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      生物質燃燒機的設計與應用

      作者:鄭州達冠節能環保設備有限公司 ?????來源:http://www.74q677.fun/news/415.html?????發布時間:2017-11-26 20:59
      導讀:生物質燃燒機的設計與應用 摘要:采用理論分析與生產實踐相結合的方法闡述了生物質燃燒機的設計原理和使用經驗。介紹了玻璃熔窯生物質燃燒機的設計依據與應用實例分杌根據燃燒

      生物質燃燒機的設計與應用
      摘要:采用理論分析與生產實踐相結合的方法闡述了生物質燃燒機的設計原理和使用經驗。介紹了玻璃熔窯生物質燃燒機的設計依據與應用實例分杌根據燃燒火焰特性對燃燒器的性能進行評價。
          生物質燃燒是古老而年輕的課題。生物質燃燒技術的進步在很大程度上依賴于燃燒器性能的提高,因此很有必要對生物質燃燒機的設計與應用進行再認諷本文論述玻璃熔窯生物質燃燒的基本過程,
      高效節能型燃燒器的設計依據,以及燃燒器的應用實例分析。
      2生物質燃燒的基本過程
          生物質燃燒是一項很復雜的物理和化學過程,基本過程可分為生物質噴霧,油霧在窯爐內的流動過程,油霧升溫過程,油霧裂解、氣化與燃燒過程以及傳熱過程共5個過程。噴霧效果是燃燒器性能的
      重要評價指標,與燃燒器的設計密切相關。而油霧在窯爐內的流動過程,油霧升溫過程油霧裂解、氣化與燃燒過程,以及傳熱過程這4個過程與燃燒火焰聯系緊密,除了與燃燒器性能有關外,還與燃料的
      性能、窯爐的結構與尺寸、助燃風的供應方式、玻璃熔制工藝要求,以及動力參數的調節密切相關,這些過程因素是燃燒器設計和調試的主要內容。
          生物質噴霉機理可分為三種:壓力霧化,氣動霧化和發泡霧化。
          (1)壓力霧化
          生物質流股以一定的壓力和流速從噴頭流線槽中噴出,流線槽一般根據噴霧效果設計成一定的曲線形狀,噴出的流股通過相與相之間邊界層的作用以及絕熱膨脹過程分裂成液滴、液泡和液膜,根據
      流體流動和物理化學原理,滴、泡和膜之間將發生轉變,生物質最終分裂成直徑細小的油霧,油霧的大小與噴頭的結構、油的狀態變量(壓力、流速、溫度等),以及油的物理化學性能(如粘度,表面
      張力等)有關,油霧的射程和擴散角對于燃燒火焰的調節影響很大。
          (2)氣動霧化
          氣動霧化是利用具有一定壓力的霧化劑與生物質之間的相互作用,把油霧化成一定粒徑的油霧,霧化劑常用蒸汽和壓縮空氣,最常用的是壓縮空氣,因此本文采用壓縮空氣作霧化劑來討論。假設生
      物質噴頭不變,噴霧射程和擴散角除了可以采用壓力霧化方式調節外,還可通過壓縮空氣的壓力和用量來調節,因此,與壓力霧化相比,油霧的射程和擴散角的調節手段多,調節范圍寬,這種霧化機理
      更具有實用價值。
          (3)發泡霧化
          詆粘度的生物質利用壓力霧化和氣動霧化可以獲得直徑很細的油霧,能夠滿足燃燒工藝要求。對于質量較差的生物質,如高標號的重油,號外渣油,以及未脫蠟的重油,雖然可以通過提高溫度使油
      的粘度和表面張力降低,提高噴霧質量,但是加熱溫度受到很多因素的限制,油溫不能太高,否則,循環油會引起油罐冒泡,將加快管路連接處密封材料的老化,容易使油管路產生油泄漏;生物質將發
      生氣化和裂解,產生析碳結焦,堵塞燃燒器和管路,使輸送壓力提高,產生不安全隱患。雖然也可以采用重渣油浮化技術改變油的粘度和表面張力,但應用推廣工作目前還未普及。
          發泡霧化尤其適合于表面張力重渣油的霧化。根據物理化學原理,假設油與空氣接觸不發生擴散和化學反應,氣泡是球形的,油和氣泡均靜止不流動,且各處溫度均勻一致,則油中的氣泡壓力Ph可
      由下式計算:
          Ph—Pa+ Po+ P。式中:Pl)為氣泡中的壓力;P。為大氣壓力;P。為油的壓力;P。為表面張力引起的壓力,P。一46/d,a為表面張力,d表示氣泡的直徑。
          取油與空氣接觸的表面張力d - 0.3 N/m時,表面張力引起的壓力P。與氣泡直徑d的關系見表。
          表1  表面張力引起的壓力與氣泡直徑的關系
      Pa/× 0. 1 MPa          12         1. 2       0. 12     0. 012
          由此可見,氣泡直徑越小,油的表面張力越大,油中氣泡內的壓力越大。生物質中一旦形成小于0. 01m rri的微氣泡,氣泡中會產生大于0.12 MPa的壓力,使氣泡迅速膨脹而破裂,從而起到霧化生
      物質的作用。因此發泡霧化尤其適用于重油的噴霧霧化,彌補了壓力霧化和氣動霧化的不足。發泡霧化的技術難點在于如何使油產生大量的微氣泡。
      3燃燒火焰的組織
          燃燒火焰除了與燃燒器結構有關釙,與窯爐的設計技術、運行條件、動力供應條件,以及操作技術是分不開的。企業應注重實效,根據實際情況設計或選擇燃燒器,對燃燒器的性能給予客觀公正的
      評價。
          燃燒火焰的組織,作者從實踐中體會到值得注意以下幾個方面:
          (1)燃燒器的結構與加工質量
          從燃燒器外觀質量來看,不管是冷態試驗、熱態試驗還是工業性應用比較,內混式結構取代外混式結構是一種發展趨勢。因此,燃燒器應首選內混式結構,其次是燃燒器的加工質量,燃燒器內在加
      工質量對燃燒火焰有明顯的影響。
          (2)燃燒器的安裝方式
          對于玻璃單元窯(見圖1),燃燒器的安裝方式對火焰不會產生明顯的影響。
          對于蓄熱室窯爐(圖2、圖3),燃燒器的安裝方式對火焰有一定的影響。燃燒器的安裝方式與燃料和助燃風的混合效果有關,主要取決于小爐結構、燃燒器結構、燃燒空間大小,以及助燃風從小爐
      出口的流速。燃燒器的傾角與火焰的長度關系密切,現場調試應根據實際火焰特性進行選取。
          (3)助燃風的用量與供應方式
          助燃風的用量取決于燃料與助燃風的比例以及燃料與助燃風的混合方式,混合充分,空氣過剩系數可以控制得比校低。
          燃料與助燃風的混合效果取決于小爐的設計、燃燒器的設計以及安裝操作方式。    作者在一座馬蹄焰窯的調試中,開始時助燃風
      量過剩,在工藝溫度不變和火焰特性不變的情況下,減少助燃風的用量,燃料消耗減少1/3。
          對于馬蹄焰窯爐,小爐出口助燃風速對燃燒室內空氣的流動和擴散影響很大,直接影響到燃燒火焰特性。如果燃燒室內氧氣濃度分布不合理為了保證理想的燃燒火焰特性,只能增加空氣過剩系數,
      必將導致燃料消耗的增加。
          (4)對火焰特性的認識
          火焰的覆蓋面積對于增加火焰對物料的有效傳熱至關重要。與火焰覆蓋面有關的火焰長度、寬度以及擴散角,除了必須滿足熔制工藝要求外,還得與實際窯爐的結構設計相匹配,保證燃燒空間內合
      理的溫度梯度。
          火焰的溫度和亮度對燃燒室內的傳熱過程影響很大,只要采用高熱值燃料火焰的溫度調節不成問題。火焰亮度的調節目前還只能根據具體燃燒條件通過燃燒器的設計和操作控制,關于火焰析碳與發
      光的專題論述參見文獻[1]。
          在火焰的亮度控制方面有不同的觀點,一種觀點認為火焰的亮度越高越好,另一觀點認為火焰的亮度越低越好。作者認為,火焰的亮度只能作為燃燒控制的參考指標,燃燒控制應首先滿足熔制工藝
      溫度和火焰的覆蓋面,火焰的亮度應與煙氣中02含量和CO含量以及燃料消耗指標結合起來綜合考慮。火焰亮度高,雖然能增強火焰向周圍空間的輻射傳熱,但火焰析碳發光的前提條件是燃料高溫缺氧析
      碳,容易導致不完全燃燒,煙氣中CO含量高;火焰亮度低,甚至呈透明狀,雖然燃料燃燒充分完全,但火焰輻肘傳熱效率低。
          (5)動力消耗
          生物質燃燒的動力消耗主要指燃料的消耗與霧化介質的消耗。質量好的燃燒器,噴出的油霧直徑細小,與助燃風的混合效果好,火焰的覆蓋面大,燃料燃燒充分,因而燃料消耗低。對于一座熱耗4. 
      18×106 kj/h的窯爐,如果節約10%的燃料消耗,每年可節約87 t油,按油價1 500元/t計算,每年可節約消耗13萬元。
          燃料燃燒的另一項動力消耗是霧化介質,目前絕大多數企業采用壓縮空氣霧化,普通的燃燒器壓縮空氣的油消耗在0.6~1.2 m3/kg,結構好的燃燒器壓縮空氣的油消耗可以控制在不大于0.3 ffl3]
      kgo對于一座熱耗4.18X l06 kj/h的窯爐來說,壓縮空氣按價格0. 10元/m3計算,每年至少可以節約消耗2.6萬元。
          (6)煙氣成分的測定和顏色的觀察
          煙氣成分測定工作的意義和經濟價值是很明顯的,煙氣成分中0 2含量和CO含量控制得合理,每年可為企業減少可觀的動力消耗。據統i-l-[a,每增加1%的含氧量,燃料消耗增加率為2%~2.5%。
          煙氣的顏色與燃料的燃燒工況以及煙氣成分有關,憑經驗觀察煙氣的顏色可間接地推測燃燒工況。
      4設計依據
          生物質燃料器的設計僅僅滿足燃燒室熔制工藝溫度是不夠晌,還應獲得理想的燃燒火焰工況和窯爐氣氛,因此對燃燒火焰產生影響的因素都是燃燒器設計應考慮的內容。這些因素歸納起來可分為動
      力條件,窯型結構,燃燒器結構,燃燒火焰工況四個方面。
          (1)動力供應條件
          燃燒設計需要采集很多原始數據,如生物質的熱值和理化性能、生物質的供應能力、壓力要求,以及供應條件的可靠性和穩定性、滿足霧化所需霧化介質的用量和壓力要求,這些都是與燃燒器的設
      計和使用性能直接相關的重要設計資料。
          (2)窯型結構
          窯型結構對燃燒火焰產生直接的影響。假設燃燒條件相同,僅僅窯型不同,如橫火焰窯與馬蹄焰窯,燃燒火焰長度不同。為了獲得相同的火焰長度,馬蹄焰窯燃燒器出口速度必須高于橫火焰窯。
          小爐的結構型式,小爐出口面積,助燃風從小爐出口的速度和壓力直接影響著燃燒火焰的亮度和燃燒速度。
          (3)燃燒器結構
          燃燒器結構對生物質的霧化特性,火焰的長度、亮度,以及擴散角影響很大。
          生物質燃燒機結構分外混式和內混式兩種類型。內混式燃燒器具有霧化油霧粒徑細小、燃燒充分、火焰調節范圍寬的優點。
          (4)燃燒火焰工況
          熔制工藝對燃燒火焰工況有一定的要求。玻璃出料量、窯壓、燃燒能力均對燃燒火焰特性有很大的影響,燃燒器的設計應充分考慮火焰的飫度、亮度,以及對這些因素有影響的參數。
      5應用
          國內以重渣油為燃料的玻璃熔窯,燃燒器的結構形式很多,按燃料與霧化劑混合方式可分為外混式和內混式兩種型式。文獻[3]中曾對內混式和外混式燃燒器的冷態試驗結果、熱態試驗結構,以及生
      產使用效果進行了詳細的報道。通過實際使用比較,內混式燃料器具有以下一些優點:
          ①火焰覆蓋面大;②調節范圍寬;③噪音小;④油耗低;⑤火焰長度方向上溫差小;⑥霧化劑耗量
          國外玻璃熔窯早己使用內混式燃燒器,國內玻璃熔窯也有使用引進產品的,從引進產品與仿制品的比較看出,燃燒效果存在明顯的差距。由此可見,燃燒器設計和制造技術含量高,高質量的燃燒器
      不能簡單依靠仿制,只有依靠理論知識和實踐經驗的積累,產品質量才能不斷提高。
          以下是幾種燃燒器的應用實例分析:
          (1) 40 ffl2單元窯燃燒器
          此窯每側分布12只燃燒器,燃燒器結構為外混式,實際運行中燃燒能力8.4×loskJ/}i左右。在窯爐過大火時,火焰的末梢可以見到芝麻大小發光的火星,正常運行日寸,火焰長度短、亮度較低,
      幾個月后燃燒器頭部發現有燒蝕現象。燃燒器霧化介質出口前設有幾個一定坡度的臺階壓縮空氣耗量很低,在每公斤油0.3 ffl3左右。此燃燒器設計和加工技術難度較高,存在的不足之處是燃燒器在使
      用中有一定的振動和噪音,火焰長度偏短。
          (2) 10 ffl2馬蹄焰窯燃燒器[4]
          此窯每臺小爐設2只燃燒器,結構為內混式,燃燒能力3. 35×l06 kj/ho正常運行時,火焰與燃氣火焰相近,火焰穩定且方向性強,聽不到噪音,壓縮空氣每公斤油耗量在0.3 IT13以下,火焰長度方
      向上溫差小,使用效果比較理恕。
          (3) 71 rr12橫火焰窯燃燒器
          此窯設計4對小爐,每臺小爐設一只燃燒器,結構為內混式,火焰方向幾乎呈水平狀態,火焰亮度低,幾乎呈透明狀態。在窯爐改造前采用外混式燃燒器,每臺小爐設多只燃燒器,火焰向上傾l,火焰
      亮度很高,火焰狹窄,覆蓋面積較小。窯爐改造后采用內混式燃燒器,生物質消耗明顯降低。通過比較發現內混式與外混式相比,燃燒更充分更完全。
          (4) 27 1T12單元窯燃燒器
          此單元窯燃燒器結構為外混式,燃燒能力在8.4×10。kj/h,采用低壓風霧化,霧化風用量占助燃風總量的1/3,在過大火升溫時,可以見到雪花狀的火星,正常運行時,火焰白亮,燃料消耗高。
          通過4個應用實例和理論分析可以看出以下幾點:
          (1)火焰的亮度與油耗相聯系更有實用價值。火焰發亮,煙氣中CO含量高,導致化學不完全燃燒。火焰透明,輻射傳熱效率較發光火焰低。因此,火焰的亮度用油耗的高低來評價較客觀合理。
          (2)油霧化效果應與燃燒效果相聯系,不能簡單地認為油霧越細,燃燒器性能越好。冷態試驗和熱態試驗效果好并不能說明生產使用效果好。燃燒器的設計不僅要噴出直徑細小的油霧,而且還應合理
      地組織油霧在窯內的流態,在很大程度上,燃燒器起著組織燃嬈火焰的作用。
          (3)火焰的亮度受到油霧流態的控制,生物質同樣能燃出透明火焰。
          (4)霧化用壓縮空氣的消耗對于大型玻璃池爐來說是一項很大的動力消耗,應作為燃燒器的一項技術指標來考慮。
          (5)內混式燃燒器的設計應體現出氣動霧化機理和氣泡霧化機理,油霧直徑小,油耗低。
          綜上所述,燃燒器的結構與性能應與窯爐結構和操作技術相結合,才能獲得理想的燃燒火焰和較低的燃料和動力消耗。

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