樊越勝, 司鵬飛, 曹子棟

(1.西安建筑科技大學 環(huán)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(yè)燃燒裝置中的燃料都應(yīng)該在富氧燃燒工況下進行.美國GE公司、日本松下電器產(chǎn)業(yè)均已研制出成熟的工業(yè)富氧燃燒系統(tǒng),美國已將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動機上,日本已經(jīng)在大多數(shù)船舶的燃燒系統(tǒng)中加裝富氧裝置.目前,國內(nèi)的富氧燃燒技術(shù)主要應(yīng)用在工業(yè)燃燒裝置上,富氧率已成為燃煤粉裝置的主要技術(shù)經(jīng)濟指標之一[1].

1 富氧燃燒

常規(guī)的富氧燃燒技術(shù)有如下幾種:預(yù)混富氧、射氧、純氧燃燒和混氧燃燒.預(yù)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(shù)(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(shù)是在風粉混合物進入爐膛之后的一定距離內(nèi)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(shù)是直接以 φ(O2)≈90%的氧氣代替空氣進行助燃,優(yōu)點是火焰中熱點縮小而產(chǎn)生很低的NOx排放濃度,但同時它也產(chǎn)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(yù)混和射氧更充分的富氧,產(chǎn)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(diào)整.

煤粉著火機理問題的關(guān)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(shù)等因素的變化,著火方式會發(fā)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(jié)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(shù)大于21%下煤粉氣流的著火機理研究較少.

當環(huán)境φ(O2)發(fā)生變化時,煤粉氣流的反應(yīng)動力學級數(shù)和機理都會發(fā)生變化.從工程應(yīng)用的角度出發(fā),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(jù)和實驗數(shù)據(jù).

2 實驗系統(tǒng)

2.1 實驗煤樣

文獻[6]指出適宜于富氧煤粉點火系統(tǒng)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(yè)分析和采用標準泰勒篩網(wǎng)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(yè)分析Tab.1 Proximate analysis of the coal sample

2.2 實驗設(shè)計

采用一維火焰爐系統(tǒng)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(nèi)過程.綜合考慮上述兩種方法,設(shè)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(tǒng).用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)分和固定碳含量的變化確定了多相著火的存在,根據(jù)CO2生成量的突變來確定著火位置,再通過揮發(fā)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(fā)分的消耗度作補充說明.

碳粒表面除與氧反應(yīng)生成CO2外,也可能產(chǎn)生CO,還可能發(fā)生碳與CO2的還原反應(yīng),所產(chǎn)生的CO在空間又與氧反應(yīng)(稱容積反應(yīng)),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(yīng),則煙氣中CO的體積分數(shù) φ(CO)會迅速降低,CO2的體積分數(shù)φ(CO2)升高,此為均相著火;如果只有表面反應(yīng),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(xiàn)為多相著火;如果表面反應(yīng)和容積反應(yīng)同時發(fā)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(yīng)中以CO2為主要反應(yīng)產(chǎn)物[9];(2)容積反應(yīng)也生成CO2,φ(CO2)則視反應(yīng)(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(yīng)按式(2)[10]進行,但總的 φ(CO)/φ(CO2)會隨著著火的發(fā)生表現(xiàn)出下降的趨勢.筆者認為,判斷著火的發(fā)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(guī)律來探討煤粉氣流的著火機理.

3 結(jié)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(guān)系.從圖2可以看到,在氧濃度 φ(O2)=21%時(空氣狀態(tài)),著火發(fā)生前,煤粉發(fā)生熱解,揮發(fā)分中釋放的CO量較多,CO2量緩慢增加;當發(fā)生著火時,φ(CO2)迅速升高,但 φ(CO)卻迅速下降,說明此時發(fā)生的是均相著火,揮發(fā)分中的CO與O2反應(yīng)生成CO2.當環(huán)境φ(O2)大于30%時,如發(fā)生著火,CO量和CO2量同步迅速增加,說明此時發(fā)生多相著火,O2到達煤粒表面,直接與C發(fā)生化學反應(yīng)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(chǎn)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(huán)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(jié)果一致,隨著氧體積分數(shù)增加,著火溫度近似呈指數(shù)下降.煤粉析出揮發(fā)分的時間較短,熱解產(chǎn)生的揮發(fā)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(guān)系.在 φ(O2)=21%的空氣中,當發(fā)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(fā)生的是均相著火;在φ(O2)=30%時,發(fā)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(fā)生的是聯(lián)合著火過程,揮發(fā)分中CO與O2反應(yīng)生成CO2的同時,O2與碳粒表面的反應(yīng)又不斷生成CO和CO2,兩者共同作用的結(jié)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(yīng)的結(jié)果,是典型的多相反應(yīng)過程.而文獻[11]在滴管爐內(nèi)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(xiàn)為非均相方式,也即隨著氧體積分數(shù)的增加,煤粉顆粒的著火方式從揮發(fā)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(guān)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(shù)據(jù)同時顯示,隨著環(huán)境 φ(O2)增大,著火前煙氣中 φ(CO)逐漸降低.在環(huán)境 φ(O2)=80%時,著火前煙氣中φ(CO)幾乎為零;當著火發(fā)生時,φ(CO)突增,說明煤粉的熱解過程與著火過程同步發(fā)生,固定碳的著火使煤粉顆粒表面溫度升高,引起揮發(fā)分的析出和燃燒.著火前后煙氣中熱解產(chǎn)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(fā)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(chǎn)物,當煤粉氣流中的顆粒溫度達到著火溫度時,只能發(fā)生多相著火方式,表現(xiàn)為激烈的燃燒過程.

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

4 結(jié) 論

(1)采用著火時煙氣中 φ(CO)和 φ(CO2)的變化規(guī)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(tài))下,煤粉氣流發(fā)生均相著火;在 φ(O2)=30%時,發(fā)生聯(lián)合著火過程;當 φ(O2)≥40%時,O2直接與碳粒表面反應(yīng),是典型的多相反應(yīng)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(yīng)向多相反應(yīng)過渡.

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

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