王怡弘，池俊杰，孫公鋼，池作和

（中國計量學院 計量測試工程學院，浙江 杭州 310018）

微油點火技術［1-3］實現(xiàn)成功點燃煤粉并達到節(jié)油目的關鍵是煤粉在一級燃燒室內具有優(yōu)良的燃燒特性，能為下級燃燒室提供熱流量大而且穩(wěn)定的高溫火焰［4］.

池作和等［4］利用數(shù)值模擬方法對微油點火燃燒器的一級燃燒室內煤粉燃燒過程進行了研究，得到一次風速和煤粉質量分數(shù)的改變對煤粉揮發(fā)分和焦炭燃盡率的影響.李新夢等［5］對煤粉氣流在富氧微油點火燃燒器內的點火過程進行數(shù)值模擬，研究不同煤粉質量分數(shù)對著火溫度與著火距離的影響，反映煤粉在富氧微油點火燃燒器內的著火方式的變化.王志鵬等［6］對微油點火燃燒器的多種運行工況進行了數(shù)值模擬研究.分析了煤粉質量分數(shù)、煤粉細度、一次風速度、燃油流量、油槍的插入方式等主要因素對煤粉氣流著火的影響.陳磊等［7］從影響采用少油點火技術的煤粉著火的主要因素入手，對燃燒器內部進行了多工況數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)煤粉質量分數(shù)過高或過低均不利于煤粉在燃燒室內的著火燃燒.Liu［8］利用試驗臺，通過改變燃燒室內過量空氣的大小，對燃燒室煤粉燃燒特性進行研究，發(fā)現(xiàn)低過量空氣系數(shù)有利于煤粉與高溫火焰混合，增加煤粉在燃燒室停留時間，有利于煤粉燃燒.

由于數(shù)值模擬研究只是通過各種計算方程的控制進行計算，而利用試驗的方法對微油點火燃燒室特別是一級燃燒室內部煤粉著火、燃燒及污染物的形成研究較少.因此，本文通過搭建微油點火性能測試實驗臺，對不同一次風速和煤粉質量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響進行實驗研究，以期為微油點火燃燒器的設計和工程應用提供參考.

1 實驗臺介紹

微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能測試系統(tǒng)組成如圖1.整套系統(tǒng)包括風粉系統(tǒng)、送引風系統(tǒng)、微油點火系統(tǒng)等部分.

圖1 實驗系統(tǒng)圖Figure 1 Experimental system diagram

1.1 風粉系統(tǒng)

風粉系統(tǒng)包括送風系統(tǒng)、給粉系統(tǒng)以及風粉混合器.煤粉與一次風在文丘里管中混合均勻后送入一級燃燒室進行點火燃燒.實驗中采用容積式喂料機，通過調節(jié)變頻器頻率，改變給粉量.

一次風由風機提供，由于實驗只針對微油點火燃燒器一級燃燒室點火特性進行研究，所以沒有加入二次風.送風管路上裝有渦街流量計，其精度為±1.0%，以實現(xiàn)對風量的測量和控制.

1.2 微油點火系統(tǒng)

微油點火系統(tǒng)包括甲烷氣瓶、穩(wěn)壓罐、高壓點火變壓器和火焰檢測器.本文利用甲烷氣體燃燒產(chǎn)生的高溫煙氣代替微油燃燒器中油燃燒所產(chǎn)生的高溫熱源.兩種燃料化學成分相似，燃燒產(chǎn)物均為CO2和H2O，熱值以及燃燒溫度相近，因此，甲烷燃燒能夠很好的代替油燃燒進行實驗研究.點火器產(chǎn)生高溫電弧，點燃甲烷氣體，形成高溫火焰，利用高溫火焰釋放的能量點燃煤粉，完成點火.同時，燃燒器上有火檢裝置，保證燃燒器點火的安全性.

1.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

燃燒室結構及測量系統(tǒng)如圖2.本實驗系統(tǒng)采用的一級燃燒室煙氣管道d＝30mm，一次風管道直徑D＝35mm，長度L＝1000mm.一級燃燒室沿燃燒室軸線均勻分布測點，第一個測點離燃燒室入口距離為150mm，其后每隔150mm布置一個測點.

圖2 微油點火燃燒器一級燃燒室Figure 2 Primary combustion chamber of tiny－oil ignition burner

燃燒室中心軸線溫度通過測溫元件K分度的鎳鉻－鎳硅熱電偶進行測量，測量精度±20℃.同時，實驗還對燃燒室出口中心位置處的煙氣組分如CO、NOx等進行測量，以分析一級燃燒室出口處污染物排放情況隨工況改變所發(fā)生的變化.實驗所用煙氣分析采用德國MRU公司的MGA5型移動式紅外氣體分析儀，其中O2體積分數(shù)精度為＋0.2%，CO體積分數(shù)精度為＋2%，NOx濃度精度為＋2%.

1.4 實驗煤質及工況

實驗所用煤質數(shù)據(jù)及工況情況詳見表1和表2.

表1 煤質數(shù)據(jù)Table 1 Coal quality parameters

表2 實驗工況Table 2 Experiment condition

2 結果分析及討論

2.1 一次風速對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響

圖3為一次風溫343K，煤粉質量分數(shù)0.15kg／kg，煤粉粒徑70μm，點火能量0.2時，改變一次風速（12m／s、13m／s、15m／s、16m／s以及18m／s），一級燃燒室中心溫度隨一次風速的變化趨勢.如圖3，燃燒室中心溫度呈現(xiàn)先下降后上升的過程.這主要是因為一次風煤粉氣流進入燃燒室與高溫燃氣火焰混合后，首先吸收大量的熱量，導致燃燒室內溫度下降.隨著煤粉不斷吸熱達到著火條件，揮發(fā)分開始析出并著火燃燒，從而導致燃燒室中心溫度開始上升，煤焦發(fā)生多相著火，使得燃燒室內的溫度快速升高，并在出口形成最高溫度.圖3中，在其他條件不變的情況下，隨著一次風速的增加，燃燒室中心溫度最低點離燃燒室進口距離越遠，燃燒室出口溫度越低.這主要是因為，隨著一次風速的增加，著火熱增加，煤粉在燃燒室內停留時間減少，著火距離增長.因此，為了獲得良好的一級燃燒室點火性能，應盡量降低一次風速，但一次風速過低又會導致燃燒室內部結焦的可能性增加.

圖3 不同一次風速下燃燒室中心軸線溫度分布Figure 3 Temperature distribution on center axis of combustion chamber under different wind velocity

圖4和圖5分別為不同一次風速下燃燒室出口CO和NOx體積分數(shù).圖4中，隨著一次風速的增加，燃燒室出口CO體積分數(shù)迅速下降.一次風速為12，13，15，16，18m／s時，CO 體積分數(shù)分別為1727×10－6，1493×10－6，210×10－6，256×10－6，377×10－6.由此可知，一次風速增加，使得燃燒室氧氣體積分數(shù)增大，進而使得煤粉燃燒更加充分.而一級燃燒室出口NOx體積分數(shù)（圖5）則與CO體積分數(shù)隨一次風速的增加呈現(xiàn)出相反的變化趨勢.隨著一次風速增加，促進燃燒室出口NOx生成量呈逐漸上升趨勢.

2.2 煤粉質量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響

圖6為保持一次風速為15m／s，一次風溫343K，煤粉粒徑70μm點火能量0.2的條件下，煤粉質量分數(shù)改變對微油點火燃燒器一級燃燒室中心軸線溫度的影響.如圖6，燃燒室溫度水平隨著煤粉質量分數(shù)的提高而提高.但在燃燒室出口，煙氣溫度的數(shù)值卻趨于接近.圖7、圖8分別為不同煤粉質量分數(shù)下燃燒室出口CO和NOx體積分數(shù)分布圖.圖中，隨著煤粉質量分數(shù)的增加，燃燒室出口CO體積分數(shù)、NOx體積分數(shù)都隨之上升；而當煤粉質量分數(shù)大于0.15kg／kg時，燃燒室出口CO體積分數(shù)呈現(xiàn)急劇上升趨勢.

3 結 語

本文通過實驗方法，研究了不同一次風速和煤粉質量分數(shù)對微油點火燃燒器一級燃燒室點火性能的影響，得到以下結論：

1）改變一次風速或煤粉質量分數(shù)，微油點火燃燒器一級燃燒室中心溫度均呈現(xiàn)先降低后躍升的趨勢.

2）燃燒室出口CO體積分數(shù)隨一次風速的增加呈逐漸下降趨勢，但隨煤粉質量分數(shù)增加所呈現(xiàn)的變化趨勢則相反.

3）隨著一次風速或煤粉質量分數(shù)的增加，燃燒室出口NOx體積分數(shù)均呈現(xiàn)上升趨勢.燃燒室出口NOx體積分數(shù)變化范圍在100×10－6至180×10－6之間.

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［4］池作和，孫公鋼.微油點火燃燒器一級燃燒室結構數(shù)值模擬研究［J］.熱力發(fā)電，2007，11：20－24.Chi Zuohe Sun Gonggang.Study on numerical simulation of first－stage firing chamber structure in oil－saving ignition burner［J］.Thermal Power Generation，2007，11：20－24.

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［6］王志鵬.微油氣化燃燒直接點火的數(shù)值模擬研究與應用研究［D］.北京：華北電力大學，2008.Wang Zhipeng.Numerical simulation research and application of direct ignition of tiny－oil gasification combustion［D］.Beijing：North China Electric Power University，2008.

［7］陳 磊.煤粉爐少油點火技術數(shù)值模擬研究以及應用研究［D］.上海：上海交通大學，2011.Chen Lei.Numerical simulation research and application of tiny－oil ignition technology［D］.Shanghai：Shanghai Jiaotong University，2011.

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