石油焦粉燃燒器的創(chuàng)新設計與試驗分析
發(fā)布時間：2014-08-18 16:01
1緒論
1.1引言
石油焦高熱量低灰分等特征便使這種替代成為現(xiàn)實。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，需要更多的化石能源來填補國家發(fā)展的能源需求，石油食作為石油加工工業(yè)的副產(chǎn)品，在國家化石能源大幅消費的同時，石油食的產(chǎn)量必會大大提高。如今，我國石油焦總產(chǎn)量的大部分是用在電解箱行業(yè)中，約占6成，而作為燃料發(fā)電和供熱的消耗量還不是很多，只占2成左右⑴。但是通過設備超微粉碎制成焦粉后，已有一些坡璃廠、水煤濃廠等將其用作替代燃料在鍋爐中進行燃燒。有此可見石油焦作為燃料應用的前景十分廣闊。隨著煤炭資源的日益S乏，有必要對能夠取代部分燃料用煤甚至在特殊行業(yè)替代燃氣燃油的石油焦進行深入系統(tǒng)研究。
1.2石油焦的研究和利用現(xiàn)狀
裴友民等通過煤與石油焦在循環(huán)流化床的摻燒實驗研究，認為煤與石油焦混合均勾后燃燒以及加上循環(huán)流化床燃料高適應性的特點，綜合起來可以使石油焦燃燒效果更好。高夫燕認為水焦架技術可以實現(xiàn)石油焦的清潔高效利用，并致力于解決石油焦水焦?jié){穩(wěn)定性問題，深入研究了多種配置水焦?jié){的成漿性、流變性和穩(wěn)定性，提出了改善石油焦成聚穩(wěn)定性的集中方法，為石油焦的制漿應用提供理論基礎與方法依據(jù)。
李曉針對坡璃爐容中石油焦、粉富氣燃燒特性，通過實驗和數(shù)值模擬，分別對石油焦粉與煤粉摻混燃料，進行了不同配比、不同氧氣濃度等影響因素下的燃燒特性研究，肯定了石油焦粉在坡璃爐容的富氧燃燒應用技術，并予以實驗理論指導。曹小軍_等通過對玻璃爐窯應用石油焦、燃料的理論分析，表明了高溫空氣助燃和富氧燃燒技術對石油焦燃燒的優(yōu)勢互補，并提出與脫碗技術相結(jié)合的方式來處理石油焦所產(chǎn)生的硫化物，確定了石油焦在坡璃熔容上的適用性、科學性和經(jīng)濟性。李麗霞[29]等介紹了石油焦粉現(xiàn)今在坡璃爐窯的應用技術，指出了現(xiàn)存問題，并提出了相應解決措施。丁峰則研究設計了 一款石油焦粉富氧燃燒器，展現(xiàn)了石油焦富氧燃燒方式的應用前景，突出了燃燒器作為石油焦燃料應用的關鍵熱工設備的重要性，給石油焦的富氧燃燒提供一定的設計指導經(jīng)驗。
………………
2新型石油焦粉富氧燃燒器的設計
2.1富氧燃燒器的設計理念
由第一章內(nèi)容可知，因為富氧燃燒的特性，目前的富氧燃燒器設計均在朝著有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃燒揚長避短的效果。在目前較為典型的富氧燃燒器設計中，一般采用兩種形式，這兩種形式都能有效降低因富氧燃燒而產(chǎn)生的熱力型NOf —是利用合理的設計在燃料噴噪處形成富燃料區(qū)燃燒，從而通過增加火焰亮度來降低火炮的溫度；二是利用助燃劑分級、高速射流以及旋流等方法，形成大量的煙氣回流來控制溫度均勻。本文的新型石油焦粉富氧燃燒器設計理念即結(jié)合了此兩種思路，希望通過結(jié)構(gòu)設計，同時達到在噴臂處形成富燃料區(qū)以及利用高速射流和助燃劑分級形成煙氣回流。
2.2射流組織方式
如上圖所示，富氧燃燒器主要噴射形式有旋流噴射形式、直流噴射形式以及射流細分形式，以此來達到局部富氧和煙氣回流效果。具體來看，旋流噴射可以通過調(diào)節(jié)不同的旋流數(shù)來達到不同的噴射效杲；直流噴射能夠保持更好的剛性和火焰長度，以高速射流帶動卷吸煙氣；細分射流噴射可以通過改變幾股分射流噴口的間距、角度等參數(shù)，來改變純氧射流和粉末射流的混合情況，最終實現(xiàn)富氧穩(wěn)定燃燒。此外，不同噴射形式之間也可以通過結(jié)合，進行更復雜的氣流排布，達到更好的效果。新型富氧燃燒器的設計便采用了多種噴射形式結(jié)合的方式。
………………
3冷態(tài)流場的溫度示蹤研究…………16
3.1冷態(tài)試驗的方法及原理…………… 16
3.1. 1溫度不蹤法……………16
3. 1.2紅外測溫法………… 18
3.1.3冷態(tài)實驗方法對比分析………………21
3.2冷態(tài)實驗系統(tǒng)介紹…………21
4石油焦粉富氧燃燒器的冷態(tài)數(shù)值模擬研究……………39
4.1引言………… 39
4.2幾何模型 ……………39
4.3網(wǎng)格劃分及邊界條件 ……………40
4.4求解方法（湍流模型和算法）……… 41
4.5數(shù)值模擬結(jié)果分析……… 42
5石油焦粉富氧燃燒熱態(tài)試驗………… 57
5.1熱態(tài)試驗系統(tǒng)介紹 ……………57
5.2試驗樣品與試驗工況…………… 58
5.3紅外測溫結(jié)果分析 ………………59
5石油焦粉富氣燃燒熱態(tài)試驗
5.1熱態(tài)試驗系統(tǒng)介紹
本文的主體實驗是基于浙江大學與法國液空公司富氧燃燒聯(lián)合試驗室OCTP實驗平臺的。實驗燃燒器為浙江大學-液空公司聯(lián)合開發(fā)的石油焦粉富氧燃燒器，使用石油焦粉為燃料，空氣及純氧混合配風，燃燒器噴口示意圖見圖5-1。測溫工具為ThertnaCAM S65型號紅外高溫熱像儀。OCTP試驗臺爐本體為臥式爐，設計功率為2MW。外體爐長8. 298m、高3. 697m、寬3. 298in，燃燒室內(nèi)部長7m，拱頂最高處2. 69895m,最低處2m，寬2m。爐東側(cè)為爐體前端，燃燒器安裝孔位于此處。爐體南墻北墻分別布有觀測孔及測量孔，測量孔直徑80mra。本實驗以南墻測孔為主進行紅外測溫，具體分布如圖5-2所示。
5.2試驗樣品與試驗工況
根據(jù)試驗目的，安排了六個試驗工況，具體如表5. 3所示。針對一次風量、一次氧占總純氧量的配比以及一次氧出口噴頭結(jié)構(gòu)這三個影響因素進行了對比工況安排。一次氧噴口為管套管形式環(huán)繞送粉管一周，燃燒時與石油焦粉空氣氣流一起直接噴入爐內(nèi)，除了工況六使用環(huán)形小孔旋流噴頭。此外，實驗中為了獲得各工況火焰軸向完整溫度分布，選取的測孔為圖5-2中的孔1、2、3、7、9、11、14、21、23,貫穿整個爐腰中心軸線部分，溫度數(shù)據(jù)取各個測孔的紅外溫度最大值。
6全文工作總結(jié)與展望
為推廣石油焦粉作為替代燃料的應用，本文進行了新型石油焦粉富氧燃燒器的設計與實驗研究。全文主要內(nèi)容包括：在總結(jié)石油焦燃料特性以及富氧燃燒器發(fā)展概況的基礎上，設計研發(fā)了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃燒器；并以所設計的燃燒器為研究對象進行了燃燒器的冷態(tài)空氣動力場特征的研究；以及針對石油焦粉富氧燃燒狀況下的火焰溫度進行溫度場特征研究，并分析了富氧火焰紅外測溫的原理與誤差。總結(jié)結(jié)論如下：
(1)該燃燒器無論富氧還是空氣燃燒，其流場出口處均能形成穩(wěn)定的鈍體回流區(qū)，高速射流卷吸作用明顯，流場的穩(wěn)定性、均勻性很好，混合充分，射流剛性強，射流長度理想。具有良好的空氣動力場。純氧射流剛性強且與一次風混合距離合理，有利于燃燒后期的擾動和混合，能保證較好的射流剛性和爐膛充滿度。
本文編號：8397
1.1引言
石油焦高熱量低灰分等特征便使這種替代成為現(xiàn)實。隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，需要更多的化石能源來填補國家發(fā)展的能源需求，石油食作為石油加工工業(yè)的副產(chǎn)品，在國家化石能源大幅消費的同時，石油食的產(chǎn)量必會大大提高。如今，我國石油焦總產(chǎn)量的大部分是用在電解箱行業(yè)中，約占6成，而作為燃料發(fā)電和供熱的消耗量還不是很多，只占2成左右⑴。但是通過設備超微粉碎制成焦粉后，已有一些坡璃廠、水煤濃廠等將其用作替代燃料在鍋爐中進行燃燒。有此可見石油焦作為燃料應用的前景十分廣闊。隨著煤炭資源的日益S乏，有必要對能夠取代部分燃料用煤甚至在特殊行業(yè)替代燃氣燃油的石油焦進行深入系統(tǒng)研究。
1.2石油焦的研究和利用現(xiàn)狀
裴友民等通過煤與石油焦在循環(huán)流化床的摻燒實驗研究，認為煤與石油焦混合均勾后燃燒以及加上循環(huán)流化床燃料高適應性的特點，綜合起來可以使石油焦燃燒效果更好。高夫燕認為水焦架技術可以實現(xiàn)石油焦的清潔高效利用，并致力于解決石油焦水焦?jié){穩(wěn)定性問題，深入研究了多種配置水焦?jié){的成漿性、流變性和穩(wěn)定性，提出了改善石油焦成聚穩(wěn)定性的集中方法，為石油焦的制漿應用提供理論基礎與方法依據(jù)。
李曉針對坡璃爐容中石油焦、粉富氣燃燒特性，通過實驗和數(shù)值模擬，分別對石油焦粉與煤粉摻混燃料，進行了不同配比、不同氧氣濃度等影響因素下的燃燒特性研究，肯定了石油焦粉在坡璃爐容的富氧燃燒應用技術，并予以實驗理論指導。曹小軍_等通過對玻璃爐窯應用石油焦、燃料的理論分析，表明了高溫空氣助燃和富氧燃燒技術對石油焦燃燒的優(yōu)勢互補，并提出與脫碗技術相結(jié)合的方式來處理石油焦所產(chǎn)生的硫化物，確定了石油焦在坡璃熔容上的適用性、科學性和經(jīng)濟性。李麗霞[29]等介紹了石油焦粉現(xiàn)今在坡璃爐窯的應用技術，指出了現(xiàn)存問題，并提出了相應解決措施。丁峰則研究設計了 一款石油焦粉富氧燃燒器，展現(xiàn)了石油焦富氧燃燒方式的應用前景，突出了燃燒器作為石油焦燃料應用的關鍵熱工設備的重要性，給石油焦的富氧燃燒提供一定的設計指導經(jīng)驗。
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2新型石油焦粉富氧燃燒器的設計
2.1富氧燃燒器的設計理念
由第一章內(nèi)容可知，因為富氧燃燒的特性，目前的富氧燃燒器設計均在朝著有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃燒揚長避短的效果。在目前較為典型的富氧燃燒器設計中，一般采用兩種形式，這兩種形式都能有效降低因富氧燃燒而產(chǎn)生的熱力型NOf —是利用合理的設計在燃料噴噪處形成富燃料區(qū)燃燒，從而通過增加火焰亮度來降低火炮的溫度；二是利用助燃劑分級、高速射流以及旋流等方法，形成大量的煙氣回流來控制溫度均勻。本文的新型石油焦粉富氧燃燒器設計理念即結(jié)合了此兩種思路，希望通過結(jié)構(gòu)設計，同時達到在噴臂處形成富燃料區(qū)以及利用高速射流和助燃劑分級形成煙氣回流。
2.2射流組織方式
如上圖所示，富氧燃燒器主要噴射形式有旋流噴射形式、直流噴射形式以及射流細分形式，以此來達到局部富氧和煙氣回流效果。具體來看，旋流噴射可以通過調(diào)節(jié)不同的旋流數(shù)來達到不同的噴射效杲；直流噴射能夠保持更好的剛性和火焰長度，以高速射流帶動卷吸煙氣；細分射流噴射可以通過改變幾股分射流噴口的間距、角度等參數(shù)，來改變純氧射流和粉末射流的混合情況，最終實現(xiàn)富氧穩(wěn)定燃燒。此外，不同噴射形式之間也可以通過結(jié)合，進行更復雜的氣流排布，達到更好的效果。新型富氧燃燒器的設計便采用了多種噴射形式結(jié)合的方式。
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3冷態(tài)流場的溫度示蹤研究…………16
3.1冷態(tài)試驗的方法及原理…………… 16
3.1. 1溫度不蹤法……………16
3. 1.2紅外測溫法………… 18
3.1.3冷態(tài)實驗方法對比分析………………21
3.2冷態(tài)實驗系統(tǒng)介紹…………21
4石油焦粉富氧燃燒器的冷態(tài)數(shù)值模擬研究……………39
4.1引言………… 39
4.2幾何模型 ……………39
4.3網(wǎng)格劃分及邊界條件 ……………40
4.4求解方法（湍流模型和算法）……… 41
4.5數(shù)值模擬結(jié)果分析……… 42
5石油焦粉富氧燃燒熱態(tài)試驗………… 57
5.1熱態(tài)試驗系統(tǒng)介紹 ……………57
5.2試驗樣品與試驗工況…………… 58
5.3紅外測溫結(jié)果分析 ………………59
5石油焦粉富氣燃燒熱態(tài)試驗
5.1熱態(tài)試驗系統(tǒng)介紹
本文的主體實驗是基于浙江大學與法國液空公司富氧燃燒聯(lián)合試驗室OCTP實驗平臺的。實驗燃燒器為浙江大學-液空公司聯(lián)合開發(fā)的石油焦粉富氧燃燒器，使用石油焦粉為燃料，空氣及純氧混合配風，燃燒器噴口示意圖見圖5-1。測溫工具為ThertnaCAM S65型號紅外高溫熱像儀。OCTP試驗臺爐本體為臥式爐，設計功率為2MW。外體爐長8. 298m、高3. 697m、寬3. 298in，燃燒室內(nèi)部長7m，拱頂最高處2. 69895m,最低處2m，寬2m。爐東側(cè)為爐體前端，燃燒器安裝孔位于此處。爐體南墻北墻分別布有觀測孔及測量孔，測量孔直徑80mra。本實驗以南墻測孔為主進行紅外測溫，具體分布如圖5-2所示。
5.2試驗樣品與試驗工況
根據(jù)試驗目的，安排了六個試驗工況，具體如表5. 3所示。針對一次風量、一次氧占總純氧量的配比以及一次氧出口噴頭結(jié)構(gòu)這三個影響因素進行了對比工況安排。一次氧噴口為管套管形式環(huán)繞送粉管一周，燃燒時與石油焦粉空氣氣流一起直接噴入爐內(nèi)，除了工況六使用環(huán)形小孔旋流噴頭。此外，實驗中為了獲得各工況火焰軸向完整溫度分布，選取的測孔為圖5-2中的孔1、2、3、7、9、11、14、21、23,貫穿整個爐腰中心軸線部分，溫度數(shù)據(jù)取各個測孔的紅外溫度最大值。
6全文工作總結(jié)與展望
為推廣石油焦粉作為替代燃料的應用，本文進行了新型石油焦粉富氧燃燒器的設計與實驗研究。全文主要內(nèi)容包括：在總結(jié)石油焦燃料特性以及富氧燃燒器發(fā)展概況的基礎上，設計研發(fā)了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃燒器；并以所設計的燃燒器為研究對象進行了燃燒器的冷態(tài)空氣動力場特征的研究；以及針對石油焦粉富氧燃燒狀況下的火焰溫度進行溫度場特征研究，并分析了富氧火焰紅外測溫的原理與誤差。總結(jié)結(jié)論如下：
(1)該燃燒器無論富氧還是空氣燃燒，其流場出口處均能形成穩(wěn)定的鈍體回流區(qū)，高速射流卷吸作用明顯，流場的穩(wěn)定性、均勻性很好，混合充分，射流剛性強，射流長度理想。具有良好的空氣動力場。純氧射流剛性強且與一次風混合距離合理，有利于燃燒后期的擾動和混合，能保證較好的射流剛性和爐膛充滿度。
(2)該燃燒器高速一次風射流的流場混合效果受擴口和中心管鈍體影響顯著。隨著擴口角度一定范圍內(nèi)增大，射流擴展角和射程均逐漸增長并在擴口 45°時達到最大，流場覆蓋面更廣，且在一定程度上加大了中心鈍體回流區(qū)和高速區(qū)，減緩了軸向溫度以及速度的衰減。
………………
參考文獻（略）
本文編號：8397
本文鏈接：http://sikaile.net/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/8397.html
