动力声波实验pdf

第３４卷第４期２０１４年４月动力工程学报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｈｉｎｅｓｅＳｏｃｉｅｔｙｏｆＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３４Ｎｏ．４Ａｐｒ．２０１４文章编号：１６７４－７６０７（２０１４）０４－０２７１－０４中图分类号：ＴＫ１６文献标志码：Ａ学科分类号：４７０．３０声场强化煤粉燃烧的试验研究王瀛洲，韩璞（华北电力大学自动化系，保定０７１００３）摘要：在炉燃装置中安装超声波发射器，使粒较大且不易燃烧的煤粉粒产生共振，通过得到煤粉产生共振的最佳率，并在有、无超声波作用的２种环境中分进行燃烧试验，分析燃烧灰渣量来得煤粉燃尽率．果表明：加入超声波后可提高煤粉周氧的扩散速度，扩大煤粉与氧的接触面积，保燃料充分燃烧，燃尽率可以提高９．０１６３％，同降低了煤粉黏结的概率，有效减轻了炉焦，提高了炉的整体性能．关键词：超声波；煤粉共振；燃尽率；燃烧优化ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＢｏｉｌｅｒＣｏｍｂｕｓｔｉｏｎＥｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｂｙＳｏｕｎｄＦｉｅｌｄＷＡＮＧＹｉｎｇｚｈｏｕ，ＨＡＮＰｕ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂａｏｄｉｎｇ０７１００３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｎｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｇｅｎｅｒａｔｏｒｗａｓｉｎｓｔａｌｅｄｉｎｔｈｅｂｏｉｌｅｒｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｆａｃｉｌｉｔｙ，ｓｏａｓｔｏｇｅｎｅｒａｔｅｒｅｓｏ－ｎａｎｃｅａｍｏｎｇｃｏａｒｓｅａｎｄｎｏｎｆｌａｍｍａｂｌｅｃｏａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ａｎｄｔｏｆｉｎｄｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙ．Ｃｏｍ－ｂｕｓｔｉｏｎｔｅｓｔｓｗｅｒｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｌｙｐｅｒｆｏｒｍｅｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄｔｈｅｂｕｒｎｏｕｔｒａｔｅｏｆｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｗａｓｔｈｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄｔｈｒｏｕｇｈａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅａｓｈｃｏｎｔｅｎｔ．Ｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｂｕｒｎｏｕｔｒａｔｅｍａｙｂｅｒａｉｓｅｄｂｙ９．０１６３％ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｉｔｈｕｌｔｒａｓｏｎｉｃａｃｔｉｏｎ，ｄｕｅｔｏｔｈｅｅｎｈａｎｃｅｄｄｉｆｆｕｓｉｏｎｏｆｏｘｙｇｅｎａｒｏｕｎｄｃｏａｌｐａｒｔｉｃｌｅｓ，ｅｎｌａｒｇｅｄｃｏｎｔａｃｔａｒｅａｂｅｔｗｅｅｎｏｘｙｇｅｎａｎｄｃｏａｌｐａｒ－ｔｉｃｌｅｓ，ｌｏｗｅｒｅｄｃａｋｉｎｇｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙｏｆｃｏａｌ，ａｎｄｔｈｅｒｅｆｏｒｅｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｇｕａｒａｎｔｅｅｄｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ，ｒｅｄｕｃｅｄｂｏｉｌｅｒｃｏｋｉｎｇｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ，ａｎｄｆｉｎａｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄｏｖｅｒａｌｂｏｉｌｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｗａｖｅ；ｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅ；ｂｕｒｎｏｕｔｒａｔｅ；ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ电站锅炉燃烧优化一直是电力行业研究人员努力的方向，设计一套高效的燃烧系统将对电厂发展起关键作用．国内７０％以上的发电机组是火力发电机组，如果有一套先进的燃烧优化系统可以使锅炉燃烧效率提高，那么每年节约的原煤量将是一个巨大的数字［１］．超声波煤粉共振燃烧优化系统基于燃烧理论基础，在燃烧装置中加入超声波后使得煤粉在燃烧时产生共振，提高了扩散速度和化学反应速度，从而使收稿日期：２０１３－０３－２７修订日期：２０１３－０８－２２煤粉燃尽率大大提高，同时可降低氮氧化物、碳氧化物的排放．该技术为实现新形势下节能减排和经济高效的目标提供了一种全新的途径．１优化系统试验装置及参数采用的试验装置（见图１）是由一维管式炉改造的，主要设备包括管式炉、热电偶、单片机、电机驱动、超声波发射器、温控仪、气泵、陶瓷舟及重量监测仪．管式炉内温度可以视为恒温，其温控范围为０～作者简介：王瀛洲（１９８７－），男，山西汾阳人，硕士研究生，研究方向为：网络控制和燃烧优化．韩璞（通信作者），男，教授，博士生导师，电话（Ｔｅｌ．）：０３１２－７５２２４４２；Ｅ－ｍａｉｌ：[e-mail]．·２７２·动力工程学报第３４卷１３００℃．炉体为立式电加热炉，主炉为高位石英玻璃管，内径为３５ｍｍ，总长为１３５０ｍｍ，有效长度为９００ｍｍ，给粉采用沸腾式装置，给粉质量流量为１．８ｇ／ｍｉｎ，硅碳管作为加热元件与可调变压器和可控硅温控装置一起控制加热速率和温度，利用热电偶测量温度．在主炉顶端可通过反光镜观察炉内的火焰，以便观察炉内着火情况．主要试验参数如下：炉温为８００℃，一次风体积流量为２０Ｌ／ｍｉｎ，一次风温度为２０℃，炉膛截面内径Ｄ＝３５ｍｍ，给粉量为２ｇ／次．采用开滦烟煤作为煤样，其元素分析与工业分析见表１［２］．在主要试验条件不变的情况下，通过多次试验对比加入超声波装置前后试样燃尽率的大小，以了解超声波装置对煤粉燃烧的改进效果．图１煤粉共振燃烧优化系统试验装置Ｆｉｇ．１Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌａｐｐａｒａｔｕｓｆｏｒｐｕｌｖｅｒｉｚｅｄｃｏａｌｒｅｓｏｎａｎｃｅｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ表１煤粉的元素分析与工业分析Ｔａｂ．１Ｐｒｏｘｉｍａｔｅａｎｄｕｌｔｉｍａｔｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏａｌ％煤种元素分析工业分析（）（）（）（）（）（）（）（）式中：为煤粉的固有频率，Ｈｚ；ｍ为单个煤粉颗粒ｆ的质量，；ｋ为煤粉的刚度，Ｎ／ｍ；Ｅ为煤粉颗粒弹ｇ性模量，Ｐａ；ｒ为煤粉颗粒的半径，μｍ；ρ为煤粉密度，／ｃｍ３．ｇ煤粉理论振动强度与其固有频率之间的关系见图２．在满足煤粉理论振动强度要求下，计算所得的超声波的作用下颗粒的动能增大，颗粒之间、颗粒与受热面之间的吸引力减小，从而减轻结焦．为验证试验装置中超声波的主要作用是增强了悬浮煤粉颗粒共振效应或延长煤粉的空中停留时间，使之充分燃烧，将等量的煤粉在未燃烧状态下分别置于有、无声场作用中，对从给粉装置到取样装置的悬浮下落时间进行比较．从观察结果来看，有、无声场作用对煤粉悬浮下落时间的影响不大，几乎可以忽略超声波对其燃烧时间的影响．ｗＣａｒｗＨａｒｗＯａｒｗＮａｒｗＳａｒｗＭａｒｗＡａｒｗＶｄａｆ开滦烟煤５８．２４．２６．１１．１０．８１．５２８．１２４．０２优化系统设计理论依据如果以碳的消耗速度ｖｃ表示燃烧速度，则有（）ｖｃ＝βｋａｐφＯ２１式中：为碳和氧消耗的摩尔浓度比；为折算速度ｋａｐβ系数（或称表观反应速度常数）；为周围环境中氧φＯ２的体积分数．（），从式１可以看出增大燃料与周围介质气流的相对运动速度，可以提高氧的扩散速度，强化氧向燃料粒子表面的扩散过程，并且在固体排渣煤粉炉中，３优化系统最佳频率的选取煤粉以悬浮状态燃烧，尤其是在高温的扩散燃烧区，化学反应速度远远大于扩散速度，提高燃烧速度的３．１煤样的理论最佳频率主要措施就是提高扩散速度［３］．在超声波的作用下开滦烟煤煤粉的固有周期为会引起煤粉共振，使得煤粉与热空气的相对运动速度增大，提高了扩散速度，从而提高了化学反应速Ｔ＝１＝２πｍｆ槡ｋ２，度强化了煤粉的燃烧过程．ｋ＝Ｅ×ｓ＝Ｅ×πｒ当大部分焦炭燃烧之后，内部灰分将会对燃尽４ｍ＝ρ３，３πｒ过程产生影响．外层的内在灰分裹在内层焦炭上形成一层灰壳，甚至形成渣壳，灰壳或渣壳会阻碍氧向，，焦炭表面的扩散延长燃尽时间．然而超声波引起的煤粉共振可以及时震落煤粉表面的灰壳或渣壳，加快氧向焦炭表面的扩散，从而可以提高煤粉燃尽率．同时煤粉共振可减小煤粉黏结的概率，扩大煤粉与氧的接触面积，使得煤粉与氧接触更充分．同样在（２）（３）（４）第４期王瀛洲，等：声强化煤粉燃烧的试验研究·２７３·图２煤粉理论振动强度与固有频率之间的关系图３煤粉振动强度与超声波发射频率之间的关系Ｆｉｇ．２ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄＦｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｃｏａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｃｏａｌ固有频率最小理论值ｆｍｉｎ＝１０６３４Ｈｚ，最大理论值ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，理论取值为动给煤机，并调至适当给煤速度，待燃烧完毕，收集ｆｍａｘ＝４８７３１Ｈｚｆ１０６３４～４８７３１Ｈｚ．，３．２超声波发射器的最佳频率灰渣并清理锅炉．待锅炉冷却后加装超声波发射器及控制装置，然后启动装置并调到最佳频率，重复上、、利用超声波发射器密立根油滴仪ＣＣＤ电视述试验过程．和显微镜等仪器观察超声波作用下煤粉振动情况，记录煤粉振动最剧烈时超声波的发射频率，从而得由于在固体排渣煤粉炉中，煤粉以悬浮状态燃，到相对接近煤粉固有频率的最佳频率，测出煤粉固烧燃烧后的灰分随烟气一起流动．由于炉膛四周不存在黏性液渣层对灰分的捕捉，约有９０％～９５％的有频率在４５０００～８００００Ｈｚ［４］．煤灰随着烟气被带出炉膛，只有少量的大灰尘粒在由于煤粉的固有频率与颗粒的大小、质量、形重力作用下落至冷灰斗，这部分灰渣占总灰渣量的状、煤质以及所处的环境等很多因素有关，然而这些５％～１０％，为保证试验结果分析的准确性，试验中因素是不固定的，而且模拟装置也存在误差，测量煤［］粉的固有频率时每次只能取某一颗粒作为观察对将高温烟气充分冷却后在除尘器中收集３－５．为了证明优化系统的优越性与试验结果的正确，，象也会产生误差所以理论值和实测值会有差异．，、、、、限于现有的技术还无法准确快速地确定最佳频率，性进行多次试验．样品分别标号１１′２２′３和，、并且煤种不同，煤粉的最佳频率值也不同，只能通过３′其中样品１２和３分别表示在未加超声波的初；、模拟试验对超声波的发射频率进行适当调整．始装置中燃烧的样品煤样品１′２′和３′分别表示在，通过密立根油滴仪测煤粉最佳频率试验，得到开启超声波装置中燃烧的样品煤．经过多次试验其结果见表２．煤粉共振最佳频率在４５０００～８００００Ｈｚ，经过多次表２煤粉燃烧试验结果燃烧试验，最佳频率为６００００Ｈｚ左右（见图３）．环Ｔａｂ．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏａｌｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｇ，境不同不同煤质的最佳频率会有明显的不同．样品陶瓷舟＋陶瓷舟＋干陶瓷舟＋标号陶瓷舟质量样品质量灰渣质量４优化系统运行及结果分析样品质量试验锅炉燃煤质量流量为０．１～０．２ｋｇ／ｈ．超声波发射器及控制装置功率为０～４００Ｗ，发射频率为４０～８０ｋＨｚ，发射频率可调．给风机的给风量、给煤机的给煤量及燃烧器火焰大小均可调．４．１优化系统运行及结果在试验装置运行前，需对炉体进行安全试验，通１１６．６０７７２１６．６４４８３１６．６２５７１′１６．６３５１２′１６．６０３２３′１６．６５７８１８．６０７８１８．６５４９１８．６８５６１８．６３５４１８．６２３１１８．６９７９１８．５８３８１７．３４９７１８．６０５２１７．４１３４１８．６４９７１７．４２４７１８．５９６８１７．２６１７１８．５８９５１７．２６９６１８．６５６３１７．３０６７过模拟锅炉内部环境来研究超声波对炉体钢质的影响，从而保证系统的安全性和消除安全隐患．然后再启动单片机、调节风机、点火、加入漏斗煤粉．使用热电偶测量主炉膛内部温度，当温度显示８００℃时启４．２优化系统运行结果分析对样品１、２、３在未加超声波的初始燃烧装置中的燃烧结果进行分析［６］，以灰渣质量表示的燃尽率见表３，其中样品４的参数表示３个样品对应参数·２７４·动力工程学报第３４卷的平均值（下同）．样品１′、２′、３′在加装超声波的优化燃烧装置中的燃烧试验结果见表４，其中以灰渣质量表示燃尽率，ｃ表示样品在优化装置中的燃尽率相对于在原始燃烧装置中的提高率．由表４可以看出，以灰渣质量表示的燃尽率在超声波煤粉共振燃烧系统中的燃尽率平均提高了９．０１６３％，试验数据科学可靠．当使用贫煤及无烟煤等燃料时，此试验装置均可显著提