石油焦粉燃烧器的创新设计与试验分析
发布时间：2014-08-18 16:01
1绪论
1.1引言
石油焦高热量低灰分等特征便使这种替代成为现实。随着中国经济的高速发展，需要更多的化石能源来填补国家发展的能源需求，石油食作为石油加工工业的副产品，在国家化石能源大幅消费的同时，石油食的产量必会大大提高。如今，我国石油焦总产量的大部分是用在电解箱行业中，约占6成，而作为燃料发电和供热的消耗量还不是很多，只占2成左右⑴。但是通过设备超微粉碎制成焦粉后，已有一些坡璃厂、水煤浓厂等将其用作替代燃料在锅炉中进行燃烧。有此可见石油焦作为燃料应用的前景十分广阔。随着煤炭资源的日益S乏，有必要对能够取代部分燃料用煤甚至在特殊行业替代燃气燃油的石油焦进行深入系统研究。
1.2石油焦的研究和利用现状
裴友民等通过煤与石油焦在循环流化床的掺烧实验研究，认为煤与石油焦混合均勾后燃烧以及加上循环流化床燃料高适应性的特点，综合起来可以使石油焦燃烧效果更好。高夫燕认为水焦架技术可以实现石油焦的清洁高效利用，并致力于解决石油焦水焦浆稳定性问题，深入研究了多种配置水焦浆的成浆性、流变性和稳定性，提出了改善石油焦成聚稳定性的集中方法，为石油焦的制浆应用提供理论基础与方法依据。
李晓针对坡璃炉容中石油焦、粉富氣燃烧特性，通过实验和数值模拟，分别对石油焦粉与煤粉掺混燃料，进行了不同配比、不同氧气浓度等影响因素下的燃烧特性研究，肯定了石油焦粉在坡璃炉容的富氧燃烧应用技术，并予以实验理论指导。曹小军_等通过对玻璃炉窑应用石油焦、燃料的理论分析，表明了高温空气助燃和富氧燃烧技术对石油焦燃烧的优势互补，并提出与脱碗技术相结合的方式来处理石油焦所产生的硫化物，确定了石油焦在坡璃熔容上的适用性、科学性和经济性。李丽霞[29]等介绍了石油焦粉现今在坡璃炉窑的应用技术，指出了现存问题，并提出了相应解决措施。丁峰则研究设计了 一款石油焦粉富氧燃烧器，展现了石油焦富氧燃烧方式的应用前景，突出了燃烧器作为石油焦燃料应用的关键热工设备的重要性，给石油焦的富氧燃烧提供一定的设计指导经验。
………………
2新型石油焦粉富氧燃烧器的设计
2.1富氧燃烧器的设计理念
由第一章内容可知，因为富氧燃烧的特性，目前的富氧燃烧器设计均在朝着有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃烧扬长避短的效果。在目前较为典型的富氧燃烧器设计中，一般采用两种形式，这两种形式都能有效降低因富氧燃烧而产生的热力型NOf —是利用合理的设计在燃料喷噪处形成富燃料区燃烧，从而通过增加火焰亮度来降低火炮的温度；二是利用助燃剂分级、高速射流以及旋流等方法，形成大量的烟气回流来控制温度均匀。本文的新型石油焦粉富氧燃烧器设计理念即结合了此两种思路，希望通过结构设计，同时达到在喷臂处形成富燃料区以及利用高速射流和助燃剂分级形成烟气回流。
2.2射流组织方式
如上图所示，富氧燃烧器主要喷射形式有旋流喷射形式、直流喷射形式以及射流细分形式，以此来达到局部富氧和烟气回流效果。具体来看，旋流喷射可以通过调节不同的旋流数来达到不同的喷射效杲；直流喷射能够保持更好的刚性和火焰长度，以高速射流带动卷吸烟气；细分射流喷射可以通过改变几股分射流喷口的间距、角度等参数，来改变纯氧射流和粉末射流的混合情况，最终实现富氧稳定燃烧。此外，不同喷射形式之间也可以通过结合，进行更复杂的气流排布，达到更好的效果。新型富氧燃烧器的设计便采用了多种喷射形式结合的方式。
………………
3冷态流场的温度示踪研究…………16
3.1冷态试验的方法及原理…………… 16
3.1. 1温度不踪法……………16
3. 1.2红外测温法………… 18
3.1.3冷态实验方法对比分析………………21
3.2冷态实验系统介绍…………21
4石油焦粉富氧燃烧器的冷态数值模拟研究……………39
4.1引言………… 39
4.2几何模型 ……………39
4.3网格划分及边界条件 ……………40
4.4求解方法（湍流模型和算法）……… 41
4.5数值模拟结果分析……… 42
5石油焦粉富氧燃烧热态试验………… 57
5.1热态试验系统介绍 ……………57
5.2试验样品与试验工况…………… 58
5.3红外测温结果分析 ………………59
5石油焦粉富氣燃烧热态试验
5.1热态试验系统介绍
本文的主体实验是基于浙江大学与法国液空公司富氧燃烧联合试验室OCTP实验平台的。实验燃烧器为浙江大学-液空公司联合开发的石油焦粉富氧燃烧器，使用石油焦粉为燃料，空气及纯氧混合配风，燃烧器喷口示意图见图5-1。测温工具为ThertnaCAM S65型号红外高温热像仪。OCTP试验台炉本体为卧式炉，设计功率为2MW。外体炉长8. 298m、高3. 697m、宽3. 298in，燃烧室内部长7m，拱顶最高处2. 69895m,最低处2m，宽2m。炉东侧为炉体前端，燃烧器安装孔位于此处。炉体南墙北墙分别布有观测孔及测量孔，测量孔直径80mra。本实验以南墙测孔为主进行红外测温，具体分布如图5-2所示。
5.2试验样品与试验工况
根据试验目的，安排了六个试验工况，具体如表5. 3所示。针对一次风量、一次氧占总纯氧量的配比以及一次氧出口喷头结构这三个影响因素进行了对比工况安排。一次氧喷口为管套管形式环绕送粉管一周，燃烧时与石油焦粉空气气流一起直接喷入炉内，除了工况六使用环形小孔旋流喷头。此外，实验中为了获得各工况火焰轴向完整温度分布，选取的测孔为图5-2中的孔1、2、3、7、9、11、14、21、23,贯穿整个炉腰中心轴线部分，温度数据取各个测孔的红外温度最大值。
6全文工作总结与展望
为推广石油焦粉作为替代燃料的应用，本文进行了新型石油焦粉富氧燃烧器的设计与实验研究。全文主要内容包括：在总结石油焦燃料特性以及富氧燃烧器发展概况的基础上，设计研发了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃烧器；并以所设计的燃烧器为研究对象进行了燃烧器的冷态空气动力场特征的研究；以及针对石油焦粉富氧燃烧状况下的火焰温度进行温度场特征研究，并分析了富氧火焰红外测温的原理与误差。总结结论如下：
(1)该燃烧器无论富氧还是空气燃烧，其流场出口处均能形成稳定的钝体回流区，高速射流卷吸作用明显，流场的稳定性、均勻性很好，混合充分，射流刚性强，射流长度理想。具有良好的空气动力场。纯氧射流刚性强且与一次风混合距离合理，有利于燃烧后期的扰动和混合，能保证较好的射流刚性和炉膛充满度。
本文编号：8397
1.1引言
石油焦高热量低灰分等特征便使这种替代成为现实。随着中国经济的高速发展，需要更多的化石能源来填补国家发展的能源需求，石油食作为石油加工工业的副产品，在国家化石能源大幅消费的同时，石油食的产量必会大大提高。如今，我国石油焦总产量的大部分是用在电解箱行业中，约占6成，而作为燃料发电和供热的消耗量还不是很多，只占2成左右⑴。但是通过设备超微粉碎制成焦粉后，已有一些坡璃厂、水煤浓厂等将其用作替代燃料在锅炉中进行燃烧。有此可见石油焦作为燃料应用的前景十分广阔。随着煤炭资源的日益S乏，有必要对能够取代部分燃料用煤甚至在特殊行业替代燃气燃油的石油焦进行深入系统研究。
1.2石油焦的研究和利用现状
裴友民等通过煤与石油焦在循环流化床的掺烧实验研究，认为煤与石油焦混合均勾后燃烧以及加上循环流化床燃料高适应性的特点，综合起来可以使石油焦燃烧效果更好。高夫燕认为水焦架技术可以实现石油焦的清洁高效利用，并致力于解决石油焦水焦浆稳定性问题，深入研究了多种配置水焦浆的成浆性、流变性和稳定性，提出了改善石油焦成聚稳定性的集中方法，为石油焦的制浆应用提供理论基础与方法依据。
李晓针对坡璃炉容中石油焦、粉富氣燃烧特性，通过实验和数值模拟，分别对石油焦粉与煤粉掺混燃料，进行了不同配比、不同氧气浓度等影响因素下的燃烧特性研究，肯定了石油焦粉在坡璃炉容的富氧燃烧应用技术，并予以实验理论指导。曹小军_等通过对玻璃炉窑应用石油焦、燃料的理论分析，表明了高温空气助燃和富氧燃烧技术对石油焦燃烧的优势互补，并提出与脱碗技术相结合的方式来处理石油焦所产生的硫化物，确定了石油焦在坡璃熔容上的适用性、科学性和经济性。李丽霞[29]等介绍了石油焦粉现今在坡璃炉窑的应用技术，指出了现存问题，并提出了相应解决措施。丁峰则研究设计了 一款石油焦粉富氧燃烧器，展现了石油焦富氧燃烧方式的应用前景，突出了燃烧器作为石油焦燃料应用的关键热工设备的重要性，给石油焦的富氧燃烧提供一定的设计指导经验。
………………
2新型石油焦粉富氧燃烧器的设计
2.1富氧燃烧器的设计理念
由第一章内容可知，因为富氧燃烧的特性，目前的富氧燃烧器设计均在朝着有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃烧扬长避短的效果。在目前较为典型的富氧燃烧器设计中，一般采用两种形式，这两种形式都能有效降低因富氧燃烧而产生的热力型NOf —是利用合理的设计在燃料喷噪处形成富燃料区燃烧，从而通过增加火焰亮度来降低火炮的温度；二是利用助燃剂分级、高速射流以及旋流等方法，形成大量的烟气回流来控制温度均匀。本文的新型石油焦粉富氧燃烧器设计理念即结合了此两种思路，希望通过结构设计，同时达到在喷臂处形成富燃料区以及利用高速射流和助燃剂分级形成烟气回流。
2.2射流组织方式
如上图所示，富氧燃烧器主要喷射形式有旋流喷射形式、直流喷射形式以及射流细分形式，以此来达到局部富氧和烟气回流效果。具体来看，旋流喷射可以通过调节不同的旋流数来达到不同的喷射效杲；直流喷射能够保持更好的刚性和火焰长度，以高速射流带动卷吸烟气；细分射流喷射可以通过改变几股分射流喷口的间距、角度等参数，来改变纯氧射流和粉末射流的混合情况，最终实现富氧稳定燃烧。此外，不同喷射形式之间也可以通过结合，进行更复杂的气流排布，达到更好的效果。新型富氧燃烧器的设计便采用了多种喷射形式结合的方式。
………………
3冷态流场的温度示踪研究…………16
3.1冷态试验的方法及原理…………… 16
3.1. 1温度不踪法……………16
3. 1.2红外测温法………… 18
3.1.3冷态实验方法对比分析………………21
3.2冷态实验系统介绍…………21
4石油焦粉富氧燃烧器的冷态数值模拟研究……………39
4.1引言………… 39
4.2几何模型 ……………39
4.3网格划分及边界条件 ……………40
4.4求解方法（湍流模型和算法）……… 41
4.5数值模拟结果分析……… 42
5石油焦粉富氧燃烧热态试验………… 57
5.1热态试验系统介绍 ……………57
5.2试验样品与试验工况…………… 58
5.3红外测温结果分析 ………………59
5石油焦粉富氣燃烧热态试验
5.1热态试验系统介绍
本文的主体实验是基于浙江大学与法国液空公司富氧燃烧联合试验室OCTP实验平台的。实验燃烧器为浙江大学-液空公司联合开发的石油焦粉富氧燃烧器，使用石油焦粉为燃料，空气及纯氧混合配风，燃烧器喷口示意图见图5-1。测温工具为ThertnaCAM S65型号红外高温热像仪。OCTP试验台炉本体为卧式炉，设计功率为2MW。外体炉长8. 298m、高3. 697m、宽3. 298in，燃烧室内部长7m，拱顶最高处2. 69895m,最低处2m，宽2m。炉东侧为炉体前端，燃烧器安装孔位于此处。炉体南墙北墙分别布有观测孔及测量孔，测量孔直径80mra。本实验以南墙测孔为主进行红外测温，具体分布如图5-2所示。
5.2试验样品与试验工况
根据试验目的，安排了六个试验工况，具体如表5. 3所示。针对一次风量、一次氧占总纯氧量的配比以及一次氧出口喷头结构这三个影响因素进行了对比工况安排。一次氧喷口为管套管形式环绕送粉管一周，燃烧时与石油焦粉空气气流一起直接喷入炉内，除了工况六使用环形小孔旋流喷头。此外，实验中为了获得各工况火焰轴向完整温度分布，选取的测孔为图5-2中的孔1、2、3、7、9、11、14、21、23,贯穿整个炉腰中心轴线部分，温度数据取各个测孔的红外温度最大值。
6全文工作总结与展望
为推广石油焦粉作为替代燃料的应用，本文进行了新型石油焦粉富氧燃烧器的设计与实验研究。全文主要内容包括：在总结石油焦燃料特性以及富氧燃烧器发展概况的基础上，设计研发了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃烧器；并以所设计的燃烧器为研究对象进行了燃烧器的冷态空气动力场特征的研究；以及针对石油焦粉富氧燃烧状况下的火焰温度进行温度场特征研究，并分析了富氧火焰红外测温的原理与误差。总结结论如下：
(1)该燃烧器无论富氧还是空气燃烧，其流场出口处均能形成稳定的钝体回流区，高速射流卷吸作用明显，流场的稳定性、均勻性很好，混合充分，射流刚性强，射流长度理想。具有良好的空气动力场。纯氧射流刚性强且与一次风混合距离合理，有利于燃烧后期的扰动和混合，能保证较好的射流刚性和炉膛充满度。
(2)该燃烧器高速一次风射流的流场混合效果受扩口和中心管钝体影响显著。随着扩口角度一定范围内增大，射流扩展角和射程均逐渐增长并在扩口 45°时达到最大，流场覆盖面更广，且在一定程度上加大了中心钝体回流区和高速区，减缓了轴向温度以及速度的衰减。
………………
参考文献（略）
本文编号：8397
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/shiyounenyuanlunwen/8397.html
