冶金能源Vol. 25 No. 332ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYMay.2006粉煤高溫空氣無油點(diǎn)火崔衛(wèi)中馮武軍李棟太鋼熱連軋廠)(北京科技大學(xué)熱能工程系)摘要在當(dāng)今最先進(jìn)的一維平面層流煤粉氣流著火數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上,發(fā)展了一種一維平面紊流煤粉氣流的著火模型。該模型不僅詳細(xì)描述了火焰中的輻射傳熱、煤粉熱解、揮發(fā)分燃燒和多相反應(yīng)等各個(gè)過程,還充分考慮了紊流對(duì)氣相質(zhì)量及能量擴(kuò)散的影響,從而使該模型更加精確的逼近了工程實(shí)際。此外,還對(duì)模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果顯示,理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合。關(guān)鍵詞煤粉氣流紊流著火模型高溫空氣An ignition of pulverized coal by high temperature airTaigang Hot Strip rolling millScience and Technology University of beijingAbstract In this paper, a one-dimensional turbulent igition model of the pulverized coal and air flowis established on the basis of the one-dimensional plane ignition model of the pulverized coal and airLaminar flow. This model not only depicts the radiation in the flame pyrolysis of the coal powdeolatile combustion, multiphase reaction, but also takes into account the impact of turbulence on themass and energy diffusion in gas phase it approaches engineering facts moreely. Exments have been done to test the theoretical model and the experimental results are in good agreement with the calculated ones from the theoretical modelKeywords pulverized coal air flow turbulent flow combustion model high-temperature air采用煤粉懸浮燃燒方式的鍋爐在啟動(dòng)時(shí)通常離,形成溫度高達(dá)5000K以上的等離子體射流用油或燃?xì)恻c(diǎn)火,在低負(fù)荷運(yùn)行或煤質(zhì)不穩(wěn)定時(shí)從而在燃燒器的中心筒形成梯度極大的局部高溫也需用油或燃?xì)鈦矸€(wěn)焰,因此燃煤鍋爐毎年仍要區(qū),在煤粉氣流通過該局部高溫區(qū)后迅速釋放出消耗大量油或燃?xì)?故而開發(fā)煤粉的無油(燃揮發(fā)分,并使煤粉顆粒破裂粉碎,從而迅速引發(fā)氣)直接點(diǎn)火與穩(wěn)焰新技術(shù)對(duì)于鍋爐運(yùn)行具有很周界煤粉氣流著火燃燒。顯然,這種點(diǎn)火方式需大意義。要大功率變壓器和放電電極。由于點(diǎn)火功率大,1煤粉高溫空氣無油直接點(diǎn)火變壓器也很龐大,需要另設(shè)冷卻系統(tǒng)。特別是當(dāng)點(diǎn)火器數(shù)目較多時(shí),切換極為不便,需要另外增目前,鍋爐的煤粉無油直接點(diǎn)火方式主要加設(shè)備,從而使投資加大。此外,電極也很容易有老化,點(diǎn)火燃燒器的使用時(shí)間很短(1)等離子直接點(diǎn)火。這一技術(shù)是利用陽極(2)感應(yīng)式直接點(diǎn)火。給感應(yīng)線圈通入電流與陰極之間的高壓電場將流過其間的工作氣體電后,在高溫合金管(即點(diǎn)火室)的整個(gè)區(qū)域產(chǎn)生Vol 25 No. 3冶金能源Mav.2006ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY送入一次風(fēng)粉氣流,煤粉氣流迅速點(diǎn)燃,在點(diǎn)火室岀口形成強(qiáng)烈燃燒的煤粉火炬。這種點(diǎn)火方式的優(yōu)點(diǎn)是投資少,運(yùn)行成本低,系統(tǒng)簡單。但是它也存在著致命的缺點(diǎn):由于煤粉在電熱腔內(nèi)燃燒,結(jié)焦問題在所難免;另外,電熱管的材料壽命較短,這些制約因素決定了該種點(diǎn)火方式難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。(3激光直接點(diǎn)火。激光點(diǎn)火是一種非接觸式點(diǎn)火技術(shù)通過激光束射入燃燒室內(nèi)聚焦照射到煤粉上對(duì)其加熱以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤粉的點(diǎn)火,目前這圖1煤粉高溫空氣無油直接點(diǎn)火室一技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室開發(fā)階段未能被工業(yè)應(yīng)用。高溫空氣引入管2—保溫管3——錐管為了克服以上幾種現(xiàn)有點(diǎn)火方式的不足,我煤粉氣流導(dǎo)入管們借鑒冶金行業(yè)已經(jīng)成熟的高溫空氣燃燒技術(shù)而開發(fā)了粉煤高溫空氣直接點(diǎn)火與穩(wěn)焰裝置不難看出,本方案由于采用了加熱與點(diǎn)燃分煤粉高溫空氣直接點(diǎn)火裝置由中頻感應(yīng)空氣開的方式以及中心首先著火的形式,使得該技術(shù)加熱設(shè)備和高溫空氣煤粉燃燒器兩部分組成。中防結(jié)焦性能非常優(yōu)越。另外,感應(yīng)加熱反應(yīng)迅頻感應(yīng)空氣加熱設(shè)備的加熱原理是:利用電磁感速,不僅可解決電廠鍋爐用油點(diǎn)火啟動(dòng)時(shí)電除塵應(yīng)使其中的感應(yīng)管被加熱,并可被加熱至器無法投入造成的環(huán)境污染問題,還給電廠帶來1300℃左右,因此由鼓風(fēng)機(jī)送入的常溫空氣可迅較大的經(jīng)濟(jì)利益速升溫到1000℃左右以完成空氣的迅速被加熱2煤粉著火的理論分析與模型建立我們所開發(fā)研究的煤粉高溫空氣無油點(diǎn)火技術(shù)的核心部件——煤粉混合點(diǎn)火室如圖1所示煤粉著火的理論分析最早是由 Nusselt在被中頻感應(yīng)空氣加熱設(shè)備預(yù)熱到100℃°左右的1924年作出的單顆粒煤粉著火模型,但是單顆高溫空氣流經(jīng)管道1,與管道4出來的一次風(fēng)粉粒的研究難以應(yīng)用到大多數(shù)實(shí)際煤粉氣流的燃燒混合。兩股氣流在點(diǎn)火室中發(fā)生強(qiáng)烈的熱量、質(zhì)過程中,因?yàn)槊悍蹪舛仍诿悍蹥饬髦疬^程中起量交換,使得煤粉氣流以多相燃燒方式迅速著火主要的作用,這就是濃度效應(yīng)。與單顆粒相比,燃燒。顆粒群的著火在形式上更接近實(shí)際的煤粉氣流。在高溫空氣煤粉燃燒器內(nèi),煤粉在高溫空氣電站鍋爐中的燃燒是以煤粉氣流的形式進(jìn)行的中首先釋放出揮發(fā)分,并在氣相環(huán)境中或粉粒表只有以煤粉氣流為研究對(duì)象研究燃燒過程,才能面燃燒,燃燒所產(chǎn)生的熱量使煤粒本身被迅速加真正認(rèn)識(shí)煤粉氣流的著火特性。盛昌棟在Fsen熱,從而使煤粒的化學(xué)結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)及孔隙機(jī)high和 Krazinski等人模型的基礎(chǔ)上,提出了構(gòu)發(fā)生很大變化,改變了煤焦的反應(yīng)性能和燃燒種一維平面層流煤粉氣流著火的數(shù)學(xué)模型,該模速率,引起煤粉焦粒的進(jìn)一步燃燒,完成煤粉氣型較以往顆粒群模型有了較大的進(jìn)步。然而,實(shí)流著火際電站鍋爐中煤粉氣流是以湍流的形式噴入爐膛從燃燒動(dòng)力學(xué)的角度來看,燃燒速率隨著溫燃燒的,因此上述一維層流煤粉氣流著火的數(shù)學(xué)度提高幾乎呈直線上升,因此高溫不僅可以使火模型仍然與爐內(nèi)的實(shí)際情況有較大差別焰穩(wěn)定,還可使燃燒速率提高,這是因?yàn)楦邷乜设b于此,本文研究得出了一種一維平面紊流使可燃物成分〔揮發(fā)分)析岀量大,即在著火階煤粉氣流旳著火模型。該模型不僅詳細(xì)描述了火段參加燃燒的可燃物濃度髙,易著火和穩(wěn)定燃焰中的輻射傳熱、煤粉熱解、揮發(fā)分燃燒和多相燒。所以,空氣溫度越高,火焰的熄滅應(yīng)變能力反應(yīng)等各個(gè)過程,還將湍流對(duì)氣相質(zhì)量及能量擴(kuò)冶金能源Vol. 25 No. 314ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRYMay.2006本文建立的一維平面紊流粉煤氣流的著火數(shù)學(xué)模型如下煤粉氣流的連續(xù)方程(pU)=氣相運(yùn)動(dòng)方程a(U)=(A2(2)其中湍流粘性系數(shù);=CCnk2/c氣相紊流模型方程dU圖2點(diǎn)火室測點(diǎn)布置圖dx( p. Uk)-(3)1一熱電偶頭2——測管3—瓷套管熱電偶線5—托架6—點(diǎn)火室()2(n4)c()-c]k表1煤種工業(yè)分析數(shù)據(jù)顆粒的質(zhì)量方程U(5)x吉林電廠41.4728766.2923.48氣相組分方程(PY)a(a)s(6)撫順電廠4920413.915黃臺(tái)電廠5626.18氣相的能量方程a(am)4(ra)(7)行了試驗(yàn)研究,并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析比較,式中,=p1/onh為氣體的焓:h=C(T-其結(jié)果如圖3-5所示?？梢钥闯?理論模型的T b計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好,證明本模型是可顆粒的尺寸方程信的。d2)dx(8)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)顆粒的密度方程U(P)=-6m(9)計(jì)算曲線顆粒的能量方程nipp dr=-qomm arad t apr 7(10)輻射傳熱方程對(duì)于一維煤粉氣流在考慮散射時(shí)其輻射傳熱可用以下兩個(gè)近似方程來描述實(shí)驗(yàn)點(diǎn)計(jì)算曲線4+6:=-xa+)m(1)數(shù)學(xué)模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析1000煤的著火特性不僅是燃料本身的特征,也與實(shí)驗(yàn)點(diǎn)環(huán)境因素有關(guān)。本文以氣流溫度發(fā)生躍變?yōu)橹瘘c(diǎn),起始躍變溫度為著火溫度。計(jì)算曲線本文采用WBC-57-LB(鉑銠10-鉑)型熱電偶和TR-RIT型雙色高溫計(jì)測量氣流的溫加熱長皮Lm度,測點(diǎn)的布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)采取了三個(gè)不圖3沿管長方向氣流溫度分布Vol 25 No. 3冶金能源Mav.2006ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY35黃臺(tái)電廠3.3來流速度與著火溫度、著火距離的關(guān)系順電廣二氣流速度提高對(duì)著火不利,隨氣流速度的提高,著火溫度略有上升,著火距離明顯延長,如圖5所示。吉林電廠4結(jié)束語0.260.81.0〔1)煤粉氣流一維紊流著火模型能全面準(zhǔn)確煤粉濃度D(k/kg)圖4煤粉濃度與著火溫度的關(guān)系地反映管內(nèi)煤粉著火的機(jī)理,與實(shí)際情況相吻合,證明本模型是可靠的。(Vl=20m/s,d2=40ym)2)本模型能計(jì)算不同煤粉濃度、不同入口速度、不同粒徑以及不同煤種等工況下煤粉氣流的著火特性參數(shù),由于紊流的引入,使得本模型比以往著火模型更加逼近工程實(shí)際。〔3〕本模型的預(yù)測可以用來指導(dǎo)煤粉點(diǎn)火燃獅興馬燒器的設(shè)計(jì)。符號(hào)說明on:混合物平均密度U:速度:湍流粘性系數(shù)4:氣流密度k:湍動(dòng)能入口速度v1和msT:氣流溫度圖5不同流速下的著火溫度qw:輻射熱流(Q=80kW,D=0.25kg/kg,db=40ym,吉林電廠煤)σ:煤粉氣流的散射系數(shù)Y;:j組分的質(zhì)量分散3.2煤粉濃度與著火溫度的關(guān)系ε:湍動(dòng)能耗散率煤粉濃度是煤粉氣流著火特性最主要的影響顆粒質(zhì)量因素,煤粉濃度的改變引起著火溫度的顯著改Tn:顆粒溫度變。從圖4可以看出,對(duì)于所有煤種,隨著煤粉濃度的增加,著火溫度首先顯著降低,并且,除db:顆粒直徑低揮發(fā)分的黃臺(tái)電廠煤外,著火溫度降到某一值p:顆粒密度后不再降低,而是有一定程度的升高,即存在n:顆粒數(shù)密度個(gè)對(duì)應(yīng)最小著火溫度的最佳煤粉濃度,且揮發(fā)分平均輻射強(qiáng)度含量越高的煤,其最佳煤粉濃度值越小,著火溫a:煤粉氣流的輻射吸收系數(shù)度也越低羅文泉編輯