水珠粒徑對鍋爐熱效率影響范文

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《熱能動力工程雜志》2014年第三期

1實驗部分

1．1微攪拌燃油摻水制備燃油摻水裝置由微攪拌核心單元、水泵、油泵、攪拌電機、水箱、摻水燃油油箱，電氣系統等部分組成，機器背面有3個快速接口，分別是摻水燃油出口、燃油入口和純水入口。微攪拌核心單元采用特制機械攪拌裝置，驅動電機依次驅動機械裝置的剪切區和對流區。燃油和水從不同角度以一定配比注入剪切區，強大的機械剪切力使油水均勻混合。然后進入對流區，因兩個不同方向的流體高速對沖和摩擦，使流體混合均勻，水珠細分成微米量級的微粒均勻分散于燃油中，形成摻水燃油。采用機械微攪拌法制備摻水燃油［7］。通過電加熱和溫度變送器(北京昆侖海岸JWB/PT100)控制燃油罐中燃油溫度T(℃)，利用變頻器改變齒輪轉速控制攪拌速度ν(r/min)，精確控制油流量及水流量以調節摻水燃油中含水量。在摻水量為3．5%的條件下，改變攪拌速度和油溫制備出不同水珠粒徑的摻水燃油。取樣后采用光學顯微鏡(OLYMPUSBX51)觀測摻水燃油中水珠粒徑。

1．2燃油摻水鍋爐燃燒試驗本試驗在某油田熱注鍋爐(YZF11－21－P)系統中開展，在原有鍋爐基礎上加裝自制的摻水燃油裝置，進行一年的不定期連續試驗。該油田注汽鍋爐設計特稠油燃油消耗量為0．5m3/h，正常運行控制蒸汽干度75%－80%［8］。圖1為試驗流程示意圖，設計燃油摻水試制裝置時將摻水燃油產量定為0．5m3/h。在測試前，關閉燃油摻水裝置前的進油閥門，燃油經原鍋爐進油閥直接進入鍋爐中燃燒，回油直接回到燃油罐中，持續運行至鍋爐穩定后進行測試。之后打開燃油摻水裝置的進油閥門，控制進口燃油流量，開啟攪拌電機，關閉原鍋爐進油閥門，調節進水計量泵流量制備摻水燃油，制好的摻水燃油流入摻水燃油罐中，之后經齒輪泵加壓進入鍋爐中燃燒，回油回到摻水燃油罐中，持續運行至鍋爐穩定后進行測試。燃油鍋爐本身控制面板顯示以下參數:給水溫度和壓力、蒸汽壓力和溫度、燃油壓力和流量等。使用油田專用濕蒸汽發生器蒸汽干度測定方法測定蒸汽干度(SY5854－2012標準)。依據石油產品熱值測定法測定燃油熱值(GB384－1981標準)，熱電偶溫度變送器測量油溫和煙溫，紅外測溫儀(美國雷泰RAYR3IRL3U)測量爐體各點溫度。

1．3分析方法測試參照GB/T10180－2003《工業鍋爐熱工性能試驗規程》標準執行。鍋爐熱效率計算為:正平衡效率計算式:

2實驗結果與分析

2．1不同水珠粒徑摻水燃油制備采用1．2節中的方式制備摻水燃油。圖2為顯微鏡下不同水珠粒徑摻水燃油油樣的照片，經測量水珠粒徑大小分別為9．36，11．27，14．49和20．55μm。在顯微鏡下觀測摻水燃油中水珠粒徑時，雖然顯微鏡中可觀察摻水燃油的不同層面，但只有最上層面成像最清晰。此層面上的水珠看得最清楚并能反映真實大小，因此統計時不計視野內全部水珠的平均粒徑，僅以粒徑最大、最清晰的水珠尺寸為準。不同攪拌速度和油溫下，制備出的摻水燃油油樣中的水珠粒徑不同，具體參數的影響在以前的實驗中已研究［6］，攪拌速度及油溫對水珠粒徑的影響如表1所示。由此制備出的不同水珠粒徑的摻水燃油為下面的燃燒試驗提供燃料。

2．2水珠粒徑對鍋爐熱效率影響按照1．2所述在鍋爐上進行燃油摻水燃燒試驗，并采用1．3節中分析方法分析鍋爐熱效率。表2列出了水珠粒徑大小不同時摻水燃油燃燒的鍋爐正、反平衡效率及平均效率。當水珠粒徑為9．36μm時，摻水燃油的鍋爐正平衡效率和平均效率最高，分別為89．73%和89．22%;未摻水燃油的鍋爐正平衡效率和平均效率最低，分別為85．70%和86．57%;兩結果分別相差4．03%和2．65%。當水珠粒徑為11．27，14．49和20．55μm時，其鍋爐的正平衡效率和平均效率依次降低，但都高于未摻水燃油的鍋爐熱效率。水珠粒徑為20．55μm時，摻水燃油和未摻水燃油的鍋爐熱效率較為接近，正平衡效率和平均效率分別相差0．99%和0．32%。摻水燃油的鍋爐正平衡效率和平均效率如圖3所示。試驗結果顯示，燃油摻水提高了鍋爐熱效率，且水珠粒徑越小其鍋爐熱效率越高。分析認為主要是由于燃油摻水燃燒會伴隨微爆現象的產生，而小粒徑水珠的摻水燃油燃燒時可產生更好的微爆效果。摻水燃油燃燒時，經加壓通過噴嘴使其霧化燃燒(稱為一次霧化)，當水達到其過熱極限時會膨脹，水蒸氣的突然膨脹，使周圍的燃油快速的爆炸，形成更細小的油滴，即油滴的微爆現象(稱為二次霧化)。爆炸后的油滴與空氣接觸更充分，燃燒更完全，從而提高鍋爐的熱效率。另外，由于水的升溫、氣化吸熱，防止了局部高溫的形成;而且，含水燃燒能明顯減少積炭、結焦和含炭顆粒，有效的消除了燃燒室內的熾熱點;燃燒過程產生的C粒子還會與水蒸汽發生水煤氣反應，水煤氣反應過程中會產生H、O和OH等活性物質，對燃燒反應有促進作用，這些都可能是鍋爐熱效率提高的原因。一次霧化霧滴粒徑為10－200μm［10］，二次霧化霧滴粒徑可達30－50μm［11］，為了提高“微爆”強度，水珠粒徑必須適當。本試驗中燃燒效果最好的是當摻水燃油中水珠粒徑為最小的9．36μm時。原因是粒徑越小的水珠，燃油霧化顆粒越細微，與空氣接觸面積越大，燃燒越充分，鍋爐熱效率得到更大提高。有研究同樣指出，當80%以上的水珠粒徑為10μm左右時，能明顯改善燃燒效率［12］。張理齊等使用水珠粒徑10μm以下的乳化油在大型板坯加熱爐上燃燒［13］，得到了很好的燃燒效果。但是水珠粒徑并不是越小越好，，當水珠粒徑過小時，小水珠會先聚集，之后才發生微爆，微爆時間延長，或者還未來得及聚集便已發生膨化，影響微爆發生［14］。由于實驗條件所限，未能制備出更小粒徑水珠的摻水燃油，其對鍋爐熱效率的影響在以后研究需進一步驗證。

2．3水珠粒徑對節油率影響采用1．3節中分析方法折算出不同粒徑水珠摻水燃油在鍋爐燃燒試驗中的節油率，如圖4所示。隨著摻水燃油中水珠粒徑的增大，燃油節油率降低。當水珠粒徑為9．36μm時，燃油節油率最高，為4．49%。當摻水燃油中水珠粒徑依次增大到11．27和14．49μm時，節油率分別降低為3．12%和2．11%。當水珠粒徑為20．55μm時，燃油節油率最低，為1．14%。試驗結果顯示，摻水燃油中水珠粒徑影響節油效果，水珠粒徑越小節油效果越好，水珠粒徑太大時節油效果不明顯。分析認為主要是粒徑較小的水珠微爆效果佳，燃燒更加充分，提高了鍋爐熱效率，降低了燃料消耗。許多摻水燃油工業性應用試驗的結果與本研究所得結果相似。張理齊等在熱軋廠大型板坯加熱爐燃用水珠粒徑10μm以下的乳化油試驗中［13］，得到了3．84%的節油率。唐文武將乳化重油應用到軋鋼加熱爐［15］，加熱爐綜合熱效率提高約2．5%，節油率達6．73%。徐業鵬等使用工業爐燃用乳化油［16］，節油約3．4%－10%。關于燃用摻水燃油的節油效果，從節油3%－5%甚至到更高均有報導［16］。這種差異可能因為摻水燃油的制備及應用的具體情況不同，如制備工藝、燃燒設備、燃油類型和燃燒工況等。

3結論

(1)機械微攪拌法制備的摻水燃油燃燒時對鍋爐熱效率有較大提高。相比未摻水燃油，摻水燃油鍋爐正平衡效率最多可由85．70%提高到89．73%;(2)水珠粒徑對摻水燃油鍋爐熱效率、燃油節油率的影響顯著。水珠粒徑越小，摻水燃油的鍋爐熱效率和節油率越高，燃燒效果越好，燃油消耗越低;(3)機械攪拌法制備的摻水燃油中水珠粒徑為9．36μm時，其鍋爐熱效率最高達89．73%，節油率最高達4．49%。

作者：張路朱益民李鐵唐曉佳單位：大連海事大學環境污染治理研究所