富氧煤粉氣流著火機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

樊越勝, 司鵬飛, 曹子棟

(1.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院,西安710055;2.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,西安710049)

燃料的燃燒可在以下3種工況下進(jìn)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(jìn)行.美國(guó)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(guó)已將富氧燃燒技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)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(guó)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(jì)指標(biāo)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(jìn)入燃燒器之前便與氧氣均勻混合成O2體積分?jǐn)?shù)(含氧量)φ(O2)為25%～30%的富氧空氣流,可以有效縮短火焰長(zhǎng)度,增強(qiáng)火焰強(qiáng)度.射氧技術(shù)是在風(fēng)粉混合物進(jìn)入爐膛之后的一定距離內(nèi)加入富氧氣流,促使風(fēng)粉混合物著火燃燒得到增強(qiáng).純氧燃燒技術(shù)是直接以 φ(O2)≈90%的氧氣代替空氣進(jìn)行助燃,優(yōu)點(diǎn)是火焰中熱點(diǎn)縮小而產(chǎn)生很低的NOx排放濃度,但同時(shí)它也產(chǎn)生最高的運(yùn)行費(fèi)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(guò)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(yùn)行費(fèi)用低于純氧燃燒,而且火焰形狀和放熱方式可以通過(guò)控制氧氣用量進(jìn)行調(diào)整.

煤粉著火機(jī)理問(wèn)題的關(guān)注最早見(jiàn)于Haswell礦井爆炸后Faraday和Lyell的研究報(bào)告[2],然而直到20世紀(jì)60年代以后,對(duì)其著火機(jī)理的認(rèn)識(shí)才有了較大的進(jìn)展.Essenhigh就單顆粒煤粉著火特性和機(jī)理的研究成果作了很好的綜述,認(rèn)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?jǐn)?shù)等因素的變化,著火方式會(huì)發(fā)生過(guò)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(duì)煤粉氣流著火過(guò)程的認(rèn)識(shí)有一定的理論和實(shí)際意義,但由于氣流流動(dòng)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(huì)隨氣流流動(dòng)而變化.因此,煤粉氣流的著火過(guò)程比單顆煤粒的著火復(fù)雜得多[5].文獻(xiàn)[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(duì)煤粉濃度對(duì)煤粉氣流著火的影響進(jìn)行了深入研究,但是對(duì)氧體積分?jǐn)?shù)大于21%下煤粉氣流的著火機(jī)理研究較少.

當(dāng)環(huán)境φ(O2)發(fā)生變化時(shí),煤粉氣流的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)級(jí)數(shù)和機(jī)理都會(huì)發(fā)生變化.從工程應(yīng)用的角度出發(fā),對(duì)富氧氣氛條件下煤粉氣流的熱解、著火和燃燒特性進(jìn)行研究,將會(huì)對(duì)富氧煤粉點(diǎn)火器的研制和運(yùn)行提供可靠的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 實(shí)驗(yàn)煤樣

文獻(xiàn)[6]指出適宜于富氧煤粉點(diǎn)火系統(tǒng)的煤種為煙煤.因此本實(shí)驗(yàn)中采用神木煙煤(SM)作為實(shí)驗(yàn)煤種,其工業(yè)分析和采用標(biāo)準(zhǔn)泰勒篩網(wǎng)的方法篩分得到的煤樣平均直徑見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)煤樣的工業(yè)分析Tab.1 Proximate analysis of the coal sample

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(guò)程.綜合考慮上述兩種方法,設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置原理圖見(jiàn)圖1.主爐加熱和溫度控制采用自動(dòng)控制系統(tǒng).用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集熱電偶測(cè)溫信號(hào)和煙氣成分分析信號(hào),并連接到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)顯示和保存.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置原理圖Fig.1 Schematic of experimental device

2.3 實(shí)驗(yàn)工況

目前,實(shí)際運(yùn)行中鍋爐一次風(fēng)中煤粉濃度為0.35～0.45 kg(煤粉)/kg(空氣)[7],故實(shí)驗(yàn)中采用的一次風(fēng)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(lái)進(jìn)行觀察.Howard等[8]通過(guò)分析著火過(guò)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(lái)確定著火位置,再通過(guò)揮發(fā)分和固定碳比值的變化確定著火方式,并以燃燒過(guò)程中固定碳和揮發(fā)分的消耗度作補(bǔ)充說(shuō)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?jǐn)?shù) φ(CO)會(huì)迅速降低,CO2的體積分?jǐn)?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(shí)就表現(xiàn)為多相著火;如果表面反應(yīng)和容積反應(yīng)同時(shí)發(fā)生,則煙氣中φ(CO2)會(huì)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(qiáng)弱會(huì)有一定程度的增長(zhǎng),在較低溫度下(t＜1 200℃),燃燒反應(yīng)按式(2)[10]進(jìn)行,但總的 φ(CO)/φ(CO2)會(huì)隨著著火的發(fā)生表現(xiàn)出下降的趨勢(shì).筆者認(rèn)為,判斷著火的發(fā)生主要以 φ(CO2)的突增為特征,以著火時(shí)煙氣中φ(CO)和φ(CO2)的變化規(guī)律來(lái)探討煤粉氣流的著火機(jī)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(guò)程中 φ(CO)和φ(CO2)隨時(shí)間的變化關(guān)系.從圖2可以看到,在氧濃度 φ(O2)=21%時(shí)(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(dāng)發(fā)生著火時(shí),φ(CO2)迅速升高,但 φ(CO)卻迅速下降,說(shuō)明此時(shí)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(dāng)環(huán)境φ(O2)大于30%時(shí),如發(fā)生著火,CO量和CO2量同步迅速增加,說(shuō)明此時(shí)發(fā)生多相著火,O2到達(dá)煤粒表面,直接與C發(fā)生化學(xué)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(shí)刻其變化斜率增大,著火后煤粉氣流的燃燒變得更加強(qiáng)烈,燃燒產(chǎn)物濃度迅速增大.

圖2 煤粉升溫過(guò)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(dāng)環(huán)境φ(O2)較高時(shí),著火溫度降低,見(jiàn)圖3,與文獻(xiàn)[4]在一維爐上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,隨著氧體積分?jǐn)?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(shí)間較短,熱解產(chǎn)生的揮發(fā)分少,不足以引起整個(gè)煤粉氣流的均相著火,而氧量相對(duì)較多,極易到達(dá)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(guò)程中比值φ(CO)/φ(CO2)隨時(shí)間的變化關(guān)系.在 φ(O2)=21%的空氣中,當(dāng)發(fā)生著火時(shí),比值φ(CO)/φ(CO2)迅速減小,且φ(CO)也迅速降低,說(shuō)明發(fā)生的是均相著火;在φ(O2)=30%時(shí),發(fā)生著火時(shí)的比值 φ(CO)/φ(CO2)也迅速減小,但此時(shí) φ(CO)卻是升高的,說(shuō)明此時(shí)發(fā)生的是聯(lián)合著火過(guò)程,揮發(fā)分中CO與O2反應(yīng)生成CO2的同時(shí),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(shí),φ(CO)/φ(CO2)基本保持不變,說(shuō)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(guò)程.而文獻(xiàn)[11]在滴管爐內(nèi)對(duì)單顆煤粒的研究也表明,在φ(O2)=10%時(shí),著火機(jī)理明顯是均相方式,而在φ(O2)=30%時(shí),著火機(jī)理表現(xiàn)為非均相方式,也即隨著氧體積分?jǐn)?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(guò)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(guò)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同時(shí)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(shí),著火前煙氣中φ(CO)幾乎為零;當(dāng)著火發(fā)生時(shí),φ(CO)突增,說(shuō)明煤粉的熱解過(guò)程與著火過(guò)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(jiàn)表2.在較低φ(O2)下,首先是揮發(fā)分著火,然后點(diǎn)燃固定碳使其燃燒;在高 φ(O2)下,著火前幾乎沒(méi)有熱解產(chǎn)物,當(dāng)煤粉氣流中的顆粒溫度達(dá)到著火溫度時(shí),只能發(fā)生多相著火方式,表現(xiàn)為激烈的燃燒過(guò)程.

表2 著火點(diǎn)處CH 4的體積分?jǐn)?shù)Tab.2 Volumetric fraction of CH4 at the ignition point

4 結(jié) 論

(1)采用著火時(shí)煙氣中 φ(CO)和 φ(CO2)的變化規(guī)律來(lái)判斷煤粉氣流的著火機(jī)理是可行的.

(2)對(duì)神木煙煤來(lái)說(shuō),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(shí),發(fā)生聯(lián)合著火過(guò)程;當(dāng) φ(O2)≥40%時(shí),O2直接與碳粒表面反應(yīng),是典型的多相反應(yīng)過(guò)程.也就是說(shuō),對(duì)于神木煙煤煤粉氣流來(lái)說(shuō),隨著一次風(fēng)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(guò)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(jī)理發(fā)生改變.

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