粉煤粒度对其燃烧特性的影响

D0I:10.13374/j.issnl(001053x.2001.05.020 第23卷第5期 北京科技大学学报 Vol.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct.2001 粉煤粒度对其燃烧特性的影响 冯俊小乐恺刘应书侯庆文 北京科技大学机械工程学院，北京，10083 摘要就粉煤粒度对其燃烧特性的影响进行了实验研究，得到了粉煤燃烧火焰温度、粉煤颗 粒燃烬度、燃烧产物中NO生成量与粉煤粒度之间的关系.这些实验结果对进一步认识粉煤的 燃烧机理、燃烧过程及其污染物排放具有重要意义， 关健词粉煤粒度；燃烬度；燃烧特性；污染排放 分类号TK16 将煤磨成细粉进行燃烧是煤燃料利用的一 由上可以看出粉煤的粒度大小影响火焰的 种重要方法，但目前粉煤燃烧还存在不少问题， 燃烧温度和氮氧化物的生成.此外其粒度大小 如炉膛积灰影响产品质量，影响传热效率；在排 还会影响火焰的长短、燃烬度和烟尘排放量等 放的废气中烟尘含量高，NO.,C0,SO2等有害气 燃烧特性.本试验就粉煤粒度对粉煤燃烧火焰 体排放量大，这不仅造成环境的严重污染，还直 整体特性的影响进行研究，为进一步了解其燃 接危害人们的身体健康.综上所述，开展对粉煤 烧机理及有害物质生成、改进燃烧方法及现场 火焰特性的研究对国民经济的发展和人类社会 操作，以及开发粉煤燃烧过程的数学模型提供 的进步具有重大的现实意义 可靠的验证数据 1研究目的 2试验设备 粉煤燃烧涉及气一固两相流动、燃烧和传 2.1煤粉的制备和输送系统 热，是相当复杂的物理化学过程，不仅其机理复 该系统主要功能是把煤经过2级磨磨碎到 杂，而且涉及的过程参数很多，用数学理论研究 要求的粒度，再经带有电子秤的气力输送装置 相当困难.试验研究是一种相对比较简单而又 将粉煤送到燃烧系统 十分有效的研究途径.它很直观并且能进行重 2.2燃烧系统 复性研究，因此本文采用试验的方法对粉煤燃 主要由燃烧器、燃烧室、余热回收系统和冷 烧火焰进行研究 却系统等组成.在燃烧室不同高度上设有纵横 影响粉煤燃烧火焰特性的因素很多，其中 方向的测量孔，顶部的燃烧器可根据不同的要 很重要的因素就是粉煤的颗粒度，即粉煤的粗 求进行更换. 细程度.前人在单颗粒粉煤燃烧方面已作了大 2.3测量系统 量工作，如Midkitt和Altenkirch在文献中导出 图1是本试验设备测量系统的简化示意图. 了氨氧化物生成率与粒度的关系为： 测最值记录 测量孔 dm/dtocclr (1) 火焰温府 计算柯 式中，c为系数，，为煤粉颗粒半径，m. 在文献[2]中介绍了粉煤粒度与燃烧温度的 气体分析 信号处理 关系为 co,co NO,NO, tocKo42 (2) NH.CH 测量探头 学镜 式中，K为系数，d为粉煤颗粒的直径，m. 取气样 激光速 图1测量系统示意图 收稿日期200105-25冯俊小男，41岁，副教授，硕士 Fig.1 Diagrammatic sketch of measuring system

第 2 3 卷 第 5期 2 0 0一年 一0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U . ive 比 i ty o f sc ie n e e a n d l七c五n o l o gy 价 ji 加 g 、 b l 一 2 3 N 0 . 5 O C t 。 20 1 粉煤粒度对其燃烧特性的影响 冯 俊小 乐 恺 刘应 书 侯庆 文 北京科技大学机械工程学院 , 北京 , 10 0 83 摘 要 就粉 煤粒 度对其燃 烧特 性的影 响进行 了实 验研究 , 得到 了粉煤 燃烧火 焰温度 、 粉煤 颗 粒燃烬 度 、 燃 烧产 物 中N 仪 生成量 与粉煤 粒度 之 间的关系 . 这 些实 验结果 对进 一步认识粉煤 的 燃烧机 理 、 燃 烧过 程及其污 染物排 放具 有重 要意义 . 关键词 粉 煤粒度 ; 燃烬度 ; 燃 烧特 性 ; 污染 排放 分类 号 T K 1 6 将煤磨成细 粉进行燃烧是煤燃料利用 的一 种重要方法 , 但 目前粉煤燃烧还 存在不 少问题 , 如炉膛积灰影响产品 质量 , 影响传热效率 ; 在排 放 的废气 中烟尘含量高 , N O : , C O , 5 0 2 等有 害气 体排放量大 , 这不仅造成环境的严重 污 染 , 还 直 接危害人们的 身体健康 . 综上所述 , 开 展对粉煤 火焰特性 的研究对 国 民经济的发展和 人类社会 的进 步具有重大 的 现实意义 . 由上 可 以看 出粉煤 的粒度 大小影 响火焰 的 燃 烧温度和 氮 氧化 物的生成 . 此外其粒度大 小 还 会影响火焰 的长短 、 燃烬 度和 烟尘排放量 等 燃 烧特性 . 本试验就粉煤 粒度对粉煤燃烧 火 焰 整体特性 的影 响进 行研究 , 为进一步 了解其 燃 烧 机理及有 害物质生 成 、 改进燃烧方法及现 场 操 作 , 以及 开发粉煤燃烧 过程的数学模 型提 供 可 靠 的验证数 据 . 1 研究 目的 粉煤燃烧 涉及气 一 固两 相流动 、 燃烧 和传 热 , 是相 当复杂的物理化学过程 , 不 仅其机理复 杂 , 而 且 涉及的 过程参数很多 , 用 数学理论研究 相 当困 难 . 试 验研究是一 种相对 比较简单 而又 十分有效 的研究途 径 . 它 很直观并且 能进 行重 复性 研究 , 因 此本文采用 试验 的方法 对粉煤燃 烧 火焰进行研 究 . 影 响粉煤燃烧 火焰特性 的因素很多 , 其 中 很 重要 的因素就是粉煤 的颗粒度 , 即粉 煤的粗 细程 度 . 前 人在单颗粒 粉煤燃烧 方面 已 作 了大 量 工作 , 如 M i idk t 和 ^ lt e ink r e h 在文献 `” 中导 出 了氮氧化物 生成率与粒度 的 关系为 : d m N /dr co e 代 ( l ) 式 中 , c 为系 数 , ` 为煤粉颗粒半径 , m . 在文献【2] 中介绍 了粉煤粒度与燃 烧温度的 关系为 t p OC dK , ` , ( 2 ) 式 中 , K 为 系数 , d 为粉煤 颗粒 的 直径 , .m 收稿 日期 20 01 刁5 一 25 冯俊小 男 , 41 岁 , 副教授 , 硕 士 2 试验设 备 .2 1 煤粉的制备和输送 系统 该 系统 主要 功能 是把煤经过 2 级磨磨 碎到 要求 的粒度 , 再经带 有电 子秤 的气 力输送装 置 将粉煤送 到燃烧 系统 . .2 2 燃烧系统 主要 由燃烧器 、 燃烧 室 、 余热 回收 系统和 冷 却 系统 等组成 . 在燃烧 室不 同高度 上设有 纵横 方 向的测量孔 , 顶部的燃烧器 可根据不 同的 要 求进行 更换 . .2 3 测 , 系统 图 1是本试验设备测量系统的简化示意图 . 气体分 析 认 . 5众 C O , C q N O , N 岛 冈H , , C城 图 I 测 t 系统示 惫图 F i g . 1 D is g r a m m . itc s ke t e h o f m e a s u irn g sy s t e 口 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 05. 020

VoL23 No.5 冯俊小等：粉煤粒度对其燃烧特性的影响 ·461· 图中所示的主要是温度测量、燃烧产物成分测 图2所示的火焰温度变化是相吻合的.即在温 量、流场测量，以及燃料系统、冷却系统、余热回 度高的区域其燃烧产物中过剩氧含量较低，反 收系统、排烟的检测和调控系统等，它主要完成 之则高 燃烧过程的测量和控制 距燃烧器出口180mm处燃烧室横断面上 1600 3 试验参数 试验参数如表1和表2所示. 1200 表1空气的比例划分 Table 1 Proportion of divided air 800h 空气人口 空气量/% 火焰位置 中心空气（旋转） 18 400 3 一次空气（不旋转） 20 0-n2 0-91 二次空气（不旋转） 3> 200 5 -100 0 100 200 300 外围空气（不旋转） 颗粒半径r/mm 表2粉煤的粒度分布比例 图2距烧嘴30mm处的温度 Table 2 Granularity of powder coal % Fig.2 Temperature at 30 mm from nozzle 筛上残留物粒径/mm 序号 20 >0.09 >0.06>0.045>0.032 火焰位置 1.1 6.5 25 45 3 16 002 2.3 8.3 28 50 3 9.0 24.0 43 12 60 8人 4 试验结果及分析 试验结果如表3和图46所示. 表3氧化氨排放量及燃烬度平均值 200 -100 0 100 200 300 Table 3 Emission of NO,and average combustion 颗粒半径rfmm effectiveness 图3距烧嘴30mm处氧质量分数wo 序号 NO排放量10·燃烬度% Fig.3 Oxygen content at 30 mm from nozzle 1 1040 99.8 的NO,质量分数和过剩氧质量分数试验结果见 2 920 99.3 图4和图5.从这2个图中可以看出，粉煤粒度 3 850 98.8 最细的1号火焰其燃烧产物中氮氧化物的生成 从表3看出，从1号到3号火焰其粉煤粒 量最多，氧气质量分数最小，颗粒较粗的3号火 度逐渐变粗，燃烬度由99.8%降低到98.8%，同时 焰氨氧化物生成量最低，但氧的质量分数最高. N0.的排放量由1040×10-降到850×10-6这主 从图中也可明显看出二者对应的变化趋势. 图6是在不同粒度情况下，粉煤燃烬度与 要是随着粒度的变细，燃烧速度加快，燃烧强度 NO,排放量的相互关系.粉煤的燃烬度是从废 提高，导致更高的燃烧温度 图2表示火焰温度与粉煤颗粒半径的关 气中取出飞灰样品，分析计算的结果在取样品 系.从图2中可以看出，在火焰中心区域，粉煤 的同时测量NO,的质量分数.图中看出，随着粉 颗粒度最细的1号火焰其燃烧温度最高；而颗 煤粒度的减小其燃烬度提高，NO,的排放量也 增加. 粒度最粗的3号火焰其燃烧温度最低；2号火焰 的粒度和火焰温度居两者之间. 这一结果说明特定的燃烧条件下，如煤的 图3表示距烧嘴30mm处横断面上的氧质 种类、燃烧器种类、空气过剩系数等因素都对试 量分数分布.1号火焰中心区域氧质量分数最 验有影响.在讨论NO,的排放量时必须同时考 低，3号火焰氧质量分数最高，这一测试结果与 虑该火焰相应的燃烬值

、 b L2 3 N o . 5 冯俊 小等 : 粉煤 粒度对 其燃烧 特性 的 影响 图 中所示 的主要是 温度 测量 、 燃 烧产物成分测 量 、 流场测量 , 以及燃料系统 、 冷却 系统 、 余 热回 收 系统 、 排烟 的检测和调 控系统 等 . 它主要 完成 燃烧过程 的测量和控 制 . 图 2 所示 的火焰温度变 化是 相吻合 的 . 即在温 度 高的 区域其燃烧产 物 中过剩氧含 量较低 , 反 之则高 . 距燃烧器 出 口 1 80 r o r n 处燃烧 室横断面 上 16 0 0 咋| OJF . 庄u0IL| 陌旅20 ,`ùR4 3 试验参数 试验 参数如表 1 和 表 2 所 示 . 表 1 空气的 比例划 分 aT b肠 1 P or po 币0 . o f d iv i d e d a盼 空气人 口 空气量 / % 中心空气(旋 转 ) 一次空气( 不旋转 ) 二次空气( 不旋转 ) 外围空气( 不旋转 ) 火焰位置 合~ 占 3 口卜 n Z O一 l R ó U tz 盆, `,叹」 表 2 粉煤 的粒度分布 比例 几 bl e 2 G ar n u 肠ir yt o f OP w d e r e oa l 一 1 0 0 0 10 0 2 0 0 3 0 0 颗粒半 径对m m 图 2 距 烧嘴 30 m m 处 的温 度 eT m p e r a tU er a t 3 0 m m fr o m n o z l e 序号 筛上残 留物粒径 加m > 0 . 09 > 0 . 0 6 > 0 . 0 4 5 > 0 . 03 2 火焰位置 6 ,`八月呀O 芝 O惫 ù 3 4 0 ù一I 气 6 àR , `山, j 1 24.68 53.0 4 代ù、 n ù ,`n,且 4 试验结果及分析 试 验结果如表 3 和 图 -4 6 所示 . 表 3 氛化 氮排 放 l 及燃烬度 平均值 aT b l e 3 E m is s i o n o f N O 二 a o d a v e r a ge c o m b u s d o n e n er e t i v e n e , s 序号 N q 排放量 门 O 一 6 燃 烬度 机 0 一 一 20 0 一 1 0 0 1 0 0 20 0 30 0 颗粒半 径 r /m m 图 3 距烧嘴 30 nI m 处敏质 , 分 数 wo 凡 9 . 3 0叮 g e n e o n t e o t a t 3 0 m m fr o m o o z l e 10 4 0 9 2 0 8 5 0 9 9 . 8 9 9 . 3 98 . 8 从表 3 看 出 , 从 l 号到 3 号火焰其粉煤粒 度逐渐变粗 , 燃烬度 由 9 . 8% 降低到 98 . 8% , 同时 N O 二 的排放 量 由 10 4 0 x l 0 一 6降到 8 5 0 、 10 一` . 这 主 要是 随着粒度 的变细 , 燃烧速度加快 , 燃烧 强度 提 高 , 导 致更高 的燃烧 温度 . 图 2 表示火 焰温度 与粉煤 颗粒半径 的关 系 . 从 图 2 中可 以 看 出 , 在火焰 中心 区域 , 粉煤 颗粒度 最细的 1 号火焰其 燃烧温度最高 ; 而颗 粒度最粗的 3 号火焰其燃烧温度最低 ; 2 号火焰 的粒度 和 火焰温度居 两者之间 . 图 3 表示距烧 嘴 30 r n r 。 处横 断面 上 的氧质 量分数分 布 . 1 号火焰 中心 区 域氧质量 分数最 低 , 3 号火焰 氧质 量分数最 高 , 这一测 试结果 与 的 N O ,质量分 数和 过剩氧质量分数试验结果 见 图 4 和 图 5 . 从 这 2 个图 中可 以看 出 , 粉煤粒度 最细的 1 号火焰其燃烧产物 中氮 氧化物 的生成 量最多 , 氧气 质量分数最小 , 颗粒较粗 的 3 号火 焰 氮氧化物生成量最低 , 但 氧的质量分数最高 . 从 图 中也 可 明显 看 出二者对应 的变化趋势 . 图 6 是在不 同粒度情 况下 , 粉煤燃烬度 与 N O 二 排放 量的相互关 系 . 粉煤 的燃 烬度是从废 气 中取出飞灰样 品 , 分析计算的 结果 . 在取样 品 的同时测量 N O 二 的质量分数 . 图 中看 出 , 随着粉 煤粒 度的减小其燃 烬度提高 , N O 二 的排放量也 增 加 . 这一 结果说明特定 的燃 烧条件下 , 如煤 的 种类 、 燃烧器种类 、 空 气过剩系数 等因素都对试 验 有影 响 . 在讨论 N O 二 的排放量 时必须 同时考 虑该火焰 相应 的燃烬值

·462◆ 北京科技大学学报 2001年第5期 1600 2000 051% 粗 。32% 1600 014% 1200F 细 09 。10% ￥1200 ·8% 0 9。 0.09mm 800 800 火焰位置 400 400 3 96.0 97.0 98.0 99.0 100.0 t-02 燃烬度% 0 ●01， 图6不同粒度下燃烬度与NO,排放量的相互关系 -200-100 0 100 200300 Fig.6 Relationship between combustion effectiveness and 颗粒半径rmm emission of NO,under different granularity 图4距烧嘴出口180mm处氧化氨的质量分数 5结论 Fig.4 NO,content at 180 mm from nozzle 粉煤粒度是粉煤燃烧的一个重要物理参 3 数，粒度大小显著地影响其燃烧火焰的温度、燃 号2 烬度和NO的排放量.试验结果为进一步开发 火焰位置 粉煤火焰的数学模型，提供可靠的验证数据.今 后应对煤种、空气消耗系数、燃烧器等因素对粉 煤燃烧火焰的影响作进一步的研究. 参考文献 1 Midkitt K C,Altenkirch R A.Particle-Size Effects on the Distribution of Fuel Nitrogen in one Dimensional Coal- -200-100 0 100 200 300 Dust-Flammes.In:21st Symp(Int)on Comb,Comb Inst. 颗粒半径rmm 1986.1189 图5距烧嘴出口180mm处氧的质量分数 2 Schnell Uwe.Stickoxid-Berechnung in Feuerungen:[ Fig.5 Oxygen content at 180 mm from nozzle 论文]，斯图加特：斯图加特大学，1991 3李君慧.能源与环境.沈阳：东北大学出版社，1994 4常弘哲.燃料与燃烧.上海：上海交通大学出版社， 1993 Effect of Powder Coal Granularity on Its Combustion FENG Junxiao,YUE Kai.LIU Yingshu,HOU Qingwen Mechanic Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083,China ABSTRACT On the basis of experimental methods,the effect of powder coal granularity on its combustion is studied.The flame temperature of powder coal combustion,the combustion effectiveness of powder coal granularity and the relation between the emission of NO,in the gas and the granularity of powder coal are ob- tained.These valuable experimental parameters for the research on utility of powder coal and the control pol- lution of waste gas are provided. KEY WORDS powder coal granularity;combustion characteristic;combustion effectiveness;pollution let

4 62 . 北 京 科 技 大 学 . 学 报 2 00 1 年 第 s 期 1 细 2 0 0 0 0 5 1% 0 3 2% 0 1 4% 。 1 0% . 8% 0 . 09 r n r n on 0 ù 0 ù 6 自à,R 甲一之O琴夏 、 甲O一、毖。z 火焰位置 4 0 0 Lse es e es e es e we ~ -L ~ es ~ e se 9 6 . 0 9 7 . 0 98 . 0 9 9 . 0 10 0 . 门 0 ,J 户 ù1 1 曰H 16 00 1 20 0 80 0 4 0 0 0 -L 一 20 0 一 1 00 燃烬 度 /% 图 ` 不 同粒度 下燃 烬度与 N O : 排放 t 的相互 关 系 F i.g 6 R e l a 灯0 . 止i P b e 幻万 e e n e o m b u s iot n e幻陌c ivt e n e s s a n d e m i , s i o n o f N q u n d e r d i到er r e n t g r a n u la ir yt 图 4 Fig · 4 颗粒半 径 距烧 嘴 出口 18 0 nI m 1 00 2 00 30 0 r 1/ n m 处 权化 氮的质 t 分数 N O : e o . et . t a t 1 8 0 m m fr o m n o z l e 奋, 心 3 . 喇. 2 . ` 份 l 火焰位置 只à 0/ 奔0 O` 一 2 0 0 图 5 F ig · 5 一 1 0 0 0 1 0 0 20 0 30 0 颗粒 半径 ; m/ m 距烧 嘴 出 口 1 80 nI ln 处氛 的质 t 分数 o xy ge u e o n t e n t a t 1 80 m m for m n o z l e 5 结论 粉 煤粒 度是 粉 煤燃 烧 的 一个 重要 物 理参 数 , 粒度大小显著地影响其燃烧火焰 的温度 、 燃 烬度和 N O 二 的排 放量 . 试验结 果为进一步开发 粉煤 火焰的数学模型 , 提供 可靠 的验证数据 . 今 后应对 煤种 、 空 气消耗系数 、 燃烧器等因 素对粉 煤燃烧火焰 的影响作进一步 的研究 . 参 考 文 献 1 M i dik t K C , A l t e nk icr h R A , P axt i e l e 一 S ize E fe e t s o n th e D i s tr ib u t i o n o f F u e l N i tro g e n i n o n e D im e n s i o n al C o a l - D u s t 一 F l am m e s . I n : Z l s t S y m P (I n t ) o n C o m b , C o m b I n s t . 19 8 6 . 1 1 89 2 S e hn e l l U w e . S t i e k o x i d 一 B e er e hn un g i n F e u e unr ge n : [博 士 论文 ] . 斯 图加特: 斯 图加特 大学 , 1 9 91 3 李君 慧 . 能 源与环 境 . 沈 阳 : 东北 大学 出版社 , 19 94 4 常 弘哲 . 燃料 与燃烧 . 上海 : 上海 交通大 学 出版社 , 19 9 3 E fe e t o f P o w d e r C o a l G r a n u l a r iyt o n I t s C o m b u s it o n 尸忍N G uJ nx ia o, YUE K d i, IL U 竹 n gs 加 , 刀口 U iQ n g w en M e e h an i e E gn in e e n n g S e h o o l , U S T B e ij in g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , Ch i n a A B S T R A C T 伪 hte b a s i s o f e xP e ir m e nta l m e hto d s , het e fe e t o f Po w de r e o a l gr an ul iar yt on it s c o m b u st ion 1 5 s ut id e d . Th e fl am e t e m Pe r a t 止 e o f P ow d e r e o al e o m b u s t i o n , ht e e o m b u s ti o n e fe e t i v e en s s o f Po w d e r e o a l gr an u l iar yt an d ht e er l at i o n b e wt e e n het e m i s s ion o f N O 二 in ht e ga s an d ht e gr an u l iar yt o f P o w d e r e o a l aer ob - at ien d . hT e s e v al us b l e e xP e r i n l e n t a l Pa r a 们。 e t e r s for het er s e acr h o n u tiliyt o f op w d e r e oa l an d ht e e on tr o l Po l - lut ion o f w a s et g a s aer Por v id e d . K E Y W O R D S P o w ds r e o a l gr an u l iar yt : e o m b u st ion hc ar ac t e ir s it e : e o mb us t i o n e fe c t i v e n e s s ; P o llut ion l e t