天然气代替燃油作为大型CFB锅炉启动燃料的点火技术逐步应用到了生产现场。文献介绍了1种应用于煤粉炉的天然气点火装置,设计采用强制预混式燃烧方式。文献从理论、设计、燃烧控制等不同研究角度,系统总结和分析近年来气体燃烧技术的最新研究进展,分析不同技术的主要技术优势及存在的问题。文献根据天然气的特性,设计了点火装置的喷嘴、引射器及烧嘴,并对稳定火焰的方法也进行了研究。文献对目前应用较广的强旋流气体燃烧器和侧边微孔燃烧器分别进行了数值模拟,探讨气体燃烧控制机理并通过几何结构和运行工况的优化来实现对火焰的控制。文献结合某480t/hCFB锅炉的启动调试,对CFB锅炉采用天然气点火的关键技术进行了分析,验证了天然气点火系统在CFB锅炉冷态启动中应用的可行性。文献对3种低热值煤层气燃烧器进行三维燃烧数值模拟,比较了热态下不同燃烧器出口的流动和燃烧特性。
近年山西有6台350MW机组超临界CFB锅炉采用天然气作为点火系统的能源,这种技术在应用过程中出现的主要问题是燃气火焰燃烧不稳定,针对此类问题的研究很少。
本文以某350MW超临界CFB锅炉为例,从天然气燃烧理论出发研究了超临界CFB锅炉天然气燃烧不稳定的主要原因。将天然气燃烧器气枪喷口简化为一元流体的喷管模型,对影响火焰稳定的关键数据进行理论计算,并以此为基础提出点火系统参数调整措施和燃烧器喷口结构的优化方案。
1 简介
某电厂锅炉为350MW级超临界循环流化床锅炉,点火采用床上、床下联合点火方式,燃料采用天然气,天然气组成成分主要是:94.011%(体积分数)的CH4、3.1854%(体积分数)的C2H6、0.0131%(体积分数)的H2、总硫≤200mg/m3、总烃97.961%(体积分数)、气体密度为0.7207g/L、临界压力4.653MPa、高位发热量37.84MJ/m3、低位发热量34.13MJ/m。锅炉天然气点火系统的主要设计参数如表1。
1.1 风道燃烧器的结构及运行方式
床下风道燃烧器结构如图1所示,燃烧器采用一次风助燃,主气枪燃气喷出方向与风道内风的流动方向一致,燃烧室内助燃风流量稳定。主气枪安装在旋流式稳燃罩中心,稳燃罩用于提高燃气与空气的混合速度,增强热烟气回流强度,提高火焰稳定性。点火系统采用高能点火器点燃点火气枪,点火气枪再点燃主气枪,主气枪被引燃后退出点火枪。
1.2床上燃烧器的结构及运行方式
床上燃烧器结构如图2所示,采用二次风助燃,燃烧器主气枪燃气喷出方向与风道内风的流动方向一致,炉内一次风和循环物料混合形成垂直向上的高浓度气固两相流与燃烧器出口气流交叉成135°,同时存在贴水冷壁顺流而下的炉内循环灰,燃烧环境恶劣。
2 天然气燃烧脱火现象分析
燃气的燃烧方式分为3种基本方式:扩散式燃烧、部分预混式燃烧和完全预混式燃烧。现阶段大型CFB机组设计的天然气点火系统均采用扩散式燃烧,即点火前天燃气与空气不接触,燃烧所需的氧量完全依靠扩散作用从周围大气获得,燃气与空气在接触面处边混合边燃烧。
山西某大型CFB锅炉调试过程中天然气点火系统存在燃烧不稳定的现象。燃烧器着火后,颜色呈暗红,且无法连续稳定燃烧。如图3所示,燃气气枪出口与火焰根部的火焰锋面尺寸约为30cm,根部焰面无法保持稳定,距离逐渐增大至50cm左右,火焰闪烁剧烈,发生明显的脱火现象,然后熄灭。
3 脱火原因分析
3.1 火焰稳定燃烧的条件
分析天然气稳定燃烧的原理,可以从天然气燃烧过程中火焰传播的理论出发,简化天然气火焰燃烧过程。假设天然气流速均匀分布,着火后即可形成平整的火焰面,火焰面的移动方向即是火焰传播速度的方向,如图4模型所示。
火焰传播是指当可燃混合物在某一区域被点燃后,火焰从此区域以一定速度往其他区域传播的现象,该速度为火焰传播速度,即燃烧的火焰锋面在法线方向上的移动速度。
图4中,火焰锋面的相对位移会出现3种情况:(1)Sn>v,则火焰锋面向燃气的上游方向移动;(2)Sn=v,则气流速度与火焰传播速度相平衡,火焰锋面驻定不动。最后这种情况,是燃烧装置中连续流动的可燃气体稳定燃烧的必要条件。
3.2 层流燃气火焰燃烧机理
天然气稳定的层流火焰形态如图5所示,其中vn为气流法向分速度,φ为气流速度与气流法向分速度的夹角,Δh为燃烧器出口截面距稳定火焰环的距离。层流状态火焰脱火的机理可以用气流速度的分布和火焰传播速度的变化来解释。
层流时,流动气体的速度分布为抛物线,喷口中心气流速度最大,至管壁处降为0。截面上任一点的气流法向分速度均等于法向火焰传播速度,故火焰有向内传播的趋势。另一方面,该点还有一个切向分速度,即在焰面上不断进行着下面质点对上面质点的点火。
在图5中的点1处,V>Sn气流速度大于火焰的传播速度。在燃烧器出口距离偏远的点2处,火焰传播速度显著增加,气流速度变化不大,故V<Sn。在点1和点2之间存在一个V=Sn的位置3,火焰可以在位置3稳定燃烧。也就是说燃烧器出口的某一位置存在一个稳定的水平焰面,可以提供天然气与空气混合物燃烧着火的点火能,使层流火焰根部得以稳定,火焰稳定燃烧。
前面分析了点火环的存在,它起了稳定火焰根部的作用。然而只有燃烧器在一定范围内工作时,才有点火环的存在。天然气组成成分比例一定,火焰的传播速度的分布是不变的,天然气流量不断增加时,气体流速也不断增大,当火焰各处气体流速大于火焰传播速度就无法建立稳定的点火环,火焰脱离燃烧器出口,在一定距离以外燃烧,称为离焰。若气流速度再增大,火焰就被吹灭,称为脱火。
3.3 紊流燃气火焰脱火原因分析
根据燃气的流动状态,天然气火焰可分为层流火焰和紊流火焰。前面讨论的火焰传播是在层流流动或静止气体中发生的,层流状态下,燃气的火焰传播速度低,一般为20~100cm/s,当燃气速度提高到紊流状态时,紊流火焰传播速度较快,在200cm/s以上。
大型CFB电站锅炉燃烧器中,一般燃气气枪喷出速度都很大,在喷嘴出口处形成紊流射流。燃气紊流状态燃烧较复杂,燃烧发生在紊流状态下,火焰锋面变厚内锥缩短,火焰轮廓模糊,噪声强烈,焰面抖动且粗糙。
现阶段大型CFB锅炉天然气燃烧器,燃气出口流速都很大,在喷嘴出口处形成紊流射流。紊流射流内部有许多气体微团的无规则运动,会引起流体与周围介质之间质量与动量交换,使周围介质被卷吸,这就是紊流扩散过程。紊流扩散过程增大了燃气与空气的接触面积,提高了紊流火焰传播速度。
根据研究表明燃气层流状态下燃气稳定燃烧的原理也可应用到紊流状态的天然气。当气流速度增加至某一临界值时,气体流动状态由层流转为紊流,这时扩散过程由分子扩散转变为紊流扩散,燃烧过程得到强化,火焰的长度相应缩短。当气流速度超过某一临界值时,高速气流破坏了火焰根部的着火条件,火焰就会被推离燃烧器出口发生间断,丧失稳定性导致火焰脱火熄灭。
因此,大型CFB锅炉天然气点火系统燃烧器喷口气流处于紊流扩散燃烧,燃烧脱火的原因是喷口出口截面燃气流速超过了紊流扩散燃烧的火焰传播速度。
4 燃烧脱火问题的解决措施
根据前文分析,大型CFB锅炉天然气点火系统紊流状态下天然气火焰燃烧脱火现象的主要原因是喷口出口截面天然气气流速度大于火焰燃烧的传播速度。
解决天然气燃烧器脱火的办法主要是:降低燃烧器喷口出口截面的燃气流速或提高紊流扩散燃烧的火焰传播速度,在两者速度相等的情况下火焰就可以稳定燃烧不出现脱火现象。
目前研究火焰传播速度的理论主要是刘易斯的速度梯度理论与吕特的火焰容积理论。但是理论计算紊流状态下燃气火焰传播速度的研究和理论还处于发展阶段,尚无普遍使用的紊流燃烧模型,紊流火焰的火焰传播速度主要借助大量试验来确定。
因此燃烧器喷口截面处的气流速度也无法确定,只能依据大量工程试验逐步找出与火焰的传播速度相匹配的燃气流速。
4.1 降低燃气速度
降低燃烧器枪头出口处的燃气流速是解决燃烧器脱火问题的主要措施,而降低天然气点火系统气枪的供气压力又是降低气枪喷口截面气体流速的主要办法。
一般情况下,影响管道内气体流动的因素很多,例如截面的连续变化、黏性作用、能量效应、流量变化以及化学反应等。但是,各类因素的影响是有主次的。喷管的尺寸短小,流速很高,以致气体在喷管内形成的边界层很薄,黏性对流动的影响很小;气流与管壁接触的时间很短,散失的热量占总能量的百分比也很小。这样,便可以忽略黏性和传热等次要因素,按等熵流找出天然气流过燃烧器喷口的流动规律。
基于以上分析,以某超临界CFB锅炉天然气点火系统设计参数为研究模型,将天然气气枪喷口简化为一元流体的收缩喷管,模型简化如图6,其中P、ρ、T分别为收缩喷管内稳定流体的压力、密度、温度;P0、ρ0、T0—收缩喷管出口截面A处流体的压力、密度、温度;Q为喷嘴出口气体流量。
根据气体一维流体理论,收缩喷管出口截面A的燃气流速最大等于临界声速。
设定收缩喷管出口截面A处的压力恒定为P0,喷管内压力P>P0,天然气流体经过喷口降压,加速,喷口出口截面A处的压力逐渐减小到临界压力P0,流速逐渐加速到临界流速,即等于声速。当燃烧器喷口截面A处的气体流速等于临界流速,则:
式中:γ———绝热指数,天然气成分98%(体积分数)为甲烷,γ=1.3;P0———喷口出口截面A处的绝对压力,P0=115kPa。根据式(1)计算,喷口内压力P=210KPa时,燃烧器喷口截面A处的气体流速等于临界声速,设此压力为P1。
当喷口内压力PP1时,燃烧器喷口出口截面A处的流速只能达到临界流速,喷管中气流充分降压、膨胀、加速是有限度的,不可能在渐缩喷管中加速超过声速。
因为当出口是声速流动时,压强差的扰动波不能再向管中传播。这时在喷管出口处仍然保持临界状态,其流量和流速与P=P1时是一样的。当喷管内压力P>P1,气体流过喷管未获得充分膨胀、降压和加速,浪费了可用能,喷管出口气流压力从P降到P1释放的一部分能量未得到利用。这种气体的流动称为欠膨胀的流动,此时喷管出口只能是临界状态,其流速仍为声速,其流量也是最大值。
根据圣•维南定律,喷口出口截面A处速度为:
式中:Rg———气体常数,Rg=50J/(kg•K);T———管内天然气温度,T=288K。
根据式(3),当管内压力P≥P1时,喷口出口截面流速达到最大值的临界流速,临界速度=127m/s。
本工程系统管道设计绝对压力为300kPa,根据以上理论计算当喷口内压力210kPa≤P≤300kPa时,喷口出口截面的气流流速为临界流速127m/s,当喷口内压力小于210kPa并逐渐减小时,燃烧器出口流速小于临界流速并随压力减小也逐渐减小。燃烧器喷口出口截面A处流速随喷口内压力变化的曲线如图7所示。
通过调整天然气系统压力,燃烧器喷口出口流速降低,同时将燃烧器枪头喷口直径增大即可保证天然气气枪出口气体流量满足设计要求,优化调整前后的燃烧器气枪流量变化如图8。
4.2 增强紊流扰动
通过提高火焰传播速度也可提高天然气火焰的稳定性,主要措施是引入稳定点火源和利用空气动力回流特性增强火焰的着火能量。
通过优化燃烧器枪头结构,增加侧边喷口,侧边燃气流出后与稳燃罩流出的旋流空气快速混合,可以提前燃气与旋流空气的接触点,提高旋流空气的参与度,增强燃气根部着火部位的混合程度,火焰根部气流的扰动能力和卷吸回流热量能力增强,可以使大量高温烟气回流至火焰根部。回流的高温烟气与燃料喷嘴提供的燃料进行掺混,不断地进行热量和活化分子的交换,保证燃气及时顺利的着火和稳定的燃烧。
同时侧孔出口天然气着火后的火焰可以作为燃烧器着火的点火火焰,也达到了火焰稳定的目标。
根据前文的理论分析和计算,对燃烧器喷口结构进行优化,具体措施为:将喷口直径扩大同时枪头的侧面增加8个促进稳燃的喷孔,优化前后的燃烧器枪头喷口如图9所示。
同时对燃烧器气枪内的设计压力进行调整,在保证系统出力的情况下降低燃气压力,降低枪头喷口的燃气流速,通过就地观察火焰的燃烧状态,确定最佳的参数。经过调整后燃气着火状态如图10所示。
如图10中所示,通过以上方案的改进,天然气点火系统燃烧器的火焰脱火现象得到解决,火焰在燃烧器气枪出口即可稳定燃烧,火焰无明显闪烁,火焰根部稳定在气枪出口,同时火焰着火状况明显提升,火焰呈淡蓝色甚至无色状态,火焰温度提高。
5 结 语
本文从350MW超临界循环流化床锅炉天然气点火系统存在的问题出发,根据燃烧学中天然气层流扩散燃烧的原理分析了火焰稳定燃烧的条件,然后对紊流扩散燃烧进行研究,得出天然气火焰脱火的主要原因是燃烧器喷口燃气流速高于天然气紊流扩散燃烧的火焰传播速度。然后以某超临界CFB锅炉天然气点火系统为例建立模型,根据一元定常可压缩气体流动的理论计算出CFB锅炉天然气点火系统燃烧器出口的流速在设计压力下达到了声速,远大于天然气紊流扩散燃烧的火焰传播速度。在理论计算的基础上通过调整天然气系统燃气压力的设计值和优化燃烧器喷口结构,解决了大型CFB锅炉天然气点火系统燃烧器火焰脱火的问题,可为大型CFB锅炉天然气点火系统设计和使用提供借鉴。
文献信息
郭学良.大型CFB锅炉天然气点火系统应用问题研究[J].锅炉技术,2023,54(04):24-29.
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