淺談工業(yè)燃燒技術(shù)

0對燃料的要求也不斷提高工業(yè)燃料是一種將燃料和助燃空氣混合燃料的鍋爐。測量的性能指標是排放、效率、安全性和使用壽命等。北京、上海等城市早已經(jīng)明確工業(yè)鍋爐不允許燃煤,而且對燃燒器的排放要求也逐年提高。目前中國每年工業(yè)燃燒器有上百億市場,但幾乎被歐美等燃燒器廠家所壟斷。隨著耗資200億美元的西氣東輸工程的深入,俄羅斯、哈薩克斯坦、澳洲等燃油、氣的輸入,東海和南海油田氣的開發(fā),青海350億噸油當(dāng)量的可燃冰的發(fā)現(xiàn),國內(nèi)超過40萬億立方米可開采近百年的天然氣儲量的確定,國家節(jié)能減排政策的實施,我國燃燒器產(chǎn)業(yè)必將迎來新一輪的大發(fā)展。1燃料種類和應(yīng)用1.1根據(jù)燃料分類工業(yè)用燃燒器根據(jù)燃料不同,可以分為燃氣燃燒器、燃油燃燒器和燃煤燃燒器等三大類。本文主要指燃氣和燃油燃燒器。1.1.1降低過大的中國燃燃劑用量,保持燃燒燃氣燃燒器燃用的氣體燃料是由若干可燃氣體、不可燃氣體以及水蒸氣等組成的混合氣體。如:天然氣、高爐煤氣、發(fā)生爐煤氣、煉焦爐煤氣以及一些特殊的CO、H2等可燃氣體。國內(nèi)外對氣體燃燒器已經(jīng)有較好的研究,特別是天然氣、LPG燃燒器,技術(shù)已經(jīng)相對比較成熟。但是,國內(nèi)燃燒器還存在著一些不足:由于在大功率燃燒器(20MW以上)上研發(fā)不足、研發(fā)投入少,使得燃燒不充分,過量空氣系數(shù)過大,NOx和CO等排放大,能耗高,安全性能有所欠缺。故而該市場仍然被歐美等燃燒器廠家壟斷,其大功率燃氣燃燒器NOx排放已經(jīng)可以做到10.25mg/m3(標態(tài))(5ppm)以下。過量空氣系數(shù)α是鍋爐運行中非常重要的指標之一。隨著α的增大,煙氣量增加,排煙熱損失同步增加,同時也使得風(fēng)機電耗增加。但如果α太小,則不能保證完全燃燒,產(chǎn)生過多的CO,氣體不完全燃燒損失增大且易引起鍋爐喘震。因此,要求在保證完全燃燒的前提下,應(yīng)盡量降低過量空氣系數(shù)。目前,先進的燃燒器廠家已經(jīng)能將氣體燃燒器的過量空氣系數(shù)降低到1.02左右,且保持燃燒穩(wěn)定。此外,調(diào)節(jié)比也是用戶比較關(guān)注的。目前,燃氣燃燒器最大可以做到20:1的高調(diào)節(jié)比。這就為新鍋爐的烘爐煮爐提供了方便。1.1.2霧化油粒的大小是燃燒質(zhì)量較低的一個重要認鍋爐用燃料油主要是原油煉制過程中的產(chǎn)品:輕油、重油以及渣油等。燃油鍋爐中,燃油經(jīng)霧化噴入爐膛和空氣混合,并被點燃后著火燃燒。試驗證明,油滴燃燒完所需要的時間和它的直徑平方成正比,即τ=d02/K(1)式中d0——油滴直徑K——燃燒速度常數(shù)燃燒速度常數(shù)主要取決于燃料性質(zhì)。重油和輕油的燃燒有很大區(qū)別,但均符合式(1)的規(guī)律,所不同的是,對于重油,油滴被包圍在火焰內(nèi)部而得不到氧氣,重油會熱分解產(chǎn)生油焦,油焦還將繼續(xù)燃燒。由于有焦粒產(chǎn)生,使重油的燃燒時間延長,為了使它能完全燃燒,應(yīng)當(dāng)保證火焰尾部有足夠的溫度,并且供給足夠的氧氣?？梢?霧化油粒的大小是燃燒質(zhì)量高低的關(guān)鍵因素之一。目前對燃油鍋爐允許的最大油滴直徑還沒有一個一致的看法,一般傾向于盡可能地改善霧化質(zhì)量。為了實現(xiàn)低過量空氣系數(shù)燃燒,必須使油霧和空氣混合得很均勻,此時希望能將平均油滴直徑減小到100μm以下。而歐美等先進燃燒器霧化重油的平均油滴可達到50μm左右。燃油燃燒器采用的霧化器主要有以下幾類:(1)機械式霧化器:也叫離心式霧化器或者壓力式霧化器。油霧從霧化器的噴出速度可達到100m/s,主要應(yīng)用于輕油;現(xiàn)在也有將重油加熱后使用機械霧化油槍的燃燒器,但是功率不大。一般而言,該類霧化器出力不大,否則的話就要求采用很高的油壓,對油系統(tǒng)的制造和維護帶來很大困難。雖然該類霧化器技術(shù)已經(jīng)非常成熟,用戶只要根據(jù)需要選型就可以,但是,目前還很難通過理論方法較準確計算霧化器的霧化質(zhì)量。(2)轉(zhuǎn)杯式霧化器:油經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)(3000~6000r/min)的旋轉(zhuǎn)杯的內(nèi)壁,在離心力作用下,油從旋轉(zhuǎn)杯四周甩出而霧化。由于它是一個高速旋轉(zhuǎn)的部件,制造和運行都較復(fù)雜,目前已較少使用。(3)介質(zhì)輔助霧化器:有空氣式霧化器和蒸汽式霧化器兩種?？諝馐届F化器一般要求油品的粘度相對較小;而蒸汽式霧化器可使得粘度較大的油品較好地霧化,特別是蒸汽機械式霧化器,氣耗率最低可達到0.03kg/kg左右,它要求的油壓相對也較低,調(diào)節(jié)比最大可達到15:1,目前廣泛應(yīng)用于各類鍋爐上,單槍最大流量已經(jīng)達到12t/h,這對燃燒器配風(fēng)提出了極高的要求。一般而言,采用霧化角適當(dāng)大一些的霧化器對燃燒有利,對于平流式調(diào)風(fēng)器也是如此,而油霧化器的霧化角應(yīng)大于氣流的擴散角。油霧穿透風(fēng)層的能力除了和霧化角有關(guān)外,還和油滴的粗細、油霧的噴射速度、風(fēng)層的厚度以及風(fēng)速、動量等因素有關(guān)。1.2爐內(nèi)育風(fēng)布置按配風(fēng)形式燃燒器可分為直流燃燒器、平流燃燒器和漩流燃燒器。直流燃燒器一般功率不大,大約在14MW以下,且在π型鍋爐的四角布置中有著廣泛應(yīng)用。漩流燃燒器能夠依靠自身的回流區(qū)保持穩(wěn)定著火,著火性能較好,但是漩流要消耗能量,因此應(yīng)當(dāng)使調(diào)風(fēng)器有一個適當(dāng)?shù)匿隽鲝姸?漩流過分強烈反而不利。而平流式燃燒器則綜合利用了這兩種氣流的特點,中心一小部分氣流是旋轉(zhuǎn)的,可以產(chǎn)生回流區(qū),在外層大部分氣流是直流的,衰減較慢,有利于后期混合。大出力油槍一般應(yīng)用在平流燃燒器和漩流燃燒器。1.3全預(yù)混式燃料按燃料和空氣的混合可分為非預(yù)混式、預(yù)混式和部分預(yù)混式燃燒器。非預(yù)混式燃燒器又叫擴散式燃燒器,燃料噴頭噴出單一的燃氣,燃燒過程中的火焰不會回竄入噴口內(nèi),所以燃燒器和燃氣供應(yīng)系統(tǒng)中不會發(fā)生回火和爆炸,目前市場上以該類燃燒器為主流。但是,在燃燒碳氫含量較高的氣體燃料時,常因還未來得及和氧相互混合就受熱分解,形成難以燃盡的細微炭粒,使煙囪冒黑煙,并排放未燃燒完全的氣體,使環(huán)境受到污染。一般為了在較短的距離內(nèi)使燃氣與空氣盡快均勻混合,采取多股高壓的形式,氣流擾動程度很大,雖然燃燒器的主氣流沒有旋轉(zhuǎn),但空氣仍能很好的與燃氣混合。部分預(yù)混式燃燒器與擴散式燃燒器相比,火焰短,火力強,燃燒溫度高。全預(yù)混式燃燒器過量空氣系數(shù)小(α=1.01~1.1),燃燒效率高,火焰短。但是它發(fā)生回火的可能性較大,負荷調(diào)節(jié)范圍小,一般只限于小功率。2當(dāng)前和未來的研究方向2.1流固耦合平臺測試傳統(tǒng)的燃燒器設(shè)計上均采用理論計算和試驗相結(jié)合的方法。上世紀五六十年代起,我國各大鍋爐廠就依托前蘇聯(lián)資料進行了燃燒器設(shè)計的理論研究和推廣。純理論計算的誤差一般較大,但是對于較大功率燃燒器而言,如50MW以上的燃燒器,用試驗的方式需耗費大量的人力物力和財力,而且整個設(shè)計周期比較長。上世紀九十年代初,一些國外廠家便采用數(shù)值模擬(CFD)來優(yōu)化設(shè)計,如美國是走在比較前面的國家,燃燒器廠家最早與美國航天局合作,利用仿真技術(shù)為燃燒器設(shè)計提供支持,從而大大減少了設(shè)計周期,提高了市場競爭力。特別是一些燃燒器廠家更是與CFD軟件公司合作開發(fā)了適合自己的仿真軟件,并通過試驗及市場應(yīng)用驗證,其仿真總體誤差能控制在5%以內(nèi)。商用軟件上,各大軟件如Fluent、CFX等都能對燃燒進行模擬。而今ANSYS公司更是推出了三大軟件流固耦合平臺。商用軟件一般都留有一些輔助接口可供選擇使用,如用戶需要可以自定義編程(UDF)來限定流動和燃燒機理與工況,或者聯(lián)合其它軟件如Chemkin等來細化燃燒化學(xué)反應(yīng)。(1)對燃氣燃燒器而言,目前的仿真技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,其得益于燃燒和流動理論的成熟,如湍流燃燒理論、湍流擴散火焰的κ-ε-g模型、Spalding的ESCIMO湍流燃燒理論、機率密度函數(shù)的輸運方程模型等。(2)在新型油槍設(shè)計方面,目前也開始采用CFD仿真技術(shù)。油在油槍內(nèi)的流動方向、形態(tài)不斷變化,從而造成流動可能跨越幾個流區(qū),即連續(xù)區(qū)、滑移區(qū)、過渡區(qū)以及自由分子流區(qū)。通常模擬流體流動時根據(jù)努森數(shù)Kn大小決定是否采用連續(xù)假設(shè)或分子假設(shè)。努森數(shù)Kn按式(2)計算,即:Kn=λ/L。(2)式中λ——流體分子平均自由程L——系統(tǒng)特征長判斷方法如下:若Kn接近于零,則采用Euler法;Kn<0.001,采用無滑移邊條N-S方程;0.001<Kn<0.1采用有滑移邊條N-S方程;0.1<Kn<10是過渡區(qū);10<Kn采用分子假設(shè),直接用波爾茲曼方程描述。對于以上前三者,可通過傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)方程加滑移修正得到精確模擬。對于后兩者,傳統(tǒng)模擬方法已無效。這里,推薦采用直接模擬蒙特卡羅法DSMC的基于分子運動理論和統(tǒng)計規(guī)律的流體計算方法。它通過分子運動和碰撞在一定條件下解耦處理,從而實現(xiàn)對流體行為有效模擬。在模擬過程中,每個粒子代表大量真實氣體、顆粒,在分子混沌和氣體稀薄假設(shè)條件下,只考慮粒子間二元碰撞。(3)對于燃油燃燒仿真技術(shù)的研究已有一定的發(fā)展。目前的仿真技術(shù)還不能將油槍、燃燒器及鍋爐爐膛三者有機的聯(lián)合起來模擬,只能先規(guī)定油槍的霧化效果,比如常用的離散相模型(DPM),規(guī)定霧化顆粒大小及碰撞模式、噴射方向、噴射流量等,然后聯(lián)合鍋爐,并運用輸運模型和機率密度函數(shù)(PDF)進行燃燒模擬。但是據(jù)筆者經(jīng)驗,該類模擬對計算機輔助工程師(CAE)提出了比較高的要求,比如網(wǎng)格處理技術(shù)、噴霧條件設(shè)置等。國內(nèi)研究只處在定性參考階段。對于工程技術(shù)人員而言,只有深刻理解了問題的物理意義,以及問題的實際情況,同時很好的掌握上述數(shù)值模擬方法的要領(lǐng)以及適用范圍與條件,才能恰當(dāng)?shù)剡x擇這些軟件為己所用,同時,也能盡可能求得較精確解。此外,在實驗研究方面,近年來激光誘導(dǎo)熒光法(LIF)在燃燒診斷領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,Schulz等人詳細總結(jié)了該方法在定量測量燃油濃度、溫度及空燃比方面的應(yīng)用。2.2燃氣燃燒技術(shù)能源緊張與環(huán)保問題已經(jīng)為各國所重視。我國在這方面也加大了政府投入與立法。以北京為例,燃氣鍋爐的NOx排放限值已經(jīng)從205mg/m3(標態(tài))(100ppm)降低到目前的123mg/m3(標態(tài))(60ppm),從而使一些高排放鍋爐燃燒器淡出北京市場。在今后相當(dāng)長的時間內(nèi),節(jié)能減排、新特燃料燃燒器的開發(fā)仍然是發(fā)展和研究方向。試比較北京某35t/h鍋爐用2臺燃氣燃燒器,理論空氣量為30000m3/h(標態(tài)),甲燃燒器過量空氣系數(shù)為1.077(煙氣含氧量為1.5%),乙燃燒器過量空氣系數(shù)為1.17(煙氣含氧量為3%),是目前市場上普遍采用的燃氣燃燒器。若以每年投運7000h計,則理論上每年甲燃燒器可節(jié)省用電約43200度。故空氣量過大,耗電,且?guī)ё叩腻仩t熱量也多,降低了鍋爐熱效率。目前,國外已經(jīng)有多種新型低NOx燃燒器,其NOx抑制原理不外乎采用促進混合、分割火焰、煙氣再循環(huán)、分級燃燒、濃淡燃燒、蒸汽濕法、蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC)等。此外,對于燃氣燃燒器而言,空氣引射燃氣全預(yù)混式催化無焰技術(shù)是重點研究方向。該燃燒技術(shù)實現(xiàn)了極低量的NOx、CO和未燃燃料的排放。目前該技術(shù)正小范圍用于小功率燃燒器上,對于大功率燃燒器上的應(yīng)用還有待研究與深入。至于燃油燃燒器,下列方面需要研究:①大功率油槍的配風(fēng)以及防止火焰煙霧的產(chǎn)生等問題有待進一步優(yōu)化;②在保證霧化質(zhì)量的前提下,繼續(xù)降低蒸汽輔助式油槍的汽耗也是關(guān)鍵問題;③噴嘴油孔等部位易發(fā)生磨損,從而影響油槍的出力和使用壽命,合適的耐磨、膨脹系數(shù)小的噴嘴材料或者材料表面處理方