低氮煤粉旋流燃烧器火焰特性的研究

周 昊, 马炜晨, 杨 玉, 陈建中

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027)



低氮煤粉旋流燃烧器火焰特性的研究

周 昊, 马炜晨, 杨 玉, 陈建中

(浙江大学 能源清洁利用国家重点实验室,浙江 杭州 310027)

为了研究实际炉膛中旋流燃烧器火焰的特点,采用火焰拍摄系统和抽气测温系统对一台600 MW电站锅炉上的低氮旋流燃烧器的火焰进行详细的测量,分析该低氮旋流燃烧器的火焰形状、轴向的组分和温度分布、火焰亮度及温度随标高的分布规律等.研究结果表明：该旋流燃烧器火焰的扩展角约为60°,火焰的直径从燃烧器喷口到下游呈现先增大后减小的特点,最大直径约为1.25 m,在距离燃烧器喷口约1.6 m处,火焰直径达到一个极小值,这是因为二次风从该位置开始混入一次风.旋流燃烧器火焰的中心区域为带粉的一次风占据,一次风中煤粉在喷入炉膛1.3 m以后开始着火.旋流燃烧器喷口附近的火焰为回流区带回的挥发份与二次风接触后燃烧产生.该燃烧器火焰从内到外依次可以分为一次风区域、回流区、高温火焰区和二次风区.炉膛内燃烧器火焰的亮度和温度随标高的变化特征是先升高后降低,在第三层燃烧器标高处达到最大值.

旋流燃烧器; 火焰; 图像处理; 抽气系统

燃煤发电在我国的电力生产中占据主导地位.煤粉在燃烧过程中会产生大量的污染物,如氮氧化物、硫氧化物和微细颗粒物等.为了降低氮氧化物的排放,低氮煤粉旋流燃烧器在我国得到了广泛的应用.某电厂600 MW锅炉通过低氮燃烧器改造能够将NOx排放控制在265 mg/m3以下[1].为了了解该型旋流燃烧器适合低氮排放的火焰特征,开展现场火焰参数测试.虽然该锅炉运行时的整体参数表明该旋流燃烧器性能优越,但是获取燃烧器区域的火焰参数能够加深对低氮燃烧过程的理解.

火焰测量的方法有很多,干涉式探针测量方法常被用于现场火焰测量.该方法能够在恶劣的环境下工作,适合于逐点测量烟气组分、温度和颗粒物等参数[2].很多煤粉旋流燃烧器火焰的测量都采用该方法[3-5].近年来,伴随着计算机技术和CCD相机取得的巨大进步,基于数字图像处理技术的火焰监测技术得到了迅猛的发展.Yan等[6]采用火焰监测系统对1MW煤粉燃烧试验台上的火焰图像进行采集,分析火焰的几何和亮度参数随负荷、一次风质量流量和颗粒大小的变化特点.Lu等[7-8]采用基于可视化的测量技术研究燃烧试验台上的煤和生物质掺烧火焰,分析着火点、亮度、温度以及振动频率等随着生物质种类和掺混比的变化特点,结合传统的火焰测量技术如热电偶和烟气分析仪分析掺烧火焰的特征.Zhou等[9]采用火焰图像处理技术实现了锅炉内部温度场的测量和三维重建,分析炉膛内部的温度随锅炉负荷的变化特点.关于电站锅炉煤粉旋流燃烧器火焰的图像化研究很少.

本文将数字图像处理技术应用于某600 MW燃煤锅炉的低氮旋流燃烧器的火焰监测,获取了不同标高的燃烧器火焰图像.结合抽气系统测得的旋流燃烧器轴向烟气组分和温度分布特点,分析该低氮旋流燃烧器的燃烧特性以及燃烧器火焰亮度和温度随标高的变化特点.

1 低氮旋流燃烧器和锅炉

图1 低氮旋流燃烧器示意图Fig.1 Schematic diagram of low NOx swirl burner

如图1所示为一款新型低氮旋流燃烧器.该燃烧器从中心向外侧依次布置有中心风管道、一次风管道、内二次风管道和外二次风管道.一次风中设置一个文丘里喉部和煤粉分割环,用于将煤粉浓缩至靠近中心风的内侧,形成内浓外淡的煤粉分布结构.内、外二次风皆为旋流,分别通过轴向叶片和切向叶片来实现.将该新型的低氮旋流燃烧器应用于一台600 MW的燃煤锅炉上.采用前、后墙对冲布置,前、后墙上各布置4排4列的16只燃烧器,合计布置了32只旋流燃烧器.

图2 600 MW燃煤锅炉侧视图Fig.2 Side view of 600 MW furnace

如图2所示为该锅炉燃烧器区域的侧视图.相邻两排煤粉旋流燃烧器之间的高度差为3 843 mm,最下层燃烧器与冷灰斗折角处的距离为3 007 mm,最上层燃烧器与上部燃尽风喷口的高度差为3 509 mm.侧墙上有8个观火孔,靠近前墙的从下至上依次编号为F1、F2、F3和F4,靠近后墙的从下至上依次编号为R1、R2、R3和R4.观火孔的标高与对应的燃烧器标高相同,观火孔距离前墙或后墙的距离为657 mm,靠近侧墙的旋流燃烧器与侧墙的距离为3 763 mm.

在实验过程中,锅炉燃用的烟煤煤质参数如表1所示.磨煤机A、B、C和D的负荷依次为70.2、62.0、63.6和58.6 t/h,分别给第1～4层燃烧器送粉,机组负荷为620 MW,一次风温度为70 ℃,总的送风量为2 071 t/h,末级过热器的出口蒸汽压力为25.1 MPa,蒸汽温度为545 ℃,蒸汽流量为1 984 t/h.

表1 工业分析和发热量(收到基)

2 火焰测量方法

2.1 火焰拍摄系统

如图3所示,火焰拍摄系统由光路系统、CCD相机、光路保护套管和相机保护套组成.燃煤锅炉的火焰被较厚的水冷壁包围,CCD相机无法直接放入炉膛来拍摄火焰,因此需要一段光路系统将炉膛内部的火焰图像导出到炉膛外部,以便CCD相机记录.光路系统包含一根钢管和光学镜片组,光路系统的末端连接CCD相机.光路系统外围设有环形水冷套管,套管内有压缩空气通道和冷却水通道.压缩空气从压缩空气入口进入,从光路系统的前端喷出,主要起到冷却和吹扫光路前端的镜头、防止积灰结焦等作用.冷却水从光路末端进入外套管,流至光路前端再经内套管流回光路末端,最后从出口流出.水冷系统在火焰测枪插入炉膛的时候起到保护光路系统的作用.CCD相机的型号为UI-1640-C,最大分辨率为1 280×1 024像素,高宽比为5∶4,精确感光面积为4.61 mm×3.69 mm,相机的前端配有一段用于调节光圈和焦距的镜头.

图3 火焰拍摄系统Fig.3 Flame monitoring system

图4 温度和Crg的拟合关系曲线Fig.4 Fitting curve of temperature vs. Crg

利用双色法原理,火焰拍摄系统可以实现对煤粉火焰温度的测量[10],即通过获取黑体炉不同温度下的CCD相机记录的R、G、B值,拟合出温度θ与Crg=R/G之间的函数关系[11].如图4所示为拟合曲线,θ与Crg之间的关系式如下：

41 107.737Crg-13 177.225.

(1)

为了便于从拍摄的火焰图像上分析火焰的直径和长度等尺寸参数,需要知道图像上每个像素点代表的实际距离.CCD相机拍摄的实物图像会发生一定的变形,因此需要对该图像进行标定,确定不同位置的变形程度.如图5所示为图像上距离的标定结果.图中,dr、di分别为实际距离和图像距离，虚线表示没有变形发生时的情况,偏离虚线越多,表明变形量越大.

图5 图像上距离的标定Fig.5 Calibration curve of distance on image

2.2 抽气测温系统

为了对旋流燃烧器火焰的温度和组分进行详细的测量,采用高温抽气系统、热电偶和Testo 350烟气分析仪对旋流燃烧器轴向的烟气温度和组分进行测量.高温抽气系统为德国PAUL GOTHE BOCHUM公司生产,如图6所示.该系统由水冷单元、抽气单元、温度测量单元和烟气组分测量单元组成.水冷单元由水冷套管和冷却水软管组成,水冷套管的长度为5.5 m.抽气单元将炉膛内高温的烟气抽出,高温烟气经水冷套管、冷却盘管、过滤和冷凝器,最后由引射器喷出.温度测量单元由B型铂铑热电偶、补偿导线和万用表组成,热电偶的外围设置有陶瓷套管,起到减少炉内烟气与热电偶之间的辐射换热的作用.为了使热电偶测量的烟气温度更准确,须提高陶瓷套管内热电偶测温点附近的烟气流速.用压缩空气和引射器来实现较大的烟气抽吸能力,使陶瓷套管内热电偶测温点附近的烟气流速达到80 m/s.在测量烟气组分的时候,不需要烟气流速很大,因此用隔膜泵代替引射器,将炉膛内的烟气抽出,并用Testo 350 烟气分析仪测量烟气的组分的浓度,包括氧气、一氧化碳、氮氧化物和二氧化碳.

图6 高温抽气系统[12]Fig.6 Gas extrating system for high temperature conditions[12]

3 实验结果和分析

如图7所示为R2观火孔观测到的旋流燃烧器的火焰图像.可以看出,该火焰的扩展角α约为60°,比燃烧器一次风出口的扩锥角度50°增大了10°.火焰根部的直径约为0.75 m,比燃烧器一次风管直径0.606 m略大.该燃烧器的火焰先扩张,达到最大值D= 1.25 m；随后火焰逐渐收缩,在与喷口的距离L= 1.6 m处出现火焰的束腰.此后,燃烧器的火焰再次扩张,由于测枪视野范围所限,下游区域的火焰图像无法捕捉到.

图7 旋流燃烧器火焰的尺寸Fig.7 Size of flame of swirl burner

图8 燃烧器轴向上O2, CO, NO的体积分数分布以及温度分布Fig.8 Distribution of temperature and mole fraction of O2, CO, NO along axis of burner

如图8所示为锅炉满负荷运行时旋流燃烧器轴线方向上的温度和烟气组分分布.从温度分布曲线可以看出,从旋流燃烧器的出口到距离出口1.3 m的范围内,烟气的温度很低,维持在300 ℃以下.从图7可以看出,旋流燃烧器的出口处形成了剧烈燃烧的火焰,因此可以认为火焰的中心区域为中心风和一次风,这验证了文献[1]的数值模拟结果.实际上,旋流燃烧器喷口附近的火焰为回流区带回的挥发份与二次风接触后燃烧产生.

距离喷口1.3 m以后的烟气温度迅速上升,距离喷口2.1 m处的烟气温度达到1 233 ℃.在火焰收腰处,即距离喷口1.6 m处的烟气温度为733 ℃,可以认为火焰中心的煤粉已经点燃.

如图8所示为旋流燃烧器轴向的氧气体积分数分布.在燃烧器出口的一段距离内,氧气体积分数维持在20%左右,这段区域内氧气没有消耗,表明没有热解或燃烧发生.氧气体积分数在距离喷口1.3 m处开始下降,一直降低到3%以下.氧气体积分数开始下降的位置与烟气温度升高的位置相同,氧气的变化特性表明,带粉一次风喷入炉膛后维持较长一段距离而不发生反应,在距离燃烧器喷口1.3～1.6 m的范围内,煤粉开始着火并燃烧.

图8的一氧化碳体积分数分布情况表明,一氧化碳体积分数升高的位置与温度升高的位置相同,在距离燃烧器喷口1.8 m处达到最大值,然后逐渐降低.一氧化碳这种先升后降的趋势可能是由于前期氧气不足,热解出来的一氧化碳没有被氧化所以逐渐升高,后期二次风混入一次风,生成的一氧化碳被氧气氧化而消耗掉,所以逐渐降低.一氧化碳是一种还原性气体,它的存在能够直接反映出炉膛局部的燃烧状态，折算到6%氧量下的NO体积分数分布情况,如图8所示.NO体积分数的升高与温度的升高密切相关,NO体积分数在距离喷口1.1 m处开始升高,测得的最大值大于4.96×10-4,而实际的锅炉出口的NOx排放质量浓度小于300 mg/m3.这表明低氮旋流燃烧器对氮氧化物的贡献体现于在整个燃烧器区域形成一个较大的还原性气氛区,使生成的氮氧化物被还原性气氛还原,锅炉整体的氮氧化物体积分数降低.

如图9所示为用火焰测枪从锅炉侧墙的8个观火孔拍摄到的旋流燃烧器火焰的图像.在采集火焰图像的过程中,相机的设置参数保持一致.火焰图像上某一像素点i的亮度Ii定义为该像素点的R、G和B三个通道数值的平均值[13]：

Ii=(Ri+Gi+Bi)/3.

(2)

式中：Ri、Gi和Bi分别为该像素点i的R、G和B通道的数值.火焰的整体亮度I定义为火焰图像中所有像素点的平均亮度[13]：

I=(I1+I2+ … +In)/n.

(3)

式中：n为火焰图像中像素点的数量.火焰的整体温度θ定义为火焰图像中所有像素点的平均温度[14]：

θ=(θ1+θ2+ … +θn)/n.

(4)

式中：θi为火焰图像中某个像素点的温度.

图9 火焰图像Fig.9 Images of flame

炉膛内部的传热方式以辐射为主.从图9可以看出,F1和R1的火焰图像亮度较暗,火焰的边界没有其他层的火焰清晰.主要原因是F1和R1是最底层燃烧器,距离冷灰斗3.007 m,燃烧器火焰向四周辐射传热,只接受该层燃烧器上方火焰向下的辐射传热.此外,在实验中发现有大量未燃尽的煤粉或灰颗粒在底层燃烧器区域冲刷,会遮挡火焰测枪的镜头.F2和R2燃烧器的火焰比F1和R1燃烧器的火焰亮度高,火焰边界较清晰,原因是该层燃烧器的上、下方都有独立火焰的存在,能够接受上、下方燃烧器的辐射传热,使该层燃烧器火焰的环境温度较高,燃烧较剧烈,煤粉颗粒的燃尽程度较高.第三层燃烧器的火焰F3和R3亮度分别在前、后墙达到最大.第四层燃烧器的火焰F4和R4的亮度比F3和R3的亮度较低,因为F4和R4上方的3.509 m处有冷的燃尽风喷入.该层较冷燃尽风对F4和R4的辐射传热量很小,因此F4和R4的火焰温度降低.

如图10所示为采用双色法处理获得的后墙上4层燃烧器温度随时间的变化规律.R1燃烧器火焰的温度最低,平均温度约为1 387 ℃,波动幅度最大.R2燃烧器的平均温度为1 453 ℃,R3燃烧器的平均温度最大,达到1 493 ℃.R4燃烧器的温度回落至1 465 ℃.R2～R4火焰的波动幅度较小,表明这3层燃烧器的火焰较稳定.此外,R1～R4火焰的温度分布规律与图9的火焰亮度分布规律一致.

图10 后墙上的4个燃烧器温度随时间的变化Fig.10 Temperature variations of four swirl burners on rear wall with time

图11 火焰亮度随标高的变化Fig.11 Variation of flame brightness with elevation

如图11所示为从侧墙8个观火孔测量到的燃烧器区域火焰亮度I在4 s时间内的平均值和波动范围.可以看出,从标高18.351 m到26.037 m,火焰亮度逐渐增大,在第3层燃烧器标高处达到最大值,随后火焰的亮度降低.火焰亮度的变化趋势与火焰的温度变化趋势相同.前、后墙上燃烧器火焰亮度不同,后墙上燃烧器火焰亮度比前墙上燃烧器火焰亮度高.这表明在锅炉内,不仅不同标高处燃烧器火焰燃烧状态有差异,同一标高、不同位置的燃烧器火焰特性也存在巨大的差异.

4 结 语

本文采用火焰拍摄系统和抽气测温系统对一台600 MW电站锅炉上的低氮旋流燃烧器的火焰进行详细的测量,分析该低氮旋流燃烧器的火焰形状、轴向的组分和温度分布、火焰亮度及温度随标高的分布规律等.

研究结果表明,该低氮燃烧器火焰的扩展角约为60°,火焰的直径先增大后减小,最大直径约为1.25 m,在距离喷口约1.6 m处火焰直径达到最小值,这是因为二次风开始混入一次风,补充一次风中煤粉燃烧所需的氧气.旋流燃烧器火焰的中心区域为带粉的一次风占据,一次风中煤粉在喷入炉膛1.3 m以后开始着火.旋流燃烧器喷口附近的火焰为回流区带回的挥发份与二次风接触后燃烧产生.

燃烧器火焰的图像能够代表燃烧器的燃烧状态,炉膛内燃烧器火焰的亮度和温度随标高的变化特征是先升高后降低,在第3层燃烧器标高处达到最大值.炉膛内部的传热方式以辐射为主,底层燃烧器和顶层燃烧器向外辐射热量多而接受的辐射热量少,因此亮度和温度相对中间两层燃烧器较低.不同标高处的燃烧器火焰燃烧状态存在差异,为了全面检测锅炉内部最关键的燃烧器区域,需要对每个燃烧器的火焰进行实时监测.

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Investigation of flame characteristics of low NOxswirl burner

ZHOU Hao, MA Wei-chen, YANG Yu, CHEN Jian-zhong

(StateKeyLaboratoryofCleanEnergyUtilization,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

A flame monitoring system and an air extracting system were used to measure eight swirl burners arranged close to a side wall of a 600 MW pulverized-coal utility boiler in order to analyze the flame characteristics of swirl burners. The size of flame, temperature distribution and gas compositions along the axis of the burner, flame brightness and temperature along the elevation were analyzed. Results showed that the expansion angle of the burner flame was about 60°. The diameter of the flame increased firstly and then decreased downstream from the burner outlet, and the maximum diameter was about 1.25 m. The flame diameter reached a minimum value about 1.6 m from the burner outlet, where the secondary air became to mix with the primary air. The central region of the flame was occupied by the primary air with coal particles, which were ignited about 1.3 m downstream of the burner outlet. The peripheral high temperature region was the result of the combustion of volatiles brought back by the recirculation region. Both the brightness and temperature of the flame in the furnace firstly increased and then decreased with the increasing of the elevation. The maximum value of the brightness and temperature emerged at the third layer of burners.

swirl burner; flame; image processing; gas extracting system

2015-03-27. 浙江大学学报(工学版)网址： www.journals.zju.edu.cn/eng

国家“973”重点基础研究发展规划资助项目(2015CB251501).

周昊( 1973-), 男, 教授, 博导, 从事煤的低污染优化燃烧技术研究. ORCID: 0000-0001-9779-7703. E-mail: zhouhao@cmee.zju.edu.cn

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.04.014

TK 0

A

1008-973X(2016)04-0698-06