（工程热物理专业论文）基于空间反应的煤粉无焰燃烧特性研究.pdf

摘要 摘要 我国是煤炭储量大国，煤炭占一次能源消费总量的7 0 左右。如何提高煤粉 的燃烧效率、降低其对环境的影响是煤粉燃烧领域最关心的问题之一。无焰燃烧 技术( f l a m e l e s sc o m b u s t i o n ) 是9 0 年代以来得到推广应用的种新技术。对该 技术的研究发现：与传统的燃烧相比，无焰燃烧反应发生在宽广的弥散区域，没 有明显的火焰前沿，燃烧室温度分布均匀，无局部高温区域。但目前国内外对该 技术中所涉及的煤粉燃烧研究还很少。 本文将无焰燃烧技术运用到煤粉燃烧中，设计、制作了煤粉无焰燃烧的实验 系统，搭建辅助的配气系统、压力测试系统、煤粉进料装置和煤粉燃气点火装置， 进行系统集成，并搭建了测试平台。在实验平台上进行了给粉器的给粉性能实验、 燃气点火特性实验、炉膛内冷态实验以及煤粉燃烧实验。研究了不同配风方式和 当量比对煤粉燃烧的火焰形态，燃烧室内温度分布，以及污染物的排放的影响。 以煤粉无焰燃烧实验炉为模拟对象，选取合适的湍流流动、燃烧与传热的数 学模型，利用f l u e n t 6 3 计算了实验炉内的三维流场、温度分布、污染物的排放， 并与实验结果进行了比较。 关键词：煤粉燃烧二氧化碳无焰燃烧实验系统冷态实验污染物排放火焰特 性数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n ai st h eb i gc o u n t r yi nt h ew o r l dw i t ha b u n d a n tc o a lr e s o u r c e t h ec o a l r e s o u r c ea c c o u n t sf o r7 0p e r c e n to fp r i m a r ye n e r g yc o n s u m p t i o n f l a m e l e s s c o m b u s t i o ni sah i g ha n dn e wt e c h n o l o g yi nc o m b u s t i o na r e aw h i c hi sd e v e l o p e d r a p i d l ys i n c e19 9 0 t h em a i nf e a t u r e so f f l a m e l e s sc o m b u s t i o na r ed u et ot h ea b s e n c e o faf l a m ef r o n ta n dt ot h eo n s e to far e a c t i o nv o l u m et h a ti sb a s i c a l l yu n i f o r m c o m p a r et o t h ec o n v e n t i o n a lc o m b u s t i o np r o c e s s ，f l a m e l e s sc o m b u s t i o nh a st h e s i g n i f i c a n ta d v a n t a g eo fs a v i n ge n e r g y , r e d u c i n gt h ec r e a t i n g o fn o xa n dc 0 2 ， d e c r e a s i n gt h ec o m b u s t i o nn o i s ea n dl o w i n gt h ee q u i p m e n ts i z e b u tr e s e a r c ho nt h e f l a m e l e s sc o m b u s t i o no ft h ep u l v e r i z e dc o a li sv e r yl i m i t e di nt h ec o m b u s t i o n t e c h n o l o g yo ft h ew o r l d f l a m e l e s sc o m b u s t i o ni sa p p l i e di np u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o ni nt h i sp a p e r a p u l v e r i z e dc o a lf l a m e l e s sc o m b u s t i o nr e a c t o ri sd e s i g n e di nt h i sw o r k g a ss u p p l y s y s t e m ，p r e s s u r e m e a s u r e m e n ts y s t e m ，p u l v e r i z e dc o a l f e e d i n ge q u i p m e n t a n d i g n i t i o nd e v i c ea r ee s t a b l i s h e d e a c hs u b s y s t e mi s c o m m i s s i o n e da n dc o r o l l a r y p l a t f o r m i ss e tu p o nt h ep u l v e r i z e dc o a lf l a m e l e s sc o m b u s t i o ne x p e r i m e n t a l p l a t f o r m ，t h ep u l v e r i z e dc o a lf e e d i n ge x p e r i m e n t ，i g n i t i o nc h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t a n dc o l ds t a t ee x p e r i m e n ta r ec o n d u c t e d b a s e do nt h e s ee x p e r i m e n t s ，s t u d yo n p u l v e r i z e dc o a lc o m b u s t i o ni nd i f f e r e n tw o r kc o n d i t i o ni sc a r r i e dt or e s e a r c ht h e f l a m ec h a r a c t e r i s t i c s ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h er e a c t o ra n dp o l l u t a n t se m i s s i o n t h ef l u e n t6 0s o f t w a r ei su s e df o rm o d e l i n gt h ec o a lc o m b u s t i o np r o c e s so f t h r e e d i m e n s i o nf u r n a c e t h ef l o w , t h ec o m b u s t i o na n dh e a tt r a n s f e rm o d e la r e a n a l y z e da n ds e l e c t e d t h ef l o ws t a t u s ，t h et e m p e r a t u r el e v e la n dg a sr a d i a t e c h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e d s o m ep r e d i c t e dr e s u l t sa r ec o m p a r e dt om e a s u r e dd a t a k e yw o r d ：p u l v e r i z e dc o a lc 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 ne x p e r i m e n ts y s t e m ， c o l ds t a t ee x p e r i m e n t ，p o l l u t a n te m i s s i o n ，f l a m ec h a r a c t e r i s t i c ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n i 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。除已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： 熟超丕 签字r 期：型学_ 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。 日么开口保密( 年) 作者签名：叁缒噩 导师签名： 签字同期： 珥蛐裤嗍：姐产掣日 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 能源是社会发展的物质基础，能源的有效利用是社会经济发展的自仃提，是人 类文明的标志，但人类消耗能源、追求物质的活动又严重地破坏了环境。能源 ( e n e r g y ) 、经济( e c o n o m y ) 、环境( e n v i r o n m e n t ) “三e ”之问的关系己成为制约人类 社会全面发展的关键。 我国是世界煤炭储量最大的国家之一，煤炭占一次能源消费总量的7 0 左 右。煤炭在中国能源发展战略格局中具有不可替代的重要地位。近年来，随着经 济社会的不断发展，我国对能源的需求持续增长，同时也带来了严重的能源和环 境问题。我国能源利用的很大比例是通过煤炭资源的直接燃烧，但是我国煤炭的 利用效率只有3 3 ，比国际先进水平低1 0 个百分点，同时煤炭直接燃烧所产生 的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物以及颗粒物是我国环境的主要污染物，严重影 响了我国的环境质量，目前中国的二氧化硫和二氧化碳排放量分别列居世界第一 位和世界第二位，更是引起了世界的关注。节能和环保长期以来一直是煤粉燃烧 领域最关心的问题，是决定我国可持续发展的重要战略因素，也是当前制约我国 国民经济发展的重要关键之一。如何提高煤粉的燃烧效率、降低对环境的影响， 将是我们整个人类社会面临的一个比较长期的问题。 1 2无焰燃烧的优点及实现思想 无焰燃烧技术是( f l a m e l e s sc o m b u s t i o n ) 是9 0 年代以来迅速发展并推广应 用的一种新技术。无焰燃烧的特点是，燃烧没有明显的火焰前沿，反应发生在一 个很宽的弥散区域，在反应时整个燃烧室进行燃烧反应，燃烧室内温度分布均匀， 没有局部高温区域。相比于传统燃烧过程，其主要的优点在于节约能源，减少 n o x 和c 0 2 排放，降低燃烧噪音，降低燃烧装备尺寸1 1 , 2 1 。 众所周知，影响煤粉燃烧效率和能量转换效率的关键因素是燃烧温度。温度 太高，不但大量生成n o x ，而且c 0 2 和h 2 0 会大量热解吸热；燃烧室温度与燃 烧温度太低，燃烧反应时间增加，会生成大量的未燃碳氢和c o ，同时也会增加 烟气中的不完全燃烧产物。研究发现，当燃烧室内温度分布均匀，温度梯度较小 时可以降低碳氢化合物( c m h 。) 与一氧化碳( c o ) 的排放，燃烧产物不会大量 裂解，同时又不会大量生成n o x 。而传统的燃烧应只发生在火焰面附近，形成 第一章绪论 局部高温区，造成了n o x 的大量生成，也容易出现燃烧不完全的现象。 反应区的局部低氧是实现无焰燃烧的技术条件，燃烧“柔和”，反应区氧浓度 极低，没有燃烧噪音，燃烧室内温度分布均匀，无局部高温或低温区，既避免了 火焰面温度过高所带来的n o x 大量生成，又使得反应区域扩展至整个燃烧室， 减少了不完全燃烧的可能，提高了整体反应速率。新型无焰燃烧系统可利用余热 加热空气，使得整个燃烧系统始终处于合适的燃烧温度，炉膛平均容积热负荷高， 最高可节约能量达3 0 以上，降低设备尺寸以及污染物排放达2 5 左右。将无 焰燃烧技术应用于煤粉的燃烧，控制反应区氧浓度，使煤粒表面不形成扩散火焰， 形成类似于气体燃料无焰燃烧的弥散的反应区，使温度分布均匀，燃烧反应柔和， 实现低的n o x 排放，有利于强化传热、提高煤粉的燃烧效率、减少污染物的排 放、缩小设备的尺寸。 早期关于无焰燃烧技术的研究可追溯到w e i n b e r g1 9 7 1 年提出的超焓( e x c e s s e n t h a l p y ) 燃烧思想f 3 】。将燃烧所产生的热能( 或排放的高温废热) 回收，用以预热 反应物，如图1 所示。一定质量燃料的最终绝热火焰温度t f 可由下式给出【2 】： ， 【。c ，d t = q c + q a + q + q ( 1 1 ) 畸0 。 式中c 。是产物的定压热容；q 。是燃烧热；q 。、q ：、q ：是反应物与产物 的多级换热。此时燃烧系统总焓是原有燃料所具有的焓值( 化学焓) 和预热焓值总 和，高于只有反应物时的焓值，如图1 2 t 4 1 所示。对于绝热系统来说，随着高温 烟气废热的利用效率的提高，烟气排放温度显著降低，燃烧温度及强度可远高于 没有热再循环时的燃烧工况，燃烧效率得到大大提高。 根据( 1 1 ) 式，反应物与产物换热q 口、或、或可以提高火焰温度，而温度是 影响化学反应速度的重要因素之一，如图1 3 所示。曲线1 表示常压下反应速度 随温度的变化。曲线2 与曲线l 一样，但是考虑了反应物的消耗和稀释，温度升 高是由于化学反应和或与热燃烧产物混合。图1 1 的传热方式反应物和生成物只 传热而不传质，反应速度与温度之间的关系符合曲线1 的规律。因此，此类燃烧 方式可以提高反应速度，拓展稳定燃烧范围，增加燃烧的稳定性。 2 第一章绪论 t 温 度 距离 x 图1 1 超焓燃烧示意图1 3 l图1 2 绝热系统超焓燃烧示意图4 】 1 0 0 0 2 0 0 0 一3 0 0 0 4 0 0 0 t k p 图1 3 反应速度随温度的变化【3 1 1 3 无焰燃烧发展的现状 实现无焰燃烧的技术主要有三种：高温空气燃烧、常温空气燃烧和无焰氧燃。 各种燃烧技术一个很重要的区别在于燃烧过程中的氧浓度差别。 l 、高温空气无焰燃烧 自上个世纪9 0 年代初起，高温空气燃烧技术由于有着高效和低n o x 排放等 诸多优点，所以一直是国际上燃烧学界研究的热点之一，几个发达国家都在此原 理和基础上形成了各自的技术特点，如h i t a c ( 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 ， 日本) ，f l o x ( f l a m e l e s so x i d a t i o n ，德国) ，l n i ( l o wn o xi n j e c t i o n ，美国) ， d i l u t e dc o m b u s t i o n 和m i l dc o m b u s t i o n ( 意大利) 。k a t s u k im 1 5 j 等的文章提及， 第一章绪论 采用蓄热式烟气余热回收装置，交替切换烟气和空气燃气，使之流经蓄热体， 可最大限度地回收高温烟气的热量，在整个燃烧室内组织贫氧燃烧，扩展火焰燃 烧区域，降低火焰温度峰值，同传统燃烧器相比，降低9 0 n o x 排放。j a w u n n i n g 1 6 1 等也提出使用f l o x 燃烧器，在高温空气预热条件下，当燃烧室温度高于8 0 09 c ( 取决于燃料种类和燃烧设备) ，烟气再循环率高时，就有可能发生无可见火焰 且低噪声的无焰氧化( f l o x ) 。c a i n 7 j 等人的研究报告显示，l n i 燃烧器可以在 炉膛温度达到1 0 3 0 k 时，改变燃烧器出口结构，从有焰模式转变为无焰模式， 使燃料、氧化剂桶炉内烟气充分混合，甚至可以在氧化剂氧浓度低于5 时，实 现稀释气体在炉内环境完全燃烧。g i a m m a r t i n i l 8 1 等在实验室尺度的工业炉内进行 实验，结果表明，空气预热( 1 3 0 0 ) 同燃烧反应前稀释反应物的浓度技术结合， 可实现炉内温度场均匀、高效低污染的稀释燃烧或中低氧浓度燃烧( d i l u t e d c o m b u s t i o no rm i l dc o m b u s t i o n ) 。这些研究分别从火焰形态、减排效果和采用 的技术等不同角度体现了高温空气燃烧的特征。 此外，对无焰燃烧的实验研究也在不断进行之中。p l e s s i n g 州等报导了可工 作在有焰无焰模式下的蓄热型锅炉的温度、o h 浓度以及n o x 排放n o x 的瞬时 场的测量，指出湍流流动和化学反应的相互作用对火焰传播和火焰结构有着重要 影响。o z d e m i r 和p e t e r s m j 测量了燃料为甲烷的5 4 0 0 w ，当量比从o 8 变化到1 2 的工业炉中的预混和非预混火焰的流场、温度场及o h 浓度场，发现燃料射流的 动量对反应区的位置起相当大的作用。d a l l y q 等在研究燃料混合物对蓄热型锅 炉中实现中低氧浓度稀释燃烧方式的影响时发现，c 0 2 或n 2 对燃料的稀释可降 低n o x 排放，并提出燃料气流同再循环烟气的预混，有助于无焰燃烧方式的建 立。日本已经开发出采用h t a c 技术的煤粉燃烧锅炉，其基本原则：一是控制 炉内温度不超过灰软化温度，避免炉内结焦；二是采用孔尺寸较大的蜂巢蓄热体， 允许有大量的飞灰通过，三是在蓄热体后的低温烟气中进行除尘，保证飞灰不进 入换向阀等机械部件中去。t o s h i y u k is u d a 1 2 j 对高温空气无焰燃烧中煤粉的 着火延迟特性，燃烬特性，和n o x 排放特性进行了研究，实验证明高温空气无 焰燃烧有利于煤粉着火延迟时间减少，提高火焰稳定性，并且减少了n o x 排放。 德国斯图加特大学i v d 研究所的gs c h e f f k n e c h t l l 3 1 教授开展了煤粉的无焰燃烧 试验，实现了煤粉的无焰燃烧，得到煤粉无焰燃烧图片，并证明了煤粉的无焰燃 烧在降低n o x 生成和提高碳燃尽率上有明显优势。 4 第一章绪论 f l a n 吲e s s o x d a l l o nf l a m e o x i o a l l o qm 咖e 图1 4i v d 研究所煤粉无焰燃烧 高温空气燃烧技术在工业上取得了广泛的应用取得了巨大的商业成功，但 是其应用也有一定的局限性：( 1 ) 进气和排气周期性换向造成燃烧脉动；( 2 ) 需 要复杂的蓄热室和换向机构；( 3 ) 不适用于炉膛排烟中含有大量烟尘和扶烬的燃 料的直接燃烧；( 4 ) 仅适用于原尾气排烟温度比较高的燃烧装置。 2 、常温空气无焰燃烧 现今绝大部分的研究都集中在用尾气预热空气到8 0 0 以上的高温柬实现 无焰燃烧的高温空气燃烧技术，对炉膛整体结构、炉内负载的位置分布以及无焰 燃烧特性三者关系相芙的文献报道较少。是否只有外烟气再循环的预热空气才能 稳定低氧浓度下的无焰燃烧? 清华大学祁海鹰教授最新研究进展【l q 后指出，常 规燃烧的方式在一定条什f ，完全可以转变为低n o x 燃烧，但是需要在空气温 度高，使高速射流导致火焰熄灭的条件消失的前提下。l e v y i ts l 和a w o s o p e 【i ”等 各自在研究燃气涡轮燃烧室内无焰燃烧时也发现，使用二次或三次空气在燃烧 发生之前促使大量烟气同燃烧空气强烈混合并稀释氧化剂氧浓度，也有可能在一 次空气温度较低时实现燃气描轮燃烧室内低n o x 无焰燃烧。此外，美国佐治亚 理工学院2 0 0 7 年4 5 届a i a a 航空科学展览会i 报导，驻点凹流式燃烧室系统【1 7 1 也可在进口反应物温度仅为4 5 0 k ，燃烧室内烟气再循环效率较高的条件下，通 过燃烧反应发生前的热烟气的回流加热并稀释反应物，可以在炉内形成预热反应 物和稀释氧化剂氧浓度的无焰燃烧的前提条件。近年来，本课题组进行了天然气 燃烧技术的研究。取得的重要成果之一是在燃煤锅炉的结构上改烧天然气，通过 强化炉内换热与燃烧过程，在燃煤锅炉上，在投有省煤器且无余热利用时，锅炉 热效率达到9 2 以上，n o x 、s o o t 、u h c 排放均远远低于国家标准。2 0 0 5 年5 月安徽省科技厅对该项目组织了鉴定，与会专家认为，在燃烧效率、n o x 和 c o 排放等方面均优于国内外同类产品，更重要的是我们在天然气的燃烧实验过 程中发现：在常温空气情况r ， 惘强射流、旋流和烟气内部再循环，在特殊的 燃烧室结构中可以实现无焰燃烧反应罔】5 为实验照片1 1 ”。天然气无焰燃烧实 验的成功为煤粉无焰燃烧的研究提供了坚实的理论基础和实验基础。 第一章绪论 圈1 5 大然气燃烧实验幽 a ) 无焰流址1 1 4 n m 5 h b ) 过渡：流艟1 0 5 n m 3 h0 有焰：流茴6 5 n m h 常温无焰燃烧技术无需复杂的蓄热室咀及换向机构，简化了无焰燃烧的实现 条件，避免了燃烧过程的脉动，实现连续稳定燃烧，减少了燃烧设备的投资费用： 而且适用于低捧烟温度或含狄景较大排烟的燃料的直接燃烧。同时常温无焰燃烧 又保留了高温空气燃烧技术的高容积热负荷、低能耗、低污染排放等各个优点。 对浚技术的深入的研究，有望产生一种具有结构简单、制造成本低工艺与结构 简单、1 ：作可靠、维护方便、热效率高、排放低的新型燃烧器。这是高温空气无 焰燃烧所不可比拟的。 3 、无焰氧燃 在很多工业过程巾，用纯氧柬替代助燃空气可以提高加热效果，这种方式被 成为“氧燃”技术，其特点是化学反应遮率高、加热迅速、火焰可视、火焰峰值 温度高。 工业炉中最有效的节能方法主要有： ( 1 ) 通过回收烟气的热量柬预热助燃空气； ( 2 ) 用纯氧或氧浓度较高的空气助燃以减少或除去惰性氮气体积从而削减 烟气体积； ( 3 ) 以上两种方式组合。但是，直接采用以上的方法会导致燃烧室内燃烧 温度过高。从而容易引起较高的n o x 排放。炉内烟气再循环与以上方法相结合 就形成新的燃烧技术一高温空气燃烧和无焰氧燃技术。与高温空气燃烧以空气为 氧化剂不同，无焰氧燃技术则采用工业级氧气作为氧化剂。这些技术通过炉内烟 气使燃烧过程发生在较低的氧量下火焰不可见，放而也是“无焰燃烧”技术的 一种。 煤炭是目前世界上一次能源的重要构成部分，在人类对其利用的同时也对 人类生存居住的环境条件造成了严重的污染，在污染物中，二氧化碳是大气中温 室气体的主要成分。而碳隔离技术则被认为是目前减少温室气体在人气中聚集的 第一章绪论 最好办法之一，但是当前碳隔离、减排c 0 2 的前提是获得高浓度的c 0 2 。在常 规空气燃烧方式产生的c 0 2 的浓度只有1 5 左右，回收c 0 2 要付出高昂的经济 代价。如果在煤粉的燃烧中，采用纯氧作为氧化剂代替空气，实现煤粉的无焰燃 烧，则燃烧产物中c 0 2 的含量将达到9 0 以上，可不必分离而将大部分的烟气 直接液化处理，即使需要分离，分离的成本也大大的降低，则可以以较低费用得 到无需分离的高浓度c 0 2 。 1 4 本文主要工作 如前所述，如何更环保、高效的使用能源是当今社会发展面临的主要问题， 我国能源利用的很大比例是通过煤炭资源的直接燃烧。本文的工作在于建立一套 煤粉无焰燃烧的实验装置，并对燃烧室内流场进行数值模拟，并在这个平台上对 煤粉无焰燃烧的相关的问题进行研究，主要集中在： l 、煤粉无焰燃烧实验平台的搭建与调试 调试煤粉无焰燃烧的实验平台，搭建其配气系统、压力测试系统、煤粉进料 装置和煤粉燃气点火装置，对各个子系统进行调试和完善，建立起配套的测试平 厶 口o 2 、对实验平台的各个子系统和炉内冷态进行实验 在煤粉无焰燃烧的实验平台上，进行了给粉器的实验研究、燃气点火特性的 研究，为煤粉无焰燃烧的顺利进行奠定基础，不同射流方向和射流流量条件下炉 子的冷态流场进行了实验分析，分析燃烧室内不同喷嘴组合在不同工况条件下的 流场分布情况，热态实验提供了参考。 3 、煤粉无焰燃烧实验 将无焰燃烧技术应用于煤粉的燃烧，在不同的工况的情况下对煤粉燃烧情况 进行实验，研究在不同工况下煤粉燃烧的火焰特性，燃烧室内温度分布特性，以 及污染物排放的影响。 4 、煤粉在无焰燃烧中火焰特性的数值模拟 煤粉在无焰燃烧中的火焰特性除了与煤焦的燃烧过程有关，还受到炉内气氛 的物性变化和辐射特性等的影响。本文将选取合适的炉内流动。燃烧与传热的数 学模型，以实验中的煤粉燃烧实验炉为研究对象，利用f l u e n t 对三维垂直筒式炉 内煤粉燃烧过程进行模拟，研究炉内流动状况、温度水平、气相辐射等的变化。 7 第_ 二章实验系统的设计与调试 第二章实验系统的设计与调试 2 1煤粉无焰燃烧实验炉的设计思想 为了得到无需分离的高浓度c 0 2 ，用工业级纯氧来替代部分或全部助燃空气 可以提高加热效果，这种燃烧方式就被称为“氧燃”技术，氧燃技术可以大幅度 的减少s 0 2 和n o x 排放，实现污染物的一体化的协同脱除，但是加热迅速、化学 反应速率高、火焰峰值温度高、火焰可视。 工业炉中最有效的节能方法如下： ( 1 ) 通过回收烟气热量来预热助燃空气； ( 2 ) 用纯氧或氧浓度较高的空气助燃以减少或除去惰性氮气体积从而削减 烟气体积 ( 3 ) 以上两种方式的组合。但是，直接采用以上方法会导致燃烧温度较高， 由此引起较高n o x 的排放。f g r 与以上方法相结合形成新的燃烧技术一无焰氧燃 技术。而无焰氧燃技术则采用工业级氧气作为氧化剂。这些技术通过炉内烟气再 循环使燃烧过程发生在较低的氧量下，且火焰不可见，称之为“无焰燃烧”。 如果在煤粉的燃烧过程中，采用纯氧代替空气，则燃烧产物中c 0 2 的含量 将达到9 0 ( 体积比) 以上，可不必分离而将大部分的烟气直接液化处理，分离 成本也大大降低。能够满足这一要求就是采用纯氧与烟气再循环的煤粉燃烧技 术，其系统示意图如图2 1 所示。 为了实现煤粉无焰燃烧，粉煤在载气的输送下由位于炉体上部的某一部分径 向喷入，氧化剂由位于炉体上部的另外不同位置沿着切向方向高速射入，粉煤在 高速切向进入的氧化剂射流的驱动下呈分散状在炉内高速向下旋转，一方面，高 速喷入的氧化剂被其自身卷吸的大量烟气稀释，大大降低旋转气流中的氧浓度； 另一方面，在与燃料接触反应之前，被稀释的氧化剂分子还受到高温烟气的卷吸 混合加热，同时还受到高温炉壁的热辐射，使其温度在瞬间上升到粉煤着火点以 上。当喷入的氧化剂旋转至粉煤喷入位置的时候，粉煤被迅速扩散到高温低氧的 氧化性气氛中，迅速升温。温度升高导致在粉煤颗粒表面溢出大量的挥发分，该 挥发分一旦与旋转气流中的高温氧气分子接触，立即着火燃烧，生成c o 、c 0 2 和焦炭，并放出反应热。由于粉煤和氧化剂的接触发生在整个旋转气流中，而不 是在某一个峰面上，所以该燃烧反应属于空间反应，燃烧热量弥散到整个反应空 间中，这使得炉内温度均匀，避免了传统的燃烧反应局部温度过高，从而显著地 降低了燃烧氧化反应的最高温度水平。其原理图如图2 2 所示。 第二章实验系统的设计与调试 再循环烟气 图2 1采用无焰氧燃的煤粉燃烧技术示意图 图2 2 煤粉燃烧室无焰氧燃的原理示意图 2 2 煤粉无焰燃烧实验系统的设计 煤粉无焰氧燃试验装置的流程示意图如图2 3 所示。整个系统包括燃烧炉、 给粉器，存储氧气的低温液态罐等设备组成。系统可以根据要求在不同的情况下 运行，如用于纯空气下燃烧、氧气燃烧或者再循环燃烧方式。 9 第二章实验系统的设计与调试 图2 3 煤粉无焰氧燃试验流程示意图 煤粉炉的点火装置将采用燃气点火方式来预热和启动煤粉的燃烧。燃气点火 装置由空气管路控制系统，燃气管路应针对所输送的物料进行实验，求取物料的 输送量与变频器的频率之间的函数关系，便于正式运行时根据所需的物料输送量 来调节变频器的频率。工作时，煤粉由进料口进入料斗控制系统，点火燃烧器以 及电火花发生装置组成。实验开始，燃气和空气先在点火燃烧器出口处部分预混， 并通过电火花将预混气体点燃，然后将正在燃烧的混合气体射入炉膛，通过燃气 燃烧所释放的热量来预热炉膛。 煤粉的输送采用立式微量自密式螺旋给粉器输送，给粉器正式运行之前，将 变频器调到该频率，电机在该频率下运转，实现连续、均匀、稳定定量出料。料 斗下落的煤粉经氮气罐减压后的高压氮气吹送进入燃烧室中。燃烧所需的氧气经 氧气罐、减压阀，流量计后沿不同的喷嘴进入燃烧室与煤粉进行燃烧反应。 2 3 煤粉无焰燃烧实验炉热负荷设计计算 煤是由有机化古物和无机矿物质等组成的一种复杂物质，属有机燃料，来源 于古代植物。由于地壳变迁，地面上的植物残骸被长期埋在地层深处，在合适温 度与高压及缺氧条件下，原始有机物不断分解化合，最终便形成了煤。煤既然由 植物形成，组成植物的有机质元素，主要是碳、氢、氧和少量的氮、硫，便是煤 的主要元素。另外，在煤的形成、开采和运输过程中，加入的水分和矿物质( 燃 烧后成为灰分) ，也成为煤的组成成分。 煤是复杂的高分子碳氢化合物，煤的化学组成和结构十分复杂，但作为能源 使用，只要了解它与燃烧有关的组成，例如元素分析成分组成和工业分析成分组 1 0 第二章实验系统的设计与调试 成，就能满足燃烧技术和有关热力计算等的要求。 煤中的化学元素可达3 0 多种，一般把燃料中不燃烧燃矿物质成分综合在一 起统称为灰分。这样用元素分析法测定煤的组成成分时包括七项：碳( c ) 、氢( h ) 、 氧( 0 ) 、( n ) 、硫( s ) 五种元素和水分( m ) 、灰分( a ) 两种成分。其中碳、氢和部分硫 是可燃成分，其余都是不可燃成分。这些成分呈复杂的化合物存在于煤中，煤的 各种成分的性质如下： l 、碳( c ) 碳是煤中的主要可燃元素，其含量一般为5 0 一9 0 ，l k g 的碳完全燃烧 生成二氧化碳c 0 2 ，能放出3 2 7 0 0 k j 的热量，其反应式为： c + 0 2 寸c 0 2 + 3 2 7 0 0 ，k j k g c 如果l k g 的碳不完全燃烧生成一氧化碳c o ，只能放出9 2 7 0 k j 的热量，即： 2 c + 0 2 2 c o + 9 2 7 0 ，k j k g c 煤中碳以两种状态存在，其主体形成晶格，也就是苯核。品格中也有一些硫、 氮原子。另一部分碳与氢、氮、硫、氧形成侧链。侧链靠键链接在晶格的边缘上。 当在缺氧环境下受热时，键断裂，侧链成气态逸出，这就是挥发分。煤的挥发分 是由各种碳氢化合物、一氧化碳、硫化氢等可燃气体，二氧化碳和氮等不可燃气 体以及少量的氧气所组成。煤的挥发分与煤的地质年代有密切的关系。地质年代 愈短，它受地热而热解得愈少，侧链保存得很多，所以挥发分愈高。挥发分是煤 受热裂解的产物，而不是煤中固有的成分，所以不应称作挥发分含量。以晶格状 态存在的碳被称为固定碳。固定碳的燃烧特点是不易着火，燃烧缓慢，火苗短。 所以，一般固定碳越多的煤，其着火和燃烧就越困难。 2 、氢( h ) 氢是煤中可燃元素之一，共含量约为1 一，但发热量比碳高得多。l k g 氢完全燃烧生成水h 2 0 ，能放出1 2 0 0 0 0 k j 的热量( 扣除水的汽化潜热后剩余的热 量) ，其化学反应式为 2 h 2 + 0 2 - - y 2 h 2 0 + 1 2 1 0 4k j k g h 2 氢的燃烧特点是极易着火燃烧迅速，火苗也长。因此，含氢越多的煤越容 易着火燃烧。 3 、硫( s ) 煤中硫的含量一般不超过2 ，但个别煤种高达8 一1 0 。煤中的硫以三 种形态存在：有机硫( 与c 、h 、o 等元素组成的复杂化合物) 、黄铁矿硫( f e s 2 ) 及硫酸盐硫( 与c a 、m g 、f e 等元素组成的盐类) 。前两种硫可以燃烧放热统称为 可燃硫。硫酸盐硫不能燃烧刚并入灰分中。硫酸盐硫的含量很少，常以全硫代替 第二章实验系统的设计与调试 可燃硫作燃烧计算。l k g 硫完全燃烧生成二氧化硫s 0 2 ，能放出9 0 4 0 k j 的热量， 其化学反应式为 s + 0 2 _ s 0 2 + 9 0 4 0 ，k j k g s 硫虽能燃烧放出些热量，但其燃烧反应生成物是二氧化硫s 0 2 ，有一部分进 一步氧化成三氧化硫s 0 3 它与烟气中的水蒸气结合齐一起生成亚硫酸或硫酸蒸 气，对锅炉及环境有不利影响。 4 、氧( o ) 和氮( n ) 氧和氮都是煤中的不可燃元素，不能燃烧。煤中氧的含量变化很大，碳化程 度深的煤中氧含量很少，如无烟煤氧含量仅有1 一2 ；碳化程度浅的煤可达 4 0 左右。煤中的氧由两部分组成：一部分为游离态存在的氧，它能助燃；另一 部分为化合物( 如c 0 2 、h 2 0 等) 中存在的氧，当这部分氧多时，表示与它化合而 不能燃烧的c 、h 也多，这将使煤的发热量降低。 氮的含量较少，仅为0 5 - 2 5 ，但它是有害元素。在氧气供应充分、高 温和含氮量高的燃烧过程中易生成氮氧化物( n o x ) ，污染大气，对人体和植物都 十分有害。 5 、水分( m ) 水分是煤中主要不可燃成分，也是一种有害杂质。各种煤的水分含量差别很 大，少的仅有2 左右，多的可达5 0 6 0 。煤中水分由表面( 外在) 水分 m f 和内在水分m a d 组成。 表面水分是在开采、储运过程中受雨露冰雪影响而进入煤中的，在温度( 2 0 1 ) 、相对湿度为( 6 5 1 ) 的空气中自然风干后失去的水分；固有水分也叫内 在水分，靠自然干燥不能除去，必须把煤加热到1 0 5 1 1 0 。c 左右，并保持一定 的时间才能除去。外在水分和内在水分的总和称为全水分。 6 、灰分( a ) 煤中的各种矿物杂质，在煤燃烧后形成灰分。但燃烧后的灰分与燃烧前煤中 的矿物质在性质上和数量上都不相同。 灰分既是煤中主要不可燃成分，又是很有害的杂质。各种煤中灰分含量变化 很大，多在1 0 一5 0 之间。煤中灰分由内在灰分和外在灰分组成。内在灰分 来自古代植物自身所含的矿物质；外在灰分来自煤形成期间从外界带入的矿物质 以及在开采、运输中混入的矿物杂质。 以上为煤的元素分析成分及其性质，各成分含量是指质量百分含量。煤的元 素分析是锅炉燃烧等计算的依据，同时也是煤的分类和研究煤的特性的依据。以 下以实验用淮南双高煤为例对炉膛内的热负荷进行设计计算。 1 、煤粉燃烧所需理论氧气量v o 与实际空气量v o k 1 2 第二章实验系统的设计与调试 煤粉燃烧的氧化剂是有氧气供给，所需氧气的多少取决于煤粉的成分及其含 量。燃料中各种可燃成分完全燃烧所需氧气量之和( 扣除燃料本身的含氧量) 称 之为理论氧气量，用符号v o 表示。由于在实际燃烧技术中，可燃成分不可能与 空气中的氧气完全均匀的混合，因此需要多供应一些氧气即过量氧气，以保证燃 料充分燃烧。实际供应的氧气量用v o k 表示，称作实际氧气量。单位煤粉完全燃 烧所需要的理论氧气量与在燃烧过程中所消耗的氧气量之比，称为当量比，用d 表示。 l k g 煤粉燃烧所需理论空气量v 。为： v o = 0 0 1 8 6 6 c 。，+ 0 0 5 5 5 h 。，+ 0 0 0 7 s , ，r - 0 0 0 7 0 ，( n m 3 k g ) c 。，h 。，s 。，和瓯，l k g 煤粉( 收到基) 中，碳、氢、硫和氧的质量百分数 含量， 当当量比不同时，氧气量v o k ：v o d 。 在煤粉给量b = 0 0 0 2k g s 的实验条件下，于是可得实际氧气量v k = bxv 。k 。 本研究采用的煤种是典型的双高煤淮南煤，灰分达到2 3 1 ，灰渣的变 性温度d t 、软化温度s t 和流动温度f t 均超过1 5 0 0 ，其煤质特性如表2 1 所 示。煤粉在不同当量比下所需要的理论氧气量和实验中所用的实际氧气量如表 2 2 所示。 表2 1 双高煤的特性分析 c盯h盯o 盯n 盯s t 盯 6 3 5 l 4 1 96 3 91 0 2 0 6 3 表2 2 不同当量比下单位煤粉燃烧所需要的实际氧气量和实验中所用的实际氧气量 l dl1 0 51 1 单位煤粉燃烧所需 要氧气量v 、 v k l = 1 7 9v l 2 = i 8 8 v l c 3 = 1 9 7 实验中所需氧气量 v k v o k l = 0 0 0 1 7 9v o k 2 = 0 0 0 1 8 8 v o k 3 = 0 0 0 1 9 7 2 、煤粉燃烧产生的理论燃烧烟气量v o y 和实际烟气量v y 燃料在燃烧时生成的气态产物谓之烟气。燃料完全燃烧时烟气的成分有二氧 第二二章实验系统的没计与调试 化碳、二氧化硫、过量氧气、惰性气体氮、水蒸汽等；不完全燃烧时烟气的成分 中除上述外，还有各种少量的可燃气体。燃料在理论空气量( 即q = 1 ) 的条件 下完全燃烧，生成的烟气量称之为理论烟气量v o v ，在实际空气量( 即o p l ) 的 条件下生成的烟气量叫做实际烟气量v ，。计算时是以每埯为基准进行的，其烟 气量均系以n m 3 为单位表示的体积量。 在a = 1 条件下，l k g 煤粉在氧气中燃烧产生的烟气量v 。y v ；= 烁d 2 + v 0 2 0 ( 2 1 ) 式中v r o ：表示燃烧烟气中c 0 2 和s 0 2 的体积，矿；：f ，o 为0 【= 1 时，烟气中水蒸气的 体积，由三部分组成：氢燃烧生产的水蒸气；燃料中的水分和理论氧气量带 入的水分； 0 2 = 0 0 1 8 6 6 ( c a r + 0 3 7 5 s a r ) m 3 他 ( 2 2 ) y 麓d = 0 1 11 h a r + 0 0 1 2 4 m a r + o 0 1 6 1 幸v o 1 2 4 g w m 3 k g ( 2 3 ) 式中c 舭s 盯、n 盯、h 盯、m 。广_ 为燃料中碳、硫、氮、氢和水分的质量百分数含 量，； v 0 理论氧气量，m 3 k g 事系数0 0 1 6 1 是按干空气中含湿量为1 0 9 ( 水分) 蚝 ( 干空气) 计算所得； g w 一当采用蒸汽雾化和蒸汽二次风时的蒸汽耗量， k g k g ，一般此项为0 ； 把各成份的质量百分数含量代入以上式中，即得煤粉燃烧的理论烟气量v ：= 1 6 8 ( b ) 在1 d 1 0 条件下，l k g 煤粉燃烧产生的实际烟气量v y 的计算公式如 下： v y = v o + 西1 1 ) v o + 0 0 1 6 1 西1 1 ) v o = v 多+ 1 0 1 6 1 ( 1 1 ) v o m 3 k g ( 2 4 ) 式中v 0 一理论燃烧烟气量； ( 甜一1 ) v o 一过量氧气量； o 0 1 6 1 ( a 一1 ) v o 一过量空气中带入的过量氧气量。 将式( 2 1 ) 代入( 2 - 4 ) 则得： 当 1 d = i 0 5 时，v y 2 = 1 7 5 1 d = 1 1 时，v y 3 = 1 8 i 1 4 第二章实验系统的设计与调试 2 4 实验炉内胆结构计算与设计 煤粉实验炉具有密闭性好，在1 m p a 的气压下能够保持气密性。内胆由有隔 热性非常好的白色刚玉制成，从而保证了炉体内部的较高的温度，提高的热量的 利用率防止了热量的扩散。其中白色刚玉成分为铝的氧化物( a 1 2 0 3 ) 矿物，具 有良好的透光性质，在0 2 5 5 1 a m 波段的透光率达8 0 9 0 ，对红外波段的透光 率几乎不随温度而变化；相对密度较小；常温下不受酸碱腐蚀；绝缘性良好：熔 点高达2 0 3 0 2 0 5 0 等优点。实验炉内炉胆由上部和下部两部分组成。在实验炉 体设置三层管道口，最上层a 设置一个进气口和三个在不同方向的煤粉进口及一 个温度测量通道。在b 层设置一个进气口和一个点燃通道和温度测量通道。在c 层设置温度测量通道和燃料点火口。实验时改变不同的迸气口和燃料进口和氧气 口打开数量来改变不同的实验状况，观察煤粉燃烧的充分程度。最低层d 通道是 测量通道。 ；7 夕 么 磁5夕z,44 l 图2 4 实验炉内胆示意图 a c d 煤粉实验炉内胆的上部，设置有观察孔和两实验层。观察孔用耐高温透明玻 璃密封，以观察实验的燃烧情况、火焰的颜色、气流的流动的方向。实验a 层有 一个进气口和三个在不同方向的煤粉进口。当煤粉从该层的燃料进口进入时，相 应的设置另一个燃料进口为燃料点火口，并且打开该层的进气口。但当调节煤粉 一 。 第二章实验系统的设计与凋试 的流动速度和方向时，也相应的调节打开下层的进气口。 实验b 层设置有一个进气口和一个煤粉进口和一个点燃通道，当实验操作时 煤粉在b 层进入时，打开该层的进气口，并在该层点燃通道点燃。 实验炉中部设置有c 层实验层和d 层温度观察孔。c 层设置有一个燃料点火 口和一个可以用作测温度的测温孔；d 层温度观察孑l 用于测量炉内局部的燃烧温 度。 实验炉下部设置有煤粉的燃烧产生的气体和固体废弃物的出口。煤粉产生的 气体的在内胆的气体的压力下，从e 通道放出，而燃烧产生的固体废弃物则以 流体的方式的流向相应的地方，实验炉体的结构计算结果计算参数如下表所示： 表2 1 计算结果一览表 次 项日符号单位计算公式计算结果备注 序 给定 l给煤粉量占