微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能試驗研究

王怡弘，池俊杰，孫公鋼，池作和

（中國計量學(xué)院 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

微油點火技術(shù)［1-3］實現(xiàn)成功點燃煤粉并達到節(jié)油目的關(guān)鍵是煤粉在一級燃燒室內(nèi)具有優(yōu)良的燃燒特性，能為下級燃燒室提供熱流量大而且穩(wěn)定的高溫火焰［4］.

池作和等［4］利用數(shù)值模擬方法對微油點火燃燒器的一級燃燒室內(nèi)煤粉燃燒過程進行了研究，得到一次風(fēng)速和煤粉質(zhì)量分數(shù)的改變對煤粉揮發(fā)分和焦炭燃盡率的影響.李新夢等［5］對煤粉氣流在富氧微油點火燃燒器內(nèi)的點火過程進行數(shù)值模擬，研究不同煤粉質(zhì)量分數(shù)對著火溫度與著火距離的影響，反映煤粉在富氧微油點火燃燒器內(nèi)的著火方式的變化.王志鵬等［6］對微油點火燃燒器的多種運行工況進行了數(shù)值模擬研究.分析了煤粉質(zhì)量分數(shù)、煤粉細度、一次風(fēng)速度、燃油流量、油槍的插入方式等主要因素對煤粉氣流著火的影響.陳磊等［7］從影響采用少油點火技術(shù)的煤粉著火的主要因素入手，對燃燒器內(nèi)部進行了多工況數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煤粉質(zhì)量分數(shù)過高或過低均不利于煤粉在燃燒室內(nèi)的著火燃燒.Liu［8］利用試驗臺，通過改變?nèi)紵覂?nèi)過量空氣的大小，對燃燒室煤粉燃燒特性進行研究，發(fā)現(xiàn)低過量空氣系數(shù)有利于煤粉與高溫火焰混合，增加煤粉在燃燒室停留時間，有利于煤粉燃燒.

由于數(shù)值模擬研究只是通過各種計算方程的控制進行計算，而利用試驗的方法對微油點火燃燒室特別是一級燃燒室內(nèi)部煤粉著火、燃燒及污染物的形成研究較少.因此，本文通過搭建微油點火性能測試實驗臺，對不同一次風(fēng)速和煤粉質(zhì)量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響進行實驗研究，以期為微油點火燃燒器的設(shè)計和工程應(yīng)用提供參考.

1 實驗臺介紹

微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能測試系統(tǒng)組成如圖1.整套系統(tǒng)包括風(fēng)粉系統(tǒng)、送引風(fēng)系統(tǒng)、微油點火系統(tǒng)等部分.

圖1 實驗系統(tǒng)圖Figure 1 Experimental system diagram

1.1 風(fēng)粉系統(tǒng)

風(fēng)粉系統(tǒng)包括送風(fēng)系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)以及風(fēng)粉混合器.煤粉與一次風(fēng)在文丘里管中混合均勻后送入一級燃燒室進行點火燃燒.實驗中采用容積式喂料機，通過調(diào)節(jié)變頻器頻率，改變給粉量.

一次風(fēng)由風(fēng)機提供，由于實驗只針對微油點火燃燒器一級燃燒室點火特性進行研究，所以沒有加入二次風(fēng).送風(fēng)管路上裝有渦街流量計，其精度為±1.0%，以實現(xiàn)對風(fēng)量的測量和控制.

1.2 微油點火系統(tǒng)

微油點火系統(tǒng)包括甲烷氣瓶、穩(wěn)壓罐、高壓點火變壓器和火焰檢測器.本文利用甲烷氣體燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔獯嫖⒂腿紵髦杏腿紵a(chǎn)生的高溫?zé)嵩?兩種燃料化學(xué)成分相似，燃燒產(chǎn)物均為CO2和H2O，熱值以及燃燒溫度相近，因此，甲烷燃燒能夠很好的代替油燃燒進行實驗研究.點火器產(chǎn)生高溫電弧，點燃甲烷氣體，形成高溫火焰，利用高溫火焰釋放的能量點燃煤粉，完成點火.同時，燃燒器上有火檢裝置，保證燃燒器點火的安全性.

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

燃燒室結(jié)構(gòu)及測量系統(tǒng)如圖2.本實驗系統(tǒng)采用的一級燃燒室煙氣管道d＝30mm，一次風(fēng)管道直徑D＝35mm，長度L＝1000mm.一級燃燒室沿燃燒室軸線均勻分布測點，第一個測點離燃燒室入口距離為150mm，其后每隔150mm布置一個測點.

圖2 微油點火燃燒器一級燃燒室Figure 2 Primary combustion chamber of tiny－oil ignition burner

燃燒室中心軸線溫度通過測溫元件K分度的鎳鉻－鎳硅熱電偶進行測量，測量精度±20℃.同時，實驗還對燃燒室出口中心位置處的煙氣組分如CO、NOx等進行測量，以分析一級燃燒室出口處污染物排放情況隨工況改變所發(fā)生的變化.實驗所用煙氣分析采用德國MRU公司的MGA5型移動式紅外氣體分析儀，其中O2體積分數(shù)精度為＋0.2%，CO體積分數(shù)精度為＋2%，NOx濃度精度為＋2%.

1.4 實驗煤質(zhì)及工況

實驗所用煤質(zhì)數(shù)據(jù)及工況情況詳見表1和表2.

表1 煤質(zhì)數(shù)據(jù)Table 1 Coal quality parameters

表2 實驗工況Table 2 Experiment condition

2 結(jié)果分析及討論

2.1 一次風(fēng)速對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響

圖3為一次風(fēng)溫343K，煤粉質(zhì)量分數(shù)0.15kg／kg，煤粉粒徑70μm，點火能量0.2時，改變一次風(fēng)速（12m／s、13m／s、15m／s、16m／s以及18m／s），一級燃燒室中心溫度隨一次風(fēng)速的變化趨勢.如圖3，燃燒室中心溫度呈現(xiàn)先下降后上升的過程.這主要是因為一次風(fēng)煤粉氣流進入燃燒室與高溫燃氣火焰混合后，首先吸收大量的熱量，導(dǎo)致燃燒室內(nèi)溫度下降.隨著煤粉不斷吸熱達到著火條件，揮發(fā)分開始析出并著火燃燒，從而導(dǎo)致燃燒室中心溫度開始上升，煤焦發(fā)生多相著火，使得燃燒室內(nèi)的溫度快速升高，并在出口形成最高溫度.圖3中，在其他條件不變的情況下，隨著一次風(fēng)速的增加，燃燒室中心溫度最低點離燃燒室進口距離越遠，燃燒室出口溫度越低.這主要是因為，隨著一次風(fēng)速的增加，著火熱增加，煤粉在燃燒室內(nèi)停留時間減少，著火距離增長.因此，為了獲得良好的一級燃燒室點火性能，應(yīng)盡量降低一次風(fēng)速，但一次風(fēng)速過低又會導(dǎo)致燃燒室內(nèi)部結(jié)焦的可能性增加.

圖3 不同一次風(fēng)速下燃燒室中心軸線溫度分布Figure 3 Temperature distribution on center axis of combustion chamber under different wind velocity

圖4和圖5分別為不同一次風(fēng)速下燃燒室出口CO和NOx體積分數(shù).圖4中，隨著一次風(fēng)速的增加，燃燒室出口CO體積分數(shù)迅速下降.一次風(fēng)速為12，13，15，16，18m／s時，CO 體積分數(shù)分別為1727×10－6，1493×10－6，210×10－6，256×10－6，377×10－6.由此可知，一次風(fēng)速增加，使得燃燒室氧氣體積分數(shù)增大，進而使得煤粉燃燒更加充分.而一級燃燒室出口NOx體積分數(shù)（圖5）則與CO體積分數(shù)隨一次風(fēng)速的增加呈現(xiàn)出相反的變化趨勢.隨著一次風(fēng)速增加，促進燃燒室出口NOx生成量呈逐漸上升趨勢.

2.2 煤粉質(zhì)量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響

圖6為保持一次風(fēng)速為15m／s，一次風(fēng)溫343K，煤粉粒徑70μm點火能量0.2的條件下，煤粉質(zhì)量分數(shù)改變對微油點火燃燒器一級燃燒室中心軸線溫度的影響.如圖6，燃燒室溫度水平隨著煤粉質(zhì)量分數(shù)的提高而提高.但在燃燒室出口，煙氣溫度的數(shù)值卻趨于接近.圖7、圖8分別為不同煤粉質(zhì)量分數(shù)下燃燒室出口CO和NOx體積分數(shù)分布圖.圖中，隨著煤粉質(zhì)量分數(shù)的增加，燃燒室出口CO體積分數(shù)、NOx體積分數(shù)都隨之上升；而當(dāng)煤粉質(zhì)量分數(shù)大于0.15kg／kg時，燃燒室出口CO體積分數(shù)呈現(xiàn)急劇上升趨勢.

3 結(jié) 語

本文通過實驗方法，研究了不同一次風(fēng)速和煤粉質(zhì)量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響，得到以下結(jié)論：

1）改變一次風(fēng)速或煤粉質(zhì)量分數(shù)，微油點火燃燒器一級燃燒室中心溫度均呈現(xiàn)先降低后躍升的趨勢.

2）燃燒室出口CO體積分數(shù)隨一次風(fēng)速的增加呈逐漸下降趨勢，但隨煤粉質(zhì)量分數(shù)增加所呈現(xiàn)的變化趨勢則相反.

3）隨著一次風(fēng)速或煤粉質(zhì)量分數(shù)的增加，燃燒室出口NOx體積分數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢.燃燒室出口NOx體積分數(shù)變化范圍在100×10－6至180×10－6之間.

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