高温氧气发生器的煤粉点火特性研究

闫高程，齐心，任婷，刘石

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206)



高温氧气发生器的煤粉点火特性研究

闫高程，齐心，任婷，刘石

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206)

摘要：针对劣质煤电站锅炉在冷态启动过程中燃油消耗量大的问题，提出了一种高温氧气直接点火技术，可用少量燃油将氧气加热至1 480 ℃的高温状态，然后用高温氧气直接点燃煤粉气流。本文采用热态点火实验的研究方法证明了该方法的有效性。研究了高温氧气发生器的性能特点，总结出优化运行参数，验证了稳燃氧气流量最佳值应取40 (N·m3)/h；然后，研究了高温氧气发生器在山西晋中贫煤煤粉气流中的点火特性，实验结果证明：贫煤煤粉气流的最高火焰温度达到1 160 ℃，火焰长度超过6 m，证明了高温氧气点火技术是可行的。

关键词：劣质煤点火；煤粉燃烧；高温氧气；电站锅炉；富氧燃烧；节能

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1137.032.html

大型电站燃煤锅炉在冷态点火启动和低负荷稳燃过程中要消耗大量的燃油，我国600 MW的发电机组平均年耗油量为451.62吨/台，电力工业耗油量已经达到1 600万吨/年[1]，因此各类节油点火技术得到了日益广泛的重视和研究。

目前，主要的节油技术有3类：等离子点火技术[2-4]、微油点火技术[5]和微油-富氧点火技术[6-8]。这3种技术在烟煤和褐煤机组取得了良好的节油效果，但对于燃用劣质煤的锅炉，仍然存在煤粉燃烬率差和节油率低等问题。

研究表明，劣质煤在富氧氛围下的着火温度下降约50 ℃，燃尽温度下降约150 ℃[9]，煤粉的最大燃烧失重率增加一倍[10]，综合燃烧指数增加近5倍[11]。因此，基于劣质煤在富氧氛围下燃烧特性的明显改善，本文提出了高温氧气直接点火技术。该技术的原理是在特定的高温氧气发生器内用极少量燃油将常温氧气加热至高温状态(本文的实验中氧气温度最高达到了1 480 ℃)，然后再将高温氧气送入到特殊设计的煤粉点火燃烧器中，直接点燃劣质煤煤粉气流。

与常规微油-富氧点火技术相比，高温氧气点火技术的特点是氧气不仅是助燃剂，而且作为高温热源直接点燃煤粉，充分发挥了富氧燃烧的优势。

1高温氧气发生器原理

高温氧气发生器的原理如图1所示：燃油经喷嘴雾化后喷射到燃油稳燃室内，与稳燃氧喷嘴送入的氧气充分混合，在电打火装置的作用下，形成稳定持续的油火焰；同时大量的热载体氧气以切向旋流方式喷入到氧气加热室中，形成强旋流流场，与油火焰强烈混合，其中少部分氧气用于补充燃油燃烬所需的氧量，剩余氧气则吸收燃油燃烧释放出的热量，温度急剧升高，形成高温氧气。实物如图2所示。

图1　高温氧气发生器结构原理Fig.1　Schematic diagram of the high-temperature oxygen generator

图2　高温氧气发生器实物Fig.2　The high-temperature oxygen generator

2高温氧气发生器实验台

高温氧气发生器的实验台由燃油系统、供氧系统、高压风系统、壁温监测系统和高温氧气发生器组成，如图3所示。其中：燃油压力2.5 MPa，燃油流量为20～80 kg/h可调；氧气压力为0.2～0.3 MPa，流量为200～1 000 (N·m3)/h；高压风压力为2 000 Pa；壁温监测用铂铑——铂铑热电偶，最高测量温度可达1 600 ℃。

图3　高温氧气发生器实验台系统Fig.3　Experiment system of the high-temperature oxygen generator

3高温氧气发生器的实验研究

影响高温氧气发生器着火性能的主要因素是稳燃氧气流量Q1和热载体氧气流量Q2，因此在本实验中对这两个参数分别进行了重点研究。

3.1稳燃氧气流量实验

在初期的实验方案中，没有设计稳燃氧气，只有热载体氧气，但在实验中出现了火焰脱火、油滴径向飞溅等问题，这个现象与文献[12]的研究结果基本相同。后期增设稳燃氧气后，解决了上述问题，因此稳燃氧气的主要作用是将燃油持续引燃，形成稳定的着火源，并提供油滴蒸发汽化所需的热量。

本实验的目的是确定稳燃氧气流量的最佳值，研究方法是将热载体氧气关闭，然后调整稳燃氧气的流量Q1，分析油燃烧火焰、着火距离(指燃油着火点和油枪喷嘴之间的距离)和稳燃室壁面温度等主要指标。实验数据如表1所示。

表1　最佳稳燃氧气流量实验

实验现象如下所述：

工况1：火焰较持续，但着火推迟，着火点不稳定，周期性前后移动，火焰呈现为暗黄色,如图4所示。

工况2：能够形成持续的火焰，但火焰的稳定性较差，如图5所示。

工况3：火焰持续稳定，刚性进一步增大，火焰颜色明亮，呈现为黄色，如图6所示。

工况4：火焰持续稳定，呈现为金黄色，燃油在喷嘴处就开始强烈燃烧，最终烧损了燃油喷嘴，如图7所示。

通过对上述4个实验的比较和分析，可以发现：当稳燃氧气流量Q1=40 (N·m3)/h时，燃油火焰稳定，着火距离适当，稳燃室的壁面温度处于材质允许的范围之内，所以本实验的稳燃氧气流量最佳值应取Q1=40 (N·m3)/h。

图4　Q1=20 (N·m3)/h　　图5　Q1=30 (N·m3)/h　Fig.4　Q1=20 (N·m3)/h　　Fig.5　Q1=30 (N·m3)/h

图6　Q1=40 (N·m3)/h　图7　烧损的油枪喷嘴　　　Fig.6　Q1=40 (N·m3)/h　Fig.7　The overfire oil gun nozzle

3.2热载体氧气流量实验

高温氧气的温度和流量是影响煤粉点火效果的关键参数。因此，非常有必要通过实验研究，确定不同工况下氧气流量和氧气温度的对应关系。

实验用氧气加热室材料为0Cr25Ni20Si2，该类型材质的工作温度为1 100 ℃～1 200 ℃。考虑到本实验的工作介质是高温氧气，氧化性极强，将壁面温度的允许上限定为800 ℃。

在实验中发现，雾化良好的燃油在纯氧氛围下燃烧强度非常高，燃油在极短距离内瞬间燃尽，人眼无法直接观察到燃油火焰，只能观察到剧烈抖动的无色气流热浪。但CCD摄像机记录下的实验画面，利用灰度的差异能够识别出高温区范围，但却不能识别出不同工况的温度差别。本文选取了工况8给出的高温氧气发生器火焰如图8所示。

实验的具体数据如表2所示。在本实验中，我们发现：

1)载体氧气的流量和温度之间是互为反比的关系：“流量小，温度高”、“流量大，温度低”。这个实验现象与理论分析结果相同。

2)随着氧气温度的升高，加热室的壁面温度也同步升高，根据表2的实验数据和材质允许的安全使用温度，我们发现：本实验中氧气的最小安全流量为Q2=300 (N·m3)/h。

图8　工况8的高温氧气发生器火焰Fig.8　Flame of the high-temperture oxygen generator under working condition 8

序号Q2/((N·m3)·h-1)氧气加热后的温度/℃氧气加热室壁面温度/℃安全性分析工况5600843425安全工况6500992493安全工况74001168579安全工况83001480757安全工况9200 壁温超过800℃, 实验停止。 超温

4贫煤煤粉气流点火实验

4.1高温氧气点火燃烧器原理

本文以东方锅炉厂600 MW机组配套的直流燃烧器为实验模型(结构如图9所示)，进行了1∶1热态点火实验研究。该燃烧器的特点是：高温氧气发生器与点火燃烧器为同轴心布置，可以防止高温氧气与燃烧器壁面直接接触而发生烧损；煤粉浓淡分离环的出口侧采用了流线型设计，能够防止局部回流，同时在分离环上设计有减阻孔。

图9　高温氧气点火燃烧器结构示意图Fig.9　The high-temperature oxygen ignition burner

燃烧器本体采用了“煤粉分级燃烧，能量逐级放大”的原理，首先用高温氧气将一级浓相煤粉引燃，然后利用浓相煤粉燃烧放出的热量再引燃淡相煤粉，实现用最小的点火热功率将煤粉分级全部引燃的目的；在燃烧器的出口处安装有波浪形稳燃齿，达到强化换热的目的。

4.2高温氧气煤粉点火实验台系统

煤粉点火实验台如图10所示，由一次风粉系统、微油系统、供氧系统、燃烧系统、辅助系统和温度测量系统组成。对煤粉火焰温度的测量，采用安装在燃烧室侧墙上的4个火焰温度测孔处的铂铑——铂铑热电偶进行，最高测量温度可达1 600 ℃。

注：1.煤粉仓;2.给粉机;3.计算机;4.电控柜;5.防爆门;6.除尘喷淋装置;7.一次风机;8.风量调节档板;9.风速测点;10.高温氧气发生器;11.壁温热电偶;12.烟囱;13.油过滤器;14.储油罐;15.油泵;16.高温氧气点火燃烧器;17.火焰温度测孔1;18.火焰温度测孔2; 19.火焰温度测孔3; 20.火焰温度测孔4; 21.火焰温度测孔5; 22.检修人孔; 23.氧气流量计;24.氧气瓶;25.燃烧室;26.引风机;27.高压助燃风机;28.排水地沟图10　高温氧气煤粉点火实验系统Fig.10　The high-temperature oxygen ignition system

4.3实验煤质

实验煤种是山西晋中贫煤，收到基低位发热量为20 970 kJ/kg，收到基挥发份为12.92%，收到基灰份为31.22%，收到基水份为7.4%，煤粉细度(R90)为13%。

4.4实验参数及工况

实验风速v=25 m/s，实验风温T=25 ℃，给粉量M=5 t/h，稳燃氧气流量Q1=40 (N·m3)/h，高压风压力P=2 500 Pa。

为了便于比较不同高温氧气温度和流量下的煤粉着火效果，将高温氧气发生器点火实验的工况5～工况8均进行了煤粉点火实验工况。

4.5贫煤煤粉气流的点火实验

贫煤煤粉气流的实验数据如图11和表3所示。

图11　贫煤的煤粉气流火焰温度Fig.11　Flame temperature of the pulverized meagre coal stream

工况5工况6工况7工况8最高火焰温度/℃810103311601153最高温度火焰位置喷口测孔1测孔2测孔1火焰长度/m24.566火焰稳定性脉动、闪烁比较稳定,有煤粉黑绺非常稳定,排烟较黑非常稳定,排烟由黑转青火焰颜色深红色橘红色金橘色金橘色

各个工况的着火情况分析如下：

工况5：该工况下煤粉能够被点燃，但着火不稳定，这是由于高温氧气的温度只有850 ℃，与煤粉气流所需的着火温度之间的温差相对较小，导致浓相煤粉气流的加热速率较慢，只有与高温氧气直接混合的少量的浓相煤粉能够被点燃，这部分煤粉释放出的热量不足以引燃其他煤粉，导致反应链断裂，着火失败。

工况6：与工况5相比，工况6的氧气温度升高了约140 ℃，而氧气流量下降了100 (N·m3)/h，但煤粉气流的着火情况较工况5出现了一定的好转，说明在该工况下，氧气温度对着火效果的影响占据主要地位。但是煤粉火焰主要集中在燃烧器的中心区域，而燃烧器喷口的四周存在一定量的煤粉黑绺，说明位于中心区域的浓相煤粉火焰温度较低，不能引燃淡相煤粉，表明该工况的点火能量不足。

工况7：煤粉的着火情况出现了明显改善，最高温度达到了1 160 ℃，火焰长度达到6 m，说明此工况下提高氧气温度仍是改善煤粉气流着火效果的主要原因。存在的问题是尾部排烟仍较黑。但根据锅炉启动经验，此工况已经基本满足了锅炉冷态点火的需要。

工况8：氧气温度比工况7升高了约312 ℃，而氧气流量下降了100 (N·m3)/h 。煤粉气流的着火情况与工况7相比，略有改善，表现在尾部排烟由黑转青，说明在该工况下，氧气温度和氧气流量对着火效果的影响程度基本相当，已经不能通过提高氧气温度的方法来获得更好的点火效果。

上述实验证明当氧气温度较高时(工况7和工况8)，贫煤煤粉气流的最高火焰温度达到1 160 ℃，火焰长度超过6 m，说明高温氧气能够直接稳定点燃贫煤煤粉气流，验证了本方法是可行的。

5结论

本文采用热态点火实验的方法完成了高温氧气点火技术的实验研究，主要的研究发现可总结为：

1)高温氧气发生器的实验证明了该发生器能够安全、可靠地获得最高1 480 ℃的高温氧气。

2)高温氧气发生器的最佳稳燃氧气流量Q1=40(N·m3)/h；如果Q1过小，容易造成燃油着火不稳定，如果Q1过大，则容易烧损油枪喷嘴；

3)当氧气温度较低时，“小流量，高温度”工况的煤粉点火效果要好于“大流量，低温度”的工况，说明氧气温度对煤粉的着火效果占据主导地位；但随着氧气温度的升高，差异逐渐缩小，在氧气温度较高的工况，氧气温度和氧气流量逐渐处于同等重要的位置，已经不能通过提高氧气温度来改善煤粉的着火效果。

4)当氧气温度达到或超过1 168 ℃时，能够稳定点燃贫煤煤粉气流，证明了高温氧气点火技术是可行性。

在贫煤煤粉气流点火成功的基础之上，下一步将开展高温氧气对无烟煤煤粉气流的点火实验研究。

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收稿日期：2015-06-02.

基金项目：高等学校学科创新引智计划(B13009)；中央高校基本科研业务费专项资金项目(2015XS89，13XS08).

作者简介：闫高程(1977-)， 男， 工程师， 博士. 通信作者：闫高程, E-mail: yangaochengbox@163.com.

doi:10.11990/jheu.201506006

中图分类号：TK 223.23

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)04-0568-05

Ignition characteristics of pulverized coal flows for a high temperature oxygen generator

YAN Gaocheng， QI Xin， REN Ting， LIU Shi

(College of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electronic Power University, Beijing 102206, China)

Abstract：Cold start-up of boilers in inferior coal-based thermal power plants consume a large amount of fuel oil. In this paper, a direct ignition technology using high-temperature oxygen is proposed. In the proposed ignition technology, oxygen is heated to a maximum temperature of 1 480°C using a very small amount of fuel oil, and then the high temperature oxygen is used to directly ignite flows of pulverized inferior coal. The performance of the high-temperature oxygen generator was evaluated, and optimized operation parameters were determined. The optimum oxygen flow for stabilizing combustion is 40 (N·m3)/h. The ignition performance of the high temperature oxygen generator for a meager pulverized coal flow in Jinzhong, Shanxi province, was experimentally studied. The results show that the flame temperature of the pulverized coal flow can peak at 1 160°C with a flame length greater than 6 m, which proves that the proposed ignition technology is feasible.

Keywords：inferior coal ignition; pulverized coal combustion; high temperature oxygen; power station boiler; oxygen-rich combustion; energy conservation

网络出版日期：2016-01-27.