富氧微油点火与稳燃系统

富氧微油点火与稳燃系统

0低负荷下稳定燃烧中国有很多低蒸发煤资源，比如贫煤和无烟煤，但这些煤矿的分解率低，火灾温度高，燃料消耗低，因此很难燃烧和燃烧。在低负荷下运行时,由于炉膛温度降低,燃烧稳定性变差,须投油助燃,这增加了发电成本、降低了机组运行的经济性。为了提高中小机组运行的经济性,实现劣质煤粉的点火与低负荷下的稳定燃烧,需要进行燃烧调整和燃烧器设备改造。富氧微油燃烧器的点火与稳燃技术是在微油气化燃烧技术的基础上开发出来的,能够保证稳燃回流区的高温状态。本文对其点火及稳燃机理和特性进行介绍。1氧气微油燃烧机的点火和稳定燃烧1.1煤的挥发分含量煤粉的燃烧过程一般要经历3个阶段:煤粉气流的预热阶段、煤粉的着火燃烧阶段和燃尽阶段。煤粉火焰的着火和稳定燃烧主要取决于煤粉气流的预热阶段,在这一阶段中,煤粉气流被加热,使水分第3期李新梦,等:富氧微油燃烧器的点火与稳燃特性研究·15·蒸发,挥发分充分析出并被加热到着火温度。但其所需热量即着火热必须由外部提供,着火温度低,着火热就越小,就越容易着火。褐煤、烟煤的挥发分含量高,易着火及稳燃;贫煤、无烟煤的挥发分含量低,着火区域的挥发物浓度低(空间浓度),着火温度要求高,因而不易着火和稳燃。由此可见,煤的挥发分含量极大地影响着火温度和相应的稳燃效果,提高着火区的高煤粉浓度和挥发分浓度(空间浓度)是降低着火温度、提高稳燃能力的重要措施。在煤粉气流的预热阶段,着火热一方面要加热煤粉本身到着火温度,另一方面要加热输送介质到着火温度。煤粉的输送浓度越大,用来输送煤粉所需的气体介质比例越小,用来加热输送介质的热量就越少,同样煤质下所需的着火热就降低了;另外,由于着火区域煤的挥发分浓度提高,也使着火温度降低。因此,高浓度煤粉容易着火和稳燃。富氧微油燃烧器就是利用提高煤粉浓度使一小部分煤粉预先着火,形成小火焰,然后利用其生成的热量去点燃整个一次风煤粉,即小火点大火原理而实现燃烧稳定。1.2煤粉燃烧的微油燃烧机理富氧微油燃烧器由外套筒和设置在外套筒内的中心筒构成,一次风管与燃烧器的外套筒对接并固定连接为一体结构,油燃烧导管以45°的倾角插设在中心筒管上,其构造如图1所示。雾化极好的富氧和燃油的混合物燃烧产生的高温油火焰引入煤粉燃烧器一级燃烧区,当浓相煤粉通过气化燃烧高温火核时,煤粉温度急剧升高、破裂粉碎,释放出大量的挥发分,在极短的时间内迅速着火燃烧。已着火燃烧的浓相煤粉在次级燃烧区与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉。富氧微油燃烧器实现了煤粉的分级燃烧,燃烧能量逐级放大,达到点火并加速煤粉燃烧的目的,从而大幅度减少了煤粉燃烧所需的引燃能量。为防止燃烧器烧坏和在燃烧器内发生结渣,采用多级气膜冷却风保护喷口安全。1.3富氧微油点火稳燃系统富氧微油点火稳燃系统创造性地利用雾化极好的富氧和燃油的混合物所燃烧释放的热能,在一次风煤粉喷口内形成3T区域(Temperature——温度、Turbulence——湍流度及Time——时间),即在稳燃回流区内使煤粉具有较高的温度与较强的湍流度,提前了点火时间,将顺流相遇的浓相煤粉进行持续加热,使煤粉达到燃点而着火。由于富氧气体浓度高、反应快、燃烧温度高,使稳燃回流区迅速达到高温状态,迅速加热引燃整个喷口的一次风煤粉,实现该燃烧器一次风煤粉喷口的可靠点火与稳燃。在锅炉启动点火、低负荷运行时,容易发生一次风煤粉喷口灭火。在稳燃回流区内注入富氧雾化油气混合物,使一次风出口内的温度始终高于煤粉着火温度,确保稳燃回流区的高温状态,避免了高水分、煤质波动导致燃烧器一次风煤粉喷口的灭火,实现了该燃烧器一次风煤粉喷口可靠的点火稳燃,确保在煤的应用基含水率和煤质发生波动的情况下,锅炉能安全高效地稳定运行,避免锅炉灭火引发重大安全事故。富氧微油点火稳燃系统主要由油系统、制氧系统、点火系统、火焰检测系统、油燃烧器、控制系统(燃油源控制柜、燃油分配柜、富氧气源控制柜、富氧气分配柜、终端控制柜、中央控制柜)、管道及阀门等组成。富氧微油点火稳燃系统如图2所示。2氧气微油燃烧法的稳定性能2.1高温回流区的存在,使火焰传播更加稳定燃烧器出口端的内壁上设有向内凸起的挡块,如果它是不良流体,即非流线形物体,煤粉空气混合物流过后,在其尾迹区形成回流涡漩,即内回流区。内回流区内湍流混合强烈,回流烟气温度达1000℃以上,为煤粉气流的着火过程提供稳定的热源。内回流区边界处的湍流强度较大,能使其中的热量迅速传给主气流;同时煤粉气流因挡块的存在而改变运动方向时,煤粉颗粒会因惯性作用而继续向前运动,使回流区外边界附近的煤粉浓度显著增大,且气流的平均速度减慢,回流区边界附近的煤粉颗粒停留时间延长,改善了煤粉气流的着火条件,增强了火焰的稳定性,具有明显的稳燃能力。富氧微油燃烧器是利用气化燃油富氧燃烧产生的有利于着火的高温回流区,使火焰传播速度加快,提高了火焰的稳定性,同时由于氧浓度的提高也大大加快了火焰的传播;另外,回流区低速区的存在使得具有较低火焰传播速度的燃烧介质的着火火焰能够稳定存在,提高了火焰的稳定性。回流区外层是温度较低的二次风,起助燃作用。对煤粉的着火起决定作用的是煤粉气流与高温烟气的接触与热交换,因此,本文重点研究一次风的流场特性。2.2富氧微油点火稳定的将源地流体在回流区的内燃效果本文采用数值计算方法进行计算分析,数值计算中的边界条件与某电厂实际运行条件相同,点火时一次风温为300K,风速为23m/s,壁面温度为1200K,氧气纯度为90%,且入口处煤粉浓度可以调节。由于油枪侧的油雾在高浓度氧中汽化、燃烧,此反应过程又牵涉到气-液两相流的流动与燃烧过程,反应过程极其复杂,为了便于简化计算,本文把油枪侧油雾在氧气中的燃烧进行简化,认为其燃烧产物只有高温CO2。计算采用三维网格,网格数为14678,算法采用“计算单元内颗粒源项算法”(PSIC),其中,气相场计算采用SIMPLE算法。模拟出的一次风流场分布如图3所示,从图3中可明显看出回流区的形状变化。高温流体的热量随回流带到燃烧器出口部位,流体的脉动及流体的卷吸使高温回流流体与煤粉气流之间发生热、质交换,加热煤粉气流,直至着火燃烧。所以,燃烧器的煤粉气流是在回流剪切层附近开始着火燃烧的,并由内向外扩展。回流区向煤粉气流提供的着火热来源于两方面:一是回流高温烟气的热量,其大小既取决于回流烟气温度的高低和回流量的多少,又取决于回流烟气与风粉气流混合的强烈程度;二是进入回流区中煤粉颗粒的燃烧热,其量取决于进入回流区的煤粉颗粒量及其在回流区的燃烧程度。富氧微油点火稳燃效果如图4所示。在风粉气流与回流区之间的剪切层边界上,风粉气流与回流区流体之间发生热交换。沿流体的流动方向,剪切层不同位置将发生方向或大小不同的热交换过程。刚从燃烧器流出的风粉气流受到回流区高温流体的加热,为煤粉的加热、水分蒸发、挥发分析出等过程提供热源,热流方向是由回流流体指向风粉气流。在剪切层后部区域,在挥发分充分燃烧并有部分焦炭也开始燃烧,风粉气流温度大幅度提高的情况下,热流方向由风粉气流指向回流区;当风粉气流中燃烧所产生的热量不足以大幅度提高其温度时,热流方向仍然由回流区指向风粉气流。维持回流区高温流体温度的条件是,在火焰根部区域,从回流区传递给风粉气流的热量应与剪切层尾部区域由风粉气流传递给回流区流体的热量保持平衡。富氧燃烧器的特殊构造能够让风粉气流中较多的煤粉颗粒,尤其是粗煤粉颗粒进入回流区,对强化燃料的燃烧是很有利的:一方面,煤粉在回流区内有较多的停留时间,对粗煤粉燃尽有利;另一方面,煤粉在回流区内燃烧可为回流流体补充一部分热量。同时,在风粉气流与回流区之间的剪切层边界还发生质交换。刚从燃烧器流出的风粉气流动能较高,将回流区流体卷吸到其内表面与风粉气流平行流动,在剪切层后部区域,风粉气流的动能沿风粉气流流向明显降低,卷吸能力减弱;相反,在流动过程中风粉气流范围扩张,回流区宽度尺寸逐渐变小,部分风粉气流因被挤压而穿过剪切层进入回流区,并折向作反向流动,成为回流流体。回流区流体质量的守衡条件是在火焰根部被风粉气流卷吸的回流区流体的质量应与剪切层后部由风粉气流折回至回流区的流体质量平衡状态。另外,在剪切层边界上,在风粉气流与回流区之间还存在固相(煤粉)颗粒的交换。剪切层流体的脉动是风粉气流与回流流体之间的气相质交换和固相质交换的动力,但脉动速度较小,仅为主流速度的百分之几(比主流速度约小2个数量级),对固相质交换而言,流体脉动只会导致极微细煤粉颗粒的随机迁移。另一类固相质交换是随被卷吸的回流流体带出回流区和随被挤压的风粉气流进入回流区的气相交换过程中发生的。富氧微油燃烧器使更多的煤粉进入回流区着火燃烧并反复循环,也提高了中心回流区的烟气温度,从而强化了高温烟气对煤粉气流的加热。另外,该燃烧器存在较大的富氧燃烧区,对减少NOX的生成十分有利。2.3高温区火炬的形成油枪出口截面温度场计算结果如图5、图6所示。煤粉气流在靠近油枪的一侧着火后,火焰中心(即高温区)逐渐向另一侧移动,在出口形成一个向外扩展的火炬。由图6可知,出口截面的计算温度场与理论分析是相符合的。2.4煤粉气流最佳温度与燃烧反应平衡模型煤粉质量浓度为0.2kg煤粉/kg风时,沿z轴的轴向温度场如图7所示。图7中每点的温度为在对应轴向距离(z向)上,且r=0.189m的环线上的所有网格的温度的平均值。对着火点的判定采用Semenov着火理论。在煤粉着火前,一次风煤粉主要靠从高温CO2获得的辐射热和对流热而升温。随着靠近油枪处的煤粉气流温度的升高,其从高温CO2获得的热能减少,则温升趋缓,当温升快的煤粉气流达到一定温度,挥发分开始析出着火,则煤粉气流温升逐渐加剧,从此处(即温度曲线的拐点)起,煤粉气流开始着火。该点的数学条件为:dTdx≥0‚(1)dTdx=0。(2)dΤdx≥0‚(1)dΤdx=0。(2)式中,T为温度,K;x为坐标轴。由图7可见,计算所得的最高温度点较高。其原因是对气相场的湍流燃烧模拟采用的是PDF与局部瞬时反应平衡模型,该模型忽略了燃烧反应中动力作用的影响,使挥发分中的CH4及CO的反应比实际要迅速,故最高温度点偏高。当温度到达最高点后,温度有所下降,这是由于局部缺氧抑制了燃烧造成的;同时,前段着火燃烧产生的CO2,H2O和