CN104792925B - 可变炉内停留时间的含碳固体燃料混合燃烧试验炉及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变炉内停留时间的含碳固体燃料混合燃烧试验炉，包括试验炉体，炉体的入口处设有阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板轴向与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，两入口端面上均开有一个一次风喷口和两个分别位于其上、下方的二次风喷口。本发明还提供了基于上述试验炉的试验方法。本发明通过在炉体口入端采用阶梯结构，形成前、后两个燃料入口，燃料从前、后入口进入，再到达试验炉出口的沿程距离不相同，贴近实际电站锅炉中的不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内的沿程距离不相同，真实再现类似电站锅炉在运行时由不同层燃烧器喷入的燃料颗粒在炉内具有明显不同停留时间的功能。

Description

可变炉内停留时间的含碳固体燃料混合燃烧试验炉及方法

技术领域

本发明属于固体燃料燃烧技术领域，具体涉及一种可变换炉内停留时间的含碳固体燃料混合燃烧试验炉及方法。

背景技术

混合燃料燃烧技术是指将不同种类的燃料按一定比例进行掺混改变混配燃料的着火特性、结渣特性、燃尽特性、排放特性等，以适应不同燃烧设备对燃料的要求。常见的含碳固体燃料混合燃烧技术有混煤燃烧、煤与生物质混烧、污泥与煤混烧、煤与石油焦混烧等。在含碳固体燃料混合燃烧技术的实际运用中，有“炉前掺混”(Outfurnace)混合燃烧方式和“炉内掺烧”(Infurnace)混合燃烧方式。“炉前掺混”混合燃烧方式是指将经过处理后的不同含碳固体燃料预先混合后再送入炉膛燃烧，这是传统的混合燃烧方式。“炉内掺烧”混合燃烧方式是指具有多燃烧器结构的燃烧设备在不同固体燃料混烧运行过程中，存在不同燃烧器燃用不同燃料的现象，由于此时不同燃料的混合过程是在炉膛内与燃烧过程同时进行的，故称之为“炉内掺烧”混合燃烧方式。目前有关含碳固体燃料混合燃烧的研究多集中于2种含碳固体燃料混合后再在单燃烧器炉膛中燃烧的工况，因此只能开展“炉前掺混”方式的研究。目前，对“炉内掺烧”混合燃烧方式的研究文献较少。

大型燃烧设备通常都配有多层燃烧器，以电站锅炉为例，我国的电站锅炉主要采用带直流式燃烧器、四角布置、用切圆燃烧方式的正方形炉膛，以及采用旋流式燃烧器的前墙(或前后墙)布置的炉膛。这些电站锅炉均在高度方向布置了多层燃烧器，不同层燃烧器到锅炉顶部(或者说炉膛出口)的距离不同。虽然不同锅炉存在不同情况，但在上述类型的锅炉里，最底层燃烧器到最高层燃烧器的距离和最底层燃烧器到锅炉炉顶的距离之比的范围大致都在15％～30％之间。例如某2100t/h亚临界“П”型布置四角布置双切圆燃煤锅炉，最底层与最高层燃烧器之间的高度方向距离约为14m，最底层燃烧器到锅炉顶部高度方向距离距离约为50m，两者之间比例约为28％；某3091t/h超超临界四角布置双切圆塔式锅炉，最底层与最高层燃烧器之间的高度方向距离约为14m，最底层燃烧器到锅炉顶部高度方向距离约为92m，两者之间比例约为15％。因此，在这些锅炉里，由不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内的沿程距离不同，进而使得不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内的停留时间不同，最终导致在不同层燃烧器燃烧的燃料的燃尽率不相同。但在利用模拟电站锅炉的试验炉进行试验时,没有现有技术考虑了不同通道进入炉体内停留时间不相同的情况。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提出的一种可变换炉内停留时间的含碳固体燃料混合燃烧试验炉及方法，其目的在于，通过在炉体口入端采用阶梯结构，形成前、后两个燃料入口，燃料从前、后入口进入，再到达试验炉出口的沿程距离不相同，贴近实际中的不同层燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内沿程距离不相同，真实再现类似电站锅炉在运行时由不同层燃烧器喷入的燃料颗粒在炉内具有明显不同停留时间的功能。

一种含碳固体燃料混合燃烧试验炉，包括试验炉体，炉体的入口处设有阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板轴向与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，两入口端面上均开有一个一次风喷口和两个分别位于其上、下方的二次风喷口。

所述阶梯板结构与炉体一体化成型或焊接组装。

一种含碳固体燃料混合燃烧试验方法，具体为：

计算真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口到最高层燃烧器出口的距离和最底层燃烧器出口到锅炉炉出口的距离之比，将其作为基准比例；

在试验炉体的入口处设计阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板摆放与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，上入口端面对应于真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口，下入口端面对应于真实工业电站锅炉中最高层燃烧器出口，试验炉体对应于真实工业电站锅炉炉体；

通过比例换算确定上入口端面和下入口端面之间的距离即中间连接板长度，使得上入口端面到试验炉体出口的距离和下入口端面到试验炉体出口的距离之比等于基准比例；

按照确定的中间连接板长度制备阶梯板，并分别在两入口端面上开设一个一次风喷口和两个分别位于其上、下方的二次风喷口，得到阶梯板结构；

将阶梯板结构与试验炉体装配为一体或一体化成型；

将两组含碳固体燃料分别通过上、下入口端面进入试验炉体，完成炉前掺混或炉内掺烧试验。

本发明有益技术效果体现在：

在本发明试验炉中，通过在炉体口入端采用阶梯结构，形成前、后两个燃料入口，燃料从前、后入口进入，再到达试验炉出口的沿程距离不相同，贴近实际中的不同燃烧器喷入的固体燃料燃烧颗粒在炉内停留时间不相同，真实再现类似电站锅炉在运行时由不同层燃烧器喷入的燃料颗粒在炉内具有明显不同停留时间的功能。在该试验炉混合燃烧运行下，在同一个装置上既能够实现改变含碳固体混合燃料的整体平均炉内停留时间的功能，又能够实现对换由不同一次风喷口喷入的含碳固体燃料在炉内停留时间的功能。可以通过更换组装预先备好的不同规格入口端阶梯板结构来改变含碳固体混合燃料在炉内的整体平均停留时间长短，不同规格入口端钢板的区别是阶梯面在沿程方向的长度不同。在同一入口端规格下，可以通过交换上下两组燃料的喷入位置来对换两组燃料的炉内停留时间。应用本发明试验炉，可进行不同含碳固体燃料的炉前掺混或炉内掺烧试验，本发明的燃烧条件与实际工业燃烧设备更加贴近，具有可以变换炉内停留时间的功能，故由本发明试验炉为试验平台而得到的研究结论可以有效的指导实际工业燃烧设备的运行。

本发明结构简单，构思巧妙，实现起来方便有效，相比现有燃烧试验炉，可以更加全面的模仿实际工业燃烧设备的燃烧条件。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图，其中1(a)是显示入口端钢板与炉身分离后试验炉结构示意图，1(b)是显示入口端钢板与炉身通过焊接组装后试验炉结构示意图；

图2(a)是入口端钢板阶梯外形及其上的喷口布置示意图，图2(b)是不同规格入口端的区别示意图；

图3(a)是实现改变混合燃料在炉内的整体平均停留时间的作用原理示意图，图3(b)是实现对换由不同一次风喷口喷入的含碳固体燃料在炉内停留时间的作用原理示意图；

图4是为本发明的工作状态展示图，具体为实施例中四个工况的数值模拟温度场云图。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明的三维结构示意图，试验炉的炉身由四个侧墙包围而成；试验炉一端是一个可通过焊接来与炉身分离或者组装的风粉入口端面钢板；试验炉另一端面为烟气出口。可以根据需要选择不同规格的入口端面钢板通过焊接来和炉身分离、组装。一次风携带固体燃料在燃烧器(图中未画出)内混合均匀后经一次风喷口喷入炉内燃烧，二次风经二次风喷口送入试验炉内助燃，为燃料燃烧提供充足氧气，烟气由烟气出口排出。

图2是本发明入口端钢板结构示意图。图2(a)中表明阶梯面将入口端分为上部入口端面和下部入口端面两部分。所述的试验炉上部入口端面和下部入口端面之间为水平前后布置，上部入口端面到试验炉出口的水平距离与下部入口端面到试验炉出口的水平距离不相等。上部入口端面从上到下依次布置了上二次风喷口、上一次风喷口、中上二次风喷口，下部入口端面从上到下依次布置了中下二次风喷口、下一次风喷口、下二次风喷口。如图2(b)中所示，不同规格的入口端钢板之间的区别主要是阶梯面在沿程方向上的长度不同，存在长度之差△X。可以通过更换组装预先备好的不同规格入口端钢板来改变含碳固体混合燃料在炉内的整体平均停留时间长短。

基于上述试验炉进行含碳固体燃料混合燃烧试验方法，具体为：

(1)计算真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口到最高层燃烧器出口的距离和最底层燃烧器出口到锅炉炉出口的距离之比，将其作为基准比例；在试验炉体的入口处设计阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板摆放与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，上入口端面对应于真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口，下入口端面对应于真实工业电站锅炉中最高层燃烧器出口，试验炉体对应于真实工业电站锅炉炉体；

(2)通过比例换算确定上入口端面和下入口端面之间的距离即中间连接板长度，使得上入口端面到试验炉体出口的距离和下入口端面到试验炉体出口的距离之比等于基准比例。

(3)按照确定的中间连接板长度制备阶梯板，并分别在两入口端面上开设一个一次风喷口和两个分别位于其上、下方的二次风喷口，得到阶梯板结构；

(4)将阶梯板结构与试验炉体装配为一体或一体化成型；

(5)将两组含碳固体燃料分别通过上、下入口端面进入试验炉体，完成炉前掺混或炉内掺烧试验。

以混煤燃烧为例进行说明，这里先确定了试验炉基本尺寸，炉体长3.7m，宽0.35m，高0.5m，再结合实际电站锅炉中相应沿程距离之间的常见比例范围和试验炉的基本尺寸，选定△L＝0.5m(占总长度约14％)和△L′＝1m(占总长度27％)的入口端规格，根据试验中将要用到的流场条件(这里条件未给出)，通过数值模拟手段计算的结果表明：在△L＝0.5m时，上部一次风入口燃料停留时间t_上≈8S，下部一次风入口燃料停留时间t_下≈6S，两者相差2S，整体燃料的平均停留时间t≈7S；在△L′＝1m时，上部一次风入口燃料停留时间t′_上≈8S，下部一次风入口燃料停留时间t′_下≈4S，两者相差4S，整体燃料的平均停留时间t′≈6S。可见在该尺寸炉体的试验炉和相应流场条件中，选用△L＝0.5m和△L′＝1m的阶梯板规格时，上下两组燃料之间均有明显不同的炉内停留时间，而整体燃料的平均停留时间t≈7S和t′≈6S之间也相差了约16.7％。故这里只选取了这两种方案作为示意说明。

确定这两种规格的入口端方案后，制备好相应规格的入口端阶梯钢板用于开展试验。选取2种不同煤种，开展混煤燃烧试验，各试验工况保持总给煤量、给风量一定，配风方式也相同，测量各工况的相关试验数据。这里选择高挥发分煤种A和低挥发分煤种B各一种：

第1个工况，使用△L′＝1m的入口端，与试验炉炉身通过焊接组装在一起，再将同样量的A煤和B煤预先混合好后，在试验炉上开展“炉前掺混”混煤燃烧方式，在该入口端规格的整体混煤在炉内停留时间约为6S；

第2个工况，将上述△L′＝1m的入口端换掉，使用△L＝0.5m的入口端，与试验炉炉身通过焊接组装在一起，将一定量的A煤和B煤预先混合好后，再在该试验炉上开展“炉前掺混”混煤燃烧方式，在该入口端规格整体混煤在炉内停留时间约为7S。比较工况1和工况2可知，这里在“炉前掺混”混煤燃烧方式下，通过更换组装预先备好的不同规格入口端钢板来改变含碳固体混合燃料在炉内的整体平均停留时间长短，如图3(a)所示。对比更换入口端规格前后测量的试验结果；

第3个工况，同样使用上述△L′＝0.5m的入口端，取与上述等量的2种煤粉，采用“炉内掺烧”混煤燃烧方式，将高挥发分煤A由上一次风喷口喷入炉膛燃烧，而将低挥发分煤B由下一次风喷口喷入炉膛燃烧，在该工况中高挥发分煤A的炉内停留时间约为8S，低挥发分煤B的炉内停留时间约为6S；

第4个工况，同样使用上述△L＝0.5m的入口端，取与上述等量的2种煤粉取，同样采用“炉内掺烧”混煤燃烧方式，此时，在工况4中将低挥发分煤B由上一次风喷口喷入炉膛燃烧，而将高挥发分煤A由下一次风喷口喷入炉膛燃烧，在该工况中高挥发分煤A的炉内停留时间约为6S，低挥发分煤B的炉内停留时间约为8S。比较工况3和工况4可知，这里在“炉内掺烧”混煤燃烧方式下通过交换两煤种的喷入位置，实现了两种煤粉颗粒在炉内停留时间的变换，如图3(b)所示。对比交换两种燃料的喷入口位置后的燃烧结果。

图4是运用数值模拟手段展示该发明的工作状态，对上述4个工况开展数值模拟计算，得到温度场云图，表1是工况设置，表2为对应工况的混煤燃烧试验结果。

可以看出，在“炉前掺混”混煤方式下，由于工况1使用规格△L′＝1m的入口端钢板，对应混煤炉内整体平均时间约为6S；工况2使用规格△L＝0.5m的入口端钢板，对应混煤炉内整体平均时间约为7S；工况1的煤粉在炉内整体平均停留时间要短于工况2，这导致工况1的混煤整体燃尽率要低于工况2。

在“炉内掺烧”混煤燃烧方式下，工况3将燃尽特性相对较差的低挥发分煤种B由下一次风喷口喷入炉膛的，此时低挥发分煤种B的炉内停留时间3约为6S；工况4将燃尽特性相对较差的低挥发分煤种B由上一次风喷口喷入炉膛的，此时低挥发分煤种B的炉内停留时间约为8S。所以试验结果显示低挥发分煤B在工况4中的燃尽率要明显好于工况3，而由于混煤燃尽率会偏向低挥发分煤种，最终使得工况4中混煤煤粉整体燃尽率要明显好于工况3。工况3和工况4的对比表明，这里利用该试验炉阶梯形入口的结构特点，通过配煤方式的改变，最终得到一个优化的燃烧结果。

表1各工况设置

表2各工况的实验结果

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种含碳固体燃料混合燃烧试验炉，包括试验炉体，其特征在于，试验炉体的入口处设有阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板轴向与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，两入口端面上均开有一个一次风喷口和两个分别位于所述一次风喷口上、下方的二次风喷口。

2.根据权利要求1所述的含碳固体燃料混合燃烧试验炉，其特征在于，所述阶梯板结构与炉体一体化成型或焊接组装。

3.一种含碳固体燃料混合燃烧试验方法，其特征在于，具体为：

计算真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口到最高层燃烧器出口的距离和最底层燃烧器出口到锅炉炉出口的距离之比，将其作为基准比例；

在试验炉体的入口处设计阶梯板结构，所述阶梯板结构的中间连接板摆放与炉体轴向平行，两端板分别形成一前一后的上入口端面和下入口端面，上入口端面对应于真实工业电站锅炉中最底层燃烧器出口，下入口端面对应于真实工业电站锅炉中最高层燃烧器出口，试验炉体对应于真实工业电站锅炉炉体；

通过比例换算确定上入口端面和下入口端面之间的距离即中间连接板长度，使得上入口端面到试验炉体出口的距离和下入口端面到试验炉体出口的距离之比等于基准比例；

按照确定的中间连接板长度制备阶梯板，并分别在两入口端面上开设一个一次风喷口和两个分别位于其上、下方的二次风喷口，得到阶梯板结构；

将阶梯板结构与试验炉体装配为一体或一体化成型；

将两组含碳固体燃料分别通过上、下入口端面进入试验炉体，完成炉前掺混或炉内掺烧试验。