专利名称：一种煤粉最佳燃烧浓度的确定方法
技术领域：
本发明涉及一种煤粉最佳燃烧浓度的确定方法。
背景技术：
燃煤锅炉是我国能源生产的重要手段，由于我国电站锅炉负荷和燃用煤 种多变，导致锅炉运行出现稳燃能力较差、燃烧效率低，大气污染严重、水 冷壁结渣和高温腐蚀等问题。国内外大量的研究表明，浓淡燃烧不但可以降
低NOx排放量，而且在保证较高燃烧效率的前提下，还可以提高一次风粉着 火和燃烧稳定性。国外较早地运用了浓淡煤粉燃烧技术，如FW公司的旋风 分离式燃烧器、ABB/CE公司的WR燃烧器以及三菱公司的PM燃烧器。在 国内，西安交通大学提出组织水平方向浓淡燃烧，并最先在电站锅炉上获得 了应用。另外，哈尔滨工业大学和浙江大学也开发了浓淡煤粉燃烧器，在锅 炉改造中取得了应用。
浓淡燃烧的基本思路是使浓侧的煤粉浓度为相应条件下的最佳煤粉浓度 以达到最有利的着火条件，让稳定燃烧的浓侧煤粉带动点燃淡侧煤粉。显然 在浓淡燃烧中，最佳煤粉浓度的确定是至关重要的。
在以往的研究中，最佳煤粉浓度的确定都是通过经验分析或现场调试确 定出来，没有一个统一的最佳浓度确定方法，也没有一个标准化的测量方法， 这使得设计煤粉燃烧器及其运行参数的时候，难以预先确定最佳煤粉浓度， 从而难以获得最优的设计方案。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种煤粉最佳燃烧
浓度的确定方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是l)首先由热力学第一定律 可知^=込+込，其中，^为煤粉气流以及烟气升温所需的吸热量，込 为煤粉气流着火前从炉膛中的吸热量；込为煤粉气流中的化学反应放热量；
2)根据热力学第一定律建立着火过程的物理模型，即一次风的流量为 lkg/s，温度为r,k(K)，煤粉浓度为W，巻吸温度为7)的高温烟气量为A， 二 次风量为/2k，温度为7k(K)，以速度w流动经过特征长度/，达到着火温度
煤粉气流及烟气升温所需的吸热量0包括一次风和混入煤粉气流的二 次风气流的显热，0=/2^^(7;,-:r2》+c^(^-。，其中，c^k和^，2k分别为 一次风和二次风的比热容；
煤粉气流着火前从炉膛中的吸热量込=厶^,(7;-。，其中c^为烟气的
比热容，7]为炉膛中的烟气温度，7} = ^^F， ^为系数取1800-2200, ^为炉 膛的截面热负荷，单位是MW/m人
假设着火阶段的燃烧反应仅由挥发分与氧气发生化学反应，而挥发分的 发热量取煤的低位发热量0k，则煤粉气流中的化学反应放热量 仏=^』二，其中，r为特征停留时间，H^为化学反应的速度，将其写为
0.21(l + /2t) 1 + +厶+/2<
i，其中，ifeo为燃烧反应的频率因子;
F为应用基挥发份；"、飾反应指数;￡为活化能;及为气体常数；f =^+7^
2
为煤粉气流的平均温度，
KJ〃
和
0.21(l + /2t)
分别代表可燃物
.1 + 「、 + /re+/2i. 和氧气的浓度；
3)设二次风和一次风纟显度相同，r2k = rlk，将^、込和込的表达式
入Q「込+込中可以得到:
0.21(1+ /2A.) 1 +广> +厶+/2
2*
/r厂
(i)
将^N乍为r的函数，在r-r,k作Taylor展开
6 w'厂》 ^
+ -
￡ e，—。
及7;
(2)
把(2)代入(1)，则可以求f』
得
厶^(7;-。+《
五
2及T
《
(3)
其中，
《=必A
0.21(1+ /2i)
>3 ￡
(4)
由《的定义式(4)可知，煤粉气流的初温7^增大、停留时间f变长、煤种 发热量^^增大，这些因素都利于化学反应热《的增大，
为了解煤粉气流浓度的影响，把(4)式对//求导，可以获得使X达到极大值 的条件
a l + /2*+/re
(5)
式(5)就是最佳煤粉浓度的计算式，当煤粉浓度满足这个条件的时候，化
学反应放热量《达到最大值，着火点的温度7^达到最大值；
通过空气动力场的实验获得了 A、 /a参数，然后在一个一维煤粉沉降炉
中进行热态实验，通过i(〉4)个工况的热态实验获得i个炉膛中心温度&下对 应的i个着火温度值TW，禾拥"非线性多元函数的最小二乘法"拟合得出多 元函数7^X7W 71， r,^V, F， //， ^，/21<)的四个系数，从而得到煤粉的特 性系数ot、 P。
对于不同的煤种和不同的燃烧器，使用本发明公开的方法，可以求出煤 粉燃烧的最佳煤粉浓度，从而使煤粉锅炉燃烧获得最佳的燃烧效果。
图1是着火过程的物理模型示意图2是测量煤粉燃烧关键参数a、 p的测量装置示意图。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
对煤粉气流的着火燃尽，以一次风为研究对象，由热力学第一定律可知 0=込+込。其中，^为煤粉气流以及烟气升温所需的吸热量，包括一次风、 混入煤粉气流的二次风气流和烟气的显热等；g2为煤粉气流着火前从炉膛中 的吸热量，包括巻吸高温烟气的对流吸热量和煤粉气流的辐射吸热量0"。； 込为煤粉气流中的化学反应放热量，包括挥发分和焦炭的燃烧放热以及其它 化学反应的放热量。
为了分别求出0、込和ft,根据热力学第一定律建立着火过程的物理 模型如附图1所示。已知一次风的流量为lkg/s，温度为rlk(K)，煤粉浓度为 W，巻吸温度为7]的高温烟气量为/w， 二次风量为力k，温度为r2k(K)，以速 度w流动经过特征长度/，达到着火温度7^。
煤粉气流与烟气升温所需的吸热量^包括一次风和混入煤粉气流的二 次风气流的显热，0=/^^(7^-^) + ￡^(7;-^)。其中，c^k和^，2k分别为
一次风和二次风的比热容。
煤粉气流从巻吸烟气中得到的对流吸热量込=厶 (7;-^)，其中Cw
为烟气的比热容，7)为炉膛中的烟气温度，7} = &《F， ^为系数，近似取为 2000左右(1800~2200)， ^r为炉膛的截面热负荷，单位是MW/m2。煤粉气 流的辐射吸热量込。占总着火热的约10 30%。由于辐射吸热量主要与炉膛
内温度水平相关，为简便起见，把辐射的吸热量综合到込=厶、,,.(7;-。式
中与对流吸热一起考虑。
假设着火阶段的燃烧反应仅由挥发分与氧气发生化学反应，而挥发分的 发热量取煤的低位发热量0W，则煤粉气流中的化学反应放热量
仏=^』二。其中，r为特征停留时间，nve为化学反应的速度，将其写为
+^〃+厶+/2*」
0.21(仏)
，。其中，^o为燃烧反应的频率因子;
F为应用基挥发份，"、飾反应指数;五为活化能;W为气体常数；f = ，
为煤粉气流的平均温度。
和
分别代表可燃物
和氧气的浓度。
假定二次风和一次风温度相同，r2k = rlk，将^、 g2和必的表达式代 入^=込+^中可以得到
2*
0.21(l + /2》
上(1)
灯 、7
式中，e-^—项导致这个方程不能求解，为简化问题，把这一项作为r的函数，
在刀=7^作Taylor展开
(2)
把(2)代入(1)，则可以求得
五
《
(3)
其中，
尺= 。
0.21(1+ /2》
P 一丄
一灯"-
(
由尺的定义式(4)可以看出，煤粉气流的初温r,k增大、停留时间z变长、 煤种发热量^^增大，这些因素都利于化学反应热《的增大。
为了解煤粉气流浓度的影响，把(4)式对//^导，可以获得使《达到极大值
的条件-
式(5)就是最佳煤粉浓度的计算式，当煤粉浓度满足这个条件的时候，化 学反应放热量《达到最大值，着火点的温度7^达到最大值。 确定煤粉燃烧特性系数oc、卩
根据式(5)计算煤粉燃烧最佳煤粉浓度，需要知道煤粉的特性系数oc、 P，煤粉的应用基挥发份P，回流的高温烟气量^， 二次风量力k。其中，煤 粉的应用基挥发份F，可以通过工业分析获得；回流的高温烟气量^， 二次 风量/2k可以通过空气动力学实验获得。煤粉的特性系数oc、 p通过下面介绍的 方法确定。
式(3)实际上可以看成一个多元函数T^尸/7W 7]， r， 2:， ^， //，/re， /2k)，煤粉的特性系数a、 P，反应的活化能￡，燃烧反应的频率因子&做为这 个函数关系式中的四个系数。71可以用7] = ^^计算得出，T^为煤粉着火温 度，取离开燃烧器喷口一定距离上那点的温度来代替，离开燃烧器喷口的距 离取保证主要是挥发份在燃烧的距离，为特性燃烧时间乘于喷口平均速度， 这个特性燃烧时间为0.1 0.5s。在一维炉上，通过热态的实验测量得到多个 工况下煤粉的着火温度，然后利用"非线性多元函数的最小二乘法"可以拟 合得出煤粉的特性参数a和p。具体实施办法如下
如图2所示为一个一维煤粉炉，空气通过压縮机1供入储气罐2中，一 次空气和二次空气从储气罐2中引出， 一次空气与从给煤斗9送入的煤粉混合送入燃烧器3，燃烧器3将混合后的一次空气和煤粉燃烧所需要的二次空 气送入炉膛4中燃烧。燃烧之后的烟气进入旋风分离器5分离出灰尘之后纯 净的烟气通过引风机6排入大气， 一部分燃烧生成的灰依靠自身重力落入灰 箱7中。热电偶8用来测量炉膛中心A处温度。A点离燃烧器喷口的垂直距 离为0.2s乘于喷口的平均速度。本发明设计i个实验工况(i〉4)，每一种实验 工况下，对应一种煤粉浓度A，由煤粉浓度A得出炉膛断面热负荷化i，从 而得到7],i。实验中用热电偶测量每个工况下燃烧器下方A处的温度，即T力,i。
从而我们得到了 i个炉膛中心温度7]，i下对应的i个着火温度值T力，i，利 用"非线性多元函数的最小二乘法"既可拟合得出函数7k^r,k， 7], r^vdw，F， //， /re，力k)的四个系数，从而得到煤粉的特性系数a、 p。
煤粉的应用基挥发份^，通过工业分析获得；回流的高温烟气量/re， 二 次风量/2k可以通过空气动力学实验获得，知道这些物理量的具体数值之后， 利用式(5)即可求出此种煤粉燃烧的最佳煤粉浓度。
权利要求
1、一种煤粉最佳燃烧浓度的确定方法，其特征在于1)首先由热力学第一定律可知Q1＝Q2+Q3，其中，Q1为煤粉气流以及烟气升温所需的吸热量，Q2为煤粉气流着火前从炉膛中的吸热量；Q3为煤粉气流中的化学反应放热量；2)根据热力学第一定律建立着火过程的物理模型，即一次风的流量为1kg/s，温度为T1k(K)，煤粉浓度为μ，卷吸温度为Tl的高温烟气量为fre，二次风量为f2k，温度为T2k(K)，以速度u流动经过特征长度l，达到着火温度Tzh；煤粉气流及烟气升温所需的吸热量Q1包括一次风和混入煤粉气流的二次风气流的显热，Q1＝f2kcp，2k(Tzh-T2k)+cp，1k(Tzh-T1k)，其中，cp，1k和cp，2k分别为一次风和二次风的比热容；煤粉气流着火前从炉膛中的吸热量Q2＝frecp，y(Tl-Tzh)，其中cp，y为烟气的比热容，Tl为炉膛中的烟气温度，Tl＝kqqF，kq为系数取1800～2200，qF为炉膛的截面热负荷，单位是MW/m2；假设着火阶段的燃烧反应仅由挥发分与氧气发生化学反应，而挥发分的发热量取煤的低位发热量Qydw，则煤粉气流中的化学反应放热量
全文摘要
一种煤粉最佳燃烧浓度的确定方法，对煤粉气流的着火燃尽，基于热力学第一定律及一些合理的假设，建立了煤粉着火燃烧的物理模型，通过数学推导得出计算煤粉燃烧最佳煤粉浓度的计算式如上式，使用此计算公式可以计算出在不同煤种和不同燃烧器下，煤粉燃烧的最佳煤粉浓度。煤粉的特性系数α、β通过在一维沉降炉上进行热态实验，得到i个炉膛中心温度T<sub>1，i</sub>下对应的i个着火温度值T<sub>zh，i</sub>之后利用“非线性多元函数的最小二乘法”拟合得出。本发明对于不同的煤种和不同的燃烧器，使用本发明公开的方法，可以求出煤粉燃烧的最佳煤粉浓度，从而使煤粉锅炉燃烧获得最佳的燃烧效果。
文档编号G01N25/20GK101183084SQ200710188598
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者周屈兰, 徐通模, 惠世恩, 陈 董, 赵钦新 申请人:西安交通大学