声场强化煤粉燃烧的试验研究

王瀛洲， 韩 璞

（华北电力大学 自动化系，保定071003）

电站锅炉燃烧优化一直是电力行业研究人员努力的方向，设计一套高效的燃烧系统将对电厂发展起关键作用.国内70%以上的发电机组是火力发电机组，如果有一套先进的燃烧优化系统可以使锅炉燃烧效率提高，那么每年节约的原煤量将是一个巨大的数字［1］.

超声波煤粉共振燃烧优化系统基于燃烧理论基础，在燃烧装置中加入超声波后使得煤粉在燃烧时产生共振，提高了扩散速度和化学反应速度，从而使煤粉燃尽率大大提高，同时可降低氮氧化物、碳氧化物的排放.该技术为实现新形势下节能减排和经济高效的目标提供了一种全新的途径.

1 优化系统试验装置及参数

采用的试验装置（见图1）是由一维管式炉改造的，主要设备包括管式炉、热电偶、单片机、电机驱动、超声波发射器、温控仪、气泵、陶瓷舟及重量监测仪.管式炉内温度可以视为恒温，其温控范围为0～1 300℃.炉体为立式电加热炉，主炉为高位石英玻璃管，内径为35mm，总长为1 350mm，有效长度为900mm，给粉采用沸腾式装置，给粉质量流量为1.8g／min，硅碳管作为加热元件与可调变压器和可控硅温控装置一起控制加热速率和温度，利用热电偶测量温度.在主炉顶端可通过反光镜观察炉内的火焰，以便观察炉内着火情况.

主要试验参数如下：炉温为800℃，一次风体积流量为20L／min，一次风温度为20℃，炉膛截面内径D＝35mm，给粉量为2g／次.采用开滦烟煤作为煤样，其元素分析与工业分析见表1［2］.在主要试验条件不变的情况下，通过多次试验对比加入超声波装置前后试样燃尽率的大小，以了解超声波装置对煤粉燃烧的改进效果.

图1 煤粉共振燃烧优化系统试验装置Fig.1 Experimental apparatus for pulverized coal resonance combustion optimization

表1 煤粉的元素分析与工业分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

2 优化系统设计理论依据

如果以碳的消耗速度vc表示燃烧速度，则有

式中：β为碳和氧消耗的摩尔浓度比；kap为折算速度系数（或称表观反应速度常数）；φO2为周围环境中氧的体积分数.

从式（1）可以看出，增大燃料与周围介质气流的相对运动速度，可以提高氧的扩散速度，强化氧向燃料粒子表面的扩散过程，并且在固体排渣煤粉炉中，煤粉以悬浮状态燃烧，尤其是在高温的扩散燃烧区，化学反应速度远远大于扩散速度，提高燃烧速度的主要措施就是提高扩散速度［3］.在超声波的作用下会引起煤粉共振，使得煤粉与热空气的相对运动速度增大，提高了扩散速度，从而提高了化学反应速度，强化了煤粉的燃烧过程.

当大部分焦炭燃烧之后，内部灰分将会对燃尽过程产生影响.外层的内在灰分裹在内层焦炭上，形成一层灰壳，甚至形成渣壳，灰壳或渣壳会阻碍氧向焦炭表面的扩散，延长燃尽时间.然而，超声波引起的煤粉共振可以及时震落煤粉表面的灰壳或渣壳，加快氧向焦炭表面的扩散，从而可以提高煤粉燃尽率.同时煤粉共振可减小煤粉黏结的概率，扩大煤粉与氧的接触面积，使得煤粉与氧接触更充分.同样在超声波的作用下颗粒的动能增大，颗粒之间、颗粒与受热面之间的吸引力减小，从而减轻结焦.

为验证试验装置中超声波的主要作用是增强了悬浮煤粉颗粒共振效应或延长煤粉的空中停留时间，使之充分燃烧，将等量的煤粉在未燃烧状态下分别置于有、无声场作用中，对从给粉装置到取样装置的悬浮下落时间进行比较.从观察结果来看，有、无声场作用对煤粉悬浮下落时间的影响不大，几乎可以忽略超声波对其燃烧时间的影响.

3 优化系统最佳频率的选取

3.1 煤样的理论最佳频率

开滦烟煤煤粉的固有周期为

式中：f为煤粉的固有频率，Hz；m为单个煤粉颗粒的质量，g；k为煤粉的刚度，N／m；E为煤粉颗粒弹性模量，Pa；r为煤粉颗粒的半径，μm；ρ为煤粉密度，g／cm3.

煤粉理论振动强度与其固有频率之间的关系见图2.在满足煤粉理论振动强度要求下，计算所得的固有频率最小理论值fmin＝10 634Hz，最大理论值fmax＝48 731Hz，f理论取值为10 634～48 731Hz.

图2 煤粉理论振动强度与固有频率之间的关系Fig.2 Relationship between theoretical vibration intensity and natural frequency of coal

3.2 超声波发射器的最佳频率

利用超声波发射器、密立根油滴仪、CCD电视和显微镜等仪器观察超声波作用下煤粉振动情况，记录煤粉振动最剧烈时超声波的发射频率，从而得到相对接近煤粉固有频率的最佳频率，测出煤粉固有频率在45 000～80 000Hz［4］.

由于煤粉的固有频率与颗粒的大小、质量、形状、煤质以及所处的环境等很多因素有关，然而这些因素是不固定的，而且模拟装置也存在误差，测量煤粉的固有频率时每次只能取某一颗粒作为观察对象，也会产生误差，所以理论值和实测值会有差异.限于现有的技术还无法准确快速地确定最佳频率，并且煤种不同，煤粉的最佳频率值也不同，只能通过模拟试验对超声波的发射频率进行适当调整.

通过密立根油滴仪测煤粉最佳频率试验，得到煤粉共振最佳频率在45 000～80 000Hz，经过多次燃烧试验，最佳频率为60 000Hz左右（见图3）.环境不同，不同煤质的最佳频率会有明显的不同.

4 优化系统运行及结果分析

试验锅炉燃煤质量流量为0.1～0.2kg／h.超声波发射器及控制装置功率为0～400W，发射频率为40～80kHz，发射频率可调.给风机的给风量、给煤机的给煤量及燃烧器火焰大小均可调.

4.1 优化系统运行及结果

在试验装置运行前，需对炉体进行安全试验，通过模拟锅炉内部环境来研究超声波对炉体钢质的影响，从而保证系统的安全性和消除安全隐患.然后再启动单片机、调节风机、点火、加入漏斗煤粉.使用热电偶测量主炉膛内部温度，当温度显示800℃时启动给煤机，并调至适当给煤速度，待燃烧完毕，收集灰渣并清理锅炉.待锅炉冷却后，加装超声波发射器及控制装置，然后启动装置并调到最佳频率，重复上述试验过程.

图3 煤粉振动强度与超声波发射频率之间的关系Fig.3 Relationship between coal vibration intensity and ultrasonic transmitting frequency

由于在固体排渣煤粉炉中，煤粉以悬浮状态燃烧，燃烧后的灰分随烟气一起流动.由于炉膛四周不存在黏性液渣层对灰分的捕捉，约有90%～95%的煤灰随着烟气被带出炉膛，只有少量的大灰尘粒在重力作用下落至冷灰斗，这部分灰渣占总灰渣量的5%～10%，为保证试验结果分析的准确性，试验中将高温烟气充分冷却后在除尘器中收集［3－5］.

为了证明优化系统的优越性与试验结果的正确性，进行多次试验.样品分别标号1、1′、2、2′、3和3′，其中样品1、2和3分别表示在未加超声波的初始装置中燃烧的样品煤；样品1′、2′和3′分别表示在开启超声波装置中燃烧的样品煤.经过多次试验，其结果见表2.

表2 煤粉燃烧试验结果Tab.2 Experimental results of coal combustion g

4.2 优化系统运行结果分析

对样品1、2、3在未加超声波的初始燃烧装置中的燃烧结果进行分析［6］，以灰渣质量表示的燃尽率见表3，其中样品4的参数表示3个样品对应参数的平均值（下同）.

样品1′、2′、3′在加装超声波的优化燃烧装置中的燃烧试验结果见表4，其中以灰渣质量表示燃尽率，Δc表示样品在优化装置中的燃尽率相对于在原始燃烧装置中的提高率.由表4可以看出，以灰渣质量表示的燃尽率在超声波煤粉共振燃烧系统中的燃尽率平均提高了9.016 3%，试验数据科学可靠.当使用贫煤及无烟煤等燃料时，此试验装置均可显著提高燃烧效率.

表3 煤粉在初始燃烧装置中的燃烧试验结果Tab.3 Analysis of coal combustion in ordinary condition

表4 煤粉在超声波共振环境下的燃烧试验结果Tab.4 Analysis of coal combustion in ultrasonic condition

5 结 论

（1）超声波煤粉共振燃烧优化系统可以显著提高锅炉燃烧效率，延长燃烧时间，保证燃料充分燃烧，降低燃煤量.

（2）该优化系统可降低煤粉黏结的概率，扩大煤粉与氧的接触面积，使煤粉与氧接触更充分，燃料燃烧更充分，锅炉的整体性能有所提高.

［1］王莺歌.大型电站锅炉飞灰含碳量的调整与控制［J］.东北电力技术，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，刘吉堂，范志斌，等.电厂燃料［M］.北京：中国电力出版社，2007.

［3］樊泉桂，阎维平，闫顺林，等.锅炉原理［M］.北京：中国电力出版社，2009.

［4］吴永生，方可人.热工测量及仪表［M］.北京：中国电力出版社，2010.

［5］郭永红，白涛，孙保民，等.降低锅炉炉渣含碳量问题的研究［J］.动力工程学报，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.

［6］王海舟.炉渣分析［M］.北京：科学出版社，2006.