水珠粒径对锅炉热效率影响范文

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《热能动力工程杂志》2014年第三期

1实验部分

1．1微搅拌燃油掺水制备燃油掺水装置由微搅拌核心单元、水泵、油泵、搅拌电机、水箱、掺水燃油油箱，电气系统等部分组成，机器背面有3个快速接口，分别是掺水燃油出口、燃油入口和纯水入口。微搅拌核心单元采用特制机械搅拌装置，驱动电机依次驱动机械装置的剪切区和对流区。燃油和水从不同角度以一定配比注入剪切区，强大的机械剪切力使油水均匀混合。然后进入对流区，因两个不同方向的流体高速对冲和摩擦，使流体混合均匀，水珠细分成微米量级的微粒均匀分散于燃油中，形成掺水燃油。采用机械微搅拌法制备掺水燃油［7］。通过电加热和温度变送器(北京昆仑海岸JWB/PT100)控制燃油罐中燃油温度T(℃)，利用变频器改变齿轮转速控制搅拌速度ν(r/min)，精确控制油流量及水流量以调节掺水燃油中含水量。在掺水量为3．5%的条件下，改变搅拌速度和油温制备出不同水珠粒径的掺水燃油。取样后采用光学显微镜(OLYMPUSBX51)观测掺水燃油中水珠粒径。

1．2燃油掺水锅炉燃烧试验本试验在某油田热注锅炉(YZF11－21－P)系统中开展，在原有锅炉基础上加装自制的掺水燃油装置，进行一年的不定期连续试验。该油田注汽锅炉设计特稠油燃油消耗量为0．5m3/h，正常运行控制蒸汽干度75%－80%［8］。图1为试验流程示意图，设计燃油掺水试制装置时将掺水燃油产量定为0．5m3/h。在测试前，关闭燃油掺水装置前的进油阀门，燃油经原锅炉进油阀直接进入锅炉中燃烧，回油直接回到燃油罐中，持续运行至锅炉稳定后进行测试。之后打开燃油掺水装置的进油阀门，控制进口燃油流量，开启搅拌电机，关闭原锅炉进油阀门，调节进水计量泵流量制备掺水燃油，制好的掺水燃油流入掺水燃油罐中，之后经齿轮泵加压进入锅炉中燃烧，回油回到掺水燃油罐中，持续运行至锅炉稳定后进行测试。燃油锅炉本身控制面板显示以下参数:给水温度和压力、蒸汽压力和温度、燃油压力和流量等。使用油田专用湿蒸汽发生器蒸汽干度测定方法测定蒸汽干度(SY5854－2012标准)。依据石油产品热值测定法测定燃油热值(GB384－1981标准)，热电偶温度变送器测量油温和烟温，红外测温仪(美国雷泰RAYR3IRL3U)测量炉体各点温度。

1．3分析方法测试参照GB/T10180－2003《工业锅炉热工性能试验规程》标准执行。锅炉热效率计算为:正平衡效率计算式:

2实验结果与分析

2．1不同水珠粒径掺水燃油制备采用1．2节中的方式制备掺水燃油。图2为显微镜下不同水珠粒径掺水燃油油样的照片，经测量水珠粒径大小分别为9．36，11．27，14．49和20．55μm。在显微镜下观测掺水燃油中水珠粒径时，虽然显微镜中可观察掺水燃油的不同层面，但只有最上层面成像最清晰。此层面上的水珠看得最清楚并能反映真实大小，因此统计时不计视野内全部水珠的平均粒径，仅以粒径最大、最清晰的水珠尺寸为准。不同搅拌速度和油温下，制备出的掺水燃油油样中的水珠粒径不同，具体参数的影响在以前的实验中已研究［6］，搅拌速度及油温对水珠粒径的影响如表1所示。由此制备出的不同水珠粒径的掺水燃油为下面的燃烧试验提供燃料。

2．2水珠粒径对锅炉热效率影响按照1．2所述在锅炉上进行燃油掺水燃烧试验，并采用1．3节中分析方法分析锅炉热效率。表2列出了水珠粒径大小不同时掺水燃油燃烧的锅炉正、反平衡效率及平均效率。当水珠粒径为9．36μm时，掺水燃油的锅炉正平衡效率和平均效率最高，分别为89．73%和89．22%;未掺水燃油的锅炉正平衡效率和平均效率最低，分别为85．70%和86．57%;两结果分别相差4．03%和2．65%。当水珠粒径为11．27，14．49和20．55μm时，其锅炉的正平衡效率和平均效率依次降低，但都高于未掺水燃油的锅炉热效率。水珠粒径为20．55μm时，掺水燃油和未掺水燃油的锅炉热效率较为接近，正平衡效率和平均效率分别相差0．99%和0．32%。掺水燃油的锅炉正平衡效率和平均效率如图3所示。试验结果显示，燃油掺水提高了锅炉热效率，且水珠粒径越小其锅炉热效率越高。分析认为主要是由于燃油掺水燃烧会伴随微爆现象的产生，而小粒径水珠的掺水燃油燃烧时可产生更好的微爆效果。掺水燃油燃烧时，经加压通过喷嘴使其雾化燃烧(称为一次雾化)，当水达到其过热极限时会膨胀，水蒸气的突然膨胀，使周围的燃油快速的爆炸，形成更细小的油滴，即油滴的微爆现象(称为二次雾化)。爆炸后的油滴与空气接触更充分，燃烧更完全，从而提高锅炉的热效率。另外，由于水的升温、气化吸热，防止了局部高温的形成;而且，含水燃烧能明显减少积炭、结焦和含炭颗粒，有效的消除了燃烧室内的炽热点;燃烧过程产生的C粒子还会与水蒸汽发生水煤气反应，水煤气反应过程中会产生H、O和OH等活性物质，对燃烧反应有促进作用，这些都可能是锅炉热效率提高的原因。一次雾化雾滴粒径为10－200μm［10］，二次雾化雾滴粒径可达30－50μm［11］，为了提高“微爆”强度，水珠粒径必须适当。本试验中燃烧效果最好的是当掺水燃油中水珠粒径为最小的9．36μm时。原因是粒径越小的水珠，燃油雾化颗粒越细微，与空气接触面积越大，燃烧越充分，锅炉热效率得到更大提高。有研究同样指出，当80%以上的水珠粒径为10μm左右时，能明显改善燃烧效率［12］。张理齐等使用水珠粒径10μm以下的乳化油在大型板坯加热炉上燃烧［13］，得到了很好的燃烧效果。但是水珠粒径并不是越小越好，，当水珠粒径过小时，小水珠会先聚集，之后才发生微爆，微爆时间延长，或者还未来得及聚集便已发生膨化，影响微爆发生［14］。由于实验条件所限，未能制备出更小粒径水珠的掺水燃油，其对锅炉热效率的影响在以后研究需进一步验证。

2．3水珠粒径对节油率影响采用1．3节中分析方法折算出不同粒径水珠掺水燃油在锅炉燃烧试验中的节油率，如图4所示。随着掺水燃油中水珠粒径的增大，燃油节油率降低。当水珠粒径为9．36μm时，燃油节油率最高，为4．49%。当掺水燃油中水珠粒径依次增大到11．27和14．49μm时，节油率分别降低为3．12%和2．11%。当水珠粒径为20．55μm时，燃油节油率最低，为1．14%。试验结果显示，掺水燃油中水珠粒径影响节油效果，水珠粒径越小节油效果越好，水珠粒径太大时节油效果不明显。分析认为主要是粒径较小的水珠微爆效果佳，燃烧更加充分，提高了锅炉热效率，降低了燃料消耗。许多掺水燃油工业性应用试验的结果与本研究所得结果相似。张理齐等在热轧厂大型板坯加热炉燃用水珠粒径10μm以下的乳化油试验中［13］，得到了3．84%的节油率。唐文武将乳化重油应用到轧钢加热炉［15］，加热炉综合热效率提高约2．5%，节油率达6．73%。徐业鹏等使用工业炉燃用乳化油［16］，节油约3．4%－10%。关于燃用掺水燃油的节油效果，从节油3%－5%甚至到更高均有报导［16］。这种差异可能因为掺水燃油的制备及应用的具体情况不同，如制备工艺、燃烧设备、燃油类型和燃烧工况等。

3结论

(1)机械微搅拌法制备的掺水燃油燃烧时对锅炉热效率有较大提高。相比未掺水燃油，掺水燃油锅炉正平衡效率最多可由85．70%提高到89．73%;(2)水珠粒径对掺水燃油锅炉热效率、燃油节油率的影响显著。水珠粒径越小，掺水燃油的锅炉热效率和节油率越高，燃烧效果越好，燃油消耗越低;(3)机械搅拌法制备的掺水燃油中水珠粒径为9．36μm时，其锅炉热效率最高达89．73%，节油率最高达4．49%。

作者：张路朱益民李铁唐晓佳单位：大连海事大学环境污染治理研究所