富氧煤粉气流着火机理的实验研究

樊越胜, 司鹏飞, 曹子栋

(1.西安建筑科技大学 环境与市政工程学院,西安710055;2.西安交通大学 能源与动力工程学院,西安710049)

燃料的燃烧可在以下3种工况下进行:贫氧燃烧工况、富氧燃烧工况和理论燃烧工况.为了使燃料充分燃烧,一般工业燃烧装置中的燃料都应该在富氧燃烧工况下进行.美国GE公司、日本松下电器产业均已研制出成熟的工业富氧燃烧系统,美国已将富氧燃烧技术应用于航空发动机上,日本已经在大多数船舶的燃烧系统中加装富氧装置.目前,国内的富氧燃烧技术主要应用在工业燃烧装置上,富氧率已成为燃煤粉装置的主要技术经济指标之一[1].

1 富氧燃烧

常规的富氧燃烧技术有如下几种:预混富氧、射氧、纯氧燃烧和混氧燃烧.预混富氧燃烧是空气在进入燃烧器之前便与氧气均匀混合成O2体积分数(含氧量)φ(O2)为25%～30%的富氧空气流,可以有效缩短火焰长度,增强火焰强度.射氧技术是在风粉混合物进入炉膛之后的一定距离内加入富氧气流,促使风粉混合物着火燃烧得到增强.纯氧燃烧技术是直接以 φ(O2)≈90%的氧气代替空气进行助燃,优点是火焰中热点缩小而产生很低的NOx排放浓度,但同时它也产生最高的运行费用.混氧燃烧是纯氧燃烧的变种,空气与氧气分别送入燃烧器,这种方法可以通过使用比预混和射氧更充分的富氧,产生更高的效益,其运行费用低于纯氧燃烧,而且火焰形状和放热方式可以通过控制氧气用量进行调整.

煤粉着火机理问题的关注最早见于Haswell矿井爆炸后Faraday和Lyell的研究报告[2],然而直到20世纪60年代以后,对其着火机理的认识才有了较大的进展.Essenhigh就单颗粒煤粉着火特性和机理的研究成果作了很好的综述,认为煤粉颗粒的着火有多相着火和均相着火两种方式[3].随着煤粉颗粒特性、加热条件及氧体积分数等因素的变化,着火方式会发生过渡.但煤粒的着火温度均随着φ(O2)的增大而降低[4].

虽然单颗煤粒的研究结果对煤粉气流着火过程的认识有一定的理论和实际意义,但由于气流流动的湍流特性,使煤粉气流中的气流速度、气流温度、氧浓度、煤粒浓度及煤粒温度都会随气流流动而变化.因此,煤粉气流的着火过程比单颗煤粒的着火复杂得多[5].文献[4]指出颗粒群的着火也存在均相和非均相两种方式,并针对煤粉浓度对煤粉气流着火的影响进行了深入研究,但是对氧体积分数大于21%下煤粉气流的着火机理研究较少.

当环境φ(O2)发生变化时,煤粉气流的反应动力学级数和机理都会发生变化.从工程应用的角度出发,对富氧气氛条件下煤粉气流的热解、着火和燃烧特性进行研究,将会对富氧煤粉点火器的研制和运行提供可靠的理论依据和实验数据.

2 实验系统

2.1 实验煤样

文献[6]指出适宜于富氧煤粉点火系统的煤种为烟煤.因此本实验中采用神木烟煤(SM)作为实验煤种,其工业分析和采用标准泰勒筛网的方法筛分得到的煤样平均直径见表1.

表1 实验煤样的工业分析Tab.1 Proximate analysis of the coal sample

2.2 实验设计

采用一维火焰炉系统研究煤粉颗粒的燃烧通常有两种方法:第1种是取样分析;第2种是观察法,观察法直接而且不影响炉内过程.综合考虑上述两种方法,设计的实验装置原理图见图1.主炉加热和温度控制采用自动控制系统.用数据采集系统采集热电偶测温信号和烟气成分分析信号,并连接到计算机系统显示和保存.

图1 实验装置原理图Fig.1 Schematic of experimental device

2.3 实验工况

目前,实际运行中锅炉一次风中煤粉浓度为0.35～0.45 kg(煤粉)/kg(空气)[7],故实验中采用的一次风粉浓度值为0.40 kg(固)/kg(气).

2.4 煤粉气流着火方式的判断

煤粉气流着火方式的判别非常困难,难以用直观的方法来进行观察.Howard等[8]通过分析着火过程中煤焦挥发分和固定碳含量的变化确定了多相着火的存在,根据CO2生成量的突变来确定着火位置,再通过挥发分和固定碳比值的变化确定着火方式,并以燃烧过程中固定碳和挥发分的消耗度作补充说明.

碳粒表面除与氧反应生成CO2外,也可能产生CO,还可能发生碳与CO2的还原反应,所产生的CO在空间又与氧反应(称容积反应),因此可把上述情况概括如下:

如果煤粉气流中只有容积反应,则烟气中CO的体积分数 φ(CO)会迅速降低,CO2的体积分数φ(CO2)升高,此为均相着火;如果只有表面反应,则烟气中 φ(CO)和 φ(CO2)均将升高,而比值 φ(CO)/φ(CO2)基本保持不变,这时就表现为多相着火;如果表面反应和容积反应同时发生,则烟气中φ(CO2)会迅速增加:(1)通常着火前后颗粒温度不高,表面反应中以CO2为主要反应产物[9];(2)容积反应也生成CO2,φ(CO2)则视反应(b)、(c)、(d)的强弱会有一定程度的增长,在较低温度下(t＜1 200℃),燃烧反应按式(2)[10]进行,但总的 φ(CO)/φ(CO2)会随着着火的发生表现出下降的趋势.笔者认为,判断着火的发生主要以 φ(CO2)的突增为特征,以着火时烟气中φ(CO)和φ(CO2)的变化规律来探讨煤粉气流的着火机理.

3 结果与分析

3.1 φ(CO)和 φ(CO2)的变化

图2为不同氧浓度下升温过程中 φ(CO)和φ(CO2)随时间的变化关系.从图2可以看到,在氧浓度 φ(O2)=21%时(空气状态),着火发生前,煤粉发生热解,挥发分中释放的CO量较多,CO2量缓慢增加;当发生着火时,φ(CO2)迅速升高,但 φ(CO)却迅速下降,说明此时发生的是均相着火,挥发分中的CO与O2反应生成CO2.当环境φ(O2)大于30%时,如发生着火,CO量和CO2量同步迅速增加,说明此时发生多相着火,O2到达煤粒表面,直接与C发生化学反应生成CO和CO2.并且随着 φ(O2)的提高,φ(CO)和 φ(CO2)也在着火时刻其变化斜率增大,着火后煤粉气流的燃烧变得更加强烈,燃烧产物浓度迅速增大.

图2 煤粉升温过程中气体成分的变化Fig.2 Variation of flue gas composition during heating of pulverized coal

3.2 着火温度的变化

当环境φ(O2)较高时,着火温度降低,见图3,与文献[4]在一维炉上的实验结果一致,随着氧体积分数增加,着火温度近似呈指数下降.煤粉析出挥发分的时间较短,热解产生的挥发分少,不足以引起整个煤粉气流的均相着火,而氧量相对较多,极易到达颗粒表面,着火只能是非均相的.

3.3 比值 φ(CO)/φ(CO2)的变化

图4为不同φ(O2)下升温过程中比值φ(CO)/φ(CO2)随时间的变化关系.在 φ(O2)=21%的空气中,当发生着火时,比值φ(CO)/φ(CO2)迅速减小,且φ(CO)也迅速降低,说明发生的是均相着火;在φ(O2)=30%时,发生着火时的比值 φ(CO)/φ(CO2)也迅速减小,但此时 φ(CO)却是升高的,说明此时发生的是联合着火过程,挥发分中CO与O2反应生成CO2的同时,O2与碳粒表面的反应又不断生成CO和CO2,两者共同作用的结果是使φ(CO)/φ(CO2)迅速减小,但是烟气中 φ(CO)却不断升高;在 φ(O2)=40%和 φ(O2)=60%时,φ(CO)/φ(CO2)基本保持不变,说明是O2直接与碳粒表面反应的结果,是典型的多相反应过程.而文献[11]在滴管炉内对单颗煤粒的研究也表明,在φ(O2)=10%时,着火机理明显是均相方式,而在φ(O2)=30%时,着火机理表现为非均相方式,也即随着氧体积分数的增加,煤粉颗粒的着火方式从挥发分的均相着火向原煤粒的非均相着火过渡.

图3 着火温度与φ(O2)的关系Fig.3 Relationship between ignition temperature and volumetric fraction of oxygen

图4 升温过程中比值φ(CO)/φ(CO2)的变化Fig.4 Variation of ratio ofφ(CO)toφ(CO2)during heating

3.4 φ(CO)和 φ(CH4)的变化

实验数据同时显示,随着环境 φ(O2)增大,着火前烟气中 φ(CO)逐渐降低.在环境 φ(O2)=80%时,着火前烟气中φ(CO)几乎为零;当着火发生时,φ(CO)突增,说明煤粉的热解过程与着火过程同步发生,固定碳的着火使煤粉颗粒表面温度升高,引起挥发分的析出和燃烧.着火前后烟气中热解产物φ(CH4)的变化情况与 φ(CO)相同,见表2.在较低φ(O2)下,首先是挥发分着火,然后点燃固定碳使其燃烧;在高 φ(O2)下,着火前几乎没有热解产物,当煤粉气流中的颗粒温度达到着火温度时,只能发生多相着火方式,表现为激烈的燃烧过程.

表2 着火点处CH 4的体积分数Tab.2 Volumetric fraction of CH4 at the ignition point

4 结 论

(1)采用着火时烟气中 φ(CO)和 φ(CO2)的变化规律来判断煤粉气流的着火机理是可行的.

(2)对神木烟煤来说,在 φ(O2)=21%(空气状态)下,煤粉气流发生均相着火;在 φ(O2)=30%时,发生联合着火过程;当 φ(O2)≥40%时,O2直接与碳粒表面反应,是典型的多相反应过程.也就是说,对于神木烟煤煤粉气流来说,随着一次风中φ(O2)的增大,煤粉气流的着火从均相反应向多相反应过渡.

(3)随着环境φ(O2)增大,着火温度降低,着火前烟气中热解产物含量降低,使着火机理发生改变.

[1] 阎维平,米翠丽.300 MW富氧燃烧电站锅炉的经济性分析[J].动力工程学报,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.

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[4] 肖佳元,章明川,齐永锋.低氧再燃条件下煤粉均相着火温度的测量[J].动力工程,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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