淺談工業燃燒技術

0對燃料的要求也不斷提高工業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、上海等城市早已經明確工業鍋爐不允許燃煤,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,青海350億噸油當量的可燃冰的發現,國內超過40萬億立方米可開采近百年的天然氣儲量的確定,國家節能減排政策的實施,我國燃燒器產業必將迎來新一輪的大發展。1燃料種類和應用1.1根據燃料分類工業用燃燒器根據燃料不同,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。國內外對氣體燃燒器已經有較好的研究,特別是天然氣、LPG燃燒器,技術已經相對比較成熟。但是,國內燃燒器還存在著一些不足:由于在大功率燃燒器(20MW以上)上研發不足、研發投入少,使得燃燒不充分,過量空氣系數過大,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排放已經可以做到10.25mg/m3(標態)(5ppm)以下。過量空氣系數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,同時也使得風機電耗增加。但如果α太小,則不能保證完全燃燒,產生過多的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,應盡量降低過量空氣系數。目前,先進的燃燒器廠家已經能將氣體燃燒器的過量空氣系數降低到1.02左右,且保持燃燒穩定。此外,調節比也是用戶比較關注的。目前,燃氣燃燒器最大可以做到20:1的高調節比。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品:輕油、重油以及渣油等。燃油鍋爐中,燃油經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——燃燒速度常數燃燒速度常數主要取決于燃料性質。重油和輕油的燃燒有很大區別,但均符合式(1)的規律,所不同的是,對于重油,油滴被包圍在火焰內部而得不到氧氣,重油會熱分解產生油焦,油焦還將繼續燃燒。由于有焦粒產生,使重油的燃燒時間延長,為了使它能完全燃燒,應當保證火焰尾部有足夠的溫度,并且供給足夠的氧氣。可見,霧化油粒的大小是燃燒質量高低的關鍵因素之一。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量。為了實現低過量空氣系數燃燒,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,主要應用于輕油;現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,對油系統的制造和維護帶來很大困難。雖然該類霧化器技術已經非常成熟,用戶只要根據需要選型就可以,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量。(2)轉杯式霧化器:油經過高速旋轉(3000~6000r/min)的旋轉杯的內壁,在離心力作用下,油從旋轉杯四周甩出而霧化。由于它是一個高速旋轉的部件,制造和運行都較復雜,目前已較少使用。(3)介質輔助霧化器:有空氣式霧化器和蒸汽式霧化器兩種。空氣式霧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,調節比最大可達到15:1,目前廣泛應用于各類鍋爐上,單槍最大流量已經達到12t/h,這對燃燒器配風提出了極高的要求。一般而言,采用霧化角適當大一些的霧化器對燃燒有利,對于平流式調風器也是如此,而油霧化器的霧化角應大于氣流的擴散角。油霧穿透風層的能力除了和霧化角有關外,還和油滴的粗細、油霧的噴射速度、風層的厚度以及風速、動量等因素有關。1.2爐內育風布置按配風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用。漩流燃燒器能夠依靠自身的回流區保持穩定著火,著火性能較好,但是漩流要消耗能量,因此應當使調風器有一個適當的漩流強度,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的,可以產生回流區,在外層大部分氣流是直流的,衰減較慢,有利于后期混合。大出力油槍一般應用在平流燃燒器和漩流燃燒器。1.3全預混式燃料按燃料和空氣的混合可分為非預混式、預混式和部分預混式燃燒器。非預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,所以燃燒器和燃氣供應系統中不會發生回火和爆炸,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,使環境受到污染。一般為了在較短的距離內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,但空氣仍能很好的與燃氣混合。部分預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。全預混式燃燒器過量空氣系數小(α=1.01~1.1),燃燒效率高,火焰短。但是它發生回火的可能性較大,負荷調節范圍小,一般只限于小功率。2當前和未來的研究方向2.1流固耦合平臺測試傳統的燃燒器設計上均采用理論計算和試驗相結合的方法。上世紀五六十年代起,我國各大鍋爐廠就依托前蘇聯資料進行了燃燒器設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,而且整個設計周期比較長。上世紀九十年代初,一些國外廠家便采用數值模擬(CFD)來優化設計,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,利用仿真技術為燃燒器設計提供支持,從而大大減少了設計周期,提高了市場競爭力。特別是一些燃燒器廠家更是與CFD軟件公司合作開發了適合自己的仿真軟件,并通過試驗及市場應用驗證,其仿真總體誤差能控制在5%以內。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,或者聯合其它軟件如Chemkin等來細化燃燒化學反應。(1)對燃氣燃燒器而言,目前的仿真技術已經相當成熟,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、機率密度函數的輸運方程模型等。(2)在新型油槍設計方面,目前也開始采用CFD仿真技術。油在油槍內的流動方向、形態不斷變化,從而造成流動可能跨越幾個流區,即連續區、滑移區、過渡區以及自由分子流區。通常模擬流體流動時根據努森數Kn大小決定是否采用連續假設或分子假設。努森數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;10<Kn采用分子假設,直接用波爾茲曼方程描述。對于以上前三者,可通過傳統連續介質方程加滑移修正得到精確模擬。對于后兩者,傳統模擬方法已無效。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計規律的流體計算方法。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條件下,只考慮粒子間二元碰撞。(3)對于燃油燃燒仿真技術的研究已有一定的發展。目前的仿真技術還不能將油槍、燃燒器及鍋爐爐膛三者有機的聯合起來模擬,只能先規定油槍的霧化效果,比如常用的離散相模型(DPM),規定霧化顆粒大小及碰撞模式、噴射方向、噴射流量等,然后聯合鍋爐,并運用輸運模型和機率密度函數(PDF)進行燃燒模擬。但是據筆者經驗,該類模擬對計算機輔助工程師(CAE)提出了比較高的要求,比如網格處理技術、噴霧條件設置等。國內研究只處在定性參考階段。對于工程技術人員而言,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值模擬方法的要領以及適用范圍與條件,才能恰當地選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,近年來激光誘導熒光法(LIF)在燃燒診斷領域的應用越來越廣泛,Schulz等人詳細總結了該方法在定量測量燃油濃度、溫度及空燃比方面的應用。2.2燃氣燃燒技術能源緊張與環保問題已經為各國所重視。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排放限值已經從205mg/m3(標態)(100ppm)降低到目前的123mg/m3(標態)(60ppm),從而使一些高排放鍋爐燃燒器淡出北京市場。在今后相當長的時間內,節能減排、新特燃料燃燒器的開發仍然是發展和研究方向。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),甲燃燒器過量空氣系數為1.077(煙氣含氧量為1.5%),乙燃燒器過量空氣系數為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省用電約43200度。故空氣量過大,耗電,且帶走的鍋爐熱量也多,降低了鍋爐熱效率。目前,國外已經有多種新型低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、分級燃燒、濃淡燃燒、蒸汽濕法、蓄熱式高溫空氣燃燒技術(HTAC)等。此外,對于燃氣燃燒器而言,空氣引射燃氣全預混式催化無焰技術是重點研究方向。該燃燒技術實現了極低量的NOx、CO和未燃燃料的排放。目前該技術正小范圍用于小功率燃燒器上,對于大功率燃燒器上的應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大功率油槍的配風以及防止火焰煙霧的產生等問題有待進一步優化;②在保證霧化質量的前提下,繼續降低蒸汽輔助式油槍的汽耗也是關鍵問題;③噴嘴油孔等部位易發生磨損,從而影響油槍的出力和使用壽命,合適的耐磨、膨脹系數小的噴嘴材料或者材料表面處理方