富氧煤粉氣流著火機理的實驗研究

樊越勝, 司鵬飛, 曹子棟

(1.西安建筑科技大學 環境與市政工程學院,西安710055;2.西安交通大學 能源與動力工程學院,西安710049)

燃料的燃燒可在以下3種工況下進行:貧氧燃燒工況、富氧燃燒工況和理論燃燒工況.為了使燃料充分燃燒,一般工業燃燒裝置中的燃料都應該在富氧燃燒工況下進行.美國GE公司、日本松下電器產業均已研制出成熟的工業富氧燃燒系統,美國已將富氧燃燒技術應用于航空發動機上,日本已經在大多數船舶的燃燒系統中加裝富氧裝置.目前,國內的富氧燃燒技術主要應用在工業燃燒裝置上,富氧率已成為燃煤粉裝置的主要技術經濟指標之一[1].

1 富氧燃燒

常規的富氧燃燒技術有如下幾種:預混富氧、射氧、純氧燃燒和混氧燃燒.預混富氧燃燒是空氣在進入燃燒器之前便與氧氣均勻混合成O2體積分數(含氧量)φ(O2)為25%～30%的富氧空氣流,可以有效縮短火焰長度,增強火焰強度.射氧技術是在風粉混合物進入爐膛之后的一定距離內加入富氧氣流,促使風粉混合物著火燃燒得到增強.純氧燃燒技術是直接以 φ(O2)≈90%的氧氣代替空氣進行助燃,優點是火焰中熱點縮小而產生很低的NOx排放濃度,但同時它也產生最高的運行費用.混氧燃燒是純氧燃燒的變種,空氣與氧氣分別送入燃燒器,這種方法可以通過使用比預混和射氧更充分的富氧,產生更高的效益,其運行費用低于純氧燃燒,而且火焰形狀和放熱方式可以通過控制氧氣用量進行調整.

煤粉著火機理問題的關注最早見于Haswell礦井爆炸后Faraday和Lyell的研究報告[2],然而直到20世紀60年代以后,對其著火機理的認識才有了較大的進展.Essenhigh就單顆粒煤粉著火特性和機理的研究成果作了很好的綜述,認為煤粉顆粒的著火有多相著火和均相著火兩種方式[3].隨著煤粉顆粒特性、加熱條件及氧體積分數等因素的變化,著火方式會發生過渡.但煤粒的著火溫度均隨著φ(O2)的增大而降低[4].

雖然單顆煤粒的研究結果對煤粉氣流著火過程的認識有一定的理論和實際意義,但由于氣流流動的湍流特性,使煤粉氣流中的氣流速度、氣流溫度、氧濃度、煤粒濃度及煤粒溫度都會隨氣流流動而變化.因此,煤粉氣流的著火過程比單顆煤粒的著火復雜得多[5].文獻[4]指出顆粒群的著火也存在均相和非均相兩種方式,并針對煤粉濃度對煤粉氣流著火的影響進行了深入研究,但是對氧體積分數大于21%下煤粉氣流的著火機理研究較少.

當環境φ(O2)發生變化時,煤粉氣流的反應動力學級數和機理都會發生變化.從工程應用的角度出發,對富氧氣氛條件下煤粉氣流的熱解、著火和燃燒特性進行研究,將會對富氧煤粉點火器的研制和運行提供可靠的理論依據和實驗數據.

2 實驗系統

2.1 實驗煤樣

文獻[6]指出適宜于富氧煤粉點火系統的煤種為煙煤.因此本實驗中采用神木煙煤(SM)作為實驗煤種,其工業分析和采用標準泰勒篩網的方法篩分得到的煤樣平均直徑見表1.

表1 實驗煤樣的工業分析Tab.1 Proximate analysis of the coal sample

2.2 實驗設計

采用一維火焰爐系統研究煤粉顆粒的燃燒通常有兩種方法:第1種是取樣分析;第2種是觀察法,觀察法直接而且不影響爐內過程.綜合考慮上述兩種方法,設計的實驗裝置原理圖見圖1.主爐加熱和溫度控制采用自動控制系統.用數據采集系統采集熱電偶測溫信號和煙氣成分分析信號,并連接到計算機系統顯示和保存.

圖1 實驗裝置原理圖Fig.1 Schematic of experimental device

2.3 實驗工況

目前,實際運行中鍋爐一次風中煤粉濃度為0.35～0.45 kg(煤粉)/kg(空氣)[7],故實驗中采用的一次風粉濃度值為0.40 kg(固)/kg(氣).

2.4 煤粉氣流著火方式的判斷

煤粉氣流著火方式的判別非常困難,難以用直觀的方法來進行觀察.Howard等[8]通過分析著火過程中煤焦揮發分和固定碳含量的變化確定了多相著火的存在,根據CO2生成量的突變來確定著火位置,再通過揮發分和固定碳比值的變化確定著火方式,并以燃燒過程中固定碳和揮發分的消耗度作補充說明.

碳粒表面除與氧反應生成CO2外,也可能產生CO,還可能發生碳與CO2的還原反應,所產生的CO在空間又與氧反應(稱容積反應),因此可把上述情況概括如下:

如果煤粉氣流中只有容積反應,則煙氣中CO的體積分數 φ(CO)會迅速降低,CO2的體積分數φ(CO2)升高,此為均相著火;如果只有表面反應,則煙氣中 φ(CO)和 φ(CO2)均將升高,而比值 φ(CO)/φ(CO2)基本保持不變,這時就表現為多相著火;如果表面反應和容積反應同時發生,則煙氣中φ(CO2)會迅速增加:(1)通常著火前后顆粒溫度不高,表面反應中以CO2為主要反應產物[9];(2)容積反應也生成CO2,φ(CO2)則視反應(b)、(c)、(d)的強弱會有一定程度的增長,在較低溫度下(t＜1 200℃),燃燒反應按式(2)[10]進行,但總的 φ(CO)/φ(CO2)會隨著著火的發生表現出下降的趨勢.筆者認為,判斷著火的發生主要以 φ(CO2)的突增為特征,以著火時煙氣中φ(CO)和φ(CO2)的變化規律來探討煤粉氣流的著火機理.

3 結果與分析

3.1 φ(CO)和 φ(CO2)的變化

圖2為不同氧濃度下升溫過程中 φ(CO)和φ(CO2)隨時間的變化關系.從圖2可以看到,在氧濃度 φ(O2)=21%時(空氣狀態),著火發生前,煤粉發生熱解,揮發分中釋放的CO量較多,CO2量緩慢增加;當發生著火時,φ(CO2)迅速升高,但 φ(CO)卻迅速下降,說明此時發生的是均相著火,揮發分中的CO與O2反應生成CO2.當環境φ(O2)大于30%時,如發生著火,CO量和CO2量同步迅速增加,說明此時發生多相著火,O2到達煤粒表面,直接與C發生化學反應生成CO和CO2.并且隨著 φ(O2)的提高,φ(CO)和 φ(CO2)也在著火時刻其變化斜率增大,著火后煤粉氣流的燃燒變得更加強烈,燃燒產物濃度迅速增大.

圖2 煤粉升溫過程中氣體成分的變化Fig.2 Variation of flue gas composition during heating of pulverized coal

3.2 著火溫度的變化

當環境φ(O2)較高時,著火溫度降低,見圖3,與文獻[4]在一維爐上的實驗結果一致,隨著氧體積分數增加,著火溫度近似呈指數下降.煤粉析出揮發分的時間較短,熱解產生的揮發分少,不足以引起整個煤粉氣流的均相著火,而氧量相對較多,極易到達顆粒表面,著火只能是非均相的.

3.3 比值 φ(CO)/φ(CO2)的變化

圖4為不同φ(O2)下升溫過程中比值φ(CO)/φ(CO2)隨時間的變化關系.在 φ(O2)=21%的空氣中,當發生著火時,比值φ(CO)/φ(CO2)迅速減小,且φ(CO)也迅速降低,說明發生的是均相著火;在φ(O2)=30%時,發生著火時的比值 φ(CO)/φ(CO2)也迅速減小,但此時 φ(CO)卻是升高的,說明此時發生的是聯合著火過程,揮發分中CO與O2反應生成CO2的同時,O2與碳粒表面的反應又不斷生成CO和CO2,兩者共同作用的結果是使φ(CO)/φ(CO2)迅速減小,但是煙氣中 φ(CO)卻不斷升高;在 φ(O2)=40%和 φ(O2)=60%時,φ(CO)/φ(CO2)基本保持不變,說明是O2直接與碳粒表面反應的結果,是典型的多相反應過程.而文獻[11]在滴管爐內對單顆煤粒的研究也表明,在φ(O2)=10%時,著火機理明顯是均相方式,而在φ(O2)=30%時,著火機理表現為非均相方式,也即隨著氧體積分數的增加,煤粉顆粒的著火方式從揮發分的均相著火向原煤粒的非均相著火過渡.

圖3 著火溫度與φ(O2)的關系Fig.3 Relationship between ignition temperature and volumetric fraction of oxygen

圖4 升溫過程中比值φ(CO)/φ(CO2)的變化Fig.4 Variation of ratio ofφ(CO)toφ(CO2)during heating

3.4 φ(CO)和 φ(CH4)的變化

實驗數據同時顯示,隨著環境 φ(O2)增大,著火前煙氣中 φ(CO)逐漸降低.在環境 φ(O2)=80%時,著火前煙氣中φ(CO)幾乎為零;當著火發生時,φ(CO)突增,說明煤粉的熱解過程與著火過程同步發生,固定碳的著火使煤粉顆粒表面溫度升高,引起揮發分的析出和燃燒.著火前后煙氣中熱解產物φ(CH4)的變化情況與 φ(CO)相同,見表2.在較低φ(O2)下,首先是揮發分著火,然后點燃固定碳使其燃燒;在高 φ(O2)下,著火前幾乎沒有熱解產物,當煤粉氣流中的顆粒溫度達到著火溫度時,只能發生多相著火方式,表現為激烈的燃燒過程.

表2 著火點處CH 4的體積分數Tab.2 Volumetric fraction of CH4 at the ignition point

4 結 論

(1)采用著火時煙氣中 φ(CO)和 φ(CO2)的變化規律來判斷煤粉氣流的著火機理是可行的.

(2)對神木煙煤來說,在 φ(O2)=21%(空氣狀態)下,煤粉氣流發生均相著火;在 φ(O2)=30%時,發生聯合著火過程;當 φ(O2)≥40%時,O2直接與碳粒表面反應,是典型的多相反應過程.也就是說,對于神木煙煤煤粉氣流來說,隨著一次風中φ(O2)的增大,煤粉氣流的著火從均相反應向多相反應過渡.

(3)隨著環境φ(O2)增大,著火溫度降低,著火前煙氣中熱解產物含量降低,使著火機理發生改變.

[1] 閻維平,米翠麗.300 MW富氧燃燒電站鍋爐的經濟性分析[J].動力工程學報,2010,30(3):184-191. YAN Weiping,MI Cuili.Economic analysis of a 300 MW utility boiler with oxygen enriched combustion[J].Journal of Power Engineering,2010,30(3):184-191.

[2] FARADAY M,LYELL C.Report to the home secretary on the explosion at the Haswell Coal[J].Philos Mag,1844,26(9):45-61.

[3] ESSENHIGH R H,MISRA M K,SHAW D W.Ignition of coal particles:a review[J].Combustion and Flame,1989,77(7):3-30.

[4] 肖佳元,章明川,齊永鋒.低氧再燃條件下煤粉均相著火溫度的測量[J].動力工程,2008,28(2):279-284. XIAO Jiayuan,ZHANG Mingchuan,QI Yongfeng.Measurement of homegeneous gas ignition temperature of pulverized coal under reburning conditions with low oxgen concentration[J].Journal of Power Engineering,2008,28(2):279-284.

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