一维炉内煤粉气流富氧着火距离试验
0 引 言
可再生能源大规模并网而导致弃风弃光现象在我国三北地区十分常见,因此国家大力推进火电机组灵活性改造。洪军等[1]指出火电锅炉在深度调峰过程中,面临煤粉着火稳定性差的问题。而我国目前常用的火电锅炉稳燃技术(根据煤粉气流点燃方式)可分为内燃式点火技术和外燃式点火技术2类。其中,内燃式点火技术是将煤粉气流在燃烧器内部点燃,然后煤粉气流以着火状态进入炉膛,这种点火方式具有煤粉着火效果好且节能明显的优势,其主要代表技术是微油点火技术[2]、富氧点火技术[3-5]和等离子点火技术[6-7],但该类点火技术的主要不足之处在于煤粉在燃烧器内部着火时,有可能导致燃烧器发生超温、烧损、结焦、油煤“和泥”等问题,且等离子发生器还有易烧蚀、漏水等现象[8]。另一种是外燃式点火技术,该技术将煤粉气流送入炉膛后,利用炉内热量(主要以火焰辐射和热烟气对流卷吸换热方式)将煤粉气流点燃,其主要代表技术是大油枪点火和低负荷稳燃燃烧器[9]等,这种点燃方式的优点主要在于燃烧器安全性较好,设备可靠性高,操作简单,但大油枪点火经济性较差;而低负荷稳燃燃烧器的不足之处在于需较大过量空气系数才能实现稳燃。赵俊杰等[10]研究表明锅炉额定负荷运行时过量空气系数为1.10~1.25,但低负荷运行时需增至1.50~1.60,由此带来一系列不良后果。武捷[11]研究发现过多的空气在炉内吸收了大量热量,使低负荷时炉膛出口烟温比额定负荷降低150 ℃左右;顾庆华等[12]发现低负荷运行时,由于炉膛出口烟温降低,催化剂无法达到正常投运所允许的最低温度值,造成氨逃逸增加,以及硫酸氢铵液化堵塞、腐蚀空预器等。较大的过量空气系数也导致低负荷运行时NOx排放量大幅增加。
进一步研究新的燃煤锅炉灵活性调峰过程中的超低负荷稳燃方法,实现在低过量空气系数条件下的炉内点燃煤粉,具有重要意义,不仅能提高煤粉燃烧器等关键设备的安全性,且能够解决目前锅炉低负荷运行时存在的上述问题。
大量文献研究结果指出,富氧燃烧是改善煤粉着火性能的有效方法[13-14]。刘国伟等[4]指出氧气浓度对煤粉气流着火温度有显著影响,当助燃气体为纯氧时,无烟煤的着火温度下降了362 ℃,贫煤和烟煤分别下降了351和341 ℃。
一维下行炉是目前进行煤粉燃烧试验和污染物排放的理想设备,能够消除重力和浮力对流场的影响,具有一维空间的流场和温度场的特性,还能进行分级燃烧、富氧燃烧和烟气再循环等过程的试验研究[15-16]。
着火距离是分析火电锅炉煤粉气流着火性能的关键参数,较理想的煤粉气流着火距离为300~500 mm,煤粉气流着火过早,易发生燃烧器喷口超温、结焦,甚至烧损;煤粉气流着火过晚,易导致煤粉燃烧不稳定,甚至炉膛负压波动[17]。黄新元[18]研究表明超低负荷运行时煤粉气流着火不稳定主要表现为煤粉气流着火推迟,即煤粉气流着火距离增加。
因此,为探索火电锅炉利用氧气实现稳燃的原理及方法,搭建一维炉煤粉气流着火试验台,重现煤粉气流在炉内的实际着火条件,试验研究氧气浓度、一次风速和煤粉浓度对烟煤煤粉气流着火特性的影响,并根据试验数据拟合煤粉气流着火距离的计算公式,为火电锅炉实现低过量空气系数的富氧稳燃提供相应的理论支持和数据支持。
1 试验装置
一维炉煤粉气流富氧着火特性试验台如图1所示。
图1 一维炉富氧着火试验系统
Fig.1 One-dimensional furnace set up for oxygen-richer ignition
该试验台总体高度4.5 m,最大燃煤量15 kg/h;燃烧效率不低于90%,配置有除渣口、观测孔、取样测点、温度测点、压力测点,采用平衡通风方式。
炉本体主要包括加热段、燃烧段和出口段。加热段主要由燃烧器接口、浇注层、加热层、硬保温层、软保温层、测点和观察孔组成。浇筑层采用密度2 700 kg/m3、耐热温度不低于1 300 ℃莫来石浇筑而成;保温层采用密度300 kg/m3、耐热温度不低于1 300 ℃的含锆保温板保温材质。
试验台主要设备参数及运行方式如下:
1)送风系统:主要设备有风机和手动调节阀,风机的压头P=2 000 Pa,流量Q=100 m3/h。由于试验中一次风量和二次风量均较小(一次风量为15~30 m3/h,二次风量(即周界风量)为5~10 m3/h),均在气体涡轮流量计的测量范围内,其工作范围最小流量Qmin=2.0 m3/h、最大流量Qmax=20Qmin、误差δ=±5%。在试验过程中,风量的调节方法为:在风机的吸风口处放置遮挡物进行粗调,然后用风机变频方式进行细调,最后通过手动调节阀将一、二次风的流量精确调整到相应试验工况。
2)氧气系统:主要设备有氧气瓶组、手动调节阀和气体涡轮流量计。氧气瓶额定工作压力10 MPa。氧气流量用气体涡轮流量计测量,其工作范围Qmin=0.6 m3/h,Qmax=20Qmin,误差δ=±5%。手动调节阀用于调节氧气流量。
3)气体加热系统:主要设备是气体加热器,功率20 kW。利用该设备可将一次风的温度加热至50~150 ℃,二次风(周界风)可加热至200~300 ℃,且温度可调。
4)给粉系统:主要设备有煤粉仓和螺旋给料机。其中螺旋给料机转速宜在10~100 r/min调节,相应煤粉出力为0.03~0.30 kg/min,试验前对螺旋给料机进行出力标定,取多次标定的平均值作为最终出力,误差小于4.2%。螺旋给料机的出粉口伸入到风管内部,并延一次风流动方向倾斜一定角度,一次风流过该处时产生卷吸,在出粉口处形成负压,使煤粉均匀稳定流出,与一次风混合后,通过一次风携带进入一维炉本体。
5)烟气处理系统:主要由冷却器和除尘器组成。采用喷淋方式降低烟温,废水排地沟,除尘器采用布袋除尘方式。
6)引风机:变频调节,引风机压头为P=3 000 Pa,流量Q=300 m3/h;试验过程中,通过调节引风机的风量,将燃烧室内的压力调节到-50~-100 Pa。
7)一维炉本体的加热段:加热段是本试验台的核心设备,主要由莫来石浇筑层、发热电阻丝及保温层组成,如图2所示。
图2 一维炉加热段
Fig.2 Heating section in one-dimensional furnace
加热段的燃烧室的内径φ1=100 mm,长度L=1 500 mm,煤粉气流入口φ2=15 mm,周界风入口直径φ3=20 mm。燃烧器外径φ3与燃烧室内径φ1的比值通过湍流流动的模化理论确定,(φ3/φ1=20 mm/100 mm=1/5),因此煤粉气流进入燃烧室后能自由卷吸周围的高温烟气,使试验工况更好地接近锅炉实际工况。
炉内加热温度由可控硅电控柜控制,在1 200 ℃ 内可调。煤粉燃烧生成的高温烟气在燃烧室内的流动雷诺数≥2 300,达到湍流流动状态,保证着火试验过程接近锅炉实际情况。试验过程中,可通过缝隙式观火孔观察燃烧室内煤粉气流的着火位置。试验台照片如图3所示。
图3 一维炉试验台照片
Fig.3 Photo of one-dimensional furnace set up
2 试验材料及方法
2.1 试验材料
试验用煤为烟煤,煤质分析见表1(R90为煤粉细度)。
表1 煤质分析
Table 1 Quality analysis of coal
2.2 试验方法
如前所述,着火距离是分析火电锅炉煤粉气流着火是否及时的关键参数(煤粉气流着火距离指从燃烧器喷口到煤粉气流燃点之间的距离),因此,选择着火距离作为评价煤粉气流着火性能的表征参数进行详细研究。
试验中,通过石英玻璃观察煤粉气流是否成功着火,当观察到形成连续稳定的群燃火焰时,认为煤粉气流开始着火。着火距离的确定方法为:用一根内径10 mm的不锈钢垂直放置于缝隙式观火孔处,从燃烧器喷口标高处向下移动该不锈钢管,当管内初次出现连续火焰时,该位置即为煤粉气流着火位置,然后测量此位置到燃烧器喷口标高处的距离,即为着火距离,试验的测量误差小于5 mm。
2.3 试验工况
影响煤粉气流在一维炉内着火特性的因素主要有一维炉内壁温、氧气体积分数φ、一次风速v和煤粉质量分数ω。其中,一维炉壁温根据锅炉低负荷运行时燃烧器区域的烟气温度确定为1 100 ℃。根据容銮恩等[19]指出的烟煤煤粉气流温度的合理范围,一次风温取为80 ℃。一次煤粉气流的氧气体积分数为21%~35%;根据锅炉实际运行参数,一次风速为18~33 m/s;煤粉质量分数为0.2~0.6 kg/kg。
3 试验结果及分析
大量文献研究表明氧气浓度对煤粉气流的着火具有十分重要的影响。同时,许开龙等[20]研究发现一次风速影响煤粉气流的湍流强度和停留时间,进而改变了煤粉颗粒群的着火距离。
因此试验研究了氧气体积分数和一次风速对着火距离的影响。本组试验煤粉质量分数为0.4 kg/kg,氧气体积分数分别为21%(空气)、25%、30%和35%,一次风速分别为18、23、28和33 m/s,试验结果如图4所示。
图4 氧气体积分数和一次风速对煤粉气流着火距离的影响
Fig.4 Effect of oxygen concentration and primary air velocity on ignition distance of pulverized coal
3.1 氧气浓度对着火距离的影响
由图4可知,氧气浓度对煤粉气流着火距离有显著影响。特别是当氧气浓度较低时,曲线斜率较大,而随氧气浓度增大,曲线斜率逐渐变小。当v=28 m/s、氧气体积分数由21%增至25%时,其对应着火距离从832 mm降至502 mm,着火距离变化率为82.5 mm/1%(氧气浓度变化1%,着火距离缩短82.5 mm);而当氧气体积分数由30%增至35%时,其着火距离由343 mm降至277 mm,着火距离变化率仅为13.2 mm/1%。因此,当氧气浓度较低时,氧气浓度的变化对煤粉着火距离的影响较大,而随氧气浓度升高,其对着火距离的影响逐渐减小。造成这种现象的原因可以解释为:当氧气浓度较低时,煤粉着火处于扩散燃烧控制区,此时较低的氧气浓度是影响煤粉燃烧的重要因素,因此随着氧气浓度的升高,燃烧速度明显加快,着火距离相应缩短。而随着氧气浓度的逐渐上升,氧气浓度已不再是制约煤粉颗粒群着火的最重要因素,煤粉燃烧进入过渡燃烧控制区,甚至进入了动力扩散区,此时制约煤粉着火的是化学反应动力学,继续增大氧气对加快燃烧的影响逐渐变小。
3.2 一次风速对着火距离的影响
由图4可知,一次风速对煤粉气流的着火距离有显著影响。当一次风速较低时,曲线的斜率较小,而随着一次风速的增大,曲线的斜率逐渐变大。当φ=25%、一次风速v由18 m/s增至23 m/s时,对应的着火距离由380 mm增至418 mm,着火距离变化率为7.6 mm/(1 m/s)(表示一次风速变化1 m/s,着火距离改变7.6 mm),而当一次风速由28 m/s增至33 m/s时,其对应的着火距离由502 mm增至652 mm,着火距离变化率为30 mm/(1 m/s)。造成这种现象的原因可能为:① 当一次风速增大时,意味着一次风量也随之增大,因此将煤粉气流加热至着火温度所需着火热同步增大,导致着火距离增加;② 由于本组试验中煤粉浓度保持不变,即一次风量增大时,煤粉量随之增大,进一步导致煤粉气流着火热增加,从而增大了着火距离;③ 由于一次风速增加,煤粉气流在同样着火时间内将流动更长距离,引起煤粉气流着火距离进一步增加。这3个原因相互叠加导致出现上述试验现象:随一次风速增加,煤粉气流的着火距离加速增加。
3.3 煤粉浓度影响试验及分析
本组试验主要研究煤粉浓度的变化对煤粉气流着火距离的影响。根据文献[21]研究,当煤粉浓度过高时,挥发分析出总量较高,但煤粉气流中氧量相对不足,因此煤粉气流着火不及时,且过高的煤粉浓度,不仅增加了煤粉气流着火热,还增加了煤粉颗粒之间屏蔽效应,使位于煤粉气流内部的煤粉颗粒难以接受辐射热,这些因素均不利于煤粉的迅速着火。而当煤粉浓度过低时,挥发分析出量较少,不仅燃烧释放出的热量不足,且难以形成集群效应,无法形成群燃火焰,因此煤粉着火也不及时。煤粉浓度对煤粉气流着火距离有较明显影响。
为量化研究煤粉浓度对着火距离的影响程度,本组试验选择了5个煤粉质量分数(0.2、0.3、0.4、0.5 和0.6 kg/kg),分别进行了试验。图5给出了当一次风速=23 m/s,氧气体积分数φ分别为21%(空气)、25%、30%和35%时,煤粉气流着火距离与煤粉浓度的变化关系。
图5 煤粉浓度对煤粉气流着火距离的影响
Fig.5 Effect of pulverized coal concentration on ignition distance of pulverized coal
由图5可知,煤粉浓度对着火距离的影响相对复杂。当煤粉浓度较小时,随着煤粉浓度的增大,着火距离均变小。但当煤粉质量分数增至大于0.4 kg/kg 后,曲线呈不同变化趋势。φ=21%、煤粉质量分数0.4 kg/kg时着火距离最短,此后随煤粉浓度增大,着火距离开始增加,说明φ=21%时最佳煤粉浓度位于0.4 kg/kg附近。φ=25%、煤粉浓度在0.4 ~0.6 kg/kg时,着火距离基本保持不变,最佳煤粉浓度在0.4~0.6 kg/kg。φ=30%和35%、ω=0.6 kg/kg时,着火距离最小,说明最佳煤粉浓度为ω=0.6 kg/kg。考虑到对于实际燃煤锅炉,煤粉浓度很难大于0.6 kg/kg,因此没有进一步增大煤粉浓度来探索其拐点。
上述现象可用文献[21]解释:析出的挥发分完全燃烧时所需的空气与煤粉气流中的空气相等时,即二者化学反应计量比为1∶1时,煤粉气流可获得最快燃烧速度。在本组试验中,当氧气浓度较低时,其对应挥发分数量较少,因此最佳煤粉浓度也较低,而随空气中氧气浓度上升,其对应的挥发分数量随之增加,因此最佳煤粉浓度也同步上升。
对图4、5进行比较,可知图4中曲线的斜率大于图5,即氧气浓度和一次风速对着火距离的影响大于煤粉浓度,且锅炉实际运行中,煤粉浓度(即给煤量)主要由锅炉负荷决定,因此,对于实际燃烧过程,应通过调整氧气浓度和一次风速来调节煤粉气流的着火距离。
4 煤粉着火距离的数学计算模型
重点研究氧气浓度对煤粉气流在一维炉内的着火特性,因此基于火电锅炉低负荷时的典型工况(v=23 m/s,ω=0.4 kg/kg),进行了8个氧气浓度的试验研究,并根据相关试验数据,利用最小二乘法进行了曲线拟合,建立了煤粉气流着火距离和氧气浓度之间的数学模型为
y=208.41 40 321.7×0.81x,
(1)
式中,x为煤粉气流的氧气浓度,%;y为煤粉气流的着火距离,mm。
式(1)基于如下试验条件得出:① 煤质为烟煤;② 一维炉的壁温为1 100 ℃;③ 一次风速为23 m/s,一次风温为80 ℃;④ 煤粉气流浓度为0.4 kg/kg。
该模型的计算值与试验数据比较如图6所示,本次拟合采用的模型是Asymptotic(渐近线模型),其数学形式为y=a-bcx,残差均方62.533,判定系数R2为0.998,表明模型计算值和试验值吻合良好。应指出式(1)基于氧气浓度变化时引起的着火距离变化特征拟合得出,因此只反映氧气浓度与着火距离的关系,并不涉及一次风速和煤粉浓度变化对着火距离的影响。
图6 数学模型计算值与试验值的比较
Fig.6 Comparison of calculated values from mathematical model with experimental values
5 结 论
1)当氧气体积分数较低时,氧气体积分数的变化对着火距离有较大影响,着火距离变化率可达82.5 mm/1%;但随氧气体积分数增大,其对着火距离的影响变得越来越小,着火距离的变化率随之降至13.2 mm/1%。
2)随一次风速增大,煤粉气流的着火距离加速增大。
3)煤粉浓度对着火距离的影响规律:氧气体积分数较小时,其对应的最佳煤粉质量分数也较小,约0.4 kg/kg;氧气体积分数增大时,其对应的最佳煤粉质量分数也同步增大,为0.6 kg/kg。
4)根据试验数据拟合得到了着火距离和氧气体积分数之间的数学模型,根据该模型发现着火距离和氧气体积分数间存在指数函数关系。该模型是在一维炉内,条件为一次风速23 m/s、一次风温80 ℃、煤粉气流浓度为0.4 kg/kg的燃烧工况下试验得出。
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