石油焦粉燃燒器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析
發(fā)布時(shí)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(shí)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，需要更多的化石能源來填補(bǔ)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(fèi)的同時(shí)，石油食的產(chǎn)量必會(huì)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(shè)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(jìn)行燃燒。有此可見石油焦作為燃料應(yīng)用的前景十分廣闊。隨著煤炭資源的日益S乏，有必要對(duì)能夠取代部分燃料用煤甚至在特殊行業(yè)替代燃?xì)馊加偷氖徒惯M(jìn)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(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)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(yīng)性的特點(diǎn)，綜合起來可以使石油焦燃燒效果更好。高夫燕認(rèn)為水焦架技術(shù)可以實(shí)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(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與方法依據(jù)。
李曉針對(duì)坡璃爐容中石油焦、粉富氣燃燒特性，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分別對(duì)石油焦粉與煤粉摻混燃料，進(jìn)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(yīng)用技術(shù)，并予以實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)。曹小軍_等通過對(duì)玻璃爐窯應(yīng)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(shù)對(duì)石油焦燃燒的優(yōu)勢互補(bǔ)，并提出與脫碗技術(shù)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(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。李麗霞[29]等介紹了石油焦粉現(xiàn)今在坡璃爐窯的應(yīng)用技術(shù)，指出了現(xiàn)存問題，并提出了相應(yīng)解決措施。丁峰則研究設(shè)計(jì)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(yīng)用前景，突出了燃燒器作為石油焦燃料應(yīng)用的關(guān)鍵熱工設(shè)備的重要性，給石油焦的富氧燃燒提供一定的設(shè)計(jì)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。
………………
2新型石油焦粉富氧燃燒器的設(shè)計(jì)
2.1富氧燃燒器的設(shè)計(jì)理念
由第一章內(nèi)容可知，因?yàn)楦谎跞紵奶匦裕壳暗母谎跞紵髟O(shè)計(jì)均在朝著有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃燒揚(yáng)長避短的效果。在目前較為典型的富氧燃燒器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jí)、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(shè)計(jì)理念即結(jié)合了此兩種思路，希望通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)達(dá)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(jí)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(xì)分形式，以此來達(dá)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(dá)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(dòng)卷吸煙氣；細(xì)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(shí)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(jìn)行更復(fù)雜的氣流排布，達(dá)到更好的效果。新型富氧燃燒器的設(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法對(duì)比分析………………21
3.2冷態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yàn)………… 57
5.1熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)介紹 ……………57
5.2試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)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(yàn)
5.1熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)介紹
本文的主體實(shí)驗(yàn)是基于浙江大學(xué)與法國液空公司富氧燃燒聯(lián)合試驗(yàn)室OCTP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的。實(shí)驗(yàn)燃燒器為浙江大學(xué)-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(fēng)，燃燒器噴口示意圖見圖5-1。測溫工具為ThertnaCAM S65型號(hào)紅外高溫?zé)嵯駜x。OCTP試驗(yàn)臺(tái)爐本體為臥式爐，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)以南墻測孔為主進(jìn)行紅外測溫，具體分布如圖5-2所示。
5.2試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)工況
根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康�，安排了六個(gè)試驗(yàn)工況，具體如表5. 3所示。針對(duì)一次風(fēng)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(gè)影響因素進(jìn)行了對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)爐腰中心軸線部分，溫度數(shù)據(jù)取各個(gè)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(yīng)用，本文進(jìn)行了新型石油焦粉富氧燃燒器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃燒器；并以所設(shè)計(jì)的燃燒器為研究對(duì)象進(jìn)行了燃燒器的冷態(tài)空氣動(dòng)力場特征的研究；以及針對(duì)石油焦粉富氧燃燒狀況下的火焰溫度進(jìn)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�？偨Y(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(qiáng)，射流長度理想。具有良好的空氣動(dòng)力場。純氧射流剛性強(qiáng)且與一次風(fēng)混合距離合理，有利于燃燒后期的擾動(dòng)和混合，能保證較好的射流剛性和爐膛充滿度。
本文編號(hào)：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(shí)。隨著中國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，需要更多的化石能源來填補(bǔ)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(fèi)的同時(shí)，石油食的產(chǎn)量必會(huì)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(shè)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(jìn)行燃燒。有此可見石油焦作為燃料應(yīng)用的前景十分廣闊。隨著煤炭資源的日益S乏，有必要對(duì)能夠取代部分燃料用煤甚至在特殊行業(yè)替代燃?xì)馊加偷氖徒惯M(jìn)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(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)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(yīng)性的特點(diǎn)，綜合起來可以使石油焦燃燒效果更好。高夫燕認(rèn)為水焦架技術(shù)可以實(shí)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(yīng)用提供理論基礎(chǔ)與方法依據(jù)。
李曉針對(duì)坡璃爐容中石油焦、粉富氣燃燒特性，通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬，分別對(duì)石油焦粉與煤粉摻混燃料，進(jìn)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(yīng)用技術(shù)，并予以實(shí)驗(yàn)理論指導(dǎo)。曹小軍_等通過對(duì)玻璃爐窯應(yīng)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(shù)對(duì)石油焦燃燒的優(yōu)勢互補(bǔ)，并提出與脫碗技術(shù)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(xué)性和經(jīng)濟(jì)性。李麗霞[29]等介紹了石油焦粉現(xiàn)今在坡璃爐窯的應(yīng)用技術(shù)，指出了現(xiàn)存問題，并提出了相應(yīng)解決措施。丁峰則研究設(shè)計(jì)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(yīng)用前景，突出了燃燒器作為石油焦燃料應(yīng)用的關(guān)鍵熱工設(shè)備的重要性，給石油焦的富氧燃燒提供一定的設(shè)計(jì)指導(dǎo)經(jīng)驗(yàn)。
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2新型石油焦粉富氧燃燒器的設(shè)計(jì)
2.1富氧燃燒器的設(shè)計(jì)理念
由第一章內(nèi)容可知，因?yàn)楦谎跞紵奶匦裕壳暗母谎跞紵髟O(shè)計(jì)均在朝著有效降低NOy生成的方向研究，以迖到富氧燃燒揚(yáng)長避短的效果。在目前較為典型的富氧燃燒器設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jí)、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(shè)計(jì)理念即結(jié)合了此兩種思路，希望通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)達(dá)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(jí)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(xì)分形式，以此來達(dá)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(dá)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(dòng)卷吸煙氣；細(xì)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(shí)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(jìn)行更復(fù)雜的氣流排布，達(dá)到更好的效果。新型富氧燃燒器的設(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)驗(yàn)方法對(duì)比分析………………21
3.2冷態(tài)實(shí)驗(yàn)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(yàn)………… 57
5.1熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)介紹 ……………57
5.2試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)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(yàn)
5.1熱態(tài)試驗(yàn)系統(tǒng)介紹
本文的主體實(shí)驗(yàn)是基于浙江大學(xué)與法國液空公司富氧燃燒聯(lián)合試驗(yàn)室OCTP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的。實(shí)驗(yàn)燃燒器為浙江大學(xué)-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(fēng)，燃燒器噴口示意圖見圖5-1。測溫工具為ThertnaCAM S65型號(hào)紅外高溫?zé)嵯駜x。OCTP試驗(yàn)臺(tái)爐本體為臥式爐，設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)以南墻測孔為主進(jìn)行紅外測溫，具體分布如圖5-2所示。
5.2試驗(yàn)樣品與試驗(yàn)工況
根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康�，安排了六個(gè)試驗(yàn)工況，具體如表5. 3所示。針對(duì)一次風(fēng)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(gè)影響因素進(jìn)行了對(duì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(gè)爐腰中心軸線部分，溫度數(shù)據(jù)取各個(gè)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(yīng)用，本文進(jìn)行了新型石油焦粉富氧燃燒器的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)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(chǔ)上，設(shè)計(jì)研發(fā)了一款1.5MW的新型石油焦粉富氧燃燒器；并以所設(shè)計(jì)的燃燒器為研究對(duì)象進(jìn)行了燃燒器的冷態(tài)空氣動(dòng)力場特征的研究；以及針對(duì)石油焦粉富氧燃燒狀況下的火焰溫度進(jìn)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�？偨Y(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(qiáng)，射流長度理想。具有良好的空氣動(dòng)力場。純氧射流剛性強(qiáng)且與一次風(fēng)混合距離合理，有利于燃燒后期的擾動(dòng)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(fēng)射流的流場混合效果受擴(kuò)口和中心管鈍體影響顯著。隨著擴(kuò)口角度一定范圍內(nèi)增大，射流擴(kuò)展角和射程均逐漸增長并在擴(kuò)口 45°時(shí)達(dá)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(xiàn)（略）
本文編號(hào)：8397
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