微气配风器点火影响因素的试验研究

0引言

天然气是一种洁净、安全、可靠、燃烧效率更高的高热值能源,更适合作为火力发电机组启动、助燃和稳定燃烧的辅助燃料^[1-2]。天然气跟石油一样,都是属于不可再生资源,所以在煤质允许的情况下,应尽量采用微气点火^[3-4]实现锅炉启动、停炉和低负荷稳燃,节约天然气资源。

微气点火系统的主要设备包括:微气点火煤粉 燃烧器、微气配风器、微气枪、点火装置、供气系统、 助燃风系统和压缩空气系统等。微气配风器是用于稳定微气枪着火火焰的设备,是微气点火系统的核心设备,因此,为了提高天然气点火的稳定性,对微气配风器进行研究非常有必要。

1 主要技术参数

1.1 天然气技术参数

天然气是一种易燃、易爆的可燃气体,为了安全起见,在进行试验点火研究之前,首先需要掌握天然气的一些基本技术参数。天然气的性质及着火性能^[5-6]如表1所示。

1.2 流量与喷嘴直径、压力的关系

将式(1)(2)联立求解得:

式中:Q为流量;D为喷嘴直径;V为速度;ΔP为压力差;P为密度;K为系数,K=√ 2π/4。

根据上式,流量与喷嘴直径的平方成正比,与压力的算术平方根也成正比。

2 实验台搭建

为了对微气配风器的点火影响因素进行分析,专门搭建了用于微气点火的实验台,此实验台主要由天然气系统和助燃风系统组成。由于没有天然气管道,需要用液化天然气储罐进行供气,低温液化天然气由气化器气化后经专门设计的管道输送到微气配风器用于点火。天然气系统主要由气化器、供气管路、吹扫管路和放散管路等组成,助燃风系统主要由风机、阀门和管路组成。具体系统示意图如图1所示,实验台现场设备如图2所示。

3 影响点火因素的研究

微气配风器是微气点火系统的关键设备,其着火性能的好坏直接影响微气点火的成功与否。影响微气配风器着火性能的主要因素有:1)配风器中天然气供气管采用单管还是多管形式;2)配风器前端是否有预混燃烧区;3)燃气喷嘴结构形式;4)天然气的供气压力;5)助燃风量和风压。

判断微气配风器着火性能的依据有:1)是否容易点火;2)点火后,火焰燃烧是否稳定;3)微气配风器的出力是否能够灵活调整。

根据实验室的点火结果和判断依据,对上述五个主要的影响因素进行分析和对比,最终得出更加合理的微气配风器结构和运行参数。

3.1 单管供气与多管供气对比

单管供气配风器简图如图3所示,多管供气配风器简图如图4所示。在实验室通过对两种不同结构的配风器进行点火实验,发现:1)多管供气结构的配风器点火成功率更高;2)单管供气配风器出力调节范围为40~80 Nm³/h,而多管供气配风器出力调节范围为60~200 Nm³/h。

两种结构对微气配风器点火有两方面的影响:

1)相比单管供气结构,多管供气结构前端混合燃烧区的天然气分布更加均匀、更易点火;2)单管供气受限于只有一个燃气喷头,出力调节范围较小,而多管供气则有多个燃气喷头,出力调节范围更大。

3.2 有无预混燃烧区对比

无预混燃烧区多管供气配风器简图如图4所示,有预混燃烧区多管供气配风器简图如图5所示。在实验室通过对两种不同结构的配风器进行点火实验,发现:无预混燃烧区多管供气配风器在助燃风压力增大后,天然气火焰发飘,火焰存在不稳定的情况;而有预混燃烧区多管供气配风器的天然气火焰更加稳定。

有预混燃烧区多管供气配风器将前端的混合燃烧区分成了两部分:预混燃烧区和充分混合燃烧区,在预混燃烧区仅让部分助燃空气进入,减小了对天然气密度的稀释和冲击,这样就更加有利于天然气火焰的稳定,到充分混合燃烧区,剩余的助燃空气进入,补充天然气燃烧所需空气量,使得天然气充分燃烧,这样在助燃风压力调整时,其对天然气火焰的影响降到最低,使得火焰一直稳定。

3.3 燃气喷嘴结构形式

燃气喷嘴的结构形式主要有两种:一是轴向和侧向都有出口;二是仅轴向有出口。具体结构如图6所示。轴向出口主要是保证天然气喷出后有一定的刚度,火焰不会太飘;而侧向的出口能够使天然气更快地充满混合燃烧区,有利于点火。

在实验室通过对两种不同结构的配风器进行点火实验,发现:仅轴向有出口的配风器刚性较好,但是容易出现脱火、灭火等现象。

3.4 天然气供气压力

通过公式(2)可知,压力差与速度的平方成正比,在入口压力增大、出口压力基本保持不变的情况下,出口速度将随入口压力增大呈抛物线状增加。

天然气的燃烧传播速度为39 m/s,当入口压力过大,使得天然气出口速度过大时,将导致天然气脱火、灭火。通过具体实验测试,最终发现:天然气入口压力在50~100 kpa时,天然气火焰比较稳定;当入口压力继续提高时,火焰出现脱火现象。

3.5助燃风量和风压

天然气成分中95%以上是甲烷(CH4),空气中氧 气含量为21%,根据化学反应式CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O可以计算得到1 Nm³ 的天然气完全燃烧所需空气量为10 Nm³左右。微气配风器的出力调节范围一般为60~200Nm³/h,所需的助燃风量为600~2 000Nm³/h,为保证天然气充分燃烧,需要保证足够的空气量供应。

当助燃风压力提高,速度将会随之提高,要保证混合燃烧区的气流速度小于燃烧传播速度39 m/s。通过具体实验测试,最终发现:助燃风压在2.0~4.5 kpa 时,容易点火,着火后火焰稳定。

4结论

通过上面的理论分析和实验结果得到如下结论:

1)微气配风器的结构设计对点火效果有很大的影响,比较合理的配风器结构为:内部多管供气、将混合燃烧区分为预混燃烧区和充分燃烧混合区、采用轴向和侧向都有出口的燃气喷嘴。

2)运行参数是保证点火效果的关键因素,其中最重要的运行参数是:(1)天然气供气压力,合适的调节范围为50~100 kpa;(2)助燃风量和风压,风量保证天然气完全燃烧所需空气量,风压调节范围为2.0~4.5 kpa。

[参考文献]

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2024年15期第4篇