一维炉系统的测试实验

李　格，李　智，谷聪伟，史俊瑞，高学伟，刘耀鑫，黄新章

(沈阳工程学院 a.研究生部； b.能源与动力工程学院； c.仿真中心，辽宁 沈阳 110136)



一维炉系统的测试实验

李格a，李智，谷聪伟a，史俊瑞b，高学伟c，刘耀鑫b，黄新章b

(沈阳工程学院 a.研究生部； b.能源与动力工程学院； c.仿真中心，辽宁 沈阳 110136)

摘要：一维炉是一种研究煤的热解燃烧和结渣等方面的实验系统，可用于模拟电厂煤粉的燃烧特性。以元宝山褐煤为燃料，介绍了一维炉的结构和功能，并对系统的可靠性进行了验证，利用烟气分析仪及热重分析仪对燃烧后的尾部烟气及灰渣进行了分析测定。结果表明：尾部烟气含氧量与灰渣可燃部分剩余量均在理论计算值的误差允许范围内，说明一维炉密封良好,系统内各部分正常运行，对维炉的调试和研究具有一定的参考意义。

关键词：一维炉；元宝山褐煤；煤粉燃烧；测试实验

提高锅炉发电效率，掌握煤粉燃烧过程和污染物生成机理，是解决能源问题和环境问题的关键环节。煤燃烧是在高温条件下进行的气固两相不断混合和反应的过程[1]，其燃烧状况与煤粉成分、炉膛内空气动力场和对流辐射换热等影响因素相关。为了研究炉内燃烧的实际情况，国内外很多从事煤燃烧的机构将三维燃烧简化为一维状态，搭建形式多样的一维炉实验台，以此来完成煤粉在不同工况下着火、燃烧和结渣等特性的基础研究，通过了解参数变化对燃烧状况的影响来实现燃烧优化，同时研究污染物的生成机理，解决控制污染物的排放问题。国内外许多研究机构[2，3]，例如康奈尔大学、澳大利亚的CRC-BCU、西安热工院、浙江大学、哈尔滨工业大学等都有类似的实验台，且在燃烧化学动力学、NOx生成、颗粒物排放等方面取得一定的研究成果。

1一维炉系统概述

一维炉实验系统由配气系统、给粉系统、空气预热器、反应炉本体、取样系统及冷却系统等构成[4-6]，炉内温度最高可达1 550 ℃。

1.1配气系统

配气系统由气体钢瓶、混气罐、质量流量计以及连接管路组成，其主要作用是保证到达反应管中的气体均匀、流量稳定。

1.2给粉系统

实验台对给粉精度要求比较高，既要减少煤粉颗粒间的相互影响，又要保证给粉的连续性和可靠性。考虑到这些因素，给粉系统采用震动式针管微量给粉机，如图1所示。

图1　送粉装置

震动给粉系统由电机、减速器、联轴器、丝杠、导轨、改造的玻璃注射器、水滴形玻璃容器、改进的振动器和支架等组成。给粉系统动力由电机提供，经过减速器和联轴器传递至丝杠，从而推动丝杠上的导轨缓慢前移；水滴形玻璃容器的顶部通入携带气，侧面开口固定着装入了给粉物的注射器；震动器由按摩棒改造而成，提供均匀震动。

实验开始前，需要对给粉系统进行标定，根据标定曲线以及工况的设定值选取相应的电机转速，保证给粉的连续稳定性。另外，要保证整个实验过程中均匀稳定的震动环境，保证实验用粉的干燥性，避免结块堵塞，时时观察玻璃注射器内剩余样品量，并及时更换。

1.3空气预热器

实验时设定预热炉的温度为800 ℃，如果将经过配气系统混合后的实验气体直接送入炉膛内的高温环境中，会影响整个反应管内的温度场。为了减少这种影响，需要将气体通过空气预热器加热后，再送入炉膛。

1.4反应炉本体

反应炉炉体为铁质结构，炉壁厚度为5 mm，径向为分层结构。最内层为刚玉反应管，主要成分为氧化铝，最高可以承受1 700 ℃的高温；刚玉炉膛管外边为晶体纤维保温层，加热元件镶嵌在其中；最外层为石棉保温层和空气隔热层，保证炉体温度不会像外壳过渡散热，如图2所示。

图2　反应炉内部结构

升温过程为分段加热，通过升温仪表实时监测实际温度，对每个区段的升温速率、终止温度、保温时间及加热功率进行设定。

1.5取样系统

取样系统由坐标架、油冷取样枪、冷却油路、灰尘过滤筒、洗气瓶、测量仪器和连接管路组成。取样枪可以固定在坐标架上，坐标架侧面带有刻度，可以根据具体工况要求移动取样枪位置，从而保证不同的停留时间。实验过程中，气体经过取样枪后进入过滤筒过滤，然后进入装有硅胶粒的洗气瓶，保证进入测量仪器前不含水分。除去固体颗粒和水分的烟气通入烟气分析仪进行成分分析。

2实验工况

对实验所用的煤进行元素分析和工业分析后，其结果如表1所示。

表1　元素分析和工业分析结果　wt%

2.1实验设定

1)实验介质：空气；

2)实验目的：测定不同温度、过量空气系数和停留时间对煤粉燃烧的影响；

3)设计工况：①给粉量为50 g/h；②实验温度分别为1 000 ℃和1 200 ℃；③停留时间分别为2.5 s和1.5 s；④实验用煤为元宝山褐煤，在60 ℃下烘干2 h，全粒径为0.3 mm以下。

2.2煤粉的标定

实验前对煤粉进行标定，在不同转速下进行多组标定实验，选取重复性高的数据的平均值进行直线拟合，其结果如图3所示。

实验时的给煤量为50 g/h，煤机频率计算值为16 371 Hz ，实际值为13 000 Hz，实际与理论有偏差，所标定的直线可供每次实验时参考。

图3　煤粉标定直线拟合

2.3实际空气量的计算

根据对元宝山褐煤的元素分析，计算其燃烧时所需的理论空气量[4]。

1 kg燃料所需要的理论空气量为

V0=0.088 9(Car+0.375Sar)+0.265Har-0.033 3Oar

(1)

代入各元素百分比，求得V0=5.47 L/min；

实验中给煤量为50 g/h，故实验中每小时的理论空气量为

实验设定过量空气系数α分别为1.2和1.5,则

(2)

由公式(2)可求得对应的实际空气量分别为

V1=1.2 L/min

V2=1.5V0=6.84 L/min

2.4取样枪对应坐标的计算

实验测定不同温度、过量空气系数和停留时间对煤粉燃尽的影响，经计算各工况下取样枪对应坐标如表2所示。

3实验结果分析

3.1热重分析

对燃烧后产物进行热重分析，反应气氛为氧气，其流量为100 ml/min；保护气体为氮气，其流量为 20 ml/min。实验进行多组测试，取停留时间为2.5 s，过量空气系数为1.5，温度分别为1 000 ℃和1 200 ℃的两组有代表性热重数据，如图4和图5所示。

表2　各工况下对应取样枪坐标

图4　1 000 ℃热重数据

图5　1 200 ℃热重数据

如图4所示，温度变化从50 ℃到815 ℃，恒温时间为30 min，升温速率为50 ℃/min，最终质量百分比为98.259 9%，灰中含碳量百分比为1.740 1%。

如图5所示，温度变化从50 ℃到815 ℃，恒温时间为50 min，升温速率为50 ℃/min，最终质量百分比为98.4213%，灰中含碳量百分比为1.5787%。

3.2烟气分析

实验过程中用tseto350烟气分析仪进行烟气分析，其数据如图7和图8所示。由已知过量空气系数反算烟气中氧的容积成分，可得实际测得数据与理论值基本上一一对应。通过热重分析和烟气分析可以得知，褐煤得以充分燃烧，达到实验预期结果，符合设计要求。

图6　1 000 ℃烟气数据

图7　1 200 ℃烟气数据

4结语

通过对一维炉各个组成系统的介绍，描述了各个系统的功能和特点，并利用新建一维炉模拟真实锅炉燃烧情况。

1)炉内加热元件采用硅钼棒，炉膛中心管采用刚玉材质，保证其能够在1 773 K高温条件下稳定工作。

2)以褐煤为燃料，利用质量流量计实现烟气成分的定量配制。

3)利用取样枪和坐标架相配合，实现炉膛内的取样点能够连续可调，从而精确控制停留时间。

4)通过油冷系统保证给粉系统和取样系统在高温环境中安全稳定运行。

5)实验过程中，油冷系统的保护有待日后不断完善。

参考文献

[1]陈鹏.中国煤炭性质、分类和利用[M].北京：化学工业出版社，2001.

[2]Zhang Juwei,Sun Shaozeng,Hu Xidong,et al.Modeling No-Char Reaction at High Temperature[J].Energy & Fuels,2009,23:2376-2382.

[3]徐旭常，吕俊复，张海.燃烧理论与燃烧设备[M].第2版.北京:科学出版社,2012.

[4]杨武，汪印，宋扬，等.沉降炉中生物质热解产物的脱硝特性[J].过程工程学报，2013(2)：323-326.

[5]孟宪宇.高温条件下烟气成分对NO-焦炭反应影响的实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2012：12-30.

[6]张冬冬，齐永锋，徐亮，等.高温沉降炉内烟煤快速裂解特性实验研究[J].化学工程，2013，41(11)：64-69.

(责任编辑张凯校对佟金锴)

张铁岩(1962-)，男，辽宁沈阳人，教授，博士，博士生导师，主要从事电力系统复杂故障诊断方面的科研工作。

The Test Experiment of One-dimensional Furnace System

LI Gea,LI Zhi,GU Cong-weia,SHI Jun-ruib,GAO Xue-weic,LIU Yao-xinb,HUANG Xin-zhangb

(a.Graduate Department; b.School of Energy and Power Engineering; c.Simulation Centre,

Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：One-dimensional Furnace System is a kind of experimental research carrier that can be used for the experimental study of coal combustion,slagging and other aspects.It can also be used for the simulationof the combustion characteristics of pulverized coal.This paper introduces the structure and functions of one-dimensional furnace,verifies its reliability throughcombustionexperiments with Yuanbaoshan lignite,determinates the post combustion flue gas component content using flue gas analyzer and analyzes the combustion ash by Thermo Gravimetric Analyzer.Experimental determination of oxygen content in flue gases and ash combustible part of residual volume calculated are in the range of allowable error in theory.It shows the sealof one-dimensional furnace is well,and the system can run normally.

Key words：one-dimensional furnace;Yuanbaoshan lignite;coal combustion;test experiment

通讯作者：肖增弘(1963-)，女，辽宁辽中人，教授，硕士，硕士生导师，主要从事火电厂热力系统节能分析方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.013 10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.01.008

作者简介：彭鹏(1989-)，男，辽宁沈阳人，硕士研究生。 李洋(1986-)，男，辽宁绥中人，助理工程师，硕士研究生.

收稿日期：2014-11-22 2014-05-22

中图分类号：TK175

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2015)01-0031-04