粉煤高温空气无油点火

冶金能源Vol. 25 No. 332ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYMay.2006粉煤高温空气无油点火崔卫中冯武军李栋太钢热连轧厂)(北京科技大学热能工程系)摘要在当今最先进的一维平面层流煤粉气流着火数学模型的基础上,发展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,还充分考虑了紊流对气相质量及能量扩散的影响,从而使该模型更加精确的逼近了工程实际。此外,还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结果相吻合。关键词煤粉气流紊流着火模型高温空气An ignition of pulverized coal by high temperature airTaigang Hot Strip rolling millScience and Technology University of beijingAbstract In this paper, a one-dimensional turbulent igition model of the pulverized coal and air flowis established on the basis of the one-dimensional plane ignition model of the pulverized coal and airLaminar flow. This model not only depicts the radiation in the flame pyrolysis of the coal powdeolatile combustion, multiphase reaction, but also takes into account the impact of turbulence on themass and energy diffusion in gas phase it approaches engineering facts moreely. Exments have been done to test the theoretical model and the experimental results are in good agreement with the calculated ones from the theoretical modelKeywords pulverized coal air flow turbulent flow combustion model high-temperature air采用煤粉悬浮燃烧方式的锅炉在启动时通常离,形成温度高达5000K以上的等离子体射流用油或燃气点火,在低负荷运行或煤质不稳定时从而在燃烧器的中心筒形成梯度极大的局部高温也需用油或燃气来稳焰,因此燃煤锅炉毎年仍要区,在煤粉气流通过该局部高温区后迅速释放出消耗大量油或燃气,故而开发煤粉的无油(燃挥发分,并使煤粉颗粒破裂粉碎,从而迅速引发气)直接点火与稳焰新技术对于锅炉运行具有很周界煤粉气流着火燃烧。显然,这种点火方式需大意义。要大功率变压器和放电电极。由于点火功率大,1煤粉高温空气无油直接点火变压器也很庞大,需要另设冷却系统。特别是当点火器数目较多时,切换极为不便,需要另外增目前,锅炉的煤粉无油直接点火方式主要加设备,从而使投资加大。此外,电极也很容易有老化,点火燃烧器的使用时间很短(1)等离子直接点火。这一技术是利用阳极(2)感应式直接点火。给感应线圈通入电流与阴极之间的高压电场将流过其间的工作气体电后,在高温合金管(即点火室)的整个区域产生Vol 25 No. 3冶金能源Mav.2006ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY送入一次风粉气流,煤粉气流迅速点燃,在点火室岀口形成强烈燃烧的煤粉火炬。这种点火方式的优点是投资少,运行成本低,系统简单。但是它也存在着致命的缺点:由于煤粉在电热腔内燃烧,结焦问题在所难免;另外,电热管的材料寿命较短,这些制约因素决定了该种点火方式难以实现工业应用。(3激光直接点火。激光点火是一种非接触式点火技术通过激光束射入燃烧室内聚焦照射到煤粉上对其加热以实现对煤粉的点火,目前这图1煤粉高温空气无油直接点火室一技术尚处于实验室开发阶段未能被工业应用。高温空气引入管2—保温管3——锥管为了克服以上几种现有点火方式的不足,我煤粉气流导入管们借鉴冶金行业已经成熟的高温空气燃烧技术而开发了粉煤高温空气直接点火与稳焰装置不难看出,本方案由于采用了加热与点燃分煤粉高温空气直接点火装置由中频感应空气开的方式以及中心首先着火的形式,使得该技术加热设备和高温空气煤粉燃烧器两部分组成。中防结焦性能非常优越。另外,感应加热反应迅频感应空气加热设备的加热原理是:利用电磁感速,不仅可解决电厂锅炉用油点火启动时电除尘应使其中的感应管被加热,并可被加热至器无法投入造成的环境污染问题,还给电厂带来1300℃左右,因此由鼓风机送入的常温空气可迅较大的经济利益速升温到1000℃左右以完成空气的迅速被加热2煤粉着火的理论分析与模型建立我们所开发研究的煤粉高温空气无油点火技术的核心部件——煤粉混合点火室如图1所示煤粉着火的理论分析最早是由 Nusselt在被中频感应空气加热设备预热到100℃°左右的1924年作出的单颗粒煤粉着火模型,但是单颗高温空气流经管道1,与管道4出来的一次风粉粒的研究难以应用到大多数实际煤粉气流的燃烧混合。两股气流在点火室中发生强烈的热量、质过程中,因为煤粉浓度在煤粉气流着火过程中起量交换,使得煤粉气流以多相燃烧方式迅速着火主要的作用,这就是浓度效应。与单颗粒相比,燃烧。颗粒群的着火在形式上更接近实际的煤粉气流。在高温空气煤粉燃烧器内,煤粉在高温空气电站锅炉中的燃烧是以煤粉气流的形式进行的中首先释放出挥发分,并在气相环境中或粉粒表只有以煤粉气流为研究对象研究燃烧过程,才能面燃烧,燃烧所产生的热量使煤粒本身被迅速加真正认识煤粉气流的着火特性。盛昌栋在Fsen热,从而使煤粒的化学结构、表面形态及孔隙机high和 Krazinski等人模型的基础上,提出了构发生很大变化,改变了煤焦的反应性能和燃烧种一维平面层流煤粉气流着火的数学模型,该模速率,引起煤粉焦粒的进一步燃烧,完成煤粉气型较以往颗粒群模型有了较大的进步。然而,实流着火际电站锅炉中煤粉气流是以湍流的形式喷入炉膛从燃烧动力学的角度来看,燃烧速率随着温燃烧的,因此上述一维层流煤粉气流着火的数学度提高几乎呈直线上升,因此高温不仅可以使火模型仍然与炉内的实际情况有较大差别焰稳定,还可使燃烧速率提高,这是因为高温可鉴于此,本文研究得出了一种一维平面紊流使可燃物成分〔挥发分)析岀量大,即在着火阶煤粉气流旳着火模型。该模型不仅详细描述了火段参加燃烧的可燃物浓度髙,易着火和稳定燃焰中的辐射传热、煤粉热解、挥发分燃烧和多相烧。所以,空气温度越高,火焰的熄灭应变能力反应等各个过程,还将湍流对气相质量及能量扩冶金能源Vol. 25 No. 314ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYMay.2006本文建立的一维平面紊流粉煤气流的着火数学模型如下煤粉气流的连续方程(pU)=气相运动方程a(U)=(A2(2)其中湍流粘性系数;=CCnk2/c气相紊流模型方程dU图2点火室测点布置图dx( p. Uk)-(3)1一热电偶头2——测管3—瓷套管热电偶线5—托架6—点火室()2(n4)c()-c]k表1煤种工业分析数据颗粒的质量方程U(5)x吉林电厂41.4728766.2923.48气相组分方程(PY)a(a)s(6)抚顺电厂4920413.915黄台电厂5626.18气相的能量方程a(am)4(ra)(7)行了试验研究,并与计算结果进行了分析比较,式中,=p1/onh为气体的焓:h=C(T-其结果如图3-5所示。可以看出,理论模型的T b计算结果与实验结果符合较好,证明本模型是可颗粒的尺寸方程信的。d2)dx(8)实验点颗粒的密度方程U(P)=-6m(9)计算曲线颗粒的能量方程nipp dr=-qomm arad t apr 7(10)辐射传热方程对于一维煤粉气流在考虑散射时其辐射传热可用以下两个近似方程来描述实验点计算曲线4+6:=-xa+)m(1)数学模型的实验验证与结果分析1000煤的着火特性不仅是燃料本身的特征,也与实验点环境因素有关。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。计算曲线本文采用WBC-57-LB(铂铑10-铂)型热电偶和TR-RIT型双色高温计测量气流的温加热长皮Lm度,测点的布置如图2所示。实验采取了三个不图3沿管长方向气流温度分布Vol 25 No. 3冶金能源Mav.2006ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY35黄台电厂3.3来流速度与着火温度、着火距离的关系顺电广二气流速度提高对着火不利,随气流速度的提高,着火温度略有上升,着火距离明显延长,如图5所示。吉林电厂4结束语0.260.81.0〔1)煤粉气流一维紊流着火模型能全面准确煤粉浓度D(k/kg)图4煤粉浓度与着火温度的关系地反映管內煤粉着火的机理,与实际情况相吻合,证明本模型是可靠的。(Vl=20m/s,d2=40ym)2)本模型能计算不同煤粉浓度、不同入口速度、不同粒径以及不同煤种等工况下煤粉气流的着火特性参数,由于紊流的引入,使得本模型比以往着火模型更加逼近工程实际。〔3〕本模型的预测可以用来指导煤粉点火燃狮兴马烧器的设计。符号说明on:混合物平均密度U:速度:湍流粘性系数4:气流密度k:湍动能入口速度v1和msT:气流温度图5不同流速下的着火温度qw:辐射热流(Q=80kW,D=0.25kg/kg,db=40ym,吉林电厂煤)σ:煤粉气流的散射系数Y;:j组分的质量分散3.2煤粉浓度与着火温度的关系ε:湍动能耗散率煤粉浓度是煤粉气流着火特性最主要的影响颗粒质量因素,煤粉浓度的改变引起着火温度的显著改Tn:颗粒温度变。从图4可以看出,对于所有煤种,随着煤粉浓度的增加,着火温度首先显著降低,并且,除db:颗粒直径低挥发分的黄台电厂煤外,着火温度降到某一值p:颗粒密度后不再降低,而是有一定程度的升高,即存在n:颗粒数密度个对应最小着火温度的最佳煤粉浓度,且挥发分平均辐射强度含量越高的煤,其最佳煤粉浓度值越小,着火温a:煤粉气流的辐射吸收系数度也越低罗文泉编辑