王瀛洲， 韓 璞

（華北電力大學(xué) 自動(dòng)化系，保定071003）

電站鍋爐燃燒優(yōu)化一直是電力行業(yè)研究人員努力的方向，設(shè)計(jì)一套高效的燃燒系統(tǒng)將對電廠發(fā)展起關(guān)鍵作用.國內(nèi)70%以上的發(fā)電機(jī)組是火力發(fā)電機(jī)組，如果有一套先進(jìn)的燃燒優(yōu)化系統(tǒng)可以使鍋爐燃燒效率提高，那么每年節(jié)約的原煤量將是一個(gè)巨大的數(shù)字［1］.

超聲波煤粉共振燃燒優(yōu)化系統(tǒng)基于燃燒理論基礎(chǔ)，在燃燒裝置中加入超聲波后使得煤粉在燃燒時(shí)產(chǎn)生共振，提高了擴(kuò)散速度和化學(xué)反應(yīng)速度，從而使煤粉燃盡率大大提高，同時(shí)可降低氮氧化物、碳氧化物的排放.該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)新形勢下節(jié)能減排和經(jīng)濟(jì)高效的目標(biāo)提供了一種全新的途徑.

1 優(yōu)化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置及參數(shù)

采用的試驗(yàn)裝置（見圖1）是由一維管式爐改造的，主要設(shè)備包括管式爐、熱電偶、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、超聲波發(fā)射器、溫控儀、氣泵、陶瓷舟及重量監(jiān)測儀.管式爐內(nèi)溫度可以視為恒溫，其溫控范圍為0～1 300℃.爐體為立式電加熱爐，主爐為高位石英玻璃管，內(nèi)徑為35mm，總長為1 350mm，有效長度為900mm，給粉采用沸騰式裝置，給粉質(zhì)量流量為1.8g／min，硅碳管作為加熱元件與可調(diào)變壓器和可控硅溫控裝置一起控制加熱速率和溫度，利用熱電偶測量溫度.在主爐頂端可通過反光鏡觀察爐內(nèi)的火焰，以便觀察爐內(nèi)著火情況.

主要試驗(yàn)參數(shù)如下：爐溫為800℃，一次風(fēng)體積流量為20L／min，一次風(fēng)溫度為20℃，爐膛截面內(nèi)徑D＝35mm，給粉量為2g／次.采用開灤煙煤作為煤樣，其元素分析與工業(yè)分析見表1［2］.在主要試驗(yàn)條件不變的情況下，通過多次試驗(yàn)對比加入超聲波裝置前后試樣燃盡率的大小，以了解超聲波裝置對煤粉燃燒的改進(jìn)效果.

圖1 煤粉共振燃燒優(yōu)化系統(tǒng)試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental apparatus for pulverized coal resonance combustion optimization

表1 煤粉的元素分析與工業(yè)分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

2 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論依據(jù)

如果以碳的消耗速度vc表示燃燒速度，則有

式中：β為碳和氧消耗的摩爾濃度比；kap為折算速度系數(shù)（或稱表觀反應(yīng)速度常數(shù)）；φO2為周圍環(huán)境中氧的體積分?jǐn)?shù).

從式（1）可以看出，增大燃料與周圍介質(zhì)氣流的相對運(yùn)動(dòng)速度，可以提高氧的擴(kuò)散速度，強(qiáng)化氧向燃料粒子表面的擴(kuò)散過程，并且在固體排渣煤粉爐中，煤粉以懸浮狀態(tài)燃燒，尤其是在高溫的擴(kuò)散燃燒區(qū)，化學(xué)反應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擴(kuò)散速度，提高燃燒速度的主要措施就是提高擴(kuò)散速度［3］.在超聲波的作用下會(huì)引起煤粉共振，使得煤粉與熱空氣的相對運(yùn)動(dòng)速度增大，提高了擴(kuò)散速度，從而提高了化學(xué)反應(yīng)速度，強(qiáng)化了煤粉的燃燒過程.

當(dāng)大部分焦炭燃燒之后，內(nèi)部灰分將會(huì)對燃盡過程產(chǎn)生影響.外層的內(nèi)在灰分裹在內(nèi)層焦炭上，形成一層灰殼，甚至形成渣殼，灰殼或渣殼會(huì)阻礙氧向焦炭表面的擴(kuò)散，延長燃盡時(shí)間.然而，超聲波引起的煤粉共振可以及時(shí)震落煤粉表面的灰殼或渣殼，加快氧向焦炭表面的擴(kuò)散，從而可以提高煤粉燃盡率.同時(shí)煤粉共振可減小煤粉黏結(jié)的概率，擴(kuò)大煤粉與氧的接觸面積，使得煤粉與氧接觸更充分.同樣在超聲波的作用下顆粒的動(dòng)能增大，顆粒之間、顆粒與受熱面之間的吸引力減小，從而減輕結(jié)焦.

為驗(yàn)證試驗(yàn)裝置中超聲波的主要作用是增強(qiáng)了懸浮煤粉顆粒共振效應(yīng)或延長煤粉的空中停留時(shí)間，使之充分燃燒，將等量的煤粉在未燃燒狀態(tài)下分別置于有、無聲場作用中，對從給粉裝置到取樣裝置的懸浮下落時(shí)間進(jìn)行比較.從觀察結(jié)果來看，有、無聲場作用對煤粉懸浮下落時(shí)間的影響不大，幾乎可以忽略超聲波對其燃燒時(shí)間的影響.

3 優(yōu)化系統(tǒng)最佳頻率的選取

3.1 煤樣的理論最佳頻率

開灤煙煤煤粉的固有周期為

式中：f為煤粉的固有頻率，Hz；m為單個(gè)煤粉顆粒的質(zhì)量，g；k為煤粉的剛度，N／m；E為煤粉顆粒彈性模量，Pa；r為煤粉顆粒的半徑，μm；ρ為煤粉密度，g／cm3.

煤粉理論振動(dòng)強(qiáng)度與其固有頻率之間的關(guān)系見圖2.在滿足煤粉理論振動(dòng)強(qiáng)度要求下，計(jì)算所得的固有頻率最小理論值fmin＝10 634Hz，最大理論值fmax＝48 731Hz，f理論取值為10 634～48 731Hz.

圖2 煤粉理論振動(dòng)強(qiáng)度與固有頻率之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between theoretical vibration intensity and natural frequency of coal

3.2 超聲波發(fā)射器的最佳頻率

利用超聲波發(fā)射器、密立根油滴儀、CCD電視和顯微鏡等儀器觀察超聲波作用下煤粉振動(dòng)情況，記錄煤粉振動(dòng)最劇烈時(shí)超聲波的發(fā)射頻率，從而得到相對接近煤粉固有頻率的最佳頻率，測出煤粉固有頻率在45 000～80 000Hz［4］.

由于煤粉的固有頻率與顆粒的大小、質(zhì)量、形狀、煤質(zhì)以及所處的環(huán)境等很多因素有關(guān)，然而這些因素是不固定的，而且模擬裝置也存在誤差，測量煤粉的固有頻率時(shí)每次只能取某一顆粒作為觀察對象，也會(huì)產(chǎn)生誤差，所以理論值和實(shí)測值會(huì)有差異.限于現(xiàn)有的技術(shù)還無法準(zhǔn)確快速地確定最佳頻率，并且煤種不同，煤粉的最佳頻率值也不同，只能通過模擬試驗(yàn)對超聲波的發(fā)射頻率進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整.

通過密立根油滴儀測煤粉最佳頻率試驗(yàn)，得到煤粉共振最佳頻率在45 000～80 000Hz，經(jīng)過多次燃燒試驗(yàn)，最佳頻率為60 000Hz左右（見圖3）.環(huán)境不同，不同煤質(zhì)的最佳頻率會(huì)有明顯的不同.

4 優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果分析

試驗(yàn)鍋爐燃煤質(zhì)量流量為0.1～0.2kg／h.超聲波發(fā)射器及控制裝置功率為0～400W，發(fā)射頻率為40～80kHz，發(fā)射頻率可調(diào).給風(fēng)機(jī)的給風(fēng)量、給煤機(jī)的給煤量及燃燒器火焰大小均可調(diào).

4.1 優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行及結(jié)果

在試驗(yàn)裝置運(yùn)行前，需對爐體進(jìn)行安全試驗(yàn)，通過模擬鍋爐內(nèi)部環(huán)境來研究超聲波對爐體鋼質(zhì)的影響，從而保證系統(tǒng)的安全性和消除安全隱患.然后再啟動(dòng)單片機(jī)、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火、加入漏斗煤粉.使用熱電偶測量主爐膛內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度顯示800℃時(shí)啟動(dòng)給煤機(jī)，并調(diào)至適當(dāng)給煤速度，待燃燒完畢，收集灰渣并清理鍋爐.待鍋爐冷卻后，加裝超聲波發(fā)射器及控制裝置，然后啟動(dòng)裝置并調(diào)到最佳頻率，重復(fù)上述試驗(yàn)過程.

圖3 煤粉振動(dòng)強(qiáng)度與超聲波發(fā)射頻率之間的關(guān)系Fig.3 Relationship between coal vibration intensity and ultrasonic transmitting frequency

由于在固體排渣煤粉爐中，煤粉以懸浮狀態(tài)燃燒，燃燒后的灰分隨煙氣一起流動(dòng).由于爐膛四周不存在黏性液渣層對灰分的捕捉，約有90%～95%的煤灰隨著煙氣被帶出爐膛，只有少量的大灰塵粒在重力作用下落至冷灰斗，這部分灰渣占總灰渣量的5%～10%，為保證試驗(yàn)結(jié)果分析的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)中將高溫?zé)煔獬浞掷鋮s后在除塵器中收集［3－5］.

為了證明優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)越性與試驗(yàn)結(jié)果的正確性，進(jìn)行多次試驗(yàn).樣品分別標(biāo)號(hào)1、1′、2、2′、3和3′，其中樣品1、2和3分別表示在未加超聲波的初始裝置中燃燒的樣品煤；樣品1′、2′和3′分別表示在開啟超聲波裝置中燃燒的樣品煤.經(jīng)過多次試驗(yàn)，其結(jié)果見表2.

表2 煤粉燃燒試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of coal combustion g

4.2 優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

對樣品1、2、3在未加超聲波的初始燃燒裝置中的燃燒結(jié)果進(jìn)行分析［6］，以灰渣質(zhì)量表示的燃盡率見表3，其中樣品4的參數(shù)表示3個(gè)樣品對應(yīng)參數(shù)的平均值（下同）.

樣品1′、2′、3′在加裝超聲波的優(yōu)化燃燒裝置中的燃燒試驗(yàn)結(jié)果見表4，其中以灰渣質(zhì)量表示燃盡率，Δc表示樣品在優(yōu)化裝置中的燃盡率相對于在原始燃燒裝置中的提高率.由表4可以看出，以灰渣質(zhì)量表示的燃盡率在超聲波煤粉共振燃燒系統(tǒng)中的燃盡率平均提高了9.016 3%，試驗(yàn)數(shù)據(jù)科學(xué)可靠.當(dāng)使用貧煤及無煙煤等燃料時(shí)，此試驗(yàn)裝置均可顯著提高燃燒效率.

表3 煤粉在初始燃燒裝置中的燃燒試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Analysis of coal combustion in ordinary condition

表4 煤粉在超聲波共振環(huán)境下的燃燒試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Analysis of coal combustion in ultrasonic condition

5 結(jié) 論

（1）超聲波煤粉共振燃燒優(yōu)化系統(tǒng)可以顯著提高鍋爐燃燒效率，延長燃燒時(shí)間，保證燃料充分燃燒，降低燃煤量.

（2）該優(yōu)化系統(tǒng)可降低煤粉黏結(jié)的概率，擴(kuò)大煤粉與氧的接觸面積，使煤粉與氧接觸更充分，燃料燃燒更充分，鍋爐的整體性能有所提高.

［1］王鶯歌.大型電站鍋爐飛灰含碳量的調(diào)整與控制［J］.東北電力技術(shù)，2007，28（11）：24－28.WANG Yingge.Regulating and controlling of boiler unburned carbon in fly ash for large－scale power plant［J］.Northeast Electric Power Technology，2007，28（11）：24－28.

［2］周桂平，劉吉堂，范志斌，等.電廠燃料［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］樊泉桂，閻維平，閆順林，等.鍋爐原理［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］吳永生，方可人.熱工測量及儀表［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］郭永紅，白濤，孫保民，等.降低鍋爐爐渣含碳量問題的研究［J］.動(dòng)力工程學(xué)報(bào)，2012，32（2）：106－111.GUO Yonghong，BAI Tao，SUN Baomin，et al.Study on reducing carbon content in slag of a utility boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32（2）：106－111.

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