聲場強化煤粉燃燒的試驗研究

王瀛洲， 韓 璞

（華北電力大學 自動化系，保定071003）

電站鍋爐燃燒優化一直是電力行業研究人員努力的方向，設計一套高效的燃燒系統將對電廠發展起關鍵作用.國內70%以上的發電機組是火力發電機組，如果有一套先進的燃燒優化系統可以使鍋爐燃燒效率提高，那么每年節約的原煤量將是一個巨大的數字［1］.

超聲波煤粉共振燃燒優化系統基于燃燒理論基礎，在燃燒裝置中加入超聲波后使得煤粉在燃燒時產生共振，提高了擴散速度和化學反應速度，從而使煤粉燃盡率大大提高，同時可降低氮氧化物、碳氧化物的排放.該技術為實現新形勢下節能減排和經濟高效的目標提供了一種全新的途徑.

1 優化系統試驗裝置及參數

采用的試驗裝置（見圖1）是由一維管式爐改造的，主要設備包括管式爐、熱電偶、單片機、電機驅動、超聲波發射器、溫控儀、氣泵、陶瓷舟及重量監測儀.管式爐內溫度可以視為恒溫，其溫控范圍為0～1 300℃.爐體為立式電加熱爐，主爐為高位石英玻璃管，內徑為35mm，總長為1 350mm，有效長度為900mm，給粉采用沸騰式裝置，給粉質量流量為1.8g／min，硅碳管作為加熱元件與可調變壓器和可控硅溫控裝置一起控制加熱速率和溫度，利用熱電偶測量溫度.在主爐頂端可通過反光鏡觀察爐內的火焰，以便觀察爐內著火情況.

主要試驗參數如下：爐溫為800℃，一次風體積流量為20L／min，一次風溫度為20℃，爐膛截面內徑D＝35mm，給粉量為2g／次.采用開灤煙煤作為煤樣，其元素分析與工業分析見表1［2］.在主要試驗條件不變的情況下，通過多次試驗對比加入超聲波裝置前后試樣燃盡率的大小，以了解超聲波裝置對煤粉燃燒的改進效果.

圖1 煤粉共振燃燒優化系統試驗裝置Fig.1 Experimental apparatus for pulverized coal resonance combustion optimization

表1 煤粉的元素分析與工業分析Tab.1 Proximate and ultimate analysis of coal %

2 優化系統設計理論依據

如果以碳的消耗速度vc表示燃燒速度，則有

式中：β為碳和氧消耗的摩爾濃度比；kap為折算速度系數（或稱表觀反應速度常數）；φO2為周圍環境中氧的體積分數.

從式（1）可以看出，增大燃料與周圍介質氣流的相對運動速度，可以提高氧的擴散速度，強化氧向燃料粒子表面的擴散過程，并且在固體排渣煤粉爐中，煤粉以懸浮狀態燃燒，尤其是在高溫的擴散燃燒區，化學反應速度遠遠大于擴散速度，提高燃燒速度的主要措施就是提高擴散速度［3］.在超聲波的作用下會引起煤粉共振，使得煤粉與熱空氣的相對運動速度增大，提高了擴散速度，從而提高了化學反應速度，強化了煤粉的燃燒過程.

當大部分焦炭燃燒之后，內部灰分將會對燃盡過程產生影響.外層的內在灰分裹在內層焦炭上，形成一層灰殼，甚至形成渣殼，灰殼或渣殼會阻礙氧向焦炭表面的擴散，延長燃盡時間.然而，超聲波引起的煤粉共振可以及時震落煤粉表面的灰殼或渣殼，加快氧向焦炭表面的擴散，從而可以提高煤粉燃盡率.同時煤粉共振可減小煤粉黏結的概率，擴大煤粉與氧的接觸面積，使得煤粉與氧接觸更充分.同樣在超聲波的作用下顆粒的動能增大，顆粒之間、顆粒與受熱面之間的吸引力減小，從而減輕結焦.

為驗證試驗裝置中超聲波的主要作用是增強了懸浮煤粉顆粒共振效應或延長煤粉的空中停留時間，使之充分燃燒，將等量的煤粉在未燃燒狀態下分別置于有、無聲場作用中，對從給粉裝置到取樣裝置的懸浮下落時間進行比較.從觀察結果來看，有、無聲場作用對煤粉懸浮下落時間的影響不大，幾乎可以忽略超聲波對其燃燒時間的影響.

3 優化系統最佳頻率的選取

3.1 煤樣的理論最佳頻率

開灤煙煤煤粉的固有周期為

式中：f為煤粉的固有頻率，Hz；m為單個煤粉顆粒的質量，g；k為煤粉的剛度，N／m；E為煤粉顆粒彈性模量，Pa；r為煤粉顆粒的半徑，μm；ρ為煤粉密度，g／cm3.

煤粉理論振動強度與其固有頻率之間的關系見圖2.在滿足煤粉理論振動強度要求下，計算所得的固有頻率最小理論值fmin＝10 634Hz，最大理論值fmax＝48 731Hz，f理論取值為10 634～48 731Hz.

圖2 煤粉理論振動強度與固有頻率之間的關系Fig.2 Relationship between theoretical vibration intensity and natural frequency of coal

3.2 超聲波發射器的最佳頻率

利用超聲波發射器、密立根油滴儀、CCD電視和顯微鏡等儀器觀察超聲波作用下煤粉振動情況，記錄煤粉振動最劇烈時超聲波的發射頻率，從而得到相對接近煤粉固有頻率的最佳頻率，測出煤粉固有頻率在45 000～80 000Hz［4］.

由于煤粉的固有頻率與顆粒的大小、質量、形狀、煤質以及所處的環境等很多因素有關，然而這些因素是不固定的，而且模擬裝置也存在誤差，測量煤粉的固有頻率時每次只能取某一顆粒作為觀察對象，也會產生誤差，所以理論值和實測值會有差異.限于現有的技術還無法準確快速地確定最佳頻率，并且煤種不同，煤粉的最佳頻率值也不同，只能通過模擬試驗對超聲波的發射頻率進行適當調整.

通過密立根油滴儀測煤粉最佳頻率試驗，得到煤粉共振最佳頻率在45 000～80 000Hz，經過多次燃燒試驗，最佳頻率為60 000Hz左右（見圖3）.環境不同，不同煤質的最佳頻率會有明顯的不同.

4 優化系統運行及結果分析

試驗鍋爐燃煤質量流量為0.1～0.2kg／h.超聲波發射器及控制裝置功率為0～400W，發射頻率為40～80kHz，發射頻率可調.給風機的給風量、給煤機的給煤量及燃燒器火焰大小均可調.

4.1 優化系統運行及結果

在試驗裝置運行前，需對爐體進行安全試驗，通過模擬鍋爐內部環境來研究超聲波對爐體鋼質的影響，從而保證系統的安全性和消除安全隱患.然后再啟動單片機、調節風機、點火、加入漏斗煤粉.使用熱電偶測量主爐膛內部溫度，當溫度顯示800℃時啟動給煤機，并調至適當給煤速度，待燃燒完畢，收集灰渣并清理鍋爐.待鍋爐冷卻后，加裝超聲波發射器及控制裝置，然后啟動裝置并調到最佳頻率，重復上述試驗過程.

圖3 煤粉振動強度與超聲波發射頻率之間的關系Fig.3 Relationship between coal vibration intensity and ultrasonic transmitting frequency

由于在固體排渣煤粉爐中，煤粉以懸浮狀態燃燒，燃燒后的灰分隨煙氣一起流動.由于爐膛四周不存在黏性液渣層對灰分的捕捉，約有90%～95%的煤灰隨著煙氣被帶出爐膛，只有少量的大灰塵粒在重力作用下落至冷灰斗，這部分灰渣占總灰渣量的5%～10%，為保證試驗結果分析的準確性，試驗中將高溫煙氣充分冷卻后在除塵器中收集［3－5］.

為了證明優化系統的優越性與試驗結果的正確性，進行多次試驗.樣品分別標號1、1′、2、2′、3和3′，其中樣品1、2和3分別表示在未加超聲波的初始裝置中燃燒的樣品煤；樣品1′、2′和3′分別表示在開啟超聲波裝置中燃燒的樣品煤.經過多次試驗，其結果見表2.

表2 煤粉燃燒試驗結果Tab.2 Experimental results of coal combustion g

4.2 優化系統運行結果分析

對樣品1、2、3在未加超聲波的初始燃燒裝置中的燃燒結果進行分析［6］，以灰渣質量表示的燃盡率見表3，其中樣品4的參數表示3個樣品對應參數的平均值（下同）.

樣品1′、2′、3′在加裝超聲波的優化燃燒裝置中的燃燒試驗結果見表4，其中以灰渣質量表示燃盡率，Δc表示樣品在優化裝置中的燃盡率相對于在原始燃燒裝置中的提高率.由表4可以看出，以灰渣質量表示的燃盡率在超聲波煤粉共振燃燒系統中的燃盡率平均提高了9.016 3%，試驗數據科學可靠.當使用貧煤及無煙煤等燃料時，此試驗裝置均可顯著提高燃燒效率.

表3 煤粉在初始燃燒裝置中的燃燒試驗結果Tab.3 Analysis of coal combustion in ordinary condition

表4 煤粉在超聲波共振環境下的燃燒試驗結果Tab.4 Analysis of coal combustion in ultrasonic condition

5 結 論

（1）超聲波煤粉共振燃燒優化系統可以顯著提高鍋爐燃燒效率，延長燃燒時間，保證燃料充分燃燒，降低燃煤量.

（2）該優化系統可降低煤粉黏結的概率，擴大煤粉與氧的接觸面積，使煤粉與氧接觸更充分，燃料燃燒更充分，鍋爐的整體性能有所提高.

［1］王鶯歌.大型電站鍋爐飛灰含碳量的調整與控制［J］.東北電力技術，2007，28（11）：24－28.WANG Yingge.Regulating and controlling of boiler unburned carbon in fly ash for large－scale power plant［J］.Northeast Electric Power Technology，2007，28（11）：24－28.

［2］周桂平，劉吉堂，范志斌，等.電廠燃料［M］.北京：中國電力出版社，2007.

［3］樊泉桂，閻維平，閆順林，等.鍋爐原理［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［4］吳永生，方可人.熱工測量及儀表［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［5］郭永紅，白濤，孫保民，等.降低鍋爐爐渣含碳量問題的研究［J］.動力工程學報，2012，32（2）：106－111.GUO Yonghong，BAI Tao，SUN Baomin，et al.Study on reducing carbon content in slag of a utility boiler［J］.Journal of Chinese Society of Power Engineering，2012，32（2）：106－111.

［6］王海舟.爐渣分析［M］.北京：科學出版社，2006.