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電站鍋爐沼氣點火裝置的研究與設(shè)計

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電站鍋爐沼氣點火裝置的研究與設(shè)計
劉圣勇　齊愛琴　高林朝　張全國
(河南農(nóng)大農(nóng)業(yè)部可再生能源重點開放實驗室　鄭州　450002)
　　摘　要: 詳細(xì)闡述了電站鍋爐沼氣點火裝置的噴嘴、引射器及燒嘴的設(shè)計計算
與穩(wěn)定火焰的方法。應(yīng)用結(jié)果表明, 該點火裝置火焰溫度高, 適應(yīng)性強(qiáng)、使用經(jīng)濟(jì)、
操作方便, 在電站鍋爐無油、少油點火方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 電站鍋爐　沼氣　強(qiáng)制預(yù)混　點火裝置
　　目前, 世界上火力發(fā)電廠煤粉鍋爐基本
上都是用油點火或助燃, 只有少數(shù)國家使用
氣體燃料。在我國, 電廠的燃煤鍋爐都是用
油進(jìn)行點火或助燃。在用油點燃時, 一般是
用油將爐膛燒熱, 以保證煤粉在噴入爐膛時
穩(wěn)定燃燒。同時, 在運行中, 由于負(fù)荷的變
化, 在低負(fù)荷下燃燒可能不穩(wěn)定, 因此需要
油助燃。這種點火方式耗油量很大, 目前全
國電站鍋爐點火用油每年40 萬噸以上, 助燃
用油消耗量就更大。隨著能源供應(yīng)的日趨緊
張, 以煤代油、以氣代油已成為解決我國能
源問題的重要措施之一。為了達(dá)到節(jié)約能源、
經(jīng)濟(jì)實用的目的, 作者設(shè)計了沼氣點火裝置,
本裝置采用強(qiáng)制預(yù)混式燃燒方式, 先在預(yù)燃
室中點燃煤粉—空氣流并使之穩(wěn)定燃燒, 再
由噴出的煤粉火炬去加熱爐膛并最終點燃鍋
爐的主煤粉流, 這樣用煤粉預(yù)燃室代替了油
槍, 從而達(dá)到了節(jié)油目的。由于本裝置采用
沼氣為點火源, 燃?xì)鉄嶂递^高, 調(diào)節(jié)方便, 只
需1～ 2m 3 沼氣在幾分鐘內(nèi)就能將預(yù)燃室點
燃, 并在很小的氣量消耗下長期伴燒。通過
實驗及技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明, 本設(shè)計安全可靠、
操作方便、投資小、經(jīng)濟(jì)效益高, 這也正是
本設(shè)計所具有的獨創(chuàng)之處。
1　設(shè)計所依據(jù)的主要技術(shù)參數(shù)
本裝置應(yīng)用于容量為130töh 的煤粉鍋
爐, 引燃煤種為無煙煤, 根據(jù)所需熱負(fù)荷, 所
選用的沼氣流量為916m 3öh , 額定出口壓力
為10kPa, 一次空氣系數(shù)為0195, 空燃比為
L = 515m 3öm 3, 本設(shè)計選取沼氣的組分為
CH460% , CO 239% , H2S 015% , N 2 015% ,
燃燒傳播速度V T = 20cm ö s。本設(shè)計采用強(qiáng)制
預(yù)混式燃燒方式, 因為此種燃燒方式可使燃
料燃燒完全, 熱效率高。其原理是用沼氣引
射一定量的空氣, 保證在過?？諝庀禂?shù)近1
的條件下實現(xiàn)完全燃燒。由于沼氣的壓力低,
引射的空氣量不足, 因此需加裝風(fēng)機(jī), 增大
空氣量, 以實現(xiàn)強(qiáng)制預(yù)混燃燒。沼氣的性質(zhì)
及著火性能見表1。
表1　沼氣的性質(zhì)及著火性能
密　度
(kgöm 3)
熱　值
(kJöm 3)
在空氣中的著火
溫度(℃)
在空氣中的
著火極限(% )
下限上限
1122 21611 670 7 26
2　燃燒器的設(shè)計計算
211　噴嘴的設(shè)計計算
噴嘴的設(shè)計是燃燒器的關(guān)鍵部分, 尤其
是噴嘴直徑的選擇更為重要。噴嘴的計算是
基于氣體動量方程和氣體流動的基本方程。
由于沼氣的額定出口壓力為10kPa, 所以按
壓縮性低壓氣體計算。
沼氣噴嘴出口流速可由(1) 式算出。
V =
2T oP r
Qo
rT rPo
△P r (1)
8 中國沼氣　Ch ina B iog as 1998, 16 (1)
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式中, T o——空氣的溫度(K) ; T r——燃?xì)?
溫度(K ) ; Qo
r——沼氣密度(kgöm 3) ; P o——
空氣的絕對壓力(kPa) ; P r——沼氣的絕對
壓力(kPa) ; △P r——燃?xì)鈬娮烨跋鄬毫?
(kPa) ; V ——沼氣出口流速(m ös)。
噴嘴直徑可由(2) 式算出。
d r=
q×106
01785V
·
1
K
(2)
式中d r——噴嘴直徑(mm ) ; q——沼氣的流
量(m 3öh ) ; K——噴嘴修正系數(shù), 取0175
噴嘴長度可由(3) 式算出。
L r= 2dr (3)
式中L r——噴嘴的長度(mm )
噴嘴的結(jié)構(gòu)見圖1, 噴嘴的尺寸見表2。
圖1　噴嘴的結(jié)構(gòu)
212　引射器的設(shè)計計算
引射器的設(shè)計計算是以動量定理、連續(xù)
性方程及能量守恒定律為基礎(chǔ), 同時又考慮
了燃?xì)夂涂諝庠诨旌瞎軆?nèi)所產(chǎn)生的撞擊及摩
擦損失, 而撞擊損失又屬于完全非彈性體的
阻力性質(zhì), 因此使計算十分復(fù)雜, 這里就簡
要概述之。
混合管fc 與沼氣噴咀fr 的最佳面積比
F1 可用(4) 式求出。
F 1= fc
öf
r= A 〔Bmn- C (m - 1) (n- 1) 〕(4)
式中A ——修正系數(shù), 取A = 1; B ——引射
器內(nèi)空氣、沼氣混合氣的沿程阻力, 其值可
由(5) 式求得; C——引射器內(nèi)空氣沿程流
動阻力, 其值可由(6) 式求得; m ——體積
噴射比、即混合氣的體積與沼氣體積之比, 其
值可由式(7) 求得; n ——重量噴射比, 即
混合氣的重量與沼氣的重量之比, 其值可由
(8) 式求得
B= 1+ ΣNc (5)
C= 1- ΣNB
(6)
m = 1+ A
1L
T o
T r
(P o
P r
) - 0123 (7)
n= 1+ A
1L
QoQo
r
(8)
(5) ～ (8) 式牛ΣNc ——引射器內(nèi)空氣、沼
氣混合物的沿程流動總阻力; ΣNB
——引射
器內(nèi)空氣沿程總阻力; A
1——引射器內(nèi)過剩
空氣系數(shù); L ——空燃比(m 3öm 3) ; Qo
——空
氣密度(kgöm 3)。
因此混合管直徑d c、長度L c, 擴(kuò)張管長
度L A , 入口管長度L k , 擴(kuò)張管的最粗直徑
dA , 入口管收縮前的直徑d k , 可分別由(9)、
(10)、(11)、(12)、(13) 式求得。收縮入口
管角度B
k 取36°, 擴(kuò)張管張角B
A 取8°。引射
圖2　引射器的結(jié)構(gòu)
器的結(jié)構(gòu)見圖2。
　　d c= d r F 1 (9)
L c= L A = 5dc (10)
L k= 112d c (11)
dA = d c+ 2L A tan
B
A
2
(12)
d k= d c+ 2L k tan
B
k
2
(13)
213　燃燒器燒嘴的計算
燃燒器燒嘴的截面積fh·r與混合管截面
積fc 的最佳面積F2 可由(14) 式求出。
F 2= fh·r
öf
c=
mn (1+ N
h ·r) △P c
F 1 (△P c- △P 爐)
(14)
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式中N
h·r—— 燒嘴噴頭阻力系數(shù), 取012;
△P c—— 燒嘴內(nèi)混合氣體壓力的增高值
(P a) , 其值可由(15) 式確定; △P 爐——預(yù)
燃室內(nèi)煤粉—— 空氣混合物壓力的升高值
(P a) , 其值可由(16) 式確定
△P c= W2 P r
F 1
(15)
△P 爐= Qo
V 21
2
(16)
(15)、(16) 式中　W——修正系數(shù), 取0185;
V 1——預(yù)燃室內(nèi)混合物的流速(mös)。
因此燒嘴噴口直徑dh·r, 燒嘴長度L h·r ,
可燃混合物噴口噴出的速度V h·r可分別由
(17)、(18)、(19) 式求得。燒嘴的結(jié)構(gòu)見圖
3。
d h·r= d c F 2 (17)
L h·r= (dA - d h·r) ö(2tan
B
h·r
2
) (18)
V h·r=
q (1+ A
1L ) T cm ×106
01785d 2
n. rT o
(19)
(17) ～ (18) 式中　B
h·r——燒嘴的收縮角,
取14°; T cm ——可燃混合物溫度(K)。
圖3　燒嘴的結(jié)構(gòu)
　　因此燃燒器的各部分設(shè)計的尺寸見表
2, 結(jié)構(gòu)見圖4
圖4　燃燒器的結(jié)構(gòu)
11 收縮管　21 混合管
31 擴(kuò)張管　41 燒嘴
表2　燃燒器各部分設(shè)計尺寸
設(shè)計參數(shù)
d r
(mm)
L r
(mm)
H F 1
dc
(mm)
L c
(mm)
L A
(mm)
L k
(mm)
B
k
B
A
d k
(mm)
dA
(mm)
F 2
d h·r
(mm)
B
h·r
L h·r
(mm)
設(shè)計尺寸518 1116 60° 35 35 175 175 42 36° 8° 62 60 112 38 14° 86
214　穩(wěn)定火焰的方法
由于本設(shè)計采用強(qiáng)制鼓風(fēng)預(yù)混式燃燒,
氣流速度和Re 數(shù)都較大, 易產(chǎn)生脫火現(xiàn)象,
為此需在燃燒器噴頭上加裝用鋅白銅制作的
多孔擋火板, 預(yù)混的可燃?xì)怏w流過多孔板時,
在相鄰兩孔之間形成回流區(qū), 防止脫火的發(fā)
生。在一定燃料及混合比相同條件下, 臨界
狀態(tài)的吹熄速度W 與氣流壓力P 及回火尺
寸成正比, 即氣流壓力增大, 吹熄速度也增
大, 一定氣流壓力下回流尺寸越大, 火焰越
不易被吹熄, 同時又考慮到點火熱負(fù)荷, 因
此檔火板上孔和板的面積比應(yīng)為1∶1。
3　沼氣點火裝置在電站鍋爐點火中的應(yīng)用
作者設(shè)計的沼氣點火裝置首次應(yīng)用在
DG130ö39ö4 50——M 電站鍋爐上兩支出力
為0118kgös 煤粉預(yù)燃室點火中, 并獲得了點
火上的成功。沼氣點火系統(tǒng)見圖5, 所得結(jié)果
列于表3
4　結(jié)論
(1) 本裝置在給定設(shè)計參數(shù)下, 火炬長
達(dá)1105m , 火焰溫度高達(dá)1800℃, 有較強(qiáng)的
輻射力, 從技術(shù)上來講是可行的, 達(dá)到了設(shè)
計的要求, 同時也證明了該設(shè)計方法的正確
性與科學(xué)性。
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圖5　沼氣點火系統(tǒng)示意圖
(2) 該點火裝置在DG130ö39ö450—M 電站
鍋爐的煤粉預(yù)燃室中燃燒425s 后, 煤粉預(yù)燃
室完全進(jìn)入穩(wěn)定運行狀態(tài), 點火裝置可熄滅。
這也就是說該點火裝置在短短的幾分鐘內(nèi),
只需1～ 2m 3 沼氣就可將煤粉預(yù)燃室點燃,
折合成本5 元, 從經(jīng)濟(jì)上看也是合理的。與
傳統(tǒng)用油點燃一次鍋爐需2t 柴油(折合人民
幣4000 元) , 時間長達(dá)4h 相比, 此裝置更顯
得優(yōu)越。
表3　沼氣點火裝置在DG130ö39ö450—M 電站鍋爐上應(yīng)用結(jié)果
實驗次數(shù)1 2 3 4 5 6 7
沼氣流量(m 3ös) 8188×10- 4 1133×10- 3 2102×10- 3 2158×10- 3 2167×10- 3 3111×10- 3 3156×10- 3
空氣流量(m 3ös) 4189×10- 3 7132×10- 3 1111×10- 2 1142×10- 2 1147×10- 2 1171×10- 2 1196×10- 2
空燃比(m 3öm 3) 515 515 515 515 515 515 515
火焰溫度(℃) 1400 1503 1595 1706 1800 1800 1800
火焰長度(m ) 0150 0163 0172 0184 1105 1105 1105
煤粉流量(kgös) 0118 0118 0118 0118 0118 0118 0118
點火時間(s) 1350 890 580 450 425 425 425
　　(3) 本裝置具有點火可靠, 操作方便,
應(yīng)急能力強(qiáng), 經(jīng)濟(jì)效益高, 污染小等優(yōu)點, 在
我國電站鍋爐上有著廣闊的應(yīng)用前景。從而
為加速沼氣的工業(yè)化利用開辟了一條新途
徑。
5　參考文獻(xiàn)
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版社, 1983: 12
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1993: 9
Study and Design of Ign it ion Device fo r the Pow er Sta t ion
Bo ilers U sing B iogas
L iu Shengyong, 　Q i aiqin, 　Gao L inzhao, 　Zhang Q uanguo
(M echanical and E lectrical E ng ineering Colleg e of H enan A g ricu ltu ral U niversity , Z heng z hou 450002)
Abstract: The paper describes in detail design and calculation methods of nozzles, injections and burner cones as
well as the way of stabalizing the flame by using biogas. App lication results show that th is igniter is featured by h igh flame
temperature, V ersatility of app lication, econom ic opertion and facile handling, and has thus a p ro spective future w ith utility
of bo ilers that do no t use o r only use lim ited amounts of o il fo r ignition.
KeyWords: power bo iler, biogas, fo rced p re2m ixing, ignition device
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