基于富氧燃烧的超高温火焰点火实验研究

基于富氧燃烧的超高温火焰点火实验研究

蔡湘球

大唐湘潭发电有限责任公司， 湖南省 湘潭市 411100

摘要：随着风电和太阳能等新能源的蓬勃发展，电网消纳可再生能源的任务日益艰巨，因此对火电机组进行灵活性改造己成为发展趋势，燃煤锅炉有可能频繁处于超低负荷运行或启停状态，使得锅炉消耗大量的燃油。

关键词：富氧燃烧；超高温火焰点火；实验研究

1超高温火焰发生器的性能

实验能否产生远高于常规燃油火焰温度的超高温火焰是本方法是否有效的关键，因此对超高温火焰发生器进行了多次实验，主要研究了氧气体积流量、加氧位置和燃烧室结构等参数对燃油火焰的影响，在确保燃烧室壁而不超温的前提下，尽量提高火焰温度，最终确定的超高温火焰发生器结构如图1所示。

图2超高温火焰发生器结构

超高温火焰发生器的特点是在燃油的燃烧过程中有组织地分级加入纯氧，其燃油出力通过标定的方式将其质量流量固定在100kg/h。一级油氧利用调旋叶片发生旋转，在油枪喷嘴处与燃油混合，二级油氧通过安装在纯氧燃烧室壁而上的变径布氧孔分级供给，变径布氧孔均匀分布在纯氧燃烧室的表而，其孔径沿着火焰流动方向逐级增大，变径布氧孔的方向与纯氧燃烧室内壁相切，故能形成多角切圆旋转流动，其旋转方向与一级油氧的旋转方向相反，增大了氧气向燃油火焰的扩散速度，大大加快了燃烧反应，达到提高火焰温度的目的^[1]。

纯氧燃烧室壁而温度用铂锗件白锗热电偶(铂锗30-铂锗6)检测。燃油火焰温度低于1500℃时也采用铂锗件白锗热电偶(铂锗30-铂锗6)测量火焰温度，该热电偶的工作范围为。

一级油氧主要用来在油枪喷嘴处形成明显的氧气旋转流场，以增强氧气与油滴的混合，其最佳体积流量范围与二级油氧体积流量存在一定的藕合关系，二者共同对燃油着火点、纯氧燃烧室壁而温度和火焰温度等关键参数产生影响。当一级油氧体积流量qvmxv=50m³/h时，在实验中曾发生油枪喷嘴烧损的现象。

在实验中发现，随着二级油氧体积流量的逐步增大，火焰特征发生如下变化:(1)火焰的刚性明显增强。当二级油氧体积流量为0时，火焰有明显向上漂的趋势，如图2(a)所示，然后随着二级油氧体积流量的增大，火焰开始发出嗡嗡嗡的蜂鸣声，火焰转变为水平射流，如图2(c)和图2(d)所示，火焰的刚性明显增强。(2)火焰温度急剧升高。随着二级油氧体积流量的增大，火焰颜色从暗红色转变为金黄色、纯白色和眩白色，根据色温光谱图可知，火焰温度大幅度上升^[2]。

同时，测量得到的火焰温度也从615℃上升到19700C，定量说明了增大氧气体积流量是提高火焰温度的有效手段。图2中4次实验图片的背景色逐渐加深，根据灰度理论可知，随着二级油氧体积流量的增大，火焰温度大幅度上升。(3)火焰着火点和火焰长度发生急变。当二级油氧体积流量较小时，燃油着火较迟，如在实验1中，燃油在纯氧燃烧室内并未着火，一直到超高温火焰发生器的出口处才观察到火焰，且燃油的燃烧反应速率较慢，导致火焰的长度接近2500mm，并有冒黑烟的现象，随着二级油氧体积流量的增大，燃烧反应速率明显加快，燃油在纯氧燃烧室内就开始强烈燃烧，超高温火焰发生器的出口充满了火焰(如图2(c)实验3和图2(d)实验4所示)，且火焰转变为白色，长度明显缩短，说明燃烧反应速率急剧加快。(4)超高温火焰发生器的安全能够得到保障。该超高温火焰发生器材料为不锈钢2520，允许的正常工作温度是1200℃，但考虑到安全系数和长期在高温条件下的苛刻工作环境，本实验中笔者将允许工作上限温度定为800℃。当二级油氧体积流量增大到Qvz₀xv=120m³/h时，测得的壁而温度为760℃，低于允许工作上限温度的要求，因此能够保证超高温火焰发生器的长周期安全运行^[3]。

图2超高温火焰发生器火焰

2外燃式超高温火焰点火燃烧器

以600MW机组配套的直流燃烧器为原型，提出了基于超高温火焰的外燃式富氧煤粉点火燃烧器的设计模型(即外燃式富氧-煤粉燃烧器模型)，如图3所示。其特点是在燃烧器出口处安装有稳燃齿和钝体，以加强气流扰动和产生高温烟气回流;超高温火焰发生器组件从煤粉弯头部位沿燃烧器轴线方向插入，并穿过钝体，与燃烧器的出口平齐，将超高温火焰送入到钝体形成的回流区中，成为点燃煤粉的高温引火源;氧气通过与超高温火焰发生器组件同轴线设计的氧气套管送入(该部分氧气主要用于对煤粉进行助燃，故称为煤氧)，该结构能够在燃烧器的出口处形成富氧氛围;在燃烧器的喷口处布置有煤粉浓缩环，可将煤粉向中心区域集中。

3煤粉点火实验

3.1煤粉点火实验台

煤粉点火实验台主要由煤粉仓、送风机、储油罐、氧气瓶组、外燃式燃烧器、燃烧室和引风机等组成，能够精确控制给粉量、送风量和氧气体积流量等重要参数，在燃烧室的外壁上安装了5个间距为1500mm的火焰观察孔，并且在这些观察孔上插入了热电偶，以测量火焰温度，在燃烧室的尾部安装了除尘喷淋装置

^[4]。

3.2最佳煤粉浓度实验

根据煤粉燃烧理论，煤粉浓度偏低时，煤粉颗粒之间无法形成“集群效应”，但煤粉浓度过高时，所需的着火热也相应增大，因此煤粉着火存在一个最佳煤粉浓度范围比。

3.2.1实验工况共设计了4种不同煤粉浓度的工况，其余参数均保持不变。

3.2.2实验结果

(1)当煤粉浓度偏低(0.15kg/kg)时，挥发分析出量较少，且分布区域较为分散，无法形成集群效应，导致火焰不连续，碳颗粒达不到着火温度，反应链断裂，实验5只在燃烧器出口和1.5m和3.0m处出现暗红色火焰，其他测点则基本没有火焰，说明煤粉点火失败。(2)当煤粉浓度增大到0.25kg/kg时，煤粉开始着火，在前3个观察孔处观察到淡黄色火焰，但后2个观察孔处的火焰趋于暗淡，说明火焰长度达到5m左右，煤粉己经开始燃烧，其中1.5m处火焰最高温度达到7700C，但第6个测点处的火焰温度下降到685℃，己经低于贫煤煤粉气流所需的着火温度。因此，煤粉开始着火的临界浓度是0.25k}/k}，但此时着火并不稳定。(3)当煤粉浓度增大到0.35kg/kg时，煤粉着火达到了最佳工况，如图6所示。燃烧室内充满明亮的火焰，尤其是前3个观察孔处的火焰发生耀眼的光芒，煤粉燃烧相当剧烈，后2个观察孔处的火焰亮度有所降低，这是由于燃烧室内的氧气被大量消耗以后，煤粉后期燃烧受到了抑制。整个燃烧室内的火焰最高温度为9470C，最低温度为8900C，完全能够达到贫煤煤粉气流的着火温度.忍〕。因此，本工况己经满足了火电机组锅炉冷态启动直接点燃煤粉的要求。(4)当煤粉浓度继续增大到0.45kg/kg时，火焰温度降低，这是由于煤粉浓度过高后，煤粉气流的着火热增加，且煤粉颗粒群出现屏蔽效应，使得与超高温火焰距离较远的煤粉颗粒受到的辐射吸热量有所减少，升温速率降低，最终导致其着火延迟^[5]。

结论

为应对火电机组锅炉内燃式点火燃烧器存在的结焦和烧损问题，提出了一种基于富氧燃烧的超高温火焰点火方法。利用热态实验的方法研究了超高温火焰发生器在纯氧条件下的着火特性。煤粉着火困难的问题。笔者提出的采用外燃式燃烧器的超高温火焰点火方法，不仅具有内燃式点火燃烧器煤粉着火效果好的优点，同时还解决了内燃式点火燃烧器存在的烧损和结焦问题，是一种具有研究价值和实用价值的新型点火方法。

参考文献

[1]王卫良，王玉召，吕俊复，邵文君，迟忠君，张戟.大型燃煤电站锅炉能效评价与节能分析[J].中国电力，2020，53(04):177-185.

[2]郭佳琪，车婧琦，潘妮.富氧燃烧技术在烧结点火炉上的应用分析[J].冶金能源，2020，39(02):30-33.

[3]张智羽，杨勇平，汪欣巍，翟融融.600MW亚临界锅炉富氧改造热力学性能分析[J].锅炉技术，2020，51(02):46-52.

[4]王科，赵昌普，蔡玉洁，黄思睿.进气加湿与富氧对船用柴油机NO_x-Soot排放的影响[J].内燃机学报，2020，38(02):133-139.

[5]魏莉，钟文琪，邵应娟.煤流化床加压富氧燃烧过程的动态特性[J].东南大学学报(自然科学版)，2020，50(02):358-367.