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煤粉锅炉高温空气无油点火研究

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在一维平面层流煤粉气流着火的数学模型的基础上,发展了一种更加逼近工程实际的一维平面紊流煤粉气流着火模型.在该数学模型的指导下,设计了高温空气煤粉点火试验台.通过大量的空气加热试验和煤粉气流着火试验,对模型进行了实验验证.结果显示,理论模型的计算结果与实验相符合,验证了高温空气煤粉点火技术的可行性.
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D0I:10.13374/j.issn1001-053x.2005.02.041 第27卷第2期 北京科技大学学报 VoL.27 No.2 2005年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2005 煤粉锅炉高温空气无油点火研究 李栋王恒赵立合冯武军陈燕 北京科技大学机械工程学院,北京100083 摘要在一维平面层流煤粉气流着火的数学模型的基础上,发展了一种更加逼近工程实际 的一维平面紊流煤粉气流着火模型.在该数学模型的指导下,设计了高温空气煤粉点火试验 台.通过大量的空气加热试验和煤粉气流着火试验,对模型进行了实验验证.结果显示,理论 模型的计算结果与实验相符合,验证了高温空气煤粉点火技术的可行性. 关键词煤粉气流:紊流:着火模型:高温空气:无油点火 分类号TK16 在电力行业,煤粉悬浮燃烧为锅炉的主要燃 1一维平面紊流煤粉气流的着火 烧方式,启动时通常用油点火,并且在低负荷运 行或煤质不稳定时也需用油来稳燃.随着机组容 模型 量向大型化发展,要求电网中有更多的机组参与 文献[1]提出了一种较为先进的一维平面层 调峰,致使点火和助燃用油大幅增加.因此,开发 流煤粉气流着火的数学模型,该模型较以往颗粒 无油点火与稳燃新技术,有着重要的意义, 群模型有了较大的进步,然而,实际电站锅炉中 目前,煤粉无油点火主要有三种技术,分别 煤粉气流是以湍流的形式喷入炉膛燃烧的,因此 为等离子直接点火、感应式直接点火和激光直接 上述一维层流煤粉气流着火的数学模型仍然与 点火技术.等离子无油点火技术已实现了工程应 实际炉内的情况有较大差别.另外,本文所研究 用,具有快速、适应性广等优点,但阴极棒的烧 的点火方式不同于锅炉燃烧器的炉膛喷燃,属于 损、中心氧化造成的引弧不稳定等问题仍未能较 管内湍流多相反应流动,着火点位于一级管内. 好解决:感应加热无油点火技术具有投资少、运 本文提出了一种一维平面紊流煤粉气流的 行成本低、系统简单等优点,但它也存在着感应 着火模型.该模型不仅详细描述了火焰中的辐射 管内结焦、过热等问题:激光直接点火技术等其 传热、煤粉热解、挥发分燃烧和多相反应等各个 他无油点火技术因为材料、成本、技术等客观原 过程,还考虑了湍流对气相质量及能量扩散的影 因,尚处于实验室研究开发阶段.在这种背景下, 响,使得该模型更加精确地逼近了实际情况.虽 本文提出了一种新型的无油点火技术一高温 然实际管内流动截面大小有限,气流被管壁包 空气煤粉直燃技术,该技术将工业炉窑中先进的 围,但当实际的着火燃烧过程稳定之后,壁面和 高温空气燃烧技术(HTAC)创造性地应用到了煤 气流之间的换热量非常小,可以忽略不计,认为 粉电站锅炉的无油点火中,通过将蓄热室技术和 壁面处的温度与相同轴向位置的气体温度相等, 中频加热技术的有机结合,迅速获得1000℃左右 因此系统可以简化成为一维的,其简化物理模型 的高温空气,并通过对流的方式将热量传递给煤 如图1所示. 粉气流,从而实现煤粉气流的快速、稳定、低NO 11建立数学模型的假设条件 的着火燃烧 (1)煤粉气流是一维、平面、稳态的紊流流动, 所有参数呈一维分布. 收稿日期:200403-19修回日期:200409-16 基金项目:国家“863"计划项目(No.2003AA529280) (2)煤粉气流中气相与颗粒相为等速运动,无 作者简介:李栋(1979一),男,硕士研究生 滑移现象

第 卷 第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 一 煤粉锅炉高温空气无油点火研究 李 栋 王 恒 赵 立 合 冯 武军 陈 燕 北 京科技大 学 机械 工 程 学 院 , 北 京 摘 要 在 一 维 平 面 层 流 煤粉气 流 着 火 的 数 学 模 型 的基 础 上 , 发 展 了 一 种 更 加 逼 近 工 程 实 际 的 一 维 平 面 紊 流 煤粉气 流 着火 模型 在 该 数 学模型 的指 导 下 , 设 计 了 高温 空 气 煤粉 点 火 试验 台 通 过 大量 的 空 气加 热试 验 和 煤粉 气 流着 火试 验 , 对模 型 进行 了实 验验 证 结 果 显 示 , 理 论 模型 的计 算 结 果 与 实验 相 符 合 , 验证 了高 温 空 气 煤粉 点 火 技术 的可 行 性 关键 词 煤粉 气 流 紊 流 着 火模 型 高温 空 气 无 油 点 火 分 类号 在 电力 行 业 , 煤 粉 悬 浮 燃 烧 为锅 炉 的主 要 燃 烧 方 式 , 启动 时通 常 用 油 点 火 , 并且 在 低 负荷 运 行 或 煤质 不稳 定 时也 需用 油来 稳燃 随着 机 组容 量 向大 型化 发展 , 要 求 电网 中有 更 多 的机 组 参 与 调 峰 , 致 使 点火 和 助 燃用 油大幅增 加 因此 , 开 发 无 油 点 火 与 稳 燃 新 技 术 , 有着 重 要 的意义 , 目前 , 煤 粉 无 油 点火 主 要 有 三 种 技 术 , 分 别 为等 离子直 接 点火 、 感 应 式直 接 点火 和 激 光 直接 点火 技 术 等 离 子 无 油 点火 技术 已 实现 了工 程 应 用 , 具 有 快速 、 适 应性 广 等 优 点 , 但 阴极 棒 的烧 损 、 中心 氧 化造 成 的 引弧 不稳 定等 问题 仍未 能较 好 解 决 感 应 加 热 无 油 点火 技 术 具 有 投 资少 、 运 行 成 本低 、 系 统 简 单 等 优 点 , 但 它 也 存 在 着 感 应 管 内结焦 、 过 热 等 问题 激 光 直 接 点火 技 术 等 其 他 无 油 点 火 技 术 因为材 料 、 成 本 、 技 术 等 客 观 原 因 , 尚处 于 实验 室研 究 开 发 阶段 在 这 种 背 景 下 , 本 文 提 出 了 一 种 新 型 的无 油 点 火 技 术 — 高温 空 气煤粉 直燃技 术 该技 术 将 工 业 炉 窑 中先进 的 高温 空 气 燃 烧 技 术 创 造 性 地 应 用 到 了煤 粉 电站锅 炉 的无 油 点火 中 , 通 过将 蓄热 室 技 术 和 中频 加 热技术 的有机 结合 , 迅速 获 得 ℃ 左 右 的高温 空气 , 并通 过对 流 的方 式将热 量 传 递 给 煤 粉 气 流 , 从 而 实现 煤 粉 气 流 的快 速 、 稳 定 、 低 的着 火燃 烧 收 稿 日期 刊 一 修 回 日期 基金项 目 国家 “ ” 计划项 目 作 者 简介 李 栋 一 , 男 , 硕 士 研 究 生 一 维 平 面 紊 流 煤 粉 气 流 的 着 火 模 型 文 献 【 提 出 了一 种 较 为先 进 的 一 维平 面 层 流煤粉 气 流着 火 的数 学模 型 , 该模 型 较 以往 颗 粒 群 模 型 有 了较 大 的进 步 然 而 , 实 际 电站 锅 炉 中 煤粉 气 流 是 以湍 流 的形 式 喷 入炉 膛燃烧 的 , 因 此 上 述 一 维 层 流 煤 粉 气 流 着 火 的数 学 模 型 仍 然 与 实 际 炉 内的情 况 有 较 大 差 别 另 外 , 本 文 所 研 究 的点火 方 式不 同于锅 炉 燃 烧 器 的炉 膛 喷燃 , 属 于 管 内湍 流 多相 反 应 流 动 , 着 火 点位 于 一 级 管 内 本 文 提 出 了 一 种 一 维 平 面 紊 流 煤 粉 气 流 的 着 火模 型 该模 型 不 仅 详 细 描 述 了火焰 中 的辐 射 传 热 、 煤 粉 热 解 、 挥 发 分燃烧 和 多相 反 应 等 各 个 过 程 , 还考 虑 了湍 流 对 气 相 质 量 及 能量 扩 散 的影 响 , 使 得 该 模型 更 加 精 确 地 逼 近 了实 际 情 况 虽 然 实 际 管 内流 动 截 面 大 小 有 限 , 气 流 被 管 壁 包 围 , 但 当实 际 的着 火 燃烧 过 程 稳 定之 后 , 壁 面 和 气 流 之 间 的换 热 量 非 常 小 , 可 以忽 略 不 计 , 认 为 壁 面 处 的温 度 与相 同轴 向位 置 的气 体温度 相 等 , 因此 系 统 可 以简化 成 为一 维 的 , 其 简化 物 理模 型 如 图 所 示 建 立数 学模 型 的假 设 条 件 煤粉 气 流 是 一 维 、 平 面 、 稳 态 的紊 流 流动 , 所 有 参 数 呈 一 维 分 布 煤 粉 气 流 中气 相 与颗 粒 相 为等 速 运 动 , 无 滑 移 现 象 DOI :10.13374/j .issn1001—053x.2005.02.041

Vol.27 No.2 李栋等:煤粉锅炉高温空气无油点火研究 ·165· T,T v 图1物理模型示意图 Fig.1 Sketch of the pbysical model (3)煤粉气流中颗粒与气相不等温,两相之间 传热可用以下两个近似方程来描述: 通过对流换热进行热量交换,Nu=2. gaG-4amr.股-e+号l(⑧) (4)热解时挥发分的析出按两竞争反应进行, 其中,m,为颗粒质量,T,为颗粒温度,n为颗粒数 挥发分的燃烧按碳氢化合物的两步总体反应进 密度,9为辐射热流,G为平均辐射强度,a为煤 行四. 粉气流的辐射吸收系数,σ,煤粉氯流的散射系 (⑤)煤粉表面的非均相反应视为等密度过程, 数,C为颗粒比热容,为黑体辐射常数,q为对 不考虑灰分对反应速度的影响.氧化发生时,CO 流热流量,q为颗粒多相反应热, 和CO2均为初级产物,二者的产量由傅维标等人 1.3着火判据和测点布置 提出的公式确定. 煤的着火特性不仅是燃料本身的特征,也与 (6)不计热解过程的吸热,因为它与表面氧化 环境因素有关.本文以气流温度发生跃变为着火 反应及挥发分燃烧反应放热相比要小得多. 点,起始跃变温度为着火温度 12数学模型的基本方程 采用WBC-57-LB(铂铑10-铂)型热电偶和 煤粉气流的连续方程: T-RIT型双色高温计测量气流的温度,测点的 o.0=0 (1) 布置如图2所示. 气相运动方程: 混合点火室 热电偶线 测管瓷套管 ua,n=0 (2) 其中,Pm为混合物平均密度,U为速度,湍流粘性 系数4=C.Cpp k'le,P,为气流密度,k为湍动能,e为 热电偶头 湍动能耗散率,C,C均为模型的常数. 气相紊流模型方程: w222222n2z2a2a 出a,-r&=Ag-e (3) 图2点火室测点布置图 孟,u-)g-c (4) Fig.2 Scheme of measurement points in the ignition tube 气相组分方程: 1.4实验煤种 omm)-)-s (5) 实验采取了三个不同的煤种,其成分如表1. 气相的能量方程: 表1煤种工业分析数据(质量分数) &o.W&{r脸-s (6) Table 1 Proximate analysis of coals % 电厂 固定碳灰分水分 挥发分 式中,C和C为常数:y为j组分的质量分数:S 吉林电厂 41.47 28.76 6.29 23.48 为组分的源项:S为h,的源项;工为j组分的扩散 抚顺电厂 44.98 26.04 13.94 15.04 通量:,T,为kc,h,的扩散通量:气体的格 黄台电厂56.78 26.18 7.40 9.64 h。=c(T。-T),T,为气流温度,T为环境温度,ca为 1.5计算结果与实验数据的分析 气流的比热容 分别对三种煤种的煤粉气流着火特性进行 颗粒的能量方程: mU密-9贵g 了试验研究,并与计算结果进行了分析比较,部 (7) 分结果如图3.从图上可以看出,理论模型的计算 对于一维煤粉气流,在考虑散射时,其辐射 结果与实验符合较好,证明本模型是可信的

李栋 等 煤 粉 锅 炉 高温 空 气 无 油 点 火 研 究 兀 , 兀 图 物 理模 型 示 意 图 煤粉 气 流 中颗 粒 与气 相 不 等温 , 两相 之 间 通 过对 流 换 热 进 行 热 量 交 换 浏妇 热 解 时挥 发分 的析 出按 两 竞 争反应 进 行 , 挥 发 分 的燃 烧 按 碳 氢 化 合 物 的两 步 总 体 反 应 进 行 煤 粉表 面 的非均 相 反应 视 为等 密度 过 程 , 不考 虑 灰 分 对 反应速 度 的影 响 氧 化 发 生 时 , 和 均 为初 级 产 物 , 二 者 的产 量 由傅 维 标 等 人 提 出 的公 式确 定 ‘ 不 计 热解 过程 的吸 热 , 因为它 与表 面氧 化 反 应 及 挥 发 分 燃 烧 反 应 放 热 相 比 要 小 得 多,, 数 学模 型 的基 本 方 程 煤粉 气 流 的连 续 方 程 备如 。 气 相 运 动 方 程 嗡 幼。 传 热 可 用 以下 两 个 近 似 方程 来 描 述 ‘ , 由 。 , 、 渭罗 一 氏窍 , 尝 一 亏 口 阳 其 中 , 为颗 粒 质 量 , 兀为颗 粒 温 度 , 为颗 粒 数 密 度 , 为辐 射 热 流 , 为 平 均 辐 射 强 度 , 为 煤 粉 气 流 的 辐 射 吸 收 系 数 , 氏 煤 粉 氯 流 的 散 射 系 数 , 为颗 粒 比热 容 , 氏 为 黑 体辐 射 常 数 , 、 为对 流 热 流 量 , 如 为颗 粒 多相 反 应 热 着 火 判 据 和 测 点 布 置 煤 的着 火 特 性 不 仅 是燃 料 本 身 的特 征 , 也 与 环 境 因 素 有 关 本 文 以气 流温 度 发 生跃 变 为着 火 点 , 起 始 跃 变温 度 为着 火 温 度 【 采 用 一 一 铂锗 一 铂 型热 电偶 和 型 双 色 高温 计 测 量 气 流 的温 度 , 测 点 的 布 置 如 图 所 示 瓷套管 立 , 旦醚、 甲 , 产 其 中 , 二 为混 合 物 平 均 密 度 , 为速 度 , 湍 流 粘 性 系数召 沂沂 , 为气 流 密度 , 为湍 动 能 , 为 湍 动 能耗 散率 , , 几 均 为模 型 的常 数 气 相 紊 流 模 型 方 程 , , ,二 、 、 、 宁丁切“ 陇“ ‘ 一炭丁 几炭丁 二 刀」弓于 一 声 叮 犷 少 尸失 少 尸 驴 , , , 、 、 扩 , 一 丫 飞 交丁切 陇一 产 一 豪丁 犷 式’若苦 十 共£粉尸 止 号于 一 氏一 钊 气 相 组 分 方 程, , , 、 一 、 。 丹兰 口 。 口 一弓兰 厂上岑乙 甲 “ ‘ 少了 犷 了 ” 气 相 的能量 方 程 , , 。 、 。 、 。 一井 。 之刀 , “ ‘ , 一 丹兰 八共 卜 凡 犷 ” 。 式 中 , 和 为 常 数 耳为 组 分 的质 量 分 数 尽 为 组 分 的源 项 凡 为 的源 项 刃为 组 分 的扩 散 通 量 几 , 几 , 几 为,凡 的扩 散 通 量 气 体 的焙 。 兀一 , 为 气 流 温 度 , 为 环 境 温 度 , 为 气 流 的 比 热 容 颗 粒 的 能量 方 程 了 、 另交次 二 弓二另多务 之 姗 环止弓‘ 召召么召另 目 热 电偶头 图 点 火 室 测 点 布置 图 代 实验 煤 种 实验 采 取 了三 个 不 同 的煤种 , 其 成 分如表 表 煤 种工 业 分 析数 据 质量 分 数 肠 令 一 如 , 一 等。 对 于 一 维煤粉 气 流 , 在 考 虑 散射 时 , 其 辐 射 电厂 固 定 碳 灰 分 水 分 挥 发分 吉林 电厂 滩 抚 顺 电厂 , 夕 黄 台 电 厂 夕 , 石 计 算 结 果 与 实验 数 据 的分 析 分 别 对 三 种 煤 种 的煤 粉 气 流 着 火 特 性 进 行 了试 验 研 究 , 并 与计 算 结 果 进 行 了分 析 比较 , 部 分 结 果如 图 从 图上 可 以看 出 , 理 论模型 的计算 结 果 与 实验 符 合 较 好 , 证 明本 模 型 是 可信 的

◆166· 北京科技大学学报 2005年第2期 1400 (a) 1400(b) 1200 1200 1000 1000 800 800 600 一计算值 600 ·实验值 400 400 200 200 100 200300 400500 0 100200300 400 500 加热长度/mm 加热长度/mm 图3沿管长方向气流温度分布.加热功率80kW,一次风速度20ms,煤粉质量分数025.(a)吉林电厂;⑥)抚顺电厂 Fig.3 Temperature distributions along the tube.(a)Jilin Power Plant;(b)Fushun Power Plant 2高温空气煤粉单级点火 不同一次风速、不同热空气流速、不同热空气温 度、不同初始氧含量等工况下煤粉气流着火进行 通过搭建高温空气煤粉单级点火试验台如 了研究,得到了管内煤粉气流着火的特性及规 图4,对三种不同的煤种进行了不同工况下的着 律,为指导工业试验和实际点火燃烧装置的设计 火试验, 和运行提供依据. (1)煤粉空气比与着火特性的关系,煤粉空气 燃烧室 冷却装置 比是煤粉气流着火特性最主要的影响因素,它的 中颊电源 改变引起着火温度的显著改变.从图6可以看 点火器 出,对于所有煤种,随着煤粉空气比的增加,着火 加热器 热风凤机 温度首先显著降低,除低挥发分的黄台电厂煤 1000 螺旋给料器煤粉 控制柜 白① 变频调速 800 600 风量230m3/h 混合器 “次风机百 -110kW 400 130kW 图4高温空气煤粉单级点火试验台 -4-150kW Fig.4 Experimental device for ignition of single grade pulverized -170kW 200 +190kw coal by high-temperature air 5 10 15 20 25 30 2.1系统组成 时间min 高温空气加热器产生1000℃左右的高温空 图5不同加热功率下的空气温升曲线 气:电源柜为高温空气加热器提供电源:点火燃 Fig.5 Air heating curves under diffetent powers 烧器与高温空气加热器配套,点燃煤粉:自动控 1000 制系统为全数字自动控制:风机、管路及给粉机 系统. 900 22高温空气加热器的工作性能 o 800 为了测定高温空气加热器的工作性能,本文 裂 700 做了大量的实验工作,获得了不同工况下风温随 吉林电厂 时间的变化曲线,见图5.由图可见,高温空气加 600 ·抚顺电厂 热器能够将大流量的空气在很短的时间内加热 一黄台电厂 50 到900℃以上,为高温空气煤粉直燃技术的实现 0 0.2 0.40.6 0.8 1.0 打下了基础. 煤粉空气比 图6普火温度与煤粉空气比的关系 23不同工况对煤粉气流着火特性的影响 Fig.6 Relationships between ignition temperature and the ratio 对不同煤粉空气质量比(简称煤粉空气比)、 of pulverized coal to air

一 北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 侧、明璐丫异 — 计算值 实验值 计算值 实验值 雨 … 匕 侧境犷、蛆尸 加 热 长 度 加 热 长 度 。 图 沿 管长 方 向气 流温 度 分 布 加 热功 率 , 一 次 风 速度 , 煤粉 质 量 分 数 吉林 电厂 抚顺 电厂 高温 空 气 煤 粉 单 级 点 火 通 过 搭 建 高温 空 气 煤 粉 单 级 点 火 试 验 台如 图 , 对 三 种 不 同 的煤 种 进 行 了 不 同 工 况 下 的着 火试 验 不 同一 次 风速 、 不 同热 空气 流速 、 不 同热 空气 温 度 、 不 同初 始 氧含 量 等 工 况 下 煤粉 气 流着 火进 行 了研 究 , 得 到 了管 内煤 粉 气 流 着 火 的特 性 及 规 律 , 为指 导 工 业试验 和 实 际 点火 燃烧 装 置 的设计 和 运 行 提 供 依 据 煤粉 空气 比与着火特 性 的关 系 煤 粉 空气 比是煤粉 气 流着 火特 性 最 主 要 的影 响 因 素 , 它 的 改 变 引起 着 火 温 度 的显 著 改 变 从 图 可 以看 出 , 对 于所 有 煤种 , 随着 煤粉 空 气 比 的增 加 , 着 火 温 度 首 先 显 著 降低 , 除 低 挥 发 分 的黄 台 电厂 煤 混合器 燃烧室 中频 电源 暴 图 高温 空 气煤 粉 单级 点 火 试验 台 一 代 ‘ , , 、明醒卯 时 间 图 不 同 加 热功 率 下 的空 气温 升 曲线 弓 榔侧从鸡、即 一 吉林 电厂 抚顺 电厂 黄台电厂 孟 ,‘石八少 八曰 八曰︸ 系统 组 成 高温 空 气 加 热 器 产 生 ℃ 左 右 的高温 空 气 电源 柜 为 高温 空 气 加 热 器 提 供 电源 点火燃 烧 器 与 高温 空气 加 热 器 配 套 , 点燃 煤 粉 自动 控 制 系 统 为全 数 字 自动 控 制 风 机 、 管 路 及 给 粉 机 系 统 高温 空气 加 热 器 的工 作 性 能 为 了测 定 高温 空气 加 热 器 的工 作 性 能 , 本 文 做 了大量 的实验 工 作 , 获得 了不 同工 况 下 风 温 随 时 间 的变 化 曲线 , 见 图 由图可 见 , 高温 空 气 加 热 器 能够 将 大 流 量 的空 气 在 很 短 的 时 间 内加 热 到 ℃ 以上 , 为 高温 空气 煤 粉 直燃 技 术 的实现 打 下 了基础 不 同 工 况 对 煤 粉 气 流 着 火 特 性 的影 响 对 不 同煤 粉 空 气 质 量 比 简称 煤粉 空气 比 、 一一 一 ‘ 一 一 目一 一 一 一 一 二一 一 一 一一一一习 名 煤 粉 空 气 比 图 粉 火 温 度 与煤 粉空 气 比的关 系 少 加 卯 抚 比

Vol.27 No.2 李栋等:煤粉锅炉高温空气无油点火研究 ·167 外,着火温度降到某一值后不再降低,而是有一 效果.如图10所示,随着热空气初温的提高,着 定程度的升高,即存在一个对应最小着火温度的 火距离显著下降,说明着火变得容易, 最佳煤粉空气比,且挥发分含量越高的煤,其最 (5)着火距离与初始氧体积分数的关系.随着 佳煤粉空气比越小,着火温度也越低.着火距离 初始氧体积分数的降低,煤粉气流着火距离显著 随煤粉空气比的变化关系和着火温度随煤粉空 增加,这说明着火将变得困难,如图11所示(工况 气比的变化关系是大同小异的,见图7. 为高温空气初温1000℃).这是因为初始氧体积 500 分数降低时,燃烧化学反应速度相应降低,对应 的着火距离必然增加, 400 500 目300 200 400 -吉林电厂 10 ·抚顺电厂 300 一黄台电厂 0 02 0.30.40.50.60.70.80.9 200 。一吉林电厂 煤粉空气比 一抚顺电厂 图7着火距离与煤粉空气比的关系 100 Fig.7 Relationships between ignition distance and the ratio of 5 10 1520 25 30 35 pulverized coal to air 入门速度,/(ms) 图8着火距离与一次风速度的关系 在煤粉空气比非常高的情况下,挥发分析出 Fig.8 Relationships between ignition distance and the first air vel- 的总量高,而氧量并不高,因此煤粉气流着火温 ocity 500 度高,着火并不快,燃烧温度较低:随着煤粉空气 一一吉林电厂 比的降低,挥发分析出量减少,而氧含量相对较 400 一抚顺电厂 高,煤粉气流着火温度降低,对着火有利,燃烧温 度也有所提高:当煤粉空气比降低到某一程度, 300 挥发分与氧含量达到化学当量比时,煤粉气流着 火温度达到最低,燃烧温度达到最高,此时即为 200 最佳煤粉空气比.如果煤粉空气比进一步降低, 100 挥发分减少,氧量过剩,这时过剩的空气还要吸 35 40 455055 6065 收着火区的热量,所以煤粉气流着火温度开始回 入门速度,/(ms) 图9着火距离与高温空气流速的关系 升,同时燃烧温度开始降低, Fig.9 Relationships between ignition distance and high-tempara- (2)一次风速与着火距离的关系.一次风速提 ture air velocity 高对着火不利,随一次风速的提高,着火温度略 有上升,着火距离明显延长,如图8所示.分析其 500 原因,主要是提高一次风速度,使得其受热时间 50A 吉林电厂 *一抚顺电厂 缩短,故而着火点延迟, 400 ()高温空气速度与着火距离的关系.高温空 目350 气速度的提高对着火有利,随着速度的提高,着 300 火温度略有下降,着火点有明显的前移,如图9 250F 所示,这是因为随着高温空气流速的提高,一次 200 风粉的受热加速,致使煤粉气流着火点前移. 150 (4)高温空气温度与着火距离的关系.由于提 800 85090095010001050 热空气初温℃ 高高温空气的流速使得带入点火燃烧室内的热 图10着火距离与热空气初温的关系 量增加,致使一次风粉的受热加速,着火点前移. Fig.10 Relationships between hot air temperature and ignition 可以推断,提高高温空气的初温也会产生同样的 distance

李栋等 煤 粉锅 炉 高温 空气 无 油 点火 研 究 外 , 着 火 温 度 降到某 一值 后 不 再 降低 , 而 是 有 一 定程度 的升 高 , 即存 在 一 个 对 应 最 小着 火温度 的 最 佳 煤 粉 空气 比 , 且 挥 发 分 含 量 越 高 的煤 , 其 最 佳 煤粉 空 气 比越 小 , 着 火 温度 也 越 低 着 火 距 离 随煤 粉 空 气 比 的变 化 关 系 和 着 火 温 度 随煤 粉 空 气 比 的变 化 关 系 是 大 同小异 的 , 见 图 效 果 如 图 所 示 , 随着 热 空 气 初 温 的提 高 , 着 火 距 离 显 著 下 降 , 说 明着 火 变 得 容 易 着 火距 离 与初 始 氧 体 积 分 数 的关系 随着 初 始氧 体积 分数 的 降低 , 煤 粉气 流着 火距 离 显 著 增 加 , 这 说 明着 火将 变得 困难 , 如 图 所 示 工 况 为 高温 空 气 初 温 ℃ 这 是 因 为初 始 氧 体 积 分 数 降低 时 , 燃 烧 化 学 反 应 速 度 相 应 降低 , 对 应 的着 火距 离 必 然 增 加 佗曰 ︸ 八曰︸ 曰布气乙、一、 姐柳斌留已口侧 气, 尹 ︸ 褪留拭种昌 上 一 一 二 习 」 一 上 ‘ 曰 刀 名 乡 煤粉 空 气 比 图 , 普 火 距 离 与煤粉空 气 比的 关 系 祖 一 抚顺 电厂 在 煤粉 空气 比 非常 高 的情 况 下 , 挥 发 分 析 出 的总 量 高 , 而 氧 量 并 不 高 , 因 此 煤 粉 气 流 着 火 温 度 高 , 着 火 并不 快 , 燃烧 温 度 较低 随着 煤粉 空气 比 的 降低 , 挥 发 分 析 出量 减 少 , 而 氧 含 量 相 对 较 高 , 煤粉 气 流着 火温 度 降低 , 对着 火有 利 , 燃烧温 度 也 有 所 提 高 当煤 粉 空 气 比 降低 到 某 一 程 度 , 挥 发分 与氧 含 量 达 到化 学 当量 比时 , 煤 粉 气 流着 火温 度 达 到 最 低 , 燃 烧 温 度达 到 最 高 , 此 时 即 为 最 佳 煤粉 空 气 比 如 果煤 粉 空 气 比 进 一 步 降低 , 挥 发 分 减 少 , 氧 量 过 剩 , 这 时过 剩 的 空气 还 要 吸 收着火 区 的热量 , 所 以煤粉 气 流着 火温 度 开 始 回 升 , 同 时燃烧 温 度 开 始 降低 一 次风速 与着 火距 离 的关 系 一次风 速 提 高对 着 火 不 利 , 随 一 次风速 的提 高 , 着 火温 度 略 有上 升 , 着 火距 离 明显 延 长 , 如 图 所 示 分 析其 原 因 , 主 要 是 提 高 一 次 风 速 度 , 使 得 其 受 热 时 间 缩 短 , 故 而 着 火 点 延 迟 高温 空气 速 度 与着 火 距 离 的关 系 高温 空 气 速 度 的提 高对 着 火 有 利 , 随着速 度 的提 高 , 着 火 温 度 略有 下 降 , 着 火 点 有 明显 的前移 , 如 图 所示 这 是 因为 随着高温 空气 流 速 的提 高 , 一 次 风 粉 的受 热加 速 , 致 使 煤粉 气 流着 火 点前 移 高温 空气温 度 与着 火距 离 的关 系 由于提 高 高温 空 气 的流 速 使 得 带 入 点 火燃 烧 室 内的热 量 增加 , 致使一 次风粉 的受热 加速 , 着 火 点前移 可 以推 断 , 提 高 高温 空气 的初温 也 会 产 生 同样 的 一一 一土 一 一 一‘ 入 门速 度 , , · 一 , 图 着火 距 离 与一 次 风 速度 的 关系 · 广一一一一一一一一 一 一一, 一一 吉林 电厂 入 门速 度 , 对 · 一 ‘ ,‘气, 拭涎裂榔口曰 图 , 着 火 距 离 与高温 空 气 流速 的 关系 卜 理 枕 吉林 电厂 抚顺 电厂 · 昌姐长柳、留 一一一 一‘ 一 一 一一 热 空气 初 温 ℃ 图 着火距 离与热空 气初 温 的关 系 柱 伏 妞 皿

168- 北京科技大学学报 2005年第2期 500 一定程度的升高,即存在一个对应最小着火温度 % 的最佳煤粉空气比,且挥发分含量越高的煤,其 400 最佳煤粉空气比值越小,着火温度也越低,一次 350 风速提高对着火不利.高温空气速度的提高对着 300 火有利,随着热空气初温的提高,着火距离显著 梅250 吉林电厂 下降,说明着火变得容易:随着初始氧体积分数 200 一抚顺电厂 的降低,煤粉气流着火距离显著增加,着火将变 150 1 22018161412108 得困难 6 初始氧体积分数% 图11着火距离与初始氧体积分数的关系 参考文献 Fig.11 Relationships between oxygen concentration and ignition []盛昌栋,煤粉气流着火的研究及煤粉浓度连续可湖的实 distance 现:[学位论文].武汉:华中理工大学,1995 [2]Westbrook C K.Simplified reaction mechanisms for the oxida- 3结论 tion of hydrocarbon fuels in flames.Combust Sci Technol, 1981.27:31 [3)]曾桃芳,傅维标.关于碳/碳粒表面氧化反应生成物CO (1)煤粉气流一维紊流着火模型能全面准确 C02比值及其通用表达式的研究.中国科学(A辑),1993 的反映管内煤粉着火的机理,与实际情况相符 23:631 合,证明本模型是可靠的 [4]Annamalai K,Ryan W.Interactive processes in gasification and combustion:II Isolated carbon,coal and porous char particles (2)对于所有煤种,随着煤粉空气比的增加, Prog Energy Combust Sci,1993,19:383 着火温度首先显著降低,除低挥发分的黄台电厂 [⑤]岑可法,姚强,骆仲泱,等。高等燃烧学.杭州:浙江大学 煤外,着火温度降到某一值后不再降低,而是有 出版社,2000.281 Theoretical and experimental study on ignition of pulverized coal by high tempera- ture air in power plants LI Dong,WANG Heng,ZHAO Lihe,FENG Wujun,CHEN Yan Mechanical Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT A more accurate one-dimensional turbulent ignition model of pulverized coal air flow in a tube was established on the basis of the one-dimensional plane laminar flow ignition model.An experimental plat for high temperature air pulverized coal ignition was set up.To test the theoretical model,air heating and pulverized coal ig- nition experiments were done.The experimental results are in good agreement with the calculated ones.The feasi- bility of pulverized coal ignition by high-temperature air was proved. KEY WORDS pulverized coal air flow:turbulent flow:ignition model:high-tempeture air;free-oil ignition

北 京 科 技 大 学 学 报 年 第 期 一 抚顺 电厂 一 定 程 度 的升 高 , 即存 在 一个对 应 最 小着 火温 度 的最 佳 煤 粉 空 气 比 , 且 挥 发 分 含 量 越 高 的煤 , 其 最 佳 煤 粉 空 气 比 值 越 小 , 着 火 温 度 也 越 低 一 次 风 速 提 高对 着 火 不 利 高温 空气速 度 的提 高对 着 火 有 利 随着 热 空气 初 温 的提 高 , 着 火距 离 显 著 下 降 , 说 明着 火变 得 容 易 随着 初 始 氧 体 积 分 数 的 降低 , 煤 粉 气 流 着 火 距 离显 著 增 加 , 着 火 将 变 得 困难 ︸,且‘卜‘ 乙、︸内︸飞,︸‘ 邃柳、留从州目已 考 文 献 盛 昌栋 煤 粉 气流 着 火 的研 究及煤 粉 浓度 连续 可 调 的 实 现 学位 论文 武 汉 华 中理 工 大 学 , 亡 冲 , , 曾桃 芳 , 傅 维标 关 于 碳 碳 粒 表面氧 化 反应 生 成 物 比值 及 其 通 用 表 达 式 的研 究 中国科 学 阵 辑 , , 川 , , ’ 功 , , 岑 可 法 , 姚 强 , 骆 仲涣 , 等 高 等燃烧 学 杭 州 浙 江 大 学 出 版 社 , 参 初 始 氧 体积 分 数 图 着 火 距 离 与初 始氧 体积分 数 的 关系 七 结 论 煤 粉 气 流 一 维 紊 流 着 火模 型 能 全 面 准 确 的反 映 管 内煤 粉 着 火 的机 理 , 与 实 际 情 况 相 符 合 , 证 明本 模 型 是 可 靠 的 对 于 所 有 煤 种 , 随着 煤 粉 空 气 比 的增 加 , 着 火温度 首 先 显 著 降低 , 除低挥 发分 的黄 台 电厂 煤 外 , 着 火温 度 降 到某 一 值 后 不 再 降低 , 而 是有 口, 恻刀 , 咬 , 硒夕 , , , , 一 恤 一 , 妙 一 一 一

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