富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧特性的研究

富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧特性的研究 合作 导 师 年月日娜::朔 霉鬻 麟 越瓣: 嚣 黧 五 趱蓑 娥嚣滋 傅?谢九龇脚 ??黼旷?鲮?璇舰撬洲翟黔耋耍瓣擞 ?撼舞 熬 懑 糍麓 麓 ?硪联四黧 ‖赫 .譬鲫揽瑚萼 ”?凇溅叩拣麓 .?州,巾掩粥匹耐醚 ?鲥 澎~ ?曩‖, 黼:, ”。。, 心。蜥 醚势 麟删 辫爨 瞧黪?’:囊 鬻鬻潲黼 毒 麓 蝴 肛..一.‘“:“毡。,四 辫 如,一%矗土吐 静麓滞 鬻燃 鬻 协舻 。氟 淤 ,?勰 露 甘.骷燃 ?躺漱褊瓣浦赫汹毗螭蝴聊潲谳?,龇蝴卿 ” 背 蚓 卅 : ., ?? ~蛳衅辫 ?’霸 器沁壤 %:掣膏 瓣 溉戡 .?慧一潞棚慨裁刚彰澎瓣岫帆馘 、婚..” 一她.‘.:“‘::.‘ 磷 ~, ‘川。 激 ?嗽骢 蕊 擞 , 薹墓 静.川蚀 洼 ? .钾?雌“”麓 瓣蒸‰ 下幽 黻强 磷黪瓣澄熬潋:麓式,淼. 糍 四 燃 “, 鞣糕湖鬻 翟滋 一?冉 一心鬣碟 :刚 “?, 四蠢描麓六 墨々器粕 糍嘲麟 甄蘩鬻 壶簿:赫藩鞔鲢瑟簿;蓊 糍凝辎黼襟鳓瓤 辫瓣.二虬 麟 ‖冁‘ 。。婶 辫。 粉簿黧原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 ,撕 日 期:刎 论文作者签名:绽翊困 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名:缝团厘导师签名:。蚌 :: 鬣 ? ?『然 滢 “..塞 .丫 :搿青 憎。 坤 .‘ 精絮 一 。砒删懈醐删四 黧 鬣 秽蜘辫妒麓 ??啪 “,襁 ??虢赫 恤.忆酗麓~ ..彗爿?二.赏纛 舶默似盛鼎 ,口,遴一藤 瓣 :工? 叭铤弋. 滋 影蟛撼 潴畿 .嚣?獬蘸 托~ 鲋譬 ?.三麓 曩吲廿一 釜嚣靴 。湖 隧曩 辍 。州瑚霹。嗍德 鬻 蠢 ,一. ’。;’ :, 』‰ ,强 媳端 辫瓣 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:?一 ...一 ?。衄 . 砒??. .. ,.?.. ..眦 ....?.. .?.. .. .. 硎?. .一 .. .. .一 山东大学硕士学位论文. ? 】??...: . 啪.. .仃??.. ... ..??. .. .?.. ..??. . 吼 .如. ..??.. 】? 锄而 ..... 咖 . 奶?..锣 订. .一如 埘 加】... ..’ .. 沁.?.. ..? .?锄坷棚??. .. 锄 . 锄. .? .. 衄. .. 砹. 哪 :??。 .??.. ...?..?.. 【??.?。’。摘要 摘要 随着的捕集、封存和利用研究的不断深入,驱油日益受到重视,同 时以蒸汽驱油为目的油田注汽锅炉也被广泛使用。基于此背景,提出了将富氧燃 烧方式应用于油田注汽锅炉捕集,并将产品资源化利用的多联产工艺,实现 有效驱油的同时封存,减少污染物排放。 针对这项技术的工业应用进行了基础性的研究。首先搭建了富氧燃烧试验系 统;然后采用数值模拟计算,对燃油锅炉的燃烧特性进行了研究,用于 试验的指导;最后从技术和经济性两个方面对油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术 进行了可行性分析。主要的研究内容包括以下几个方面: 中试规模试验系统的设计及搭建。整个富氧燃烧试验系统包括锅炉燃 烧系统,气体配比系统,控制系统,数据采集系统,二氧化碳压缩系统。试验系 统可用于后续对燃油锅炉的燃烧特性和污染物排放特性的试验研究,从而对整个 工艺进行优化,用于指导工业应用。 燃油锅炉燃烧特性的数值模拟研究。以燃油锅炉为研究对象, 采用流体软件,建立了缸 湍流模型、燃烧模型和.辐射换热模型, 分别对空气气氛和富氧燃烧方式下燃油锅炉的燃烧情况进行了数值模拟研究。结 果表明在富氧燃烧方式下,由于具有较大的比热,炉内整体温度水平小于 空气气氛,但随着氧浓度的增加炉内整体温度水平提高,燃烧得到强化。辐射换 热量由于高的浓度而高于空气气氛下,并随着氧浓度的增加而变大,而对 流换热随着氧浓度的增加而减小。氧浓度在%时,换热量更接近于空气工况。 在实际运行中,要综合考虑受热面的温度区域,选择合适的/配比率,氧 含量约为%.%。 油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术可行性分析。从技术上分析整个工 艺流程可实现在注汽锅炉尾部烟气中捕集,并且得到的多种副产品进行资源 化利用,实现污染物一体化协同脱除。基于因素敏感性经济分析得出当气体 利用 率在%以上时,油田注汽锅炉采用富氧燃烧多联产工艺捕集是可行的, 且年用气量较大时可得到很好的经济效益。 关键词:二氧化碳捕集;富氧燃烧技术;燃烧特性;燃油锅炉山东大学硕士学 位论文 , , 锄 . ,.锄耐 , ?一如 锄面 , . 船 印. ,够 一如 . ,. . 疵 . : 、 印 似如 , ,仃 , , . 蚰 、?,印. ? . 如, , 曲臼., , ,锄, ,锄 舒.曲 础 仃; ,锄 . %,锄 佗 . , / % 撕 % 锄 够 ? 、 枷 蜘 . .?巧?【. , 锄巧 、佗 % . . ; ; : ;如 , ,一,盹:誊 舞。她孽: ?‖搿嚏薹幽 缨鳆 瞎~, 溱 囊?菇 了?爱 豁静 “?囊 龄。蓥 譬。蒸 辫滋 ,搿.穗鞴 .????“捌刚零瞥 鹾 熬 糕滋 颡蘸 。喜‖巍薄锄糯蟠 熊 鞠 一,, ?,?. 了鞋 戡 ,?罄 ? 籀 添‘爹『.’? 麟鞠蛹蔬黼翩 吐盘盘耸蠡;缸毒。。 ..:窖 汕. ?拳《孓。 ..?、拍 缓强脚 辩鼗夔 缸霄群脚 漂 鬻 坶竹?、扩 蹙.聱精翟一 溺 矗“.二:.匠;叠 黼‘ ?巍 酾 尘 :暂摘宴岂兰删苎矗 :二。互篓塞蔫霆 瀛翘 “。? 嘲 ,善鞘蓠塞弱 能 穗:鼍 澜 ‘?。彳撕疆鼬 黼 瀚 瑟戮 酊孵“嚣 ..??《 嚣 麓溅 麓 戮 簌臻 鬻帆 陛巍 熊 麟 ?一 蕊醺泌 蕊 藩潮 黼 燃 麟 嚣臻鬻灌霉霉器 搂繁 豢 霆燮瓣鞣糕蹲艘 露一 “各:箱?裁一一霉?沌?地 簿一 菇一 蝉鲺瓣醣弹癸紫孵释紫睁唧嘲燃恻 撞卵?”一一峭嗍帮 撼 谢辑 震巍一第章绪论 第章绪论 .课题研究背景 政府间气候变化专门委员会于年初发表的第次气候变化评估 报告中指出,气候变暖已经是“毫无争议的事实【】,人类活动“很可能”是 导 致气候变暖的主要原因。在工业化以来,短短的余年间就排放了大约. 万亿吨的,而这可能是全球大气浓度由升高到的最主 要原因。升高的浓度带来了更强的温室效应。全球地表平均气温也升高了 .?.?。表.显示了预测的温室气体排放与气候变化的关系【。近年来, 干旱、洪涝、飓风等自然灾害频繁发生,越来越多的极端性气候灾害给人类 敲响 了警钟,全球气候变暖问题倍受关注,控制和削减排放刻不容缓。化石 燃料的燃烧是导致大气中浓度大幅度增加的主要原因,对烟气中的捕 集、封存是减排的一个最为有效的途径【,。然而,高昂的碳捕捉成本在很 大程度上影响了碳捕集技术的工业应用。因此,如何将捕集的及捕集过程 中得到的副产品合理应用,将副产品作为有用产品从而降低减排成本,是人 类减 少排入大气的最重要切入点【‘】。 表.温室气体排放与气候变化的关系 富氧燃烧技术是一种具有工业应用前景的碳捕集技术,用烟气再循环的方 式,以烟气中与空气分离获得的纯代替空气作为矿物燃料燃烧时的氧化 剂,可获得高体积浓度的烟气,从而以较小的代价冷凝压缩便可实现对 的捕集。烟气循环过程中及的浓度同时得到提升,有利于对其进行经 。 济回收七山东大学硕士学位论文 捕获的以及空气分离得到的高纯在油田有着重要的应用,尤其是在 强化采油方面。据国际能源机构评估认为,全世界适合驱油开发的资源约 为亿~亿桶。据不完全统计,目前全世界正在实施的驱油项目近 个。美国是驱油项目开展最多的国家,每年注入油藏的量为 万~万吨。据“中国陆上已开发油田提高采收率第二次潜力评价及发展战 略研究”,适合采用驱油技术的原油储量约为.亿吨,预计利用驱油 将增加可采储量约.亿吨,可以预测,驱油技术未来在我国将成为研究和 应用的主导技术【, 。在油田也有着广泛的应用,尤其是在稠油助采方面。 美国从世纪年代初期开始推广低渗透油藏注氮技术,已有多个油田在 应用,年注氮量近×,使原油产量增加多万吨【,引。 目前油田的开采驱油技术特别是重油主要是注入注汽锅炉产生的高压蒸 汽的热力采油法,近年来随着我国重油热采规模不断扩大,全国油田注汽锅 炉的 数量也在迅猛增加【。。油田注汽锅炉主要以天然气、原油、渣油、乳化油 等为 燃料,每燃烧一吨燃料会产生~吨。若能将其捕获用于驱油,将产生巨大 的环境效益和经济效益。基于此,提出了将富氧燃烧方式应用于油田注汽锅 炉富 集,同时实现对污染物的回收利用,形成多联产捕集工艺。 .富氧燃烧技术 富氧燃烧技术,又称为空气分离/烟气再循环技术或氧燃料燃料技术。采用 烟气再循环的方式,使燃烧炉内浓度提高。与烟气中以一定比例混合, 作为燃烧的氧化剂,使燃料燃烧可保持燃烧温度,最终得到了与空气燃烧方式一 样的热能。富氧燃烧技术流程如图.所示:在该系统中,通过分离空气制得的 纯氧与再循环烟气混合形成/混合物,提供给炉内作为燃烧气体。燃烧过程 中可以通过调整再循环烟气的比例来调整氧浓度,因此系统可以形成富氧燃烧。 其主要特点是采用烟气再循环,以烟气中的来代替助燃空气中的氮气,与氧 一起参与燃烧,这一过程的产物中经冷凝、压缩后可得到浓度高达%以上的 ,可直接加以回收利用【】。 富氧燃烧技术相对于传统的锅炉燃烧而言,具有排烟损失减少、锅炉效率提 高的优点,不仅能使分离收集和处理更加容易进行,还能减少的排 第章绪论 放,是一种能够综合控制燃烧污染物排放的新型洁净燃烧技术。增加的空气分离 制氧系统,消耗大量的电力,导致电厂的效率下降。同时,富氧燃烧在空气漏风、 空气分离等方面还有许多问题需要解决,距离其在电厂实际应用还需要大量的研 究。 图富氧燃烧技术流程图 针对油田注汽锅炉,富氧燃烧技术无疑是更好的选择。深冷空分获取氧气的 同时得到副产品,的多途径利用,可获得部分经济效益,分担制氧费用。捕 获到可用于油田驱油,或把和锅炉产生的高压水蒸汽结合用于热力采收 重油,同时有效解决的封存问题。并且在捕获过程中,可实现对污染物 、等的回收利用,易于形成多联产捕集工艺。 .富氧燃烧技术研究进展 富氧燃烧的概念在年由和【首次提出,并得到美国阿 贡国家实验室的验证。研究表明常规锅炉进行适当的改造即可采用此技术。随着 人们对全球气候变化与温室效应的认识,这项技术的研究与应用也得到了极大的 重视和发展。美国、日本、加拿大、英国、德国、荷兰、法国、瑞典、挪威、俄 罗斯等国家都开展了富氧燃烧技术试验及技术经济性研究,国内浙江大学、华中 科技大学、东南大学、华北电力大学和清华大学等高校的研究人员近年来也开展 了对该项技术的积极研究。 研究大多集中在煤燃料方面,燃料油富氧燃烧的研究还未见报道。虽然煤和 油的性质差别比较大,但两种燃料在/气氛下燃烧特性和污染物排放特性的 基础研究成果方面有借鉴之处。山东大学硕士学位论文 ..富氧燃烧技术试验研究现状 在煤的富氧燃烧技术试验研究中,国内外学者主要从煤粉的燃烧特性,传热 特性,污染物排放特性等方面展开的研究。 .燃烧特性的研究 富氧燃烧方式下煤粉燃烧特性的研究主要包括点火特性、燃烧速率、火焰传 速度、火焰温度、燃烧效率等。..抽等【将富氧燃烧的概念首次应用于水 平无旋流燃烧室进行煤粉在富氧燃烧方式下燃烧实验研究,得出煤粉可以在 /气氛下完全燃烧。眦和等【】对富氧条件下煤粉点火时间进行 了研究,发现无论是/气氛还是加电气氛下,氧气浓度越高,点火时间越 短;在相同氧浓度下,/比点火时间较长。虹等【】在微重力燃 烧室测量得出煤粉的火焰传播速度在/气氛下比在/气氛下有较明显的 下降,并随浓度的提高而提高,主要是由于的体积比热容高于,导致火 焰传播速度减慢。锄等【】发现下火焰温度在/气氛时要低。另外,一 些学者‘?】研究发现:对火焰稳定度有着抑制作用,但通过提高送风氧含量、 减少循环烟气量及采用合理的燃烧配风技术等措施可以改善燃烧特性。 .传热特性的研究 ?嬲等‘,在中试试验系统中研究了和褐煤/ 气氛下燃烧辐射换热特性的变化,燃烧试验的结果显示,氧浓度提高到% 时,气体组分和温度分布与传统燃烧相近,火焰辐射强度增加%,径向温度水 平低于或与空气条件下相近;褐煤燃烧试验的结果表明,由于颗粒辐射在辐 射换 热中占有的份额很大,浓度对总辐射强度影响不明显;因此,他们认为引起 辐射总强度变化的主要原因并不算气体发射率的变化,还要考虑烟尘颗粒体 积分 数增加产生的影响。薛宪阔等,】采用窄谱带模型法分析了富氧燃烧中的辐 射换 热特性,表明水蒸气的含量变化对辐射换热系数影响较大,含量、压力及辐 射层厚度的变化对其影响不大,炉膛黑度随浓度的增加基本保持不变。米翠 丽等吲研究了/气氛下准则数对烟气对流换热系数的影响,发现气体总流 量不变时,增加三原子气体份额会增大对流传热系数。 .污染物排放特性的研究 采用富氧燃烧技术,排烟中浓度可提高到%以上,脱水后可达%以 第苹绪论 上,经过压缩冷却很容易得到高纯的液体,进行回收利用【。等【】 的研究显示,氧气浓度小于%时,的排放量随着氧浓度增加而减少,而氧 浓度大于时,排放量不再随之减少,因为当量比接近.,反应区域的比孔 隙特性直径较小。王宏【】等进行了/气氛下燃煤释放规律的研究,结果 显示与空气气氛相比/气氛下的生成速度加快,生成量明显降低,高浓 度的气氛有利于排放量降低;而 【删认为,/氛围下煤粉燃烧生 成的量与空气条件相近,的形成并不依赖于燃烧介质。对于排放, 国内外的研究结果均表明【,没有参与燃烧反应,消除了热力型的生成, 从而排放量显著降低。华中科技大学邹春等【】在.中型/循环燃 烧实验台上进行了燃煤污染物协同脱除的实验研究,表明在/气氛下采用炉 内喷钙,可以达到和协同脱除,在烟气循环率为%时,脱硫效率为%, 脱硝率为%。 ..宣氧燃烧技术数值模拟研究现状 锅炉炉内燃烧是复杂的物理、化学过程,涉及到多相流动、传热、传质和燃 烧等相关学科。借助计算流体力学、气固两相流、传热学、燃烧学、化学反应动 力学等学科和计算机的发展,采用计算机进行模拟炉内的燃烧过程已经成为一种 强有力的研究手段。 炉内燃烧过程全模拟的发展过程概括起来大致可以分为以下三个发展阶段: .模型的基础理论发展阶段:主要集中在七十年代。代表性的有提出 的气固两相流模型,提出的湍流燃烧模型,提出的化学动力学模 型和提出的气固两相流模型。 .数值模拟的初步尝试阶段:七十年代末至九十年代初。一些学者开始将 模型应用于大型煤粉炉炉内模拟,各种模型和计算方法得到进一步完善。炉内模 拟经历了采用较粗糙的网格计算冷态情况下的炉内情况、计算气相燃烧的热态情 况、计算气固两相燃烧的热态情况等阶段,选用模型逐步复杂,计算结果开始与 实验数据进行对比。如和对的四角切圆锅炉进行了燃烧模拟计 算,采用了轨道法及双反应热解模型,离散传播法的辐射传热模型和扩散一动力 焦炭燃烧模型,并与实测的温度作了比较,模拟结果与实测温度基本相符和。山东大学硕士学位论文 .全过程模拟阶段:九十年代至今,这也是炉内燃烧过程数值模拟走向成 熟的阶段,各种不断完善的模型被广泛应用于炉内燃烧的全三维模拟,计算结果 与大型冷态试验结果及测试数据具有一定可比性,模拟开始转向炉内燃烧、污染 物的排放、结渣及碳黑生成等更具有实际应用价值的模拟‘,。 近年来,美国、英国、德国等国的学者都进行了炉膛燃烧过程数值计算的研 究工作,并推出了相关的商业软件,具有代表性的有、、和 扑等。国内的数值模拟技术随着不同燃烧方式及大容量机组的广泛应用也 得到了很大发展。清华大学热清华大学热能工程系【】采用算法、颗粒相的随 机轨道模型、热流辐射模型、气相燃烧的模型、挥发分析出的双平行反应模 型、水分蒸发扩散模型和焦炭燃烧的扩散.动力模型对四角切向燃烧煤粉锅炉炉 内两相流动和燃烧过程进行了数值模拟,结果给出了冷态和热态流场分布、温度 分布、组分浓度分布和颗粒在炉内的运动轨道。华北电力大学【以四角 切圆锅炉为研究对象,利用.’数值计算软件,对煤粉在富氧燃烧 方式下的燃烧过程进行了模拟计算,得到炉内温度场、流场、组分场,分析得到 氧浓度变化、氧煤比变化及配风方式对煤粉着火和燃烧稳定性的影响规律。 ..富氧燃烧技术经济性分析 采用富氧燃烧技术可以较为轻松的捕获,但空气分离和压缩耗费了 大量的能量。因不同国家的法律政策、不同地区、不同电厂类型、电厂大小、 不 同燃料价格和不同研究者采用的计算基准不同,单位脱除成本不同,相差较 大,范围在“元/。 大学【】对德国一个.褐煤电厂进行了富氧燃烧方式改造并 进行了经济性评价,采用低温空气分离装置制取,能量输出由减小到 ,净电效率由.%下降到.%,系统的脱除成本是/。美国 阿贡国家实验室【采用 软件对富氧燃烧捕捉系统进行了开发、仿 真,对系统装置成本、运行成本等经济学方面指标做出了评定,结果表明,对 传 统煤粉燃烧电厂改造得到的/循环燃烧系统,其脱碳总成本是./。 而更多的研究是将富氧燃烧技术与其它碳捕集技术进行对比分析。美国 能源研究室【】对氧燃烧、化学吸收法和膜分离法进行了比较,表明氧燃烧 方式下 第章绪论 所需能量最少,电厂效率下降了%左右,电力生产成本增加了%。 【】对美国一个的生煤燃烧电厂采用三种捕捉方法进行了对 比,结果显示氧燃烧方式下系统的热效率从%下降到%,吸附下降到 %,~吸附下降到.%。方梦祥等吲以装机容量为的超超 临界燃煤电厂和电厂为参考电厂,分析了种脱碳系统的经济性,其中,化 学吸收法和膜吸收法电厂单位投资最少,但运行成本最高,电厂运行费用 最低,但单位投资最高,氧燃烧技术大投资和运行成本都处于中间。阎维平等【】 以亚临界锅炉为研究对象,对比了富氧燃烧技术和技术的脱碳经济 性,结果表明,采用化学吸附法脱碳费用为.元/,远高于富氧燃烧电 厂的.元/,而富氧燃烧加上能量回收,可使脱碳费用进一步降低至. 元/。 .研究目的和内容 随着的捕集、封存和利用研究的不断深入,驱油日益受到重视,同 时以蒸汽驱油为目的油田注汽锅炉也被广泛使用。基于此,提出了将富氧燃烧方 式应用于油田注汽锅炉捕集,并将产品资源化利用的多联产工艺。目前,国 内外对于富氧燃烧的实验和理论研究大多集中在煤燃料方面,燃油富氧燃烧的研 究还未见报道。 本文的研究内容来自国家自然科学基金:重油/扩散火焰的燃烧特性 及生成机理研究.。主要进行油田注汽锅炉富氧燃烧多联产 技术的可行性分析,研究富氧燃烧方式下燃油锅炉的燃烧特性,并搭建中试规模 的试验台,从而为油田注汽锅炉富氧燃烧多联产工艺的应用做一些基础性的研 究。主要研究内容如下: 富氧燃烧试验系统的搭建。设计并建立完整的试验系统,包括锅炉燃 烧系统,气体配比系统,控制系统,数据采集系统,二氧化碳压缩系统。 燃油锅炉在富氧方式下燃烧特性的数值模拟研究。以燃油锅炉 为基础,采用软件对进行模拟计算,首先进行空气气氛下炉内燃烧特性的 分析,在此基础上具体分析/气氛下炉内温度场,组分场及换热特性随氧 浓度的变化。 山东大学硕士学位论文 油田注汽锅炉富氧燃烧多联产技术的可行性分析。从技术和经济性两 个方面进行阐述,技术上侧重多联产工艺的实现,经济上以/的油田注汽锅 炉为研究对象,进行经济性计算。第章富氧燃烧试验系统 第章富氧燃烧试验系统 富氧燃烧试验系统,主要包括锅炉燃烧系统、压缩机系统、气体配比系 统、控制系统和数据采集系统。主要设备包括:燃油锅炉、压缩机、 低温瓶、电动调节阀、涡街流量计、等。系统流程图如图.所 示,实物图如图.所示。/气氛通过液态氧气和液态二氧化碳气化进行配 比,/气氛通过空气中增氧实现。 图.富氧燃烧试验系统图 山东大学硕士学位论文 .锅炉燃烧系统 ..燃油锅炉 根据实验条件的要求,选用较小功率的燃油锅炉。菲斯曼集团是世界领先的 供热系统制造商之一,至今已有近百年的历史。菲斯曼 系列锅 炉功率为至,具有很高的的运行可靠性和长久的使用寿命,控制 系统具有很强的保护性,并且小巧美观。因此选用 低温燃油 /燃气铸铁锅炉。其结构特点如图.所示。其主要的技术参数如表.所示。 图. 燃油锅炉结构图 第章富氧燃烧试验系统 表. 燃油锅炉技术参数 项目 单位 数值 项目 单位 数值 额定热功率 容量炉体 总长度允许的工作正压 总宽度废气参数值 ? 总高度 废气接管 % . 总重量 标准利用率 蚝 ..燃烧器 利雅路燃烧器历史悠久,享誉全球,尤其在小型燃烧器市场销售中占据了不 可撼动位置。故燃烧器选用正轻油燃烧器,其结构图如图.所示,技 术参数如表.所示。燃料油为拌柴油,燃料特性如表所示,燃油量为./。 对燃烧器进行简单改造,将进风口与配气系统的进气管相连,避免空气泄漏, 保 证输入的氧化剂为试验所需的气氛。 .回油管 .进油管 .压力表接口 .调压螺钉 .进油压力表接口 .风门固定螺 钉 .液压传动装置 .锁定指示灯及复位按钮.带密封垫的法兰 .燃烧头调节螺 丝 图 ?轻油燃烧器结构图 表.对轻油燃烧器技术参数 项目 参数 项目 参数 ~ 类型 出力 ?.蚰 马达启动电容 心 油泵 压力:. 次级. 点火变压器 马达 运行电流.叩/ 电源 单相,?%~ 燃料 轻油,在?时最大粘度./..设计基础数据及压缩机选 择 的临界压力为.,临界温度为.?,属于易于液化的气体,因 此通过较小的代价压缩冷凝实现对的捕集。锅炉尾部排放的烟气冷却降温 至?,达到压缩机的进气温度,同时大部分水分冷凝除掉。剩余烟气进入 压缩机,加压至.,冷却至?。设计的工艺参数如表.所示。 表.工艺参数第章富氧燃烧试验系统 压缩机是将低压气体提升为高压的一种从动的流体机械,其种类繁多,按作 用原理可分为两大类,如图.所示。 容积式压缩机一活塞式 厂裕积武压缩机容积武骶缩机滑;‘式 透平式胍缩机. 门;缩机. 透平式胍缩机离心式 速度式骶缩机. 轴流式 喷射炎骶缩机 .常用压缩机的分类 容积式压缩机是依靠工作容积的周期性变化实现流体的增压和输送。其中, 活塞式压缩机依靠活塞在气缸内的往复运动实现工作容积的周期性变化;回转式 压缩机借助转子在缸内做回转运动实现工作容积的周期性变化。透平式压缩机是 依靠旋转的工作叶轮,将机械能传递给流体介质并转化成流体的能头。根据介质 在叶轮内的流动方向,主要分为离心式和轴流式。喷射式没有叶轮,依靠一种介 质的能量来输送另一种流体介质。不同类型的压缩机根据其特点,适用于不同的 生产条件,压缩机的适用范围如图.所示【’。 罡‘『.捉嗵转 暖气风量.珈血 图?各种压缩机的适用范围 根据流量和排气压力,应选用活塞式压缩机。压缩机相对较小,并且要满足 试验条件,压缩机厂进行了设计,制造。山东大学硕士学位论文 .. 压缩机主要技术参数 压缩机采用对动平衡式,二列四级压缩,气缸为单作用。与气体接触的 部件均采用不锈钢材质,气缸和填料函按无油润滑设计,无油润滑操作。压缩 机 主要参数如表.所示,结构图如图.所示。 表.压缩机参数第章富氧燃烧试验系统 傍 匹 订 ? 为 ?、 ~?’? \ .三级缸盖 .三级气缸 .三:级活塞 .三级缸座 .二级活塞 .二级气缸 .二级缸座.中体.十字头 .连杆 .曲轴 .曲轴箱 .刮油环.填料 .一级气缸 .一级活塞 .四级缸座 .四级气缸 .四级活塞 .四级缸盖 图?压缩机结构图 .控制系统 ..控制原理 控制系统主要实现对空气、氧气和二氧化碳流量的自动控制,完成气体的配 比,并对压缩机的运行参数进行监视。控制及数据采集点如图.所示。 图控制及数据采集点 对流量的控制采用反馈控制系统,即根据系统输出的信息来进行控制,通过 比较系统行为输出与期望行为之间的偏差,并消除偏差以获得预期的系统。 在反馈控制系统中,存在由输入到输出的信号前向通路,也包含从输出端到输入 端的信号反馈通路,两者组成一个闭合的回路【?。反馈控制系统一般由调节器、 执行机构、被控对象和检测仪表组成,如图.所示。在本系统中,调节器为 ,执行机构为电动调节阀是执行器,被控对象为阀门,检测仪表为涡街流量 计。通过比较涡街流量计传入信号和设定数值,将命令传输给执行器,对阀以卡门和斯特罗哈尔有关漩涡的产生和漩涡与流量关系的理论为依据来测量气 体的流量。其工作原理如图.所示,在表体中垂直插入一根三角柱即漩涡的发 生体,当表体中有介质流过时,在三角柱的后面交替产生方向相反有规则的卡门 漩涡,漩涡的分离频率与介质的流动速度成正比。通过传感头检测出漩涡的个数, 就可以测算出流体流速,再根据表体口径计算出被测介质的体积流量【】。涡街流 量计的实物图如图.所示。 瓷动方向 ? 图.涡街流量计工作原理图 图.涡街流量计实物图 所选用的三个流量计的技术参数如表.所示。 第章富氧燃烧试验系统 表.涡街流量计技术参数 执行机构和被控对象选用电子式电动调节阀,由直行程电动执行机构与阀体 两部分组成。工作原理为:电动调节阀接受来自调节仪表输入的电流信号~ 认,经电动执行结构的作用,产生轴向推力,通过连接杆,改变阀芯与阀座 间的流通面积,直到电动执行机构的位置反馈信号电流与输入信号电流相等, 从 而达到自动调节工艺参数或改变介质流向。所选用的电动调节阀的阀体结构 如图 .所示,实物如图.所示,技术参数如表.所示。 表.电子式电动调节阀技术参数;电动调节阀通过输出~模拟信号,通过控制 阀门的调节; 压缩机的压力和温度通过数显表的输出端,连接,通过上位机监视。监控画 面如图.所示。 躺 豹嘲戮黝剐溯黝燃戮幽瀚幽溺幽 图.控制系统监控画面 .气体配比系统 气体配比系统提供试验所需两种气氛??/和/,并得到所需的氧 浓度。/气氛采用和进行配比,/气氛采用在空气和纯氧气混 第章富氧燃烧试验系统 /。流量 合来实现。的流量范围为:~ /,的流量范围为:“ 较大,采用液态气体气化。选用焊接绝热气瓶简称低温瓶,配备 气化器;选用焊接绝热气瓶简称低温瓶,配备气化器。低 温瓶的性能参数如表.所示。 表.低温瓶性能参数 由于管道阻力及管路上电动调节阀、涡街流量计等阻力过大,采用空气压缩 机供气。气体的混合在不锈钢混合罐中进行。混合罐可耐压,外形尺寸为: ×。 .数据采集系统 数据采集主要完成炉膛、火焰温度的测量及烟气组分的测试。 火焰温度采用热电偶进行测试,常用热电偶的类别如表.所示【。燃油火 焰温度一般在?左右,采用富氧燃烧,火焰温度会有一定的提高,因此选 用型热电偶,配有刚玉保护套。它是一种贵重金属热电偶,正极材料为含铑 感器为主要的测试方法,并可安装电化学式传感器来进行其他气体的测试。 测量 参数如表.所示。 表. 烟气分析仪测量参数 .本章小结 本章主要对氧燃料燃烧试验系统进行了介绍,包括锅炉燃烧系统、压缩 机系统、气体配比系统、控制系统和数据采集系统。对各个系统所涉及的试验要 求、设计原理及设备选型进行了详细介绍,为试验的顺利进行准备了大量的工作。 第章富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模型 第章富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模型 燃油锅炉的燃烧过程是一种极其复杂的物理化学过程,包含流动、传质传热 和化学反应过程及它们之间的相互作用。在实际的燃烧过程中,流动是湍流过程, 热量的传递包括对流传热、热传导和辐射换热,化学反应主要为气相燃烧。燃烧 过程满足基本的物理规律及描述流动及混合规律的定律,加上初始条件和边界条 件就构成了一个物理过程的完整数学描述【。基于数值模拟软件就试验 系统中燃油锅炉的燃烧过程进行了数值模拟计算,用于指导试验的进行和锅炉的 改造。本章就涉及的数学模型及创建的几何模型和边界条件的设定进行了介绍。 .数学模型的建立 对于燃油锅炉的燃烧过程,所涉及到的数学模型包括基本守恒方程、湍流流 动模型、湍流燃烧模型、辐射换热模型等‘击。 ..基本守恒方程 基本守恒方程包括:连续性方程、动量平衡方程、能量平衡方程和化学组分 守恒方程。连续性方程:署去辑 %二 七, 动量平衡施去油『苦哗一缸 其中,,匙,方向上的动量源项; 矿盯争舡一丽 黼旷糖善 西髂歹 化学组分守恒方程: . 昙%丢哆%一‘,,‰ 式中,艺三见警一瓦 经过适当处理,各时均守恒方程可写成如下通用形式: 昙刖加却加鲫训& . 方程各项的物理含义对应为:非稳态项对流项扩散项源项,本文研究的 是稳态过程,非稳态项为。通用变量。可以代表质量、能量、速度的三个分 量, 组分、湍流动能、湍流耗散等等。 ..湍流流动模型 湍流流动是自然界常见的流动现象,是随机的、脉动的、高度复杂的非稳态 三维流动,在湍流中流体的各种物理参数,如速度、压力、温度等均随时间与 空 间发生随机的变化。在锅炉燃烧过程中国,由于燃烧设备形状复杂,气流速度较 高,加上燃料燃烧等化学反应的影响,在燃烧器和锅炉炉内的气流流动几乎都是 湍流流动。 对于湍流的处理方法大体上有三种:直接模拟、雷诺时均法和大涡模拟。直 接模拟在湍流尺度网格内直接求解.方程完整的时间相关精确解,但所需计算 机的速度和内存非常高,现有的计算机水平无法想象。大涡模拟是对大涡进行时 间相关的计算,小尺度涡过滤不予考虑,处于工业应用起步阶段。而在当前工程 领域内广泛采用的是雷诺时均法,其核心是不直接求解.方程,寻求时均化的 雷诺方程求解。本文采用标准缸 湍流模型。湍流粘性系数,,湍流动能后及 耗散率 的标准方程分别为: ‰兰 磐 .第章富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模型 堕盟士刿: 七? . 瓠 堕型士刿: . 妻。?:舻 式中,喀鲁考 其中,,,小咖口女,,是模型引入的常数,其经验取值已经比较一 致,分别为:,.,,尸.,。尸.,口尸.,口。.。 ..湍流燃烧模型 燃油锅炉是典型的非预混燃烧过程,在本文中采用非预混燃烧模型,应用混 合分数/概率密度函数炳鹏行卯来模拟气相湍流燃烧,只求解一个 或两个守恒量的输运方程,而单个组分浓度则根据预测的混合分数分布求 解。 混合分数的定义式为: /%一%/ . 式中:所为燃料的质量分数; 似为氧化剂的质量分数; 为燃料氧化剂的化学当量比。 .厂的守恒方程为: 毒明厂一毒卜声考” 。小, 其特点是右边为零,是无源方程,解无源方程要方便得多。对于一般燃烧过 程,组分质量分数的确定只需要求解一个有源方程聊向和一个无源方程,组 分 聊蕊通过.厂定义求得。 在燃烧室中经常是油两股气流组成的混气,一股气流是燃料,另一股是空气。 如设燃料气流的流量为厂蚝,空气流量为移,混合后混气的流量为。 又设燃料流中全部为燃料,即垅舭严,空气中氧质量分数为蛳。燃料与氧混 合后发生化学反应,在反应过程中燃料和氧的质量分数都会发生变化,混合前后分率、密度和温度等热化学标量均唯一与混合分数相关,给定反应系统的化学性 质与化学反应,其他流程中任一点瞬时守恒的分数值可被用于计算每个组分的摩 尔分数、密度和温度值。 ..辐射换热模型 辐射换热是炉膛内非常重要的传热方式,炉内火焰温度很高,流速相对较低, 辐射换热量很大,对其的求解也很重要。在本文中采用.模型来考虑辐射换热, 其出发点是把辐射强度展开成正交的球谐函数。.法适用于光学厚度大和几何 结构复杂的燃烧设备,求解能量方程所需时间短,比较适合锅炉燃烧的求解。下 面为具体计算方法。 辐射热流缈,其求解方程为: ,一赢粥 : 式中,为吸收系数; 。为散射系数; 为入射辐射; 为线性各相异性相位函数。 令而毒丽 . 甄一 . 则 的输运方程为: 第章富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模型 一口酊丁 . 式中:口为斯蒂芬一玻尔兹曼常数; &为辐射源相。 由方程.和方程?,可得: 一即,口一钌丁 ? 将其带入能量方程,即可得到由辐射引起的热量源。 .几何模型建立 ..几何模型 锅炉燃烧器的喷油雾化装置为机械雾化喷嘴,喷嘴参数直接在喷射特性中建 立。配风器为直流式配风器,一次风经过分风片产生一定强度的旋转,形成中心 回流区,二次风为一股直流式主气流。燃烧器的实物图如图?所示,分风片的 几何模型如图.所示,整个燃烧器的几何模型如图.所示。 实际锅炉的结果较为复杂,需做适当的简化。由于主要对燃烧的过程进行分 析研究,忽略影响不大的外皮等,将只保留炉膛内壁形状,整个锅炉的几何模型 如图?所示。 图.燃烧器实物图 图.分风片几何模型 山东大学硕士学位论文 图.燃烧器的几何模型 图.燃油锅炉的几何模型 ..网格的划分 燃烧器分风片部分结构不规则,采用非结构化网格进行三维划分,网格尺寸 为,网格总数为,如图.所示。将炉体部分划分为结构规则的部 分,可形成结构规则的大的计算域,如果将燃烧器和炉膛作为一个整体来形成网 格,那么至少和燃烧器连接的炉膛部分会形成非结构化网格,既影响网格质量, 而且网格数量增多。因此将两部分作为两个不联系的计算域,分别生成网格,交 接面用舭进行处理。整个炉膛形成结构化网格,网格总数为。整个 锅炉的网格划分如图.所示。 图.燃烧器的网格划分 图.燃油锅炉的网格划分第章富氧燃烧方式下燃油锅炉燃烧过程数值计算模 型 .模拟工况及相关参数 ..燃料的处理 在本文中采用的燃料为拌柴油,是原油在一定温度下常压蒸馏所得的直馏 轻质馏分,组分比例因产地会有所差别,进行简化处理,热力性质如表.所示。 表. 群柴油热力性质 项目 量纲 数值 项目 量纲 数值 分子式 密度蚝/ . 比热 热传导率、. /蚝. . 汽化潜热/ 分子粘性/. 蒸发温度 沸点 ..模拟工况及边界条件 以空气工况作为基本工况,选取/气氛下的不同氧浓度作为主要的研 究工况。工况的选取如表.所示。 表工况对应表 .入口边界条件 对于气相,选用给定质量流量、工质温度及相应的流入炉膛的方向。风温设 为。各个工况下的气相质量流量如表?所示。 表.气相质量流量