生物質(zhì)燃燒機(jī)的點(diǎn)火與穩(wěn)燃特性研究
摘要：針對(duì)燃燒低揮發(fā)分煤的點(diǎn)火、穩(wěn)燃問(wèn)題，介紹了富氧微油點(diǎn)火與穩(wěn)燃系統(tǒng)的組成以及生物質(zhì)燃燒機(jī)的構(gòu)遣并對(duì)其點(diǎn)火和穩(wěn)燃機(jī)理進(jìn)行了分析。采用數(shù)值計(jì)算方法模擬了富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次風(fēng)流場(chǎng)，分析了富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)的流場(chǎng)與溫度場(chǎng)特性。分析認(rèn)為富氧助燃可以提高燃燒強(qiáng)度、加快燃燒速度，從而大大縮短點(diǎn)火時(shí)間；煤粉氣流羥過(guò)富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)噴口后，在脈動(dòng)的同時(shí)又向回流區(qū)流動(dòng)并向外擴(kuò)散，迅速與熱煙氣混合，對(duì)于低揮發(fā)分煤能起到良好的穩(wěn)燃作用，這一研究結(jié)果為燃煤電廠(chǎng)富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)改造提供了理論依據(jù)。
    我國(guó)貧煤、無(wú)煙煤等低揮發(fā)分煤的資源極其豐富，但這些煤種由于揮發(fā)分釋放速率低、著火溫度高、可燃性能差，極不易著火和燃盡Ⅷ，而且熱值低。在低負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，由于爐膛溫度降低，燃燒穩(wěn)定性變差，須投油助燃，這增加了發(fā)電成本、降低了機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。
    為了提高中小機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)劣質(zhì)煤粉的點(diǎn)火與低負(fù)荷下的穩(wěn)定燃燒，需要進(jìn)行燃燒調(diào)整和生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)備改造。富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)的點(diǎn)火與穩(wěn)燃技術(shù)是在微油氣化燃燒技術(shù)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的[21，能夠保證穩(wěn)燃回流區(qū)的高溫狀態(tài)。本文對(duì)其點(diǎn)火及穩(wěn)燃機(jī)理和特性進(jìn)行介紹。
1富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)的點(diǎn)火與穩(wěn)燃機(jī)理
11理論基礎(chǔ)
    煤粉的燃燒過(guò)程一般要經(jīng)歷3個(gè)階段：煤粉氣流的預(yù)熱階段、煤粉的著火燃燒階段和燃盡階段。煤粉火焰的著火和穩(wěn)定燃燒主要取決于煤粉氣流的頇熱階段，在這一階段中，煤粉氣流被加熱。蒸發(fā)，揮發(fā)分充分析出并被加熱到著火溫度。但其所需熱量即著火熱必須由外部提供著火溫度低，著火熱就越小，就越容易著火。褐煤、煙煤的揮發(fā)分含量高，易著火及穩(wěn)燃；貧煤、無(wú)煙煤的揮發(fā)分含量低，著火區(qū)域的揮發(fā)物濃度低（空間濃度），著火溫度要求高，因而不易著火和穩(wěn)燃。由此可見(jiàn)，煤的揮發(fā)分含量極大地影響著火溫度和相應(yīng)的穩(wěn)燃效果，提高著火區(qū)的高煤粉濃度和揮發(fā)分濃度（空間濃度）是降低著火溫度、提高穩(wěn)燃能力的重要措施[舊。
    在煤粉氣流的預(yù)熱階段，著火熱一方面要加熱煤粉本身到著火溫度，另一方面要加熱輸送介質(zhì)到著火溫度。煤粉的輸送濃度越大，用來(lái)輸送煤粉所需的氣體介質(zhì)比例越小，用來(lái)加熱輸送介質(zhì)的熱量就越少，同樣煤質(zhì)下所需的著火熱就降低了；另外，由于著火區(qū)域煤的揮發(fā)分濃度提高，也使著火溫度降低。因此，高濃度煤粉容易著火和穩(wěn)燃。富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)就是利用提高煤粉濃度使一小部分煤粉預(yù)先著火，形成小火焰，然后利用其生成的熱量去點(diǎn)燃整個(gè)一次風(fēng)煤粉，即小火點(diǎn)大火原理而實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定。
12生物質(zhì)燃燒機(jī)的構(gòu)造及特點(diǎn)
    富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)由外套筒和設(shè)置在外套筒內(nèi)的中心筒構(gòu)成，一次風(fēng)管與生物質(zhì)燃燒機(jī)的釙套筒對(duì)接并固定連接為一體結(jié)構(gòu)，油燃燒導(dǎo)管以45。的傾角插設(shè)在中心筒管上，其構(gòu)造如圖1所示。
    霧化極好的富氧和燃油的混合物燃燒產(chǎn)生的高溫油火焰引入煤粉生物質(zhì)燃燒機(jī)一級(jí)燃燒區(qū)，當(dāng)濃相煤粉通過(guò)氣化燃燒高溫火核時(shí)，煤粉溫度急劇升高、破裂粉碎，釋放出大量的揮發(fā)分，在極短的時(shí)間內(nèi)迅速著火燃燒。已著火燃燒的濃相煤粉在次級(jí)燃燒區(qū)與稀相煤粉混合并點(diǎn)燃稀相煤粉。富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)實(shí)現(xiàn)了煤粉的分級(jí)燃燒燃燒能量逐級(jí)放大，達(dá)到點(diǎn)火并加速煤粉燃燒的目的．從而大幅度減少了煤粉燃燒所需的引燃能量。為防止生物質(zhì)燃燒機(jī)燒壞和在生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)發(fā)生結(jié)渣，采用多級(jí)氣膜冷卻風(fēng)保護(hù)噴口安全。
13生物質(zhì)燃燒機(jī)的點(diǎn)火與穩(wěn)燃機(jī)理
    富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)創(chuàng)造性地利用霧化極好的富氧和燃油的混合物所燃燒釋放的熱能在一次風(fēng)煤粉噴口內(nèi)形成3 7I區(qū)域（Ten pe ratlre_溫度、邛Ibulence_湍流度及TiTle．一時(shí)間），即在穩(wěn)燃回流區(qū)內(nèi)使煤粉具有較高的溫度與較強(qiáng)的湍流度，提前了點(diǎn)火時(shí)間，將順流相遇的濃相煤粉進(jìn)行持續(xù)加熱，使煤粉達(dá)到燃點(diǎn)而著火。由于富氧氣體濃度高、反應(yīng)快、燃燒溫度氙使穩(wěn)燃回流區(qū)迅速達(dá)到高溫狀態(tài)，迅速加熱引燃整個(gè)噴口的一次風(fēng)煤粉，實(shí)現(xiàn)詼生物質(zhì)燃燒機(jī)一次風(fēng)煤粉噴口的可靠點(diǎn)火與穩(wěn)燃。
    在鍋爐啟動(dòng)點(diǎn)火、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，容易發(fā)生一次風(fēng)煤粉噴口滅火。在穩(wěn)燃回流區(qū)內(nèi)注入富氧霧化油氣混合物，使一次風(fēng)出口內(nèi)的溫度始終高于煤粉著火溫度，確保穩(wěn)燃回流區(qū)的高溫狀態(tài)，避免了高水分、煤質(zhì)波動(dòng)導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒機(jī)一次風(fēng)煤粉噴口的滅火，實(shí)現(xiàn)了該生物質(zhì)燃燒機(jī)一次風(fēng)煤粉噴口可靠的點(diǎn)火穩(wěn)燃，確保在煤的應(yīng)用基含水率和煤質(zhì)發(fā)生波動(dòng)的情況下，鍋爐能安全高效地穩(wěn)定運(yùn)伉避免鍋爐滅火引發(fā)重大安全事故。
    富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)主要由油系統(tǒng)、制氧系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、火焰檢測(cè)系統(tǒng)、油生物質(zhì)燃燒機(jī)、控制系統(tǒng)油源控制柜、燃油分配柜、富氧氣源控制柜、富氧氣分配柜、終端控制柜、中央控制柜）、管道及閥門(mén)等組成。富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃系統(tǒng)如圖2所示。
2富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)的穩(wěn)燃特性
2 1生物質(zhì)燃燒機(jī)的流場(chǎng)特性
    生物質(zhì)燃燒機(jī)出口端的內(nèi)壁上設(shè)有向內(nèi)凸起的擋塊，如果它是不良流體，即非流線(xiàn)形物體煤粉空氣混合物流過(guò)后，在其尾跡區(qū)形成回流渦漩，即內(nèi)回流區(qū)。內(nèi)回流區(qū)內(nèi)湍流混合強(qiáng)烈，回流煙氣溫度達(dá)1 000℃以上，為煤粉氣流的著火過(guò)程提供穩(wěn)定的熱源。內(nèi)回流區(qū)邊界處的湍流強(qiáng)度較大，能使其中的熱量迅速傳給主氣流；同時(shí)煤粉氣流因擋塊的存在面改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，煤粉顆粒會(huì)因慣性作用而繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，使回流區(qū)外邊界附近的煤粉濃度顯著增大，且氣流的平均速度減慢，回流區(qū)邊界附近的煤粉顆粒停留時(shí)間延長(zhǎng)，改善了煤粉氣流的著火條件，增強(qiáng)了火焰的穩(wěn)定性，具有明顯的穩(wěn)燃能力。
    富氧微油生物質(zhì)燃燒機(jī)是利用氣化燃油富氧燃燒產(chǎn)生的有利于著火的高溫回流區(qū)，使火焰?zhèn)鞑ニ俣燃涌?，提高了火焰的穩(wěn)定性，同時(shí)由于氧濃度的提高也大大加快了火焰的傳播；另外，回流區(qū)低區(qū)的存在使得具有較低火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊娜紵橘|(zhì)的著火火焰能夠穩(wěn)定存在，提高了火焰的穩(wěn)定性?；亓鲄^(qū)外層是溫度較低的二次風(fēng)，起助燃作用。對(duì)煤粉的著火起決定作用的是煤粉氣流與高溫?zé)煔獾慕佑|與熱交換，因此本文重點(diǎn)研究一次風(fēng)的流場(chǎng)特性。
2 2生物質(zhì)燃燒機(jī)的流場(chǎng)分析及燃燒特點(diǎn)
    本文采用數(shù)值計(jì)算方法【61進(jìn)行計(jì)算分析，數(shù)值計(jì)算中的邊界條件與某電廠(chǎng)實(shí)際運(yùn)行條件相同，點(diǎn)火時(shí)一次風(fēng)溫為300 K風(fēng)速為23 m/,s壁面溫度為1200琢氧氣純度為90%，且入口處煤粉濃度可以調(diào)節(jié)。由于油槍側(cè)的油霧在高濃度氧中汽化、燃燒，此反應(yīng)過(guò)程又牽涉到氣液兩相流的流動(dòng)與燃燒過(guò)程，反應(yīng)過(guò)程極其復(fù)雜，為了便于簡(jiǎn)化計(jì)算，本文把油槍側(cè)油霧在氧氣中的燃燒進(jìn)行簡(jiǎn)化，認(rèn)為其燃燒產(chǎn)物只有高溫CQ，計(jì)算采用三維網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為14 678算法采用“計(jì)算單元內(nèi)顆粒源項(xiàng)算法”(PSIC)‘刀，其中，氣相場(chǎng)計(jì)算采用SMPIE算法。
    模擬出的一次風(fēng)流場(chǎng)分布如圖3所示，從圖3中可明顯看出回流區(qū)的形狀變化。高溫流體的熱量隨回流帶到生物質(zhì)燃燒機(jī)出口部位，流體的脈動(dòng)及流體的卷吸使高溫回流流體與煤粉氣流之間發(fā)生熱、質(zhì)交換，加熱煤粉氣流，直至著火燃燒。所以，生物質(zhì)燃燒機(jī)的煤粉氣流是在回流剪切層附近開(kāi)始著火燃燒的，并由內(nèi)向外擴(kuò)展?；亓鲄^(qū)向煤粉氣流提供的著火熱來(lái)源于兩方面：一是回流高溫?zé)煔獾臒崃浚浯笮〖热Q于回流煙氣溫度的高低和回流量的多少，又取決回流煙氣與風(fēng)粉氣流混合的強(qiáng)烈程度；二是進(jìn)入回流區(qū)中煤粉顆粒的燃燒熱，其量取決于進(jìn)入回流區(qū)的煤粉顆粒量及其在回流區(qū)的燃燒程度。富氧微油點(diǎn)火穩(wěn)燃效果如圖4所示。
    在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間的剪切層邊界上，風(fēng)粉氣流與回流區(qū)流體之間發(fā)生熱交換。沿流體的流動(dòng)方向，剪切層不同位置將發(fā)生方向或大小不同的熱交換過(guò)程。剛從生物質(zhì)燃燒機(jī)流出的風(fēng)粉氣流受到回流區(qū)高溫流體的加熱，為煤粉的加熱、水分蒸發(fā)、揮發(fā)分析出等過(guò)程提供熱源，熱流方向是由回流流體指向風(fēng)粉氣流。在剪切層后部區(qū)域，在揮發(fā)分充分燃燒并有部分焦炭也開(kāi)始燃燒風(fēng)粉氣流溫度大幅度提高的情況下，熱流方向由風(fēng)粉氣流指向回流區(qū)；當(dāng)風(fēng)粉氣流中燃燒所產(chǎn)生的熱量不足以大幅度提高其溫度日寸，熱流方向仍然由回流區(qū)指向風(fēng)粉氣流。維持回流區(qū)高溫流體溫度的條件是，在火焰根部區(qū)域，從回流區(qū)傳遞給風(fēng)粉氣流的熱量應(yīng)與剪切層尾部區(qū)域由風(fēng)粉氣流傳遞給回流區(qū)流體的熱量保持平衡。富氧生物質(zhì)燃燒機(jī)的特殊構(gòu)造能夠讓風(fēng)粉氣流中較多的煤粉顆粒尤其是粗煤粉顆粒進(jìn)入回流區(qū)，對(duì)強(qiáng)化燃料的燃燒是很有利的：一方面，煤粉在回流區(qū)內(nèi)有較多的停留時(shí)l閫對(duì)粗煤粉燃盡有利；另一方面，煤粉在回流區(qū)內(nèi)燃燒可為回流流體補(bǔ)充一部分熱量。
    同時(shí)，在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間的剪切層邊界還發(fā)生質(zhì)交換。剛從生物質(zhì)燃燒機(jī)流出的風(fēng)粉氣流動(dòng)能較高，將回流區(qū)流體卷吸到其內(nèi)表面與風(fēng)粉氣流平行流動(dòng)，在剪切層后部區(qū)域，風(fēng)粉氣流的動(dòng)能沿風(fēng)粉氣流流向明顯降低，卷吸能力減弱；相反，在流動(dòng)過(guò)程中風(fēng)粉氣流范圍擴(kuò)張，回流區(qū)寬度尺寸逐漸變小，部分風(fēng)粉氣流因被擠壓而穿過(guò)剪切層進(jìn)入回流區(qū)，折向作反向流動(dòng)，成為回流流體?；亓鲄^(qū)流體質(zhì)量的守衡條件是在火焰根部被風(fēng)粉氣流卷吸的回流區(qū)流體的質(zhì)量應(yīng)與剪切層后部由風(fēng)粉氣流折回至回流區(qū)的流體質(zhì)量平衡狀態(tài)。
    另外，在剪切層邊界上，在風(fēng)粉氣流與回流區(qū)之間還存在固相媒粉）顆粒的交換。剪切層流體的脈動(dòng)是風(fēng)粉氣流與回流流體之間的氣相質(zhì)交換和固相質(zhì)交換的動(dòng)力，但脈動(dòng)速度較小，僅為主流速度的百分之幾（比主流速度約小2個(gè)數(shù)量級(jí)l對(duì)固相質(zhì)交換而言，流體脈動(dòng)只會(huì)導(dǎo)致極微細(xì)煤粉顆粒的隨機(jī)遷移。另一類(lèi)固相質(zhì)交換是隨被卷吸的回流流體帶出回流區(qū)和隨被擠壓的風(fēng)粉氣流進(jìn)入回流區(qū)的氣相交換過(guò)程中發(fā)生的。
    富氧微油生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)使更多的煤粉進(jìn)入回流區(qū)著火燃燒并反復(fù)循環(huán)，也提高了中心回流區(qū)的煙氣溫度，從而強(qiáng)化了高溫?zé)煔鈱?duì)煤粉氣流的加熱。另外，該生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)存在較大的富氧燃燒區(qū)，對(duì)減少NQ的生成十分有利。
2 3生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)油槍出口截面的溫度場(chǎng)分析
    油槍出口截面溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果如圖5.圖6所示。煤粉氣流在靠近油槍的一側(cè)著火后，火焰中心（即高溫區(qū)）逐漸向另一側(cè)移動(dòng)，在出口形成一個(gè)向外擴(kuò)展的火炬。由圖6可知，出口截面的計(jì)算溫度場(chǎng)與理論分析是相符合的。
2 4軸向溫度場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果分析
    煤粉質(zhì)量濃度為0 2 kgl~粉/k9風(fēng)時(shí)，沿軸的軸向溫度場(chǎng)如圖7所示。圖7中每點(diǎn)的溫度為在對(duì)應(yīng)軸向距離（殉）上，且10 189 m的環(huán)線(xiàn)上的所有網(wǎng)格的溫度的平均值。對(duì)著火點(diǎn)的判定采用Sern_
 eno嗜火理論。在煤粉著火前，一次風(fēng)煤粉主要靠從高溫嗎獲得的輻射熱和對(duì)流熱而升溫。隨著靠近油槍處的煤粉氣流溫度的升高，其從高溫CQ獲得的熱能減少，則溫升趨緩，當(dāng)溫升快的煤粉氣流達(dá)到一定溫度，揮發(fā)分開(kāi)始析出著火，則煤粉氣流溫升逐漸加劇，從此處（即溫度曲線(xiàn)的拐點(diǎn)）起，煤粉氣流開(kāi)始著火。該點(diǎn)的數(shù)學(xué)條件‘8為：
    由圖7可見(jiàn)，計(jì)算所得的最高溫度點(diǎn)較高。其原因是對(duì)氣相場(chǎng)的湍流燃燒模揪采用的是PDF與局部瞬時(shí)反應(yīng)平衡模型，該模型忽略了燃燒反應(yīng)中動(dòng)力作用的影響，使揮發(fā)分中的哪及∞的反應(yīng)比實(shí)際要迅速，故最高溫度點(diǎn)偏高。當(dāng)溫度到達(dá)最高點(diǎn)后，溫度有所下降這是由于局部缺氧抑制了燃燒造成的；同時(shí)，前段著火燃燒產(chǎn)生的0q，H哳口煤中的水蒸氣、焦碳發(fā)生吸熱的化學(xué)反應(yīng)，生成∞和地造成壁面處煤粉氣流溫度下降，最高溫度點(diǎn)向油槍另一側(cè)方向偏移。
3結(jié)論
    本文所用模型能較準(zhǔn)確地計(jì)算出富氧微油點(diǎn)火生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)內(nèi)的溫度場(chǎng)，對(duì)今后點(diǎn)火器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行參數(shù)的選用以及熱電廠(chǎng)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的改造具有參考意義。富氧氣化燃燒使火焰溫度大幅度提高，通過(guò)富氧助燃可以提高燃燒強(qiáng)度，加快燃燒速度。
2 4備自投裝置硬件選擇
    若要實(shí)現(xiàn)上述各自投功能其輸入量需要25個(gè)，輸出量需要7個(gè)，則輸入、輸出總量至少為32個(gè)。三菱公司FX2N系列中型號(hào)為FX2N- 64- MR的備自投裝置有32個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)和32個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)，選用該裝置可以滿(mǎn)足要求。另外，需要18個(gè)電壓欠壓繼電器，分別測(cè)量進(jìn)線(xiàn)I電壓，進(jìn)線(xiàn)II電壓，110 kV母線(xiàn)I電壓，110 kV母線(xiàn)II電壓、10 kVH線(xiàn)III電壓、10 kVH線(xiàn)Ⅳ的電壓三相cA B c)，當(dāng)所測(cè)電壓低于設(shè)定值時(shí)，欠壓繼電器動(dòng)作——閉合，輸入到PI_C中的開(kāi)關(guān)量為1；需要6個(gè)交流接觸器控制11 DI。21DI。31DI，32Dlho動(dòng)作；需要1個(gè)指示燈來(lái)指示備自投是否動(dòng)作。
3結(jié)論
  用PIJC實(shí)現(xiàn)備用電源自動(dòng)投入裝置，所需的硬件少，各種邏輯關(guān)系可通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)減少了工作量，而且裝置的體積較小、可靠性較高。對(duì)于不同的變電站，其備自投裝置的外部接線(xiàn)可以不變，只需要改變內(nèi)部程序即可，可擴(kuò)展性較高，利于推廣應(yīng)用。
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