非均相燃燒法的理論分析

非均相燃燒法的理論分析

煤炭的清潔燃燒技術已經成為環(huán)境保護技術中最有效的技術之一。高效天然氣生產是高效清潔能源技術的重要組成部分，發(fā)達國家對此高度重視。目前,我國現有工業(yè)及民用鍋爐50余萬臺,使用范圍廣泛,使用數量巨大。這類鍋爐有三個特點:一是以燃煤為主,這類鍋爐每年燃煤約占中國原煤產量的1/3;二是熱效率不高,一般熱效率只有60%～70%,比先進國家約低10%～15%;三是原煤散燒造成了嚴重的大氣污染。因此,改變這些中小型鍋爐原煤散燒的燃燒方式,采用先進的型煤燃燒技術,對我國大氣環(huán)境質量的改善以及節(jié)能減排事業(yè)有著不可低估的重要作用。1型煤鍋爐主燃區(qū)燃燒強度對燃燒過程的影響我國型煤技術的發(fā)展始于20世紀60年代初,到1997年,我國型煤產業(yè)的發(fā)展達到了一個高峰期,為改善我國城市的大氣質量做出了重要貢獻。但后來,型煤技術的發(fā)展速度卻放慢了腳步,其主要原因是型煤鍋爐主燃區(qū)燃燒強度低下的問題始終未得到很好的解決。實爐測試型煤鍋爐主燃區(qū)的床溫較散煤鍋爐的主燃區(qū)床溫低360℃左右,根據阿累尼烏斯(Arrhenius)定律,燃料燃燒速度與溫度呈指數關系,所以型煤鍋爐主燃區(qū)的燃燒強度比散煤鍋爐主燃區(qū)的燃燒強度低很多。而型煤鍋爐主燃區(qū)燃燒強度過低,將導致型煤鍋爐在使用性能方面出現以下問題:(1)型煤鍋爐著火嚴重延遲。型煤主燃區(qū)燃燒強度過低,使型煤主燃區(qū)向著火區(qū)的傳熱速度大幅度降低,導致型煤鍋爐著火嚴重延遲。試驗顯示,在煤質一定的條件下,散煤鍋爐的著火時間比型煤鍋爐的著火時間短60%左右。(2)型煤鍋爐輻射受熱面金屬利用率降低。由于型煤鍋爐主燃區(qū)燃燒強度過低,型煤鍋爐燃燒產物(煙氣)溫度較低,使煙氣的輻射傳熱能力比散煤鍋爐燃燒產物的輻射傳熱能力低很多,從而導致型煤鍋爐輻射受熱面金屬利用率大大低于同容量的散煤鍋爐。據統(tǒng)計,型煤鍋爐輻射受熱面金屬耗量與散煤鍋爐輻射受熱面金屬耗量的比值大致為1.6∶1。(3)型煤鍋爐爐排面積大幅度增加,占地面積加大。由于型煤的燃燒強度低下,型煤鍋爐的爐排面積熱負荷與散煤鍋爐爐排面積熱負荷相比有較大幅度降低,從而導致型煤鍋爐的爐排面積比同容量散煤鍋爐的爐排面積大很多。據實際統(tǒng)計,目前在用的型煤鍋爐的爐排面積是同容量散煤鍋爐的3.3倍左右。型煤主燃區(qū)燃燒強度過低是型煤燃燒過程惡化的直接反映,是制約型煤技術進一步發(fā)展的根本性問題。文章將著重對型煤鍋爐燃燒強度低下的原因進行深入探討,并就提高其燃燒強度提出可操作性技術方案。2類型煤集合的不良對燃燒強度的影響2.1煤粒的集合形態(tài)變化目前,型煤鍋爐基本上都采用方形圓柱孔型型煤,該種型煤是煤粉與添加劑按一定比例混勻后,在一定濕度、一定壓力下加工成型的,型煤添加劑有黏結劑、固硫劑、助燃劑等,型煤的抗碎強度取決于黏結劑的黏結能力與成型壓力的大小。通過對型煤成型機理的研究可知,型煤是通過粘結劑與煤粒在一定壓力下產生潤濕及橋接作用聯結成型的,這樣的成型過程使煤粒的集合形態(tài)發(fā)生了根本性變化,最終成為導致型煤燃燒過程惡化的誘因。型煤集合形態(tài)的改變主要表現在以下五個方面:(1)型煤成型時,型煤煤粒內部的毛細孔被壓潰,煤粒內部的孔隙率極低。(2)煤粒表面及煤粒之間的間隙中均有黏結劑水化形成的凝膠體和各種形態(tài)的結晶體,這些凝膠體和結晶體將煤粒包圍起來,并相互聯結形成致密的包晶體,使煤粒間隙中原有的孔隙消失,即煤粒外部的孔隙率降低為零。(3)型煤煤粒之間夾雜著黏結劑、固硫劑顆粒,相當于煤中灰分增加。(4)型煤的尺寸比散煤煤粒平均尺寸增大十幾倍,甚至更多。(5)型煤中設置直徑較大的集中通風孔,孔徑一般為8～10mm。型煤上述集合形態(tài)的變化對型煤在燃燒過程中的傳熱、傳質行為有嚴重削弱作用,所以,型煤集合形態(tài)的變化過程對于型煤燃燒過程而言屬于劣化過程。從燃燒等效性觀點出發(fā),型煤集合形態(tài)劣化后可以將其簡化為如下模型:可以認為型煤是一個大尺度、雜質多、內部孔隙率極低的致密的大煤塊,經計算,外形尺寸為100mm×100mm×80mm的四孔型煤相當于等效粒徑約為80mm的致密大煤塊。2.2助燃空氣在型煤燃燒過程中的擴散阻力較小煤的燃燒過程是一個非常復雜的物理、化學過程,影響其燃燒強度的因素有很多。目前,型煤燃燒強度低下的關鍵影響因素有六個方面:(1)助燃空氣由型煤表面向型煤中心的擴散動力太小。目前,燃用圓柱孔型型煤的鍋爐均采用自然通風方式,由于通風孔孔徑較大,助燃空氣穿過床層時的阻力很小,導致助燃空氣由型煤表面向型煤煤體內部擴散的動力很小,助燃空氣幾乎沒有穿透力,從而使型煤煤體中心的炭粒在燃燒過程中不能及時得到氧氣,焦炭析熱速度緩慢,最終導致燃燒強度的大幅度降低。(2)助燃空氣由型煤表面向型煤內部的擴散阻力太大。在散煤燃燒過程中,煤粒析出揮發(fā)份后形成具有大量孔隙的焦炭,助燃空氣可以沿著這些孔隙通道順利擴散至焦炭中心助燃,擴散阻力較小。而型煤燃燒過程中,助燃空氣由型煤表面向型煤煤體內部的擴散阻力大幅度提高,其原因包括三方面:一是由于型煤內部的孔隙率極低,氧氣向煤體中心擴散時缺少開放性通道;二是由于型煤中粘結劑的存在,型煤在揮發(fā)份析出后無法形成多孔的焦炭;三是型煤燃燒后的灰殼比較致密、堅固。所以,氧氣向煤體中心擴散的阻力非常大,擴散速度非常小,導致型煤煤體中心的碳粒不能及時獲得燃燒需要的氧氣,因而嚴重制約了型煤的燃燒強度。(3)型煤燃燒反應的比表面積大大低于散煤。型煤的孔隙率極低,使型煤燃燒時參加反應的比表面積與散煤相比有較大幅度下降。計算表明,單位體積內散煤的比表面積一般是等效粒徑為80mm型煤的比表面積的400多倍。反應面積的大幅度下降導致了焦炭燃燒反應速度的大幅度降低。(4)型煤主燃區(qū)空氣消耗系數過大。由于型煤的圓柱通風孔直徑較大,空氣穿過煤層時的阻力很小,因而型煤鍋爐實際空氣消耗系數高達2.2～2.5,過量的冷空氣通過煤層時帶走大量的熱量,使煤層溫度降低。煤層溫度的降低使燃燒反應的化學動力受到削弱,從而導致燃燒反應速度的大幅度下降。(5)型煤主燃區(qū)中,揮發(fā)份與焦炭搶火現象嚴重。與散煤揮發(fā)份大部分在著火區(qū)析出不同,由于型煤的等效粒徑很大,且型煤內部的孔隙率極低,所以型煤煤體中心的揮發(fā)份大部分延遲到主燃區(qū)析出,由于揮發(fā)份比較容易燃燒,所以在主燃區(qū)內揮發(fā)份與焦炭爭奪氧氣的情況比較嚴重,從而降低了焦炭的燃燒速度。(6)型煤含灰量較多。型煤中的添加劑使其含灰量增加,從而增加了氧氣的擴散阻力,進一步降低了焦炭的燃燒強度。通過上面的分析可以看出,型煤集合形態(tài)劣化確實從多角度、深層次削弱了型煤燃燒反應的化學反應動力及擴散動力,最終導致了型煤燃燒強度的大幅度降低。所以,型煤集合形態(tài)劣化才是導致型煤燃燒強度低下的本質原因,要改善型煤的燃燒過程,必須對型煤的集合形態(tài)進行科學、合理的改進。3在煤體中設置大量微觀裂紋面,提高燃燒反應通過前面的分析,可以總結出提高型煤燃燒強度的技術關鍵有以下幾方面:(1)提高助燃空氣擴散動力;(2)減小助燃空氣擴散阻力;(3)增加型煤燃燒反應的活性面積;(4)降低主燃區(qū)空氣過剩系數;(5)削弱主燃區(qū)揮發(fā)份與焦炭的搶火能力。據此,型煤集合形態(tài)改進的具體方案如下:(1)將型煤的垂直通風孔由等直徑圓柱孔型改進為變直徑圓柱孔型。將型煤的等直徑圓柱形通風孔改進為沿垂直向上方向逐漸變小的變直徑通風孔,這樣可以增加冷空氣穿過煤層時的阻力,提高助燃空氣對煤體的穿透力,同時減小型煤鍋爐主燃區(qū)的空氣消耗系數。通過這樣的改進措施,不但使主燃區(qū)內冷空氣通入量得到有效抑制,而且使助燃空氣在床層中保持一定的靜壓值,增加了助燃空氣由型煤表面向型煤中心的擴散動力。(2)在煤體中預制出大量微細裂紋。型煤成型時,用高頻微振動技術在煤體中預制出大量對通風孔開放的微細裂紋。這樣做的主要目的是要在型煤內部形成一定數量的裂變中心,在型煤燃燒過程中,由于型煤煤體內外升溫不均衡,這些裂變中心在溫度應力作用下會發(fā)展成為大量不規(guī)則斷裂面。大量不規(guī)則斷裂面的形成對提高型煤燃燒強度有兩方面作用:(1)斷裂面為助燃空氣由型煤表面向型煤內部擴散開放了通道,可降低擴散阻力,提高擴散速度,從而可以大幅度提高燃燒反應速度;(2)斷裂面的存在可大幅度增加燃燒反應的活性面積,進一步提高燃燒速度。(3)在型煤煤體中設置橫向通風孔。在型煤煤體中設置與垂直通風孔相連通的水平橫向通風孔,其目的是為了使型煤火焰能橫向傳播,從而加快煤層深處橫向熱交換速度,提高型煤深處低溫區(qū)的燃燒反應速度。此外,上述改進措施還可從根本上改變了型煤的熱解過程,使型煤在著火區(qū)域內開放了揮發(fā)份的析出通道,增加了揮發(fā)份的解吸面積,提高了型煤垂直導熱熱阻,減少了熱解區(qū)域送風量,促進了型煤深層著火線遷移速度,從而大幅度提高了型煤的熱解速度,使揮發(fā)份在著火區(qū)的析出量有較大幅度增加,延遲到主燃區(qū)析出的揮發(fā)份大幅度減少,從而削弱了主燃區(qū)揮發(fā)份與焦炭的搶火能力。4燃燒效果對比試驗為了驗證以上型煤集合形態(tài)改進措施對提高型煤燃燒強度的實際效果,分別在實驗室及實爐中對集合形態(tài)改進前后的型煤的燃燒情況進行了對比試驗。4.1主燃區(qū)燃燒溫度測試實爐驗證的目的是比較集合形態(tài)改進前后兩種型煤在鏈條爐中燃燒時的主燃區(qū)床層溫度情況,以評價集合形態(tài)改進對提高型煤鍋爐燃燒強度的作用。試驗采用唐山金智科技公司制造的4.2MW型煤鏈條鍋爐,在爐排下方加裝強制通風裝置,使其對自然通風及強制通風具有通用性。試驗時,首先對圓柱孔型型煤主燃區(qū)燃燒溫度進行測試:型煤鍋爐點火后,連續(xù)正常運行24h,在鍋爐正常負荷下,用熱電偶測量主燃區(qū)不同床層深度處的火床溫度,并進行記錄。此試驗是在自然通風條件下進行;然后,再對改進后的型煤(以下稱阻力孔型型煤)主燃區(qū)燃燒溫度進行測試。此試驗在強制通風條件下進行,空氣消耗系數取用1.35。對上述兩次試驗的測試數據進行整理,作出如圖1所示的曲線,其中:圖1橫坐標“床層相對高度”是指測點距床層下表面的距離與床層總高度的比值,縱坐標為測點溫度。曲線1為阻力孔型型煤火床沿高度方向上的溫度分布,曲線2為圓柱孔型型煤火床沿高度方向上的溫度分布。由曲線1及曲線2可以看出,阻力孔型型煤床層的最高溫度為1380℃,而圓柱孔型型煤床層的最高溫度只有1020℃,比阻力孔型型煤床層最高溫度低360℃。這一數據充分說明集合形態(tài)的改進可使型煤燃燒強度大幅度提高。4.2熱解過程中兩種型煤的失重率-時間曲線實驗室驗證的目的是在自行設計的試驗臺上,通過熱重試驗對圓柱孔型型煤及阻力孔型型煤的著火過程進行對比性研究,比較兩者揮發(fā)份析出時間及析出數量的差別。圖2所示為熱重試驗的試驗臺,試驗裝置按功能分為稱重系統(tǒng)、送風系統(tǒng)、爐體系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、數據采集系統(tǒng)五部分。型煤在爐內上下分三層、前后分四排緊密擺放,熱電偶埋在第一、四排中間層的型煤中。試驗測得集合形態(tài)改進前后兩種型煤第一排型煤的失重率-時間曲線,如圖3所示。圖3中,曲線1為阻力孔型型煤的失重率-時間曲線,曲線2為圓柱孔型型煤的失重率-時間曲線。從曲線1可以看出,當測點升溫時間達到17min時,阻力孔型型煤熱解階段結束,型煤失重率為22%,由于型煤實測揮發(fā)份質量分數為25.35%,所以,阻力孔型型煤熱解階段揮發(fā)份析出量為揮發(fā)份總析出量的86.8%;從曲線2可以看出,當圓柱孔型型煤升溫至17min時,揮發(fā)份析出率只有5%,揮發(fā)份析出量僅為揮發(fā)份析出總量的19.7%。由此可以看出,圓柱孔型型煤的揮發(fā)份析出非常緩慢。另外,從曲線2還可以看出,圓柱孔型型煤失重率達到22%時所需要的時間為36min左右,而阻力孔型型煤失重率達到22%的時間比圓柱孔型型煤縮短了47.2%。阻力孔型型煤揮發(fā)份析出速度的加快,最大程度地避免了揮發(fā)份與焦炭搶火的現象。4環(huán)