富氧微油點火與穩燃系統

0低負荷下穩定燃燒中國有很多低蒸發煤資源，比如貧煤和無煙煤，但這些煤礦的分解率低，火災溫度高，燃料消耗低，因此很難燃燒和燃燒。在低負荷下運行時,由于爐膛溫度降低,燃燒穩定性變差,須投油助燃,這增加了發電成本、降低了機組運行的經濟性。為了提高中小機組運行的經濟性,實現劣質煤粉的點火與低負荷下的穩定燃燒,需要進行燃燒調整和燃燒器設備改造。富氧微油燃燒器的點火與穩燃技術是在微油氣化燃燒技術的基礎上開發出來的,能夠保證穩燃回流區的高溫狀態。本文對其點火及穩燃機理和特性進行介紹。1氧氣微油燃燒機的點火和穩定燃燒1.1煤的揮發分含量煤粉的燃燒過程一般要經歷3個階段:煤粉氣流的預熱階段、煤粉的著火燃燒階段和燃盡階段。煤粉火焰的著火和穩定燃燒主要取決于煤粉氣流的預熱階段,在這一階段中,煤粉氣流被加熱,使水分第3期李新夢,等:富氧微油燃燒器的點火與穩燃特性研究·15·蒸發,揮發分充分析出并被加熱到著火溫度。但其所需熱量即著火熱必須由外部提供,著火溫度低,著火熱就越小,就越容易著火。褐煤、煙煤的揮發分含量高,易著火及穩燃;貧煤、無煙煤的揮發分含量低,著火區域的揮發物濃度低(空間濃度),著火溫度要求高,因而不易著火和穩燃。由此可見,煤的揮發分含量極大地影響著火溫度和相應的穩燃效果,提高著火區的高煤粉濃度和揮發分濃度(空間濃度)是降低著火溫度、提高穩燃能力的重要措施。在煤粉氣流的預熱階段,著火熱一方面要加熱煤粉本身到著火溫度,另一方面要加熱輸送介質到著火溫度。煤粉的輸送濃度越大,用來輸送煤粉所需的氣體介質比例越小,用來加熱輸送介質的熱量就越少,同樣煤質下所需的著火熱就降低了;另外,由于著火區域煤的揮發分濃度提高,也使著火溫度降低。因此,高濃度煤粉容易著火和穩燃。富氧微油燃燒器就是利用提高煤粉濃度使一小部分煤粉預先著火,形成小火焰,然后利用其生成的熱量去點燃整個一次風煤粉,即小火點大火原理而實現燃燒穩定。1.2煤粉燃燒的微油燃燒機理富氧微油燃燒器由外套筒和設置在外套筒內的中心筒構成,一次風管與燃燒器的外套筒對接并固定連接為一體結構,油燃燒導管以45°的傾角插設在中心筒管上,其構造如圖1所示。霧化極好的富氧和燃油的混合物燃燒產生的高溫油火焰引入煤粉燃燒器一級燃燒區,當濃相煤粉通過氣化燃燒高溫火核時,煤粉溫度急劇升高、破裂粉碎,釋放出大量的揮發分,在極短的時間內迅速著火燃燒。已著火燃燒的濃相煤粉在次級燃燒區與稀相煤粉混合并點燃稀相煤粉。富氧微油燃燒器實現了煤粉的分級燃燒,燃燒能量逐級放大,達到點火并加速煤粉燃燒的目的,從而大幅度減少了煤粉燃燒所需的引燃能量。為防止燃燒器燒壞和在燃燒器內發生結渣,采用多級氣膜冷卻風保護噴口安全。1.3富氧微油點火穩燃系統富氧微油點火穩燃系統創造性地利用霧化極好的富氧和燃油的混合物所燃燒釋放的熱能,在一次風煤粉噴口內形成3T區域(Temperature——溫度、Turbulence——湍流度及Time——時間),即在穩燃回流區內使煤粉具有較高的溫度與較強的湍流度,提前了點火時間,將順流相遇的濃相煤粉進行持續加熱,使煤粉達到燃點而著火。由于富氧氣體濃度高、反應快、燃燒溫度高,使穩燃回流區迅速達到高溫狀態,迅速加熱引燃整個噴口的一次風煤粉,實現該燃燒器一次風煤粉噴口的可靠點火與穩燃。在鍋爐啟動點火、低負荷運行時,容易發生一次風煤粉噴口滅火。在穩燃回流區內注入富氧霧化油氣混合物,使一次風出口內的溫度始終高于煤粉著火溫度,確保穩燃回流區的高溫狀態,避免了高水分、煤質波動導致燃燒器一次風煤粉噴口的滅火,實現了該燃燒器一次風煤粉噴口可靠的點火穩燃,確保在煤的應用基含水率和煤質發生波動的情況下,鍋爐能安全高效地穩定運行,避免鍋爐滅火引發重大安全事故。富氧微油點火穩燃系統主要由油系統、制氧系統、點火系統、火焰檢測系統、油燃燒器、控制系統(燃油源控制柜、燃油分配柜、富氧氣源控制柜、富氧氣分配柜、終端控制柜、中央控制柜)、管道及閥門等組成。富氧微油點火穩燃系統如圖2所示。2氧氣微油燃燒法的穩定性能2.1高溫回流區的存在,使火焰傳播更加穩定燃燒器出口端的內壁上設有向內凸起的擋塊,如果它是不良流體,即非流線形物體,煤粉空氣混合物流過后,在其尾跡區形成回流渦漩,即內回流區。內回流區內湍流混合強烈,回流煙氣溫度達1000℃以上,為煤粉氣流的著火過程提供穩定的熱源。內回流區邊界處的湍流強度較大,能使其中的熱量迅速傳給主氣流;同時煤粉氣流因擋塊的存在而改變運動方向時,煤粉顆粒會因慣性作用而繼續向前運動,使回流區外邊界附近的煤粉濃度顯著增大,且氣流的平均速度減慢,回流區邊界附近的煤粉顆粒停留時間延長,改善了煤粉氣流的著火條件,增強了火焰的穩定性,具有明顯的穩燃能力。富氧微油燃燒器是利用氣化燃油富氧燃燒產生的有利于著火的高溫回流區,使火焰傳播速度加快,提高了火焰的穩定性,同時由于氧濃度的提高也大大加快了火焰的傳播;另外,回流區低速區的存在使得具有較低火焰傳播速度的燃燒介質的著火火焰能夠穩定存在,提高了火焰的穩定性。回流區外層是溫度較低的二次風,起助燃作用。對煤粉的著火起決定作用的是煤粉氣流與高溫煙氣的接觸與熱交換,因此,本文重點研究一次風的流場特性。2.2富氧微油點火穩定的將源地流體在回流區的內燃效果本文采用數值計算方法進行計算分析,數值計算中的邊界條件與某電廠實際運行條件相同,點火時一次風溫為300K,風速為23m/s,壁面溫度為1200K,氧氣純度為90%,且入口處煤粉濃度可以調節。由于油槍側的油霧在高濃度氧中汽化、燃燒,此反應過程又牽涉到氣-液兩相流的流動與燃燒過程,反應過程極其復雜,為了便于簡化計算,本文把油槍側油霧在氧氣中的燃燒進行簡化,認為其燃燒產物只有高溫CO2。計算采用三維網格,網格數為14678,算法采用“計算單元內顆粒源項算法”(PSIC),其中,氣相場計算采用SIMPLE算法。模擬出的一次風流場分布如圖3所示,從圖3中可明顯看出回流區的形狀變化。高溫流體的熱量隨回流帶到燃燒器出口部位,流體的脈動及流體的卷吸使高溫回流流體與煤粉氣流之間發生熱、質交換,加熱煤粉氣流,直至著火燃燒。所以,燃燒器的煤粉氣流是在回流剪切層附近開始著火燃燒的,并由內向外擴展。回流區向煤粉氣流提供的著火熱來源于兩方面:一是回流高溫煙氣的熱量,其大小既取決于回流煙氣溫度的高低和回流量的多少,又取決于回流煙氣與風粉氣流混合的強烈程度;二是進入回流區中煤粉顆粒的燃燒熱,其量取決于進入回流區的煤粉顆粒量及其在回流區的燃燒程度。富氧微油點火穩燃效果如圖4所示。在風粉氣流與回流區之間的剪切層邊界上,風粉氣流與回流區流體之間發生熱交換。沿流體的流動方向,剪切層不同位置將發生方向或大小不同的熱交換過程。剛從燃燒器流出的風粉氣流受到回流區高溫流體的加熱,為煤粉的加熱、水分蒸發、揮發分析出等過程提供熱源,熱流方向是由回流流體指向風粉氣流。在剪切層后部區域,在揮發分充分燃燒并有部分焦炭也開始燃燒,風粉氣流溫度大幅度提高的情況下,熱流方向由風粉氣流指向回流區;當風粉氣流中燃燒所產生的熱量不足以大幅度提高其溫度時,熱流方向仍然由回流區指向風粉氣流。維持回流區高溫流體溫度的條件是,在火焰根部區域,從回流區傳遞給風粉氣流的熱量應與剪切層尾部區域由風粉氣流傳遞給回流區流體的熱量保持平衡。富氧燃燒器的特殊構造能夠讓風粉氣流中較多的煤粉顆粒,尤其是粗煤粉顆粒進入回流區,對強化燃料的燃燒是很有利的:一方面,煤粉在回流區內有較多的停留時間,對粗煤粉燃盡有利;另一方面,煤粉在回流區內燃燒可為回流流體補充一部分熱量。同時,在風粉氣流與回流區之間的剪切層邊界還發生質交換。剛從燃燒器流出的風粉氣流動能較高,將回流區流體卷吸到其內表面與風粉氣流平行流動,在剪切層后部區域,風粉氣流的動能沿風粉氣流流向明顯降低,卷吸能力減弱;相反,在流動過程中風粉氣流范圍擴張,回流區寬度尺寸逐漸變小,部分風粉氣流因被擠壓而穿過剪切層進入回流區,并折向作反向流動,成為回流流體。回流區流體質量的守衡條件是在火焰根部被風粉氣流卷吸的回流區流體的質量應與剪切層后部由風粉氣流折回至回流區的流體質量平衡狀態。另外,在剪切層邊界上,在風粉氣流與回流區之間還存在固相(煤粉)顆粒的交換。剪切層流體的脈動是風粉氣流與回流流體之間的氣相質交換和固相質交換的動力,但脈動速度較小,僅為主流速度的百分之幾(比主流速度約小2個數量級),對固相質交換而言,流體脈動只會導致極微細煤粉顆粒的隨機遷移。另一類固相質交換是隨被卷吸的回流流體帶出回流區和隨被擠壓的風粉氣流進入回流區的氣相交換過程中發生的。富氧微油燃燒器使更多的煤粉進入回流區著火燃燒并反復循環,也提高了中心回流區的煙氣溫度,從而強化了高溫煙氣對煤粉氣流的加熱。另外,該燃燒器存在較大的富氧燃燒區,對減少NOX的生成十分有利。2.3高溫區火炬的形成油槍出口截面溫度場計算結果如圖5、圖6所示。煤粉氣流在靠近油槍的一側著火后,火焰中心(即高溫區)逐漸向另一側移動,在出口形成一個向外擴展的火炬。由圖6可知,出口截面的計算溫度場與理論分析是相符合的。2.4煤粉氣流最佳溫度與燃燒反應平衡模型煤粉質量濃度為0.2kg煤粉/kg風時,沿z軸的軸向溫度場如圖7所示。圖7中每點的溫度為在對應軸向距離(z向)上,且r=0.189m的環線上的所有網格的溫度的平均值。對著火點的判定采用Semenov著火理論。在煤粉著火前,一次風煤粉主要靠從高溫CO2獲得的輻射熱和對流熱而升溫。隨著靠近油槍處的煤粉氣流溫度的升高,其從高溫CO2獲得的熱能減少,則溫升趨緩,當溫升快的煤粉氣流達到一定溫度,揮發分開始析出著火,則煤粉氣流溫升逐漸加劇,從此處(即溫度曲線的拐點)起,煤粉氣流開始著火。該點的數學條件為:dTdx≥0?(1)dTdx=0。(2)dΤdx≥0?(1)dΤdx=0。(2)式中,T為溫度,K;x為坐標軸。由圖7可見,計算所得的最高溫度點較高。其原因是對氣相場的湍流燃燒模擬采用的是PDF與局部瞬時反應平衡模型,該模型忽略了燃燒反應中動力作用的影響,使揮發分中的CH4及CO的反應比實際要迅速,故最高溫度點偏高。當溫度到達最高點后,溫度有所下降,這是由于局部缺氧抑制了燃燒造成的;同時,前段著火燃燒產生的CO2,H2O和