骨料烘干煤粉燃烧器的设计方法与理论研究

Aggregate drying requires a large amount of fuel, the cost of fuel directly affects the cost of project. Applying pulverized coal is the main important method to reduce the drying cost. Since the road construction is still developing in China, a good pulverized coal burner is urgently needed. The process of pulverized coal combustion is very complex with strong fuzziness and strong coupling, and its behavior is combined with many factors, such as the operation control parameters (the speed of each wind, air temperature, and swirl intensity, etc.), the physical parameters of coal (coal type, particle size), and the design parameters of the combustion chamber (straight length, combustion radius, front and back cone angle, wind pipe arrangement). To ensure the energy conservation, environment protection, high efficiency of the drying, the theoretical analysis, numerical simulation and experimental research are taken. And the burning control model is established according to the pulverized coal burning characteristics. So the relationship between coal combustion behavior and combustion chamber parameters can be studied. Then the design rules of the pulverized coal burner can be concluded. The control methods of pulverized coal combustion should resolve the modeling problem of multi parameter system. Then the integrated design method of the coal powder burner can be summarized. Furthermore, the sensitivity analysis of the influence factors and the control methods study of the combustion behavior should be explored. Finally, the general theoretical basis can be provided to design the aggregate drying pulverized coal burner.

骨料烘干需要大量的燃料，燃料费用直接影响道路工程成本，采用煤粉作为燃料是降低成本的主要手段。我国正处于道路建设发展期，迫切需要适用于骨料烘干的煤粉燃烧器。煤粉燃烧过程复杂，其行为由运行控制参数（各次风风速、风温、旋流强度等）、煤粉物理参数（煤种、粒径）、以及燃烧室的设计参数（平直长度、燃烧半径、前、后端锥角、风管的布置形式）等诸多因素共同作用，具有强模糊性、强耦合性。为“高效、高质、节能、环保”地对骨料进行烘干加热，采用理论分析，数值模拟和试验研究相结合的方法，遵循煤粉燃烧本质特征建立行为控制模型，探索煤粉燃烧行为与燃烧室特征参数之间的联系，找到骨料烘干煤粉燃烧器的设计规律；构建煤粉燃烧行为的控制方法，重点解决无规则多参数系统建模问题，形成骨料烘干煤粉燃烧器的综合设计方法；对诸多影响因子进行敏感性分析，制定有效可行的煤粉燃烧行为工程化控制方法，为骨料烘干煤粉燃烧器的设计提供理论依据。

烘干骨料多采用原油、天然气、水煤浆等作为燃料，若以煤粉作为燃料，将大幅降低运行成本。项目针对骨料烘干煤粉燃烧器研制中的关键理论问题和设计方法开展了研究。①采用理论分析和试验相结合的方法，构建了合理的煤粉燃烧行为控制模型。②从工程应用角度出发，研究旋流、稳燃、浓淡分离、分级配风、“三高区”等设计理论，发现在骨料烘干煤粉燃烧器中布置旋流器、齿型稳燃装置、扩口体、钝体、浓淡分离器等可不同程度促使煤粉燃烧行为的良性发展，针对上述结构型式进行了分析和研究，探明了骨料烘干煤粉燃烧器的设计规律和控制规律。优化后的旋流式骨料烘干煤粉器NO排放量为0.013mg，燃烧效率较优化前提高了2.487倍。再加装稳燃装置后燃烧特性更好，通过对比可知24齿稳燃装置稳燃性能最佳。若以火焰特征为评价指标，对比分析旋流式、扩口体、钝体几种结构型式可知，钝体式骨料烘干煤粉燃烧器的设计方案更佳。经研究，当过量空气系数为1.3375，燃尽风率为0.6477，空气分级深度为0.5999时，燃烧效率和NOx生成量可获得最佳效果。此外，设计了一种带有新型圆环式叶片分离器的骨料烘干煤粉燃烧器，确定其最优参数组合：浓淡比为7.462，阻力系数为5.242，煤粉浓度为0.601kg/kg。此时，NOx排放量为237mg/m3，远低于行业标准规定的氮氧化物排放限值650mg/m3。为骨料烘干煤粉燃烧器的研制奠定了理论基础。③形成了骨料烘干煤粉燃烧器多参数多目标的耦合设计方法，解决了多参数无规则系统建模问题和多目标多约束的智能计算问题。④结合工程实际制定有效可行的煤粉燃烧行为控制方法。建立以送风量、引风量和给煤量为输入量，以火焰长度、火焰温度和NOx排放量为输出量的控制系统数学模型，利用双层预测控制实现对输出变量的控制,结果表明：当总送风量为31~36m3/s、总引风量为32~38 m3/s、0.51~1.91kg/s时，控制火焰长度为2.5~2.9m，火焰温度为1504~1584℃，NOx排放量为0.3~0.6kg/s。解决了骨料烘干加热中煤粉燃烧效率低和污染物排放大的难题。