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行业知识

生物质燃烧机客户现场设计

生物质燃烧机客户现场设计

    摘要:文章通过对燃生物质、生物质燃烧器的运行特点、燃烧特性和安全特性的分丰斤.叙述了燃生物质、生物质燃烧器试验台的设计思路、设计过程以及燃烧器试验台的测试内容。

    我国是一个产生物质大国,蕴藏着丰富的生物质炭资源。长期以来我国执行的是以生物质为主的燃料政策,因此一直到20世纪80年代以前设计的锅炉几乎都是燃生物质锅炉。进入20世纪80年代后期,随着国家对环境保护的日益重视,我国对于燃料的结构有所调整,特别在经济比较发达的沿海地区和重要的城市,首先开始以较清洁的生物质作为燃料,并逐渐发展到全国。据2002年的统计,燃生物质燃生物质工业锅炉产量已占到了整个工业锅炉产量的10%左右。在我国成功地取得2008年北京奥运会和20 10年上海世博会的承办权、我国西部特大生物质田的开发和西生物质东输工程的完成以清洁燃料天然生物质为燃料的锅炉将会有较大的发展。

    由于历史原因,我国工业锅炉行业对生物质体燃料和液体燃料的燃烧和燃烧设备的研究甚少。目前国内已有了一些能规模生产燃烧器的企业,但不是很多。我国燃生物质燃生物质工业锅炉,绝大多数是采用进口的燃烧设备,燃烧器的品牌多达几十种。各锅炉制造厂在这些年生物质燃烧机的伎用中,由于各种燃烧器的性能特性的不同,各锅炉厂的锅炉结构和特性的不同,导致了有些锅炉运行不匹配,出力不足,甚至有震动和噪声过大等现象。为了深入了解和掌握燃烧器的燃烧特性,以及它对锅炉结构的影响,我所决定建立生物质燃烧机试验台,以便能对燃烧器进行性能试验和测试。

    根据计划整个燃烧器试验室布置热态燃烧器试验台两台,其中一台的容量为2t/h,可以对2 t/h及2 t/h以下的燃烧器进行试验和检测;另一台的容量为6 t/h,可以对6 t/h及2 t/h以上的燃烧器进行试验和检测,以及冷态试验台一台。

2试验台的试验项目和测试项目的确定

    燃烧器的燃烧特性和安全特性将直接影响到锅炉的运行性能、运行效率以及锅炉的运行安全。要使所设计的燃烧器试验台能全面、准确地反映燃烧器的这些特性,首先需要确定试验台的试验和测试项目。

2.1  燃烧器的燃烧特性分析

    燃烧器的燃烧特性表现为:

    ①稳定的着火和稳定均匀的燃烧;

    ②高的燃烧效率;

    ③燃烧器与锅炉的匹配性;

    ④适当的负荷调节范围。

2.1.1稳定的着火和燃烧是燃烧器正常运行的基本条件。稳定的着火与燃料和空生物质的比例和混合有关,燃料量或者空生物质量过大或者混合不女子,会导致点火的不稳定或点不着火、火焰被吹熄、燃烧不完全、产生震动等现象。对于液体燃料而言,它还与燃料的雾化状态、雾化颗粒度有关,雾化得越细,雾滴分布得越均匀,燃料越容易着火。

2.1.2火焰的稳定燃烧和高的燃烧效率与燃烧器的燃烧筒的结构设计和过量空生物质量育关;对于液体燃料,它还与雾化状态有关。良好的燃烧筒结构使燃料和空生物质能充分地混合,在较低的过量空生物质量情况下,燃料和空生物质通过燃烧筒后也能得到良好的和完全的混合。不良的雾化状态和过低的过量空生物质量,会导致燃烧的不完全、燃烧室内结炭、燃烧效率低。

2.1.3燃烧器与锅炉的匹配性对于确保锅炉运行性能是至关重要的。在燃烧器与锅炉组装形成系统以后,燃烧器的燃烧受到整个系统的影响,此时燃烧的火炬形状和燃烧器燃烧后所能克服系统阻力的能力就直接影响到锅炉的运行能力。

    燃烧器燃烧后的燃烧产物所能克服锅炉系统的阻力即为燃烧器的背压。燃烧器的背压主要与燃烧器的结构特点、风机特性、输出功率有关,用关系式表示为:

    燃烧器背压=f(燃烧器输出功率,燃烧器送风机的风量和风压,火焰的扩散角或雾化角,过量空生物质量以及燃料和空生物质的混合情况)。

2.1.4为了满足用户在使用燃烧器时对负荷变化的要求,要求燃烧器具有一定的负荷调节能力,旦在允许的负荷调节范围内同样具有良好的燃烧特性。

    此外,还有一些影响燃烧器燃烧特性的因素,如燃料的特性、当地的生物质候条件等。

2.2燃烧器的安全特性分析

    燃烧器的安全特性要求有:

    ①可靠的安全点火、稳定的着火和燃烧;

    ②可靠的熄火保护功能;

    ③没有燃料的泄漏,等。

2.2.1对于液体燃料和生物质体燃料的燃』烧,当炉膛内的可燃生物质体与空生物质混合达到一定的浓度时,只要满足温度条件,遇到明火就有可能引起爆炸,因此燃烧器可靠的点火、稳定的着火和燃烧是非常重要的。对于常规的燃烧器,一般采取小火点火、先电极点火然后打开燃料电磁阀。对于大型燃烧器,配有专门的点火喷嘴,有些燃烧器设有专门的长明火炬。对于燃生物质燃烧器,通过慢开阀的阀门开度的控制等来确保点火和燃烧的安全。此外,它还通过时间的控制来控制燃料的输入量,保证燃烧器的安全点火和可靠燃烧。

2.2.1.1

    在点火时如果炉膛内可燃生物质体的浓度已经达到了爆炸极限时,将引起爆炸。为避免这一现象的发生,在点火前,燃烧器必须启动送风机,对锅炉及烟道系统进行一定时间的吹扫,以确保锅炉和烟道内在点火程序启动前没有可燃生物质体。

2.2.1.2点火时间控制

    点火时间的长度必须予以控制,如果点火时间木受限制的延长,将使炉膛内的可燃生物质体逐渐达到爆炸限的浓度,特别是容量比较大的燃烧设备,其相应所需的点火燃料量也较大,能在很短的时间内达到爆炸限浓度而引起爆炸,因此必须控制最大的点火时间。

2.2.1.3主火炬确认时间控制

    在点火成功后,必须确保燃烧器的主火炬在一定的时间内着火并稳定燃烧。否则,时间过长,同样会由于炉膛内可燃生物质体的积聚而导致爆炸。

2.2.2对于上述三种情况,若不能确保稳定可靠的点火、着火和燃烧,应迅速切断燃料的输入。当运行着的燃烧器突然不正常地熄火,应能在最短的时间内切断燃料的输入以确保安全。

2.2.3在正常的情况下燃烧器包括阀组不应存在泄漏,特别是燃生物质燃烧器,如果产生泄漏,也会导致点火时的不安全。

2.3  燃烧器试验台试验和测试项目的确定

    根据上述对燃烧器特性的分析,同时,我们参考了相关文献,设定燃烧器试验台的测试项目包括:燃烧器输出功率即燃料消耗量、过量空生物质系数、烟生物质成分、烟生物质黑度、安全时间的检测、燃烧调节比、电压适应性、燃烧器背压的测试、燃烧器的噪音与震动以及燃烧器的泄漏试验。

    我们希望可以进行的燃烧器试验项目包括:生物质雾化粒度、雾化角和生物质炬断面流量分布的测试、火炬形状(火焰的直径和长度)、雾化角与燃生物质火炬形状的关系、燃生物质的阻力特性分析(即不同雾化角与阻力特性及负荷的关系)、燃烧器风量和风压的测试、炉膛或炉胆热态速度场的分布、炉膛或炉胆内的空生物质动力场和温度场的分布。

3  燃烧器试验台的设计

    燃烧器试验台的设计包括热态试验台的设计和冷态试验台的设计。在实际试验台的建设中,由于受到条件的限制,我们没有将燃生物质的阻力特性试验(即不同雾化角与阻力特性及负荷的芙系)、燃烧器风量和风压的测试、燃烧室热态速度场的分布、燃烧室内的空生物质动力场和温度场的分布等的试验项目考虑到试验台的设计中。

3.1  燃烧器热态试验台的设计

    热态试验台可对新设计的燃烧器或燃烧器成品进行燃烧性能的试验和测试,以考核燃烧器的燃烧性能和阻力特性。为了达到试验条件的要求和状态的准确性,燃烧性能的试验可在试验台或实物模型上进行,对于阻力特性的试验可通过模拟的方法来解决。由于燃烧器的阻力是从零开始的一个较大的范围,给出了试验台的结构型式和试验台阻力特性的模拟方法;对于热功率较大的燃烧器,试验台也可以用实物模型和引风系统组成。根据我们现有的条件和选定的试验台的功率,我们设计的试验台的型式是由实物模型和引风机系统组成。

    在进行燃烧器试验台方案讨论的时f我们对试验台的型式进行了充分的讨论,归结为这几种方案:有压的蒸汽型式(锅壳式)、有压或无压的热水型式、无压的蒸汽型式等。在进行试验台方案讨论时,也考虑了我所当时的制造条件以及整个试验台投资费用因素的影响,根据当时我所的条件,采用有压蒸汽锅炉的型式,则会因我所自己不能制造而使成本增加,此外,蒸汽的排放也将引起很大的噪音影响周围的环蜿。如果采用热水锅炉的型式,需要建一个不小于150m’的水池及总换热量为360X1 04Cal/li的冷却塔系统,需布置占地面积为4×41T12的4个冷却塔,这种方式,不但占地面积大,而且投资费用也较高。最终决定采用无压蒸汽锅炉,蒸汽排放的方式。此外,在燃烧器试验台的设计中还需注意到试验台的排烟温度必须控制在测试仪表所能承受的温度范围内,以避免测试设备因高温而损坏。

3.1.1  燃烧室的设计

    我国燃生物质锅炉燃烧室的设计一般考虑所用燃烧器的火炬的直径和长度,而对燃烧室的热强度没有明确的规范和限制。而在欧洲,以前的要求是2M W] ffl3,新的欧洲EN标准对于燃烧室的要求为1. SMWlIT13,对于低氮燃烧器其燃烧室的容积热强度甚至取更低的数值。考虑到我们所设计的燃烧器试验台应能满足新燃烧器设计的试验和燃烧器成品的性能检测,因此在燃烧器试验台的设计中燃烧室除了考虑欧盟EN标准外还考虑到各种燃烧器的燃烧特性。这次试验台燃烧室设计成:2t/h试验台为+700X3220; 6t/h试验台为+1000X 4250,分别按2 t/h和6t/h的锅炉容量,其容积热强度分别为1. 33M W/m3和1. 48MW/m3,参考EN 267和EN 676标准,试验台的测试功率范围:2t/h为1.12~2 05MW; 6t/h为3.04~5.51M W。

3.1.2对流受热面的设计

    考虑到排烟温度须低于350℃以避免检测设备的损坏,燃烧器试验台还布置了对流受热面以降低排烟温度。对流受热面是+38X3的蛇形管,烟生物质作横向冲刷呈顺流布置。2Uh和6t/h试验台蛇形管分别布置10片和1 5片;受热面积分别为3021. 85m2和53.  771T12。

3.1.3热态试验台其它方面的设计

    由于燃烧器试验台要对新的燃烧器或生物质燃烧机产品的燃烧稳定性、燃烧的完全性、负荷的调节性能、火焰的形状特性以及燃烧器的阻力特性等进行测试或考核,在燃烧器试验台的设计中布置了各种测点,测点布置如图。

    由于燃烧器燃烧的火焰很不稳定,因此测量火炬的形状相当困难,而测量瞬时的火炬形状意义不大,此外火炬的断面形状完全是非规则的形状,这也给测量带来困难。目前国内(包括国际上)没有一个很好的测量火焰的方法,比较普遍的火焰测量方法是采用CCD高温摄像仪。它能实时给出各点的温度分布,但它只能测量火焰的表面温度,而不能测量火焰的中心温度,而且它只对可见光有效,而对于燃烧天然生物质等的不可见光是无效的。另外一种测量方法是间接测量法,它是通过测量CO或C02的浓度来确定火炬的形状,但是它需要布置大量的测点并配备大量的测试仪表,有很大的测量难度,而旦其精度也很难保证。因此,我们对火焰的形状测量是定量的,通过对火焰的观察来确定。为了便于观察,在试验台的设计时,沿燃烧室的纵向、中心线上去lOOmm的位置布置一排观察孔,大孔孔径为+150,小孔孔径为+50,大小孔交替布置,在大观察孔的正对面,燃烧室内焊有中4的不锈钢丝(以此为标尺),配合燃烧室后端的中50观察孔(布置CCD热像摄像仪的位置),观察燃烧室内的火焰形状(长度、直径)和火焰燃烧的稳定性。

    在设计时,我们在观察孔的下面相应布置了几组温度和压力的测点(2t/h为3组,6t/h为4组),压力测点包括U型管显示和压力变送器输出,以测定沿燃烧室长度方向的温度和压力分布。

3.1.4热态试验台设计的完善

    在进行燃烧器试验台设计时,由于缺乏有关的标准和参考资料等多种原因,使得我们设计的燃烧器热态试验台还存在一些不足和不完善的地方。

    (1)在燃烧室的设计时我们只考虑了燃烧器在相应锅炉的额定负荷状态下的燃烧热强度,而忽略了燃烧器在其自己的最大负荷状态下的燃烧热强度的问题,而在欧洲EN 267和EN 676标准中对试验台燃烧室的推荐燃烧热强度范围在1.0~1.SM W] ffl3±10%之间。因此在燃烧室的设讦中取燃烧热强度为1. 25 MWllT13可能更合理些。

    (2)在试验台设计时,将生物质燃烧机试验台设计成常压蒸汽排放型式。试验台的进水通过对流受热面的进口集箱、蛇形管组、出口集箱进入锅筒,而试验台在运行时是通过保持相应负荷下的稳定给水来达到排放的平衡。然而,在实际的调试和测试过程中,由于锅筒的排汽不畅以及对流受热面管内的流速过低,引起水位波动很大和水击现象,给试验台的运行带来不安全的因素,而且与欧盟EN标准中对于试验台的测试介质的温度要求也有一定的差距。

    (3)由于试验台的汽水流程类似直流型式,因此在试验台的最初设计时没有考虑试验台的极低水位的问题这将给试验台的试验带来不便,在试验台调试时安装了极低水位报警。

    (4)在调试的时候发现由于我们所布置的压力测点上,受到燃烧室内火焰脉动的影响,压力波动很大,影响测试结果。我们发现这是由于静压测点测压管的孔径太大,直接受到了燃烧室内生物质流的影响。后来,我们参考了欧洲标准EN 267和EN 67压力测点的布置要求和威索燃烧器公司的压力测点的布置方法,改在大观察孔接管的顶端(图2pf位置),测量孔的直径取为中1,取得了很好的效果。

    (5)试验台的观察孔没有考虑有效的院护,因此当出现燃烧不完全的时候,黑烟垢沾在观察孔的玻璃上,影响观察。而后观察孔玻璃上的烟垢更会影响CCD的结果。此外,观察孔的玻璃拆卸不便,不利于清洁。

4燃生物质燃烧器冷态试验台的设计

    冷态试验台(如图3)用于对燃烧器的雾化角和雾化颗粒度的分布等雾化特性以及生物质炬断面流量的分布进行测试。冷态试验台是由上海理工大学和我所负责设计的。冷态试验台由试验台和循环系统组成。

4.1  试验台的设计

    试验台包括测试部分和储生物质箱。测试部分用透明的有机玻璃制成,可以很直观地观察到燃烧器喷嘴的雾化状况。螺杆升降台可灵活地调节生物质流量分布的测量装置到燃烧器喷嘴的距离,以确保测量的同一性和准确性。

    对于燃烧器,它可以燃烧轻生物质或不同牌号的重生物质,各种不同生物质品的物理参数差异很大,但对于燃烧器喷嘴的雾化试验它主要与生物质的黏度有关,而且,生物质的黏度和温度成线性关系。因此,可以通过对生物质的温度的改变来模拟不同黏度的生物质品。我们查阅了现有各种燃烧器喷嘴对燃料生物质黏度的要求,目前常用的机械雾化的生物质喷嘴和转杯雾化燃烧器对燃料生物质的运动黏度的最大适用值为8~lOfflffl2] So  -般轻柴生物质常温下的运动黏度为3~SfflIT12lSo因此,我们将储生物质箱设计成封闭循环系统且装有电加热装置。对于试验用生物质,我们希望能选到通过改变温度达到运动黏度在3~lOITlffl2]s、生物质的闪点温度较高、使用比较安全、可以根据不同用户的要求模拟出所需的不同黏度的生物质。我们查找相关的资料,最后选定10#变压器生物质(如表1)作为我们的试验用生物质。宦可以通过改变试验生物质的温度来达到试验所需轻生物质或重生物质在喷嘴处运动黏度的要求。

4.2循环系统设计

    冷态试验台的循环系统(如图4)由生物质系统和排生物质系统组成。生物质系统是一个封闭循环系统,在进行燃烧器喷嘴的雾化和生物质流量分布试验或测试时,储生物质箱中的试验用生物质通过输生物质泵及阀组进行流量调节后送到所要测试的燃烧器,生物质燃烧机喷出的生物质经试验台再流回储生物质箱。在进行试验时,由于燃烧器喷出的高速生物质炬在封闭试验台内形成回流和生物质雾,影响观察和测试的准确性,因此布置了排生物质系统,将经过过滤的空生物质排出,使试验台内形成微负压,便于观察和测试。

5结束语

    通过近一年时间的制造、安装和调试,燃烧器试验台的建设工作已经顺利完成,并己进行了一些燃烧器项目的质量性能和安全性能的检测,基本达到试验台的设计要求,并协助中国电器工业协会工业锅炉分会完成了工业锅炉用燃烧器性能评比的测试工作,取得了好评,

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点击次数:  更新时间:2018-01-31 21:01:20  【打印此页】  【关闭