微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能试验研究

王怡弘，池俊杰，孙公钢，池作和

（中国计量学院 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018）

微油点火技术［1-3］实现成功点燃煤粉并达到节油目的关键是煤粉在一级燃烧室内具有优良的燃烧特性，能为下级燃烧室提供热流量大而且稳定的高温火焰［4］.

池作和等［4］利用数值模拟方法对微油点火燃烧器的一级燃烧室内煤粉燃烧过程进行了研究，得到一次风速和煤粉质量分数的改变对煤粉挥发分和焦炭燃尽率的影响.李新梦等［5］对煤粉气流在富氧微油点火燃烧器内的点火过程进行数值模拟，研究不同煤粉质量分数对着火温度与着火距离的影响，反映煤粉在富氧微油点火燃烧器内的着火方式的变化.王志鹏等［6］对微油点火燃烧器的多种运行工况进行了数值模拟研究.分析了煤粉质量分数、煤粉细度、一次风速度、燃油流量、油枪的插入方式等主要因素对煤粉气流着火的影响.陈磊等［7］从影响采用少油点火技术的煤粉着火的主要因素入手，对燃烧器内部进行了多工况数值模拟，发现煤粉质量分数过高或过低均不利于煤粉在燃烧室内的着火燃烧.Liu［8］利用试验台，通过改变燃烧室内过量空气的大小，对燃烧室煤粉燃烧特性进行研究，发现低过量空气系数有利于煤粉与高温火焰混合，增加煤粉在燃烧室停留时间，有利于煤粉燃烧.

由于数值模拟研究只是通过各种计算方程的控制进行计算，而利用试验的方法对微油点火燃烧室特别是一级燃烧室内部煤粉着火、燃烧及污染物的形成研究较少.因此，本文通过搭建微油点火性能测试实验台，对不同一次风速和煤粉质量分数对微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能的影响进行实验研究，以期为微油点火燃烧器的设计和工程应用提供参考.

1 实验台介绍

微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能测试系统组成如图1.整套系统包括风粉系统、送引风系统、微油点火系统等部分.

图1 实验系统图Figure 1 Experimental system diagram

1.1 风粉系统

风粉系统包括送风系统、给粉系统以及风粉混合器.煤粉与一次风在文丘里管中混合均匀后送入一级燃烧室进行点火燃烧.实验中采用容积式喂料机，通过调节变频器频率，改变给粉量.

一次风由风机提供，由于实验只针对微油点火燃烧器一级燃烧室点火特性进行研究，所以没有加入二次风.送风管路上装有涡街流量计，其精度为±1.0%，以实现对风量的测量和控制.

1.2 微油点火系统

微油点火系统包括甲烷气瓶、稳压罐、高压点火变压器和火焰检测器.本文利用甲烷气体燃烧产生的高温烟气代替微油燃烧器中油燃烧所产生的高温热源.两种燃料化学成分相似，燃烧产物均为CO2和H2O，热值以及燃烧温度相近，因此，甲烷燃烧能够很好的代替油燃烧进行实验研究.点火器产生高温电弧，点燃甲烷气体，形成高温火焰，利用高温火焰释放的能量点燃煤粉，完成点火.同时，燃烧器上有火检装置，保证燃烧器点火的安全性.

1.3 数据采集系统

燃烧室结构及测量系统如图2.本实验系统采用的一级燃烧室烟气管道d＝30mm，一次风管道直径D＝35mm，长度L＝1000mm.一级燃烧室沿燃烧室轴线均匀分布测点，第一个测点离燃烧室入口距离为150mm，其后每隔150mm布置一个测点.

图2 微油点火燃烧器一级燃烧室Figure 2 Primary combustion chamber of tiny－oil ignition burner

燃烧室中心轴线温度通过测温元件K分度的镍铬－镍硅热电偶进行测量，测量精度±20℃.同时，实验还对燃烧室出口中心位置处的烟气组分如CO、NOx等进行测量，以分析一级燃烧室出口处污染物排放情况随工况改变所发生的变化.实验所用烟气分析采用德国MRU公司的MGA5型移动式红外气体分析仪，其中O2体积分数精度为＋0.2%，CO体积分数精度为＋2%，NOx浓度精度为＋2%.

1.4 实验煤质及工况

实验所用煤质数据及工况情况详见表1和表2.

表1 煤质数据Table 1 Coal quality parameters

表2 实验工况Table 2 Experiment condition

2 结果分析及讨论

2.1 一次风速对微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能的影响

图3为一次风温343K，煤粉质量分数0.15kg／kg，煤粉粒径70μm，点火能量0.2时，改变一次风速（12m／s、13m／s、15m／s、16m／s以及18m／s），一级燃烧室中心温度随一次风速的变化趋势.如图3，燃烧室中心温度呈现先下降后上升的过程.这主要是因为一次风煤粉气流进入燃烧室与高温燃气火焰混合后，首先吸收大量的热量，导致燃烧室内温度下降.随着煤粉不断吸热达到着火条件，挥发分开始析出并着火燃烧，从而导致燃烧室中心温度开始上升，煤焦发生多相着火，使得燃烧室内的温度快速升高，并在出口形成最高温度.图3中，在其他条件不变的情况下，随着一次风速的增加，燃烧室中心温度最低点离燃烧室进口距离越远，燃烧室出口温度越低.这主要是因为，随着一次风速的增加，着火热增加，煤粉在燃烧室内停留时间减少，着火距离增长.因此，为了获得良好的一级燃烧室点火性能，应尽量降低一次风速，但一次风速过低又会导致燃烧室内部结焦的可能性增加.

图3 不同一次风速下燃烧室中心轴线温度分布Figure 3 Temperature distribution on center axis of combustion chamber under different wind velocity

图4和图5分别为不同一次风速下燃烧室出口CO和NOx体积分数.图4中，随着一次风速的增加，燃烧室出口CO体积分数迅速下降.一次风速为12，13，15，16，18m／s时，CO 体积分数分别为1727×10－6，1493×10－6，210×10－6，256×10－6，377×10－6.由此可知，一次风速增加，使得燃烧室氧气体积分数增大，进而使得煤粉燃烧更加充分.而一级燃烧室出口NOx体积分数（图5）则与CO体积分数随一次风速的增加呈现出相反的变化趋势.随着一次风速增加，促进燃烧室出口NOx生成量呈逐渐上升趋势.

2.2 煤粉质量分数对微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能的影响

图6为保持一次风速为15m／s，一次风温343K，煤粉粒径70μm点火能量0.2的条件下，煤粉质量分数改变对微油点火燃烧器一级燃烧室中心轴线温度的影响.如图6，燃烧室温度水平随着煤粉质量分数的提高而提高.但在燃烧室出口，烟气温度的数值却趋于接近.图7、图8分别为不同煤粉质量分数下燃烧室出口CO和NOx体积分数分布图.图中，随着煤粉质量分数的增加，燃烧室出口CO体积分数、NOx体积分数都随之上升；而当煤粉质量分数大于0.15kg／kg时，燃烧室出口CO体积分数呈现急剧上升趋势.

3 结 语

本文通过实验方法，研究了不同一次风速和煤粉质量分数对微油点火燃烧器一级燃烧室点火性能的影响，得到以下结论：

1）改变一次风速或煤粉质量分数，微油点火燃烧器一级燃烧室中心温度均呈现先降低后跃升的趋势.

2）燃烧室出口CO体积分数随一次风速的增加呈逐渐下降趋势，但随煤粉质量分数增加所呈现的变化趋势则相反.

3）随着一次风速或煤粉质量分数的增加，燃烧室出口NOx体积分数均呈现上升趋势.燃烧室出口NOx体积分数变化范围在100×10－6至180×10－6之间.

［1］孙公钢，池作和.大型电站锅炉节油点火技术的经济性分析［J］.中国计量学院学报，2007，18（3）：245－248.Sun Gonggang，Chi Zuohe.Economical analysis on technologies of igniting with less oil used in power generation［J］.Journal of China University of Metrology，2007，18（3）：245－248.

［2］姚文达，李 硕.电站锅炉微油点火技术现状与发展［J］.华电技术，2008，30（1）：14－18.Yao Wenda，Li Suo.Present situation and development oftiny－oil ignition technology for power station boiler［J］.Huadian Technology，2008，30（1）：14－18.

［3］宋毓楠.微油点火与稳燃技术及应用［D］.南京：东南大学，2009.Song Yunan.The application of tiny－oil ignition and stable combustion technology［D］.Nanjing：Southeast University，2009.

［4］池作和，孙公钢.微油点火燃烧器一级燃烧室结构数值模拟研究［J］.热力发电，2007，11：20－24.Chi Zuohe Sun Gonggang.Study on numerical simulation of first－stage firing chamber structure in oil－saving ignition burner［J］.Thermal Power Generation，2007，11：20－24.

［5］李新梦，姚 磊.富氧微油点火燃烧器的数值实验研究［J］.电站系统工程，2008，24（1）：19－23.Li Xinmeng，Yao Lei.Numerical Simulation of ignition with less oil in abundant oxygen［J］.Power System Engineering，2008，24（1）：19－23.

［6］王志鹏.微油气化燃烧直接点火的数值模拟研究与应用研究［D］.北京：华北电力大学，2008.Wang Zhipeng.Numerical simulation research and application of direct ignition of tiny－oil gasification combustion［D］.Beijing：North China Electric Power University，2008.

［7］陈 磊.煤粉炉少油点火技术数值模拟研究以及应用研究［D］.上海：上海交通大学，2011.Chen Lei.Numerical simulation research and application of tiny－oil ignition technology［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2011.

［8］Liu Chunlong，Li Zhengqi.Influence of coal－feed rates on bituminous coal ignition in a full－scale tiny－oil ignition burner［J］.Fuel，2010，89：1690－1694.