一維爐系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

李　格，李　智，谷聰偉，史俊瑞，高學(xué)偉，劉耀鑫，黃新章

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部； b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院； c.仿真中心，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

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一維爐系統(tǒng)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)

李格a，李智，谷聰偉a，史俊瑞b，高學(xué)偉c，劉耀鑫b，黃新章b

(沈陽(yáng)工程學(xué)院 a.研究生部； b.能源與動(dòng)力工程學(xué)院； c.仿真中心，遼寧 沈陽(yáng) 110136)

摘要：一維爐是一種研究煤的熱解燃燒和結(jié)渣等方面的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可用于模擬電廠煤粉的燃燒特性。以元寶山褐煤為燃料，介紹了一維爐的結(jié)構(gòu)和功能，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證，利用煙氣分析儀及熱重分析儀對(duì)燃燒后的尾部煙氣及灰渣進(jìn)行了分析測(cè)定。結(jié)果表明：尾部煙氣含氧量與灰渣可燃部分剩余量均在理論計(jì)算值的誤差允許范圍內(nèi)，說(shuō)明一維爐密封良好,系統(tǒng)內(nèi)各部分正常運(yùn)行，對(duì)維爐的調(diào)試和研究具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：一維爐；元寶山褐煤；煤粉燃燒；測(cè)試實(shí)驗(yàn)

提高鍋爐發(fā)電效率，掌握煤粉燃燒過(guò)程和污染物生成機(jī)理，是解決能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。煤燃燒是在高溫條件下進(jìn)行的氣固兩相不斷混合和反應(yīng)的過(guò)程[1]，其燃燒狀況與煤粉成分、爐膛內(nèi)空氣動(dòng)力場(chǎng)和對(duì)流輻射換熱等影響因素相關(guān)。為了研究爐內(nèi)燃燒的實(shí)際情況，國(guó)內(nèi)外很多從事煤燃燒的機(jī)構(gòu)將三維燃燒簡(jiǎn)化為一維狀態(tài)，搭建形式多樣的一維爐實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以此來(lái)完成煤粉在不同工況下著火、燃燒和結(jié)渣等特性的基礎(chǔ)研究，通過(guò)了解參數(shù)變化對(duì)燃燒狀況的影響來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒優(yōu)化，同時(shí)研究污染物的生成機(jī)理，解決控制污染物的排放問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外許多研究機(jī)構(gòu)[2，3]，例如康奈爾大學(xué)、澳大利亞的CRC-BCU、西安熱工院、浙江大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等都有類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，且在燃燒化學(xué)動(dòng)力學(xué)、NOx生成、顆粒物排放等方面取得一定的研究成果。

1一維爐系統(tǒng)概述

一維爐實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由配氣系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器、反應(yīng)爐本體、取樣系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等構(gòu)成[4-6]，爐內(nèi)溫度最高可達(dá)1 550 ℃。

1.1配氣系統(tǒng)

配氣系統(tǒng)由氣體鋼瓶、混氣罐、質(zhì)量流量計(jì)以及連接管路組成，其主要作用是保證到達(dá)反應(yīng)管中的氣體均勻、流量穩(wěn)定。

1.2給粉系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)給粉精度要求比較高，既要減少煤粉顆粒間的相互影響，又要保證給粉的連續(xù)性和可靠性。考慮到這些因素，給粉系統(tǒng)采用震動(dòng)式針管微量給粉機(jī)，如圖1所示。

圖1　送粉裝置

震動(dòng)給粉系統(tǒng)由電機(jī)、減速器、聯(lián)軸器、絲杠、導(dǎo)軌、改造的玻璃注射器、水滴形玻璃容器、改進(jìn)的振動(dòng)器和支架等組成。給粉系統(tǒng)動(dòng)力由電機(jī)提供，經(jīng)過(guò)減速器和聯(lián)軸器傳遞至絲杠，從而推動(dòng)絲杠上的導(dǎo)軌緩慢前移；水滴形玻璃容器的頂部通入攜帶氣，側(cè)面開(kāi)口固定著裝入了給粉物的注射器；震動(dòng)器由按摩棒改造而成，提供均勻震動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，需要對(duì)給粉系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)標(biāo)定曲線以及工況的設(shè)定值選取相應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，保證給粉的連續(xù)穩(wěn)定性。另外，要保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中均勻穩(wěn)定的震動(dòng)環(huán)境，保證實(shí)驗(yàn)用粉的干燥性，避免結(jié)塊堵塞，時(shí)時(shí)觀察玻璃注射器內(nèi)剩余樣品量，并及時(shí)更換。

1.3空氣預(yù)熱器

實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)定預(yù)熱爐的溫度為800 ℃，如果將經(jīng)過(guò)配氣系統(tǒng)混合后的實(shí)驗(yàn)氣體直接送入爐膛內(nèi)的高溫環(huán)境中，會(huì)影響整個(gè)反應(yīng)管內(nèi)的溫度場(chǎng)。為了減少這種影響，需要將氣體通過(guò)空氣預(yù)熱器加熱后，再送入爐膛。

1.4反應(yīng)爐本體

反應(yīng)爐爐體為鐵質(zhì)結(jié)構(gòu)，爐壁厚度為5 mm，徑向?yàn)榉謱咏Y(jié)構(gòu)。最內(nèi)層為剛玉反應(yīng)管，主要成分為氧化鋁，最高可以承受1 700 ℃的高溫；剛玉爐膛管外邊為晶體纖維保溫層，加熱元件鑲嵌在其中；最外層為石棉保溫層和空氣隔熱層，保證爐體溫度不會(huì)像外殼過(guò)渡散熱，如圖2所示。

圖2　反應(yīng)爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)

升溫過(guò)程為分段加熱，通過(guò)升溫儀表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)際溫度，對(duì)每個(gè)區(qū)段的升溫速率、終止溫度、保溫時(shí)間及加熱功率進(jìn)行設(shè)定。

1.5取樣系統(tǒng)

取樣系統(tǒng)由坐標(biāo)架、油冷取樣槍、冷卻油路、灰塵過(guò)濾筒、洗氣瓶、測(cè)量?jī)x器和連接管路組成。取樣槍可以固定在坐標(biāo)架上，坐標(biāo)架側(cè)面帶有刻度，可以根據(jù)具體工況要求移動(dòng)取樣槍位置，從而保證不同的停留時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，氣體經(jīng)過(guò)取樣槍后進(jìn)入過(guò)濾筒過(guò)濾，然后進(jìn)入裝有硅膠粒的洗氣瓶，保證進(jìn)入測(cè)量?jī)x器前不含水分。除去固體顆粒和水分的煙氣通入煙氣分析儀進(jìn)行成分分析。

2實(shí)驗(yàn)工況

對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的煤進(jìn)行元素分析和工業(yè)分析后，其結(jié)果如表1所示。

表1　元素分析和工業(yè)分析結(jié)果　wt%

2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)定

1)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)：空氣；

2)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簻y(cè)定不同溫度、過(guò)量空氣系數(shù)和停留時(shí)間對(duì)煤粉燃燒的影響；

3)設(shè)計(jì)工況：①給粉量為50 g/h；②實(shí)驗(yàn)溫度分別為1 000 ℃和1 200 ℃；③停留時(shí)間分別為2.5 s和1.5 s；④實(shí)驗(yàn)用煤為元寶山褐煤，在60 ℃下烘干2 h，全粒徑為0.3 mm以下。

2.2煤粉的標(biāo)定

實(shí)驗(yàn)前對(duì)煤粉進(jìn)行標(biāo)定，在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行多組標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，選取重復(fù)性高的數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行直線擬合，其結(jié)果如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)的給煤量為50 g/h，煤機(jī)頻率計(jì)算值為16 371 Hz ，實(shí)際值為13 000 Hz，實(shí)際與理論有偏差，所標(biāo)定的直線可供每次實(shí)驗(yàn)時(shí)參考。

圖3　煤粉標(biāo)定直線擬合

2.3實(shí)際空氣量的計(jì)算

根據(jù)對(duì)元寶山褐煤的元素分析，計(jì)算其燃燒時(shí)所需的理論空氣量[4]。

1 kg燃料所需要的理論空氣量為

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；

實(shí)驗(yàn)中給煤量為50 g/h，故實(shí)驗(yàn)中每小時(shí)的理論空氣量為

實(shí)驗(yàn)設(shè)定過(guò)量空氣系數(shù)α分別為1.2和1.5,則

(2)

由公式(2)可求得對(duì)應(yīng)的實(shí)際空氣量分別為

V1=1.2 L/min

V2=1.5V0=6.84 L/min

2.4取樣槍對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同溫度、過(guò)量空氣系數(shù)和停留時(shí)間對(duì)煤粉燃盡的影響，經(jīng)計(jì)算各工況下取樣槍對(duì)應(yīng)坐標(biāo)如表2所示。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1熱重分析

對(duì)燃燒后產(chǎn)物進(jìn)行熱重分析，反應(yīng)氣氛為氧氣，其流量為100 ml/min；保護(hù)氣體為氮?dú)猓淞髁繛?20 ml/min。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多組測(cè)試，取停留時(shí)間為2.5 s，過(guò)量空氣系數(shù)為1.5，溫度分別為1 000 ℃和1 200 ℃的兩組有代表性熱重?cái)?shù)據(jù)，如圖4和圖5所示。

表2　各工況下對(duì)應(yīng)取樣槍坐標(biāo)

圖4　1 000 ℃熱重?cái)?shù)據(jù)

圖5　1 200 ℃熱重?cái)?shù)據(jù)

如圖4所示，溫度變化從50 ℃到815 ℃，恒溫時(shí)間為30 min，升溫速率為50 ℃/min，最終質(zhì)量百分比為98.259 9%，灰中含碳量百分比為1.740 1%。

如圖5所示，溫度變化從50 ℃到815 ℃，恒溫時(shí)間為50 min，升溫速率為50 ℃/min，最終質(zhì)量百分比為98.4213%，灰中含碳量百分比為1.5787%。

3.2煙氣分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用tseto350煙氣分析儀進(jìn)行煙氣分析，其數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。由已知過(guò)量空氣系數(shù)反算煙氣中氧的容積成分，可得實(shí)際測(cè)得數(shù)據(jù)與理論值基本上一一對(duì)應(yīng)。通過(guò)熱重分析和煙氣分析可以得知，褐煤得以充分燃燒，達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期結(jié)果，符合設(shè)計(jì)要求。

圖6　1 000 ℃煙氣數(shù)據(jù)

圖7　1 200 ℃煙氣數(shù)據(jù)

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)一維爐各個(gè)組成系統(tǒng)的介紹，描述了各個(gè)系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)，并利用新建一維爐模擬真實(shí)鍋爐燃燒情況。

1)爐內(nèi)加熱元件采用硅鉬棒，爐膛中心管采用剛玉材質(zhì)，保證其能夠在1 773 K高溫條件下穩(wěn)定工作。

2)以褐煤為燃料，利用質(zhì)量流量計(jì)實(shí)現(xiàn)煙氣成分的定量配制。

3)利用取樣槍和坐標(biāo)架相配合，實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)的取樣點(diǎn)能夠連續(xù)可調(diào)，從而精確控制停留時(shí)間。

4)通過(guò)油冷系統(tǒng)保證給粉系統(tǒng)和取樣系統(tǒng)在高溫環(huán)境中安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，油冷系統(tǒng)的保護(hù)有待日后不斷完善。

參考文獻(xiàn)

[1]陳鵬.中國(guó)煤炭性質(zhì)、分類(lèi)和利用[M].北京：化學(xué)工業(yè)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，呂俊復(fù)，張海.燃燒理論與燃燒設(shè)備[M].第2版.北京:科學(xué)出版社,2012.

[4]楊武，汪印，宋揚(yáng)，等.沉降爐中生物質(zhì)熱解產(chǎn)物的脫硝特性[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào)，2013(2)：323-326.

[5]孟憲宇.高溫條件下煙氣成分對(duì)NO-焦炭反應(yīng)影響的實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012：12-30.

[6]張冬冬，齊永鋒，徐亮，等.高溫沉降爐內(nèi)煙煤快速裂解特性實(shí)驗(yàn)研究[J].化學(xué)工程，2013，41(11)：64-69.

(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)

張鐵巖(1962-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，主要從事電力系統(tǒng)復(fù)雜故障診斷方面的科研工作。

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

通訊作者：肖增弘(1963-)，女，遼寧遼中人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師，主要從事火電廠熱力系統(tǒng)節(jié)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

作者簡(jiǎn)介：彭鵬(1989-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，碩士研究生。 李洋(1986-)，男，遼寧綏中人，助理工程師，碩士研究生.

收稿日期：2014-11-22 2014-05-22

中圖分類(lèi)號(hào)：TK175

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)01-0031-04