粉引 燃,然后利用浓相煤粉燃烧放出的热量再引燃淡相 煤粉,实现用最小的点火热功率将煤粉分级全部引 燃的目的;

在燃烧器的出口处安装有波浪形稳燃齿, 达到强化换热的目的. 4.2 高温氧气煤粉点火实验台系统 煤粉点火实验台如图

10 所示,由一次风粉系 统、微油系统、供氧系统、燃烧系统、辅助系统和温度 测量系统组成. 对煤粉火焰温度的测量,采用安装 在燃烧室侧墙上的

4 个火焰温度测孔处的铂铑― ― ― 铂铑热电偶进行,最高测量温度可达

1 600 ℃. 注:1.煤粉仓;

2.给粉机;

3.计算机;

4.电控柜;

5.防爆门;

6.除尘喷淋装置;

7.一次风机;

8.风量调节档板;

9.风速测点;

10.高温氧气发生 器;

11.壁温热电偶;

12.烟囱;

13.油过滤器;

14.储油罐;

15.油泵;

16.高温氧气点火燃烧器;

17.火焰温度测孔 1;

18.火焰温度测孔 2;

19.火焰温度测孔 3;

20.火焰温度测孔 4;

21.火焰温度测孔 5;

22.检修人孔;

23.氧气流量计;

24.氧气瓶;

25.燃烧室;

26.引风机;

27.高 压助燃风机;

28.排水地沟 图10 高温氧气煤粉点火实验系统 Fig.10 The high?temperature oxygen ignition system 4.3 实验煤质 实验煤种是山西晋中贫煤,收到基低位发热量 为20

970 kJ/ kg,收到基挥发份为 12.92%,收到基灰 份为 31.22%,收到基水份为 7.4%,煤粉细度(R90 ) 为13%. 4.4 实验参数及工况 实验风速 v =

25 m/ s,实验风温 T =

25 ℃,给粉 量M=

5 t/ h,稳燃氧气流量 Q1 =

40 (N・m3 ) / h,高 压风压力................