水珠粒徑對(duì)鍋爐熱效率影響范文

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《熱能動(dòng)力工程雜志》2014年第三期

1實(shí)驗(yàn)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(jī)、水箱、摻水燃油油箱，電氣系統(tǒng)等部分組成，機(jī)器背面有3個(gè)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(jī)械攪拌裝置，驅(qū)動(dòng)電機(jī)依次驅(qū)動(dòng)機(jī)械裝置的剪切區(qū)和對(duì)流區(qū)。燃油和水從不同角度以一定配比注入剪切區(qū)，強(qiáng)大的機(jī)械剪切力使油水均勻混合。然后進(jìn)入對(duì)流區(qū)，因兩個(gè)不同方向的流體高速對(duì)沖和摩擦，使流體混合均勻，水珠細(xì)分成微米量級(jí)的微粒均勻分散于燃油中，形成摻水燃油。采用機(jī)械微攪拌法制備摻水燃油［7］。通過(guò)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(zhuǎn)速控制攪拌速度ν(r/min)，精確控制油流量及水流量以調(diào)節(jié)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(xué)顯微鏡(OLYMPUSBX51)觀測(cè)摻水燃油中水珠粒徑。

1．2燃油摻水鍋爐燃燒試驗(yàn)本試驗(yàn)在某油田熱注鍋爐(YZF11－21－P)系統(tǒng)中開展，在原有鍋爐基礎(chǔ)上加裝自制的摻水燃油裝置，進(jìn)行一年的不定期連續(xù)試驗(yàn)。該油田注汽鍋爐設(shè)計(jì)特稠油燃油消耗量為0．5m3/h，正常運(yùn)行控制蒸汽干度75%－80%［8］。圖1為試驗(yàn)流程示意圖，設(shè)計(jì)燃油摻水試制裝置時(shí)將摻水燃油產(chǎn)量定為0．5m3/h。在測(cè)試前，關(guān)閉燃油摻水裝置前的進(jìn)油閥門，燃油經(jīng)原鍋爐進(jìn)油閥直接進(jìn)入鍋爐中燃燒，回油直接回到燃油罐中，持續(xù)運(yùn)行至鍋爐穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。之后打開燃油摻水裝置的進(jìn)油閥門，控制進(jìn)口燃油流量，開啟攪拌電機(jī)，關(guān)閉原鍋爐進(jìn)油閥門，調(diào)節(jié)進(jìn)水計(jì)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(jīng)齒輪泵加壓進(jìn)入鍋爐中燃燒，回油回到摻水燃油罐中，持續(xù)運(yùn)行至鍋爐穩(wěn)定后進(jìn)行測(cè)試。燃油鍋爐本身控制面板顯示以下參數(shù):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(fā)生器蒸汽干度測(cè)定方法測(cè)定蒸汽干度(SY5854－2012標(biāo)準(zhǔn))。依據(jù)石油產(chǎn)品熱值測(cè)定法測(cè)定燃油熱值(GB384－1981標(biāo)準(zhǔn))，熱電偶溫度變送器測(cè)量油溫和煙溫，紅外測(cè)溫儀(美國(guó)雷泰RAYR3IRL3U)測(cè)量爐體各點(diǎn)溫度。

1．3分析方法測(cè)試參照GB/T10180－2003《工業(yè)鍋爐熱工性能試驗(yàn)規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。鍋爐熱效率計(jì)算為:正平衡效率計(jì)算式:

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2．1不同水珠粒徑摻水燃油制備采用1．2節(jié)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(jīng)測(cè)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(cè)摻水燃油中水珠粒徑時(shí)，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(shí)大小，因此統(tǒng)計(jì)時(shí)不計(jì)視野內(nèi)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(zhǔn)。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(shù)的影響在以前的實(shí)驗(yàn)中已研究［6］，攪拌速度及油溫對(duì)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(yàn)提供燃料。

2．2水珠粒徑對(duì)鍋爐熱效率影響按照1．2所述在鍋爐上進(jìn)行燃油摻水燃燒試驗(yàn)，并采用1．3節(jié)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(shí)摻水燃油燃燒的鍋爐正、反平衡效率及平均效率。當(dāng)水珠粒徑為9．36μm時(shí)，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(jié)果分別相差4．03%和2．65%。當(dāng)水珠粒徑為11．27，14．49和20．55μm時(shí)，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(shí)，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(yàn)結(jié)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(rèn)為主要是由于燃油摻水燃燒會(huì)伴隨微爆現(xiàn)象的產(chǎn)生，而小粒徑水珠的摻水燃油燃燒時(shí)可產(chǎn)生更好的微爆效果。摻水燃油燃燒時(shí)，經(jīng)加壓通過(guò)噴嘴使其霧化燃燒(稱為一次霧化)，當(dāng)水達(dá)到其過(guò)熱極限時(shí)會(huì)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(xì)小的油滴，即油滴的微爆現(xiàn)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(jié)焦和含炭顆粒，有效的消除了燃燒室內(nèi)的熾熱點(diǎn);燃燒過(guò)程產(chǎn)生的C粒子還會(huì)與水蒸汽發(fā)生水煤氣反應(yīng)，水煤氣反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H、O和OH等活性物質(zhì)，對(duì)燃燒反應(yīng)有促進(jìn)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(dá)30－50μm［11］，為了提高“微爆”強(qiáng)度，水珠粒徑必須適當(dāng)。本試驗(yàn)中燃燒效果最好的是當(dāng)摻水燃油中水珠粒徑為最小的9．36μm時(shí)。原因是粒徑越小的水珠，燃油霧化顆粒越細(xì)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(dāng)80%以上的水珠粒徑為10μm左右時(shí)，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(dāng)水珠粒徑過(guò)小時(shí)，小水珠會(huì)先聚集，之后才發(fā)生微爆，微爆時(shí)間延長(zhǎng)，或者還未來(lái)得及聚集便已發(fā)生膨化，影響微爆發(fā)生［14］。由于實(shí)驗(yàn)條件所限，未能制備出更小粒徑水珠的摻水燃油，其對(duì)鍋爐熱效率的影響在以后研究需進(jìn)一步驗(yàn)證。

2．3水珠粒徑對(duì)節(jié)油率影響采用1．3節(jié)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(yàn)中的節(jié)油率，如圖4所示。隨著摻水燃油中水珠粒徑的增大，燃油節(jié)油率降低。當(dāng)水珠粒徑為9．36μm時(shí)，燃油節(jié)油率最高，為4．49%。當(dāng)摻水燃油中水珠粒徑依次增大到11．27和14．49μm時(shí)，節(jié)油率分別降低為3．12%和2．11%。當(dāng)水珠粒徑為20．55μm時(shí)，燃油節(jié)油率最低，為1．14%。試驗(yàn)結(jié)果顯示，摻水燃油中水珠粒徑影響節(jié)油效果，水珠粒徑越小節(jié)油效果越好，水珠粒徑太大時(shí)節(jié)油效果不明顯。分析認(rèn)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(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)的結(jié)果與本研究所得結(jié)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(yàn)中［13］，得到了3．84%的節(jié)油率。唐文武將乳化重油應(yīng)用到軋鋼加熱爐［15］，加熱爐綜合熱效率提高約2．5%，節(jié)油率達(dá)6．73%。徐業(yè)鵬等使用工業(yè)爐燃用乳化油［16］，節(jié)油約3．4%－10%。關(guān)于燃用摻水燃油的節(jié)油效果，從節(jié)油3%－5%甚至到更高均有報(bào)導(dǎo)［16］。這種差異可能因?yàn)閾剿加偷闹苽浼皯?yīng)用的具體情況不同，如制備工藝、燃燒設(shè)備、燃油類型和燃燒工況等。

3結(jié)論

(1)機(jī)械微攪拌法制備的摻水燃油燃燒時(shí)對(duì)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(duì)摻水燃油鍋爐熱效率、燃油節(jié)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(jié)油率越高，燃燒效果越好，燃油消耗越低;(3)機(jī)械攪拌法制備的摻水燃油中水珠粒徑為9．36μm時(shí)，其鍋爐熱效率最高達(dá)89．73%，節(jié)油率最高達(dá)4．49%。

作者：張路朱益民李鐵唐曉佳單位：大連海事大學(xué)環(huán)境污染治理研究所