（热能工程专业论文）6mw生物质发电机组炉内冷态流场研究.pdf

硕士论文 6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 摘要 基于节能减排的基本国策，国家发改委提出了电力工业结构调整的要求，对小火 电机组实行关停或改造。某电厂原2 样机组，容量为6 m w ，配备3 5 t h 抛煤机倒转链条 炉排燃煤锅炉，原设计燃料为淮南大通烟煤，改造后拟采用生物质燃料。本文的工作 目标是：针对生物质燃料的特点，拟定锅炉燃烧系统的改造方案，并在方案实施后完 成锅炉的冷态调试。 在计算原设计煤种和生物质燃烧特性参数的基础上，通过对比发现两种燃料的燃 烧特性相差很大，所以必须对机组的燃烧系统尤其是配风系统进行改造。本着不改动 锅炉受热面、尽量保留原有链条炉排和炉膛结构的原则，改造方案确定为：拆除原三 台抛煤机，抛煤口改为一次风口；加大二次风量( 增加二次风喷口数目，并更换二次 风机) 。 借助f l u e n t 软件模拟了抛煤口改为一次风口并加大二次风量后的炉内流场，模 拟结果表明：气流撞击后墙，后墙下侧流场不利于粒子沉降到炉排。 为了防止炉膛水冷壁结渣，并提高生物质燃料颗粒在炉排上的沉降份额，对前后 二次风射流角度进行了调整，借助f l u e n t 软件模拟了二次风角度调整后的炉内冷态 流场，对比分析后确认：前二次风水平、后二次风上仰4 5 度时，炉内流场具有相对比 较合理的结构。确定二次风射流角度后，又模拟了不同风量配比条件下的炉内流场， 对比分析得到优选的风量配比条件。通过上述工作最终确定锅炉配风系统的改造方案。 配风系统改造方案实施后，对新系统的炉内冷态流场进行了实炉冷态测试的试验 研究，以数值模拟得到的各个风口速度为基准，在冷态试验中把各个风口的速度调节 到逼近于数值模拟的速度值。实际测量了炉内3 个平面上的速度分布，并通过火花示 踪显示炉内实际流场，将火花示踪结果、实炉测试的结果和数值模拟的结果进行对比， 发现吻合得比较好，说明数值模拟的结果是可靠的，锅炉的改造方案是可行的。 数值模拟和冷态试验研究表明：改造后的二次风切入一次风主流位置比较合理， 炉内气流充满度较好，粒子在炉排上沉降均匀，在一定程度上减轻了火焰刷墙的程度。 炉内一次风正常无明显偏斜，炉膛出口处速度分布均匀，有利于提高燃烧效率、防止 水冷壁和过热器结渣。 关键词：生物质发电，锅炉改造，数值模拟，试验研究 a b s t r a c t b a s e do nt h en a t i o n a lp o l i c yo fe n e r g ys a v i n ga n dp o l l u t a n te m i s s i o nr e d u c t i o n ，n a t i o n a l d e v e l o p m e n ta n dr e f o r mc o m m i s s i o no fc h i n a ( n d r c c ) p r o p o s e dt o r e f o r mp o w e r i n d u s t r ys 仃u c t u r e ，a n dr e q u i r e dt oc l o s eo rr e b u i l ds m a l lt h e r m a lp o w e rp l a n t s t h en o 2 e l e c t r i c i t yg e n e r a t i o nu n i tw i t h6 m wp o w e ro u t p u ta n de q u i p p e dw i t ha3 5 t hc o a lb u r n e d b o i l e rw i t hs p r e a d e rs t o k e r sa n dt r a v e l i n gg r a t es t o k e r sw a sr e n o v a t e db yu s i n gb i o m a s sf u e l t or e p l a c eh u a i n a nd a t o n gb i t u m i n o u sc o a lf u e l i nt h i sp a p e r , t h eo b j e c t i v e sa r ed e t e r m i n i n g t h eb o i l e rc o m b u s t i o ns y s t e mr e n o v a t i o np r o g r a mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb i o m a s s f u e la n dp e r f o r m i n gt h ec o l dt e s ta f t e rt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er e n o v a t i o np r o g r a m t h ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r so ft h eo r i g i n a lc o a la n dt h eb i o m a s sf u e la r ec a l c u l a t e da n d c o m p a r e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed i f f e r e n c eo ft h ec o m b u s t i o nf e a t u r e sb e t w e e nt h et w o f u e l si ss i g n i f i c a n t ，w h i c hm e a n st h a tt h ec o m b u s t i o ns y s t e m ，e s p e c i a l l yt h ea i rd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，s h o u l db er e c o n s t r u c t e d w i t h o u tc h a n g i n gt h eb o i l e rh e a t i n gs u r f a c ea n dr e t a i n i n g t h eo r i g i n a lt r a v e l i n gg r a t es t o k e rs 仃u c t u r ea n dt h ef u r n a c es 缸u c n l r e ，t h er e n o v a t i o np l a ni s d e t e r m i n e da sf o l l o w s t h et h r e eo r i g i n a ls p r e a d e rs t o k e r sa r er e m o v e d ，t h es p r e a d e rs t o k e r t u y e r ei sc h a n g e dt op r i m a r ya i rt u y e r e ，a n dt h es e c o n d a r ya i rf l o wr a t ei si n c r e a s e db y i n c r e a s i n gt h en u m b e ro fs e c o n d a r ya i rv e n t sa n dc h a n g i n gt h et y p eo ft h es e c o n d a r ya i r b l o w e r f l u e n ts o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ea i rf l o wf i e l di nt h ef u r n a c ei nt h ec a s et h a tt h e s p r e a d e rs t o k e rt u y e r ei sc h a n g e dt op r i m a r ya i rt u y e r ea n dt h es e c o n d a r ya i rf l o wi s i n c r e a s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea i r s t r e a mi m p a c t st h eb a c kw a l la n dt h ef l o wf i e l do ft h e l o w e rp a r to ft h eb a c kw a l l i sd e t r i m e n t a lt ot h ep a r t i c l es e t t l e m e n tt ot h eg r a t e i no r d e rt op r e v e n tw a t e r - c o o l e dw a l ls l a g g i n ga n di m p r o v et h eb i o m a s sf u e ls e t t l e m e n t s h a r eo nt h eg r a t e ，t h ea n g l eo fs e c o n d a r ya i rj e ti sa d j u s t e d t h ef l o wf i e l d a f t e rt h e a d j u s t m e n ti ss i m u l a t e du s i n gf l u e n ts o f t w a r e t h ec o m p a r i s o ns h o w st h ef l o wf i e l di s r e a s o n a b l ew h e nt h ef r o n t a lw a l ls e c o n d a r ya i ri sh o r i z o n t a la n dt h eb a c kw a l ls e c o n d a r ya i r j e ta n g l ei s4 5d e g r e eu p a f t e rt h es e c o n d a r y a i rj e ta n g l ei sd e t e r m i n e d ，t h ef l o wf i e l di nt h e f u l t l a c ew i t hd i f f e r e n ta i rf l o wr a t ec o n d i t i o n si ss i m u l a t e da n dt h eo p t i m u ma i rf l o wr a t e r a t i oi sf o u n d t h r o u g ht h ea b o v ew o r k ，t h eb o i l e ra i rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi sd e t e r m i n e d t h ef l o wf i e l do ft h en e ws y s t e mi sm e a s u r e da f t e rt h eb o i l e ra i rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi s b u i l t t h en u m e r i c a la i rv e l o c i t i e sa tt h ei n l e t so ft h ea i rt u y e r ea r eu s e da st h er e f e r e n c ed a t a i i i nt h ee x p e r i m e n t s ，t h ea i rv e l o c i t i e sa r ea d j u s t e dt ob et h es a m e 觞t h er e f e r e n c ed a t a t h e v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na tt h r e ec r o s ss e c t i o n si sm e a s u r e da n dt h er e a lf l o wf i e l di sv i s u a l i z e d b yu s i n gs p a r kt r a c i n gt e c h n i q u e 1 1 1 ev i s u a l i z a t i o nr e s u l t s ，t h et e s tr e s u l t sa n dt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l t sa g r e ev e r yw e l l ，w h i c hs h o w st h a tt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa l e r e l i a b l ea n dt h eb o i l e rt r a n s f o r m a t i o np r o g r a mi sf e a s i b l e n l en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h ec o l dt e s ts h o wt h a tt h ep o s i t i o no ft h es e c o n d a r ya i r i n t e r c e p t i n gt h ep r i m a r ya i ri sr e a s o n a b l ea f t e rt h er e n o v a t i o n ，t h ef u r n a c ei sf i l l e dw i t l lt l l e a i r s t r e a m ，t h ep a r t i c l es e t t l e m e n ti su n i f o r ma n dt os o m ee x t e n t ，t h ef l a m ei m p a c to nt h ew a l l i sa b a t e d 1 1 1 ep r i m a r ya i ri nt h ef u r n a c ei sn o r m a lw i t h o u to b v i o u sd e v i a t i o na n dt h ee x i t v e l o c i t yo ft h eg a si su n i f o r m ，w h i c hh e l p si m p r o v et h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c ya n d p r e v e n t t h es l a g g i n go nt h ew a t e r - c o o l e dw a l la n dt h es u p e r h e a t e rs u r f a c e k e y w o r d s ：b i o m a s sp o w e rg e n e r a t i o n ，b o i l e rt r a n s f o r m a t i o n ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， e x p e r i m e n t a ls t u d y i i i 声明尸i 刿 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文中作了明 确的说明。 研究生硌丝 沙彦年月) 勺日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：盟：塑 孙罗年毛月) 勺日 硕士论文 6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 1 绪论 1 1 选题背景与意义 人类目前使用的主要一次能源有原油、天然气和煤炭三种。根据国际能源机构的 统计，地球上这三种能源供人类开采的年限，分别只有4 0 年、5 0 年和2 4 0 年。尤为严 重的是，我国剩余可开采储量仅为1 3 9 0 亿吨标准煤，按照我国2 0 0 6 年的开采速度2 3 亿吨年，仅能维持6 1 年，为我国的能源保障敲响了警钟。近年来国家提出了节能减排 政策，鼓励电力企业积极利用可再生能源，尤其是生物质发电，在政策上给予优惠， 对生物质电厂给予一定的补贴等。我国是农业大国，生物质能源丰富，开发利用生物 能替代上述三种传统能源，逐年降低它们的消耗量有着非常重要的意义【l 引。 生物质发电是将生物质能转化为电能，利用生物质发电，不仅可以使得农林废弃 物得到充分利用，同时还能减少煤炭的消耗量和污染物的排放量，改善环境。如果结 合能源林产业的发展，还有助于防止土壤沙漠化和水土流失等问题，因此许多国家都 在大力发展生物质发电。 目前生物质发电主要有生物质直燃发电和生物质气化发电两种形式。直接燃烧发 电是指生物质与煤混合燃烧或纯生物质直接在锅炉中燃烧的蒸汽动力发电技术，可以 大幅度地减少二氧化碳的排放量，在挪威、瑞典和北美地区得到广泛应用。生物质气 化发电技术，其工作流程为首先将气化炉产生的生物燃气( 木煤气) 冷却过滤送入煤 气发动机，将煤气的热能转化为机械能，再带动发动机发电。目前，我国的生物质能 资源量约为7 亿吨标准煤，到2 0 2 0 年生物质能资源量可达9 1 0 亿吨标准煤。国家“十 一五”规划纲要提出到2 0 2 0 年我国生物质发电装机容量达到3 0 0 0 万千瓦的目标【l - 3 1 。 相对而言，生物质气化发电初投资成本较高，单机容量较低，气化过程损失了大 约三分之一的化学能。就我国基本国情和生物质利用开发水平而言，生物质直接燃烧 发电是最简便可行的高效利用生物资源的方式。在我国现行的生物质直燃发电利用中， 主要有层燃和流态化两种燃烧方式【4 叫。 生物质直燃发电主要有对原有机组进行改造和新建机组两种形式，各有优缺点： 新建机组的成本昂贵，但在燃料系统、炉膛结构、燃烧设备等方面可以按照生物质的 特性进行设计，比如引进丹麦b h w 公司的水冷振动炉排技术和我国自行研发的生物质 循环流化床技术等；对现有机组进行改造，可以充分利用现有的待关停机组的固定资 产和员工，初投资低廉，但需要同时考虑原机组的特点和生物质燃料的特点，制约因 素多，设计和实施组织过程复杂【7 - 9 。 本文对某电厂2 撑燃煤机组燃烧系统进行改造，将原燃煤链条炉排锅炉改造为纯生 物质燃料锅炉。生物质直燃发电过程中避免锅炉结渣是一个很重要的问题。本文的解 决思路是：对于火床结渣问题，通过控制燃料在火床内的放热份额( 这意味着提高炉 1 绪论 硕士论文 膛空间悬浮燃烧的放热份额) 、降低炉排面可见热负荷的方式加以解决；受热面结渣问 题，通过组织合理的炉内空气动力场，避免火焰刷墙，同时将火焰中心的位置控制在 炉膛下方，以增加炉膛吸热量，从而降低生物质燃烧过程中受热面结渣的可能性。无 论是火床结渣还是受热面结渣，都与燃烧系统的风量分配以及炉内流场关系密切，因 此研究炉内的空气流场有着非常重要的意义。 1 2 课题来源 近年来电力工业结构矛盾日益突出，其中，电网内高煤耗、低效率、重污染的小火 电机组比例较大，是电力工业结构不合理的主要问题之一。为此，国家提出了节能减排 政策，对电力工业结构进行调整，对小火电机组实行关停或改造。某电厂3 5 t h 抛煤机 倒转链条炉排锅炉，是无锡锅炉厂生产中温中压锅炉机组，原设计燃用淮南大通烟煤， 配6 m w 发电机组。锅炉炉膛尺寸约为4 x 4 8 米，炉膛四周布置光管水冷壁。将燃料 更换为生物质后，由于锅炉原设计煤种和生物质的燃烧特性相差很大，所以锅炉的燃 烧系统尤其是配风系统必须进行改造，配风系统的改变使得炉内流场发生很大的变化， 本课题借助f l u e n t 软件对冷态条件下的炉内空气流场进行数值模拟提出锅炉改造方 案，找出合理的炉内流场，并进行实炉调试与测试试验研究。 1 3 直燃发电生物质锅炉面临的主要问题 生物质直接燃烧发电过程中，防止结渣是核心问题。受热面结渣主要是由烟气中 夹带的熔化或半熔化的灰粒接触到受热面凝结下来，并在受热面上不断生长、积聚而 成，它的表面往往堆积较坚硬的灰渣烧结层，且多发生在锅炉的辐射受热面上【1 0 1 3 】。 结渣主要是生物质中的灰分在燃烧过程中形态变化和输送作用的结果，影响因素主要 有热迁移、惯性撞击、凝结和化学反应四个方面。目前，我国生物质燃烧的典型方式 是火床燃烧和循环流化床燃烧。由于生物质燃料的特性，这两种燃烧方式都存在不同 程度的结渣【1 3 1 钔。 1 3 1 生物质燃烧结渣的形成机理 1 ) 层燃方式结渣 层燃方式是我国目前应用最广的生物质直接组织燃烧方式，其中链条炉为典型代 表炉型，生物质在链条炉内的燃烧过程与煤的燃烧相同，也分为4 个区域：预热区、 挥发份析出和燃烧区、焦炭燃烧区、燃尽区。 层燃炉中结渣包括火床结渣、水冷壁结渣和过熟器对流管束结渣，其根本原因是 生物质燃料中，灰分组成与煤炭有很大的不同，碱性氧化物尤其是碱金属氧化物含量 高，灰熔点低，从而有严重的结渣倾向。在火床内，熔融的灰渣会在炉排上与其他的 灰分或没有完全燃烧的燃料粘结在一起，形成结块，从而影响燃烧过程，使锅炉经济 2 硕士论文 6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 性、可靠性下降。 生物质燃料的一个重要特点是挥发分高，大量的挥发分在炉膛空间完成均相燃烧 过程，火焰中心部位温度最高，产生的各种结渣的可能性也最高。如果火焰刷墙，这 个区域里会有连续的灰渣在水冷壁、炉墙上出现，从而使炉膛吸热量下降，炉内温度 升高，使得结渣加剧从而陷入一个恶性循环。 炉膛出口以后，融化状态的飞灰，以及碱金属升华灰，将可能给该区域密集的管 束带来结渣，最可能结渣的部位包括捕渣管束和过热器管束的入口段，尤其是错列管 束的过热器受热面入口段，特别容易形成管子之间的架桥。 炉膛内的温度水平及其分布直接影响锅炉均匀燃烧程度及燃烧经济性。合理的配 风能改善链条炉的燃烧工况，减少结渣【l 孓1 4 】。 2 ) 循环流化床燃烧方式结渣 由于生物质燃料飞灰含量少，燃烧后难以形成床料，流化特性较差，或着火困难 等，所以在生物质流化床中需要选用与燃烧生物质特性相匹配的惰性床料，如砂、炉 渣作为流化媒体，该媒体可保证形成流化燃烧稳定的密相床层。密相床层蓄热量很大， 床层内传热传质剧烈，能够为高水分低热值的生物质提供优越的燃烧条件。然而在密 相区燃烧温度在9 0 0 ( 2 左右，大部分生物质的碱金属与床料的硅元素将会发生反应，形 成低熔点的共晶化合物，严重时可能造成床料的烧结团聚，使流化失败。在稀相区， 大量的挥发分燃烧，有可能造成炉温偏高，使飞灰很容易融化吸附在水冷壁上，逐渐 形成结渣1 1 3 。14 。 1 3 2 结渣的危害 结渣不仅可以降低锅炉出力和热效率，破坏炉内的空气动力工况，使炉内燃烧恶 化，而且会危及燃烧设备的安全性。这是因为结渣情况严重伴随高温腐蚀时，会造成 过热器烟道堵塞和超温爆管，爆管造成炉膛负压剧烈波动而熄火，还可能诱发炉膛爆 炸和下部的排渣装置的严重爆炸事故。由此可见结渣严重威胁锅炉的安全运行【1 5 1 7 】。 1 3 3 减少结渣的措施 在锅炉运行中应采取适当的措施防止炉内结渣，国内外许多学者根据结渣的机理 采取了许多措施，对于新设计的层燃生物质锅炉防止结渣的主要措施是降低炉内燃烧 器区域温度水平，使炉内热负荷均匀，并保证燃料能够均匀的沉降到炉排上；同时选 用合适的燃烧器和风口布置方式，使炉内有良好的空气动力工况，防止火焰刷墙。对 于己投运的生物质锅炉防止结渣的主要措施是组织良好的炉内空气流场，尽量在不改 动水冷壁的情况下采取各种能降低燃烧器区域温度水平、防止空气气流偏斜、贴壁冲 墙的措施【l 引。对于循环流化床生物质锅炉防止结渣的主要措施有：将生物质燃料与其 他燃料进行混烧可有效缓解结渣的程度；加入添加剂提高灰分的软化温度可抑制结渣 1 绪论 硕士论文 的趋势；选用适当的床料和循环倍率等。 由上所述可见，直燃发电层燃生物质锅炉内组织良好的空气流场是防止结渣的前 提条件，研究炉内的空气流场有着非常重要的意义。 1 4 炉内空气流场的数值模拟研究 直接在锅炉炉膛内进行试验研究是组织炉内空气流场的最佳方法，但是停炉时间 短，而试验研究耗时，而且受测量手段和测量技术的制约，很难全面测量整个炉内的 空气流场结构，尤其对大型锅炉更是困难。随着计算机容量和计算速度的大幅度提高， 计算传热学、计算燃烧学、计算流体力学以及计算方法的日益完善，使得人们可以在 计算机上通过数值模拟的方法，结合试验研究和理论分析，更快、更经济、更全面地 设计大型锅炉结构以及各种新型燃烧器，并对新设计的锅炉、改进的锅炉以及燃烧器 进行结构特性分析和各种工况下的运行特性分析，组织良好的炉内空气流场，提高锅 炉燃烧效率和燃烧火焰的稳定性、防止炉膛壁面结渣和高温腐蚀。 1 4 1 锅炉炉内空气流场数值模拟研究现状 世界各国都非常重视炉内流场的数值模拟研究，常用的模拟工具是功能强大的 f l u e n t 软件，该软件优点突出，分析结果三维可视、直观、清晰，特别适合速度场、 压力场、温度场以及其它迭代计算变量的分析研究及新产品的开发设计【1 9 1 。目前，国 内外运用f l u e n t 软件模拟炉内空气动力场的技术已经比较成熟，越来越多的人选择 它对锅炉炉膛以及燃烧等进行数值模拟。法国杜埃矿业研究院工业能源实验室在 f l u e n t 平台上对原型为6 0 0 m w 四角切圆燃烧锅炉进行炉膛内冷态空气动力场模拟， 研究了经不同燃烧器送入的空气在炉膛内的流动情况以及炉膛内的速度分布【1 9 2 0 】。清 华大学热能工程系的由长福等人分别运用了f l u e n t 提供的不同湍流模型对四角切圆 燃煤锅炉炉内冷态气相流动进行了数值模拟1 2 1 1 。西安交通大学动力工程多相流国家重 点实验室借助f l u e n t 软件平台，在三种不同工况下对2 0 0 m w 四角切向燃烧煤粉锅 炉炉内空气流动、传热以及燃烧进行了数值模拟，得到了炉膛内的速度场、温度场分 布，模拟的结果较为准确，为锅炉的运行和改造提供了有力的参考依据【2 2 - 2 4 。哈尔滨 工业大学的邵一鸣等对6 7 0 t h 燃煤锅炉炉内冷态空气动力场进行了数值模拟，得到了 炉内空气动力场的速度分布、静压力分布等，并把数值模拟的结果和实验的结果对比， 两者比较吻合，说明数值模拟是可靠的1 2 5 - 2 7 1 。 综上所述，利用f l u e n t 模拟锅炉炉内空气动力场的技术还是比较成熟的，但研究 的对象主要是煤粉锅炉，关于生物质燃烧设备空气流场的研究较少。由于生物质燃料 和煤粉的燃烧特性有很大的区别，必须加强生物质燃烧设备空气动力场的理论分析和 试验研究，为生物质燃烧设备的优化设计与高效运行提供科学的参考依据。因此开展 生物质电站锅炉炉内空气流场的研究很有必要并且意义重大。 4 硕士论文 6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 1 4 2 锅炉炉内空气流场的数值模拟模型 锅炉炉内的气流流动是非常复杂的三维湍流流动，近几十年的时间里国内外的学 者、专家对湍流进行了深入的研究，但由于湍流过程十分复杂，目前对湍流问题的研 究仍处于探索其结构、机理和描述方法的阶段。 锅炉炉内流场的数值模拟主要分为气相湍流流动数值模拟和气固两相流动数值模 拟。 1 ) 气相流动的数值模拟 目前气相湍流模拟主要有直接数值模拟( d n s ) 、大涡模拟( l e s ) 、离散涡模拟 ( d v s ) 和雷诺时均方程出发的统观模拟四种模型。 直接数值模拟( d n s ) ：是在湍流尺度网格内不引入任何封闭模型前提下对 n a v i e r - s t o k e s ( n s ) 方程直接求解，这种方法能对湍流流动中最小尺度涡进行求解， 要求大量的网格点和时间步长以达到统计的稳定状态，因此，d n s 仅用于雷诺数相对 较低的湍流流动模拟。 大涡模拟( l e s ) ：基于网格尺度封闭模型及对大尺度涡进行直接求解n s 方程的 大涡模拟方法可以模拟湍流发展过程中的一些细节，但由于其计算量仍很大，也仅仅 用于比较简单的剪切流动和管流。 离散涡模拟( d v s ) ：d v s 目前用来模拟湍流中大尺度粘附结构，可最直接运用 于粘性效应可忽略的高雷诺数情况，能获得混合层和尾涡中大尺度涡旋机理的本质， 目前也得到了一定程度的运用。 雷诺时均方程出发的统观模拟：以上三种方法由于计算技术和自身的发展不够成 熟等因素的限制，运用到具有实际意义的工程中仍有相当困难。现在及未来一段时间 内可用于工程上的模拟方法仍然是由雷诺时均方程出发的统观模拟方法。这类模型是 将雷诺时均方程及湍流特征量输运方程中的高阶未知关联项用时均量来表达，从而使 雷诺时均方程封闭，目前运用最广的是k s 双方程模型【2 7 】。 2 ) 气固两相流动数值模拟 气相流场中加入颗粒相，描写两相流动的运动参量与单相流动相比几乎增加一倍， 另外各相的体积浓度、分散相颗粒的大小、各相的物理性质和流动形态都有很大的变 化，气固两相流模拟中颗粒相的模拟成为关键。目前两相流的数值模拟主要有两种方 法：一种是把流体当作连续介质而把颗粒相作为离散体系，在拉格朗日坐标系下描述 颗粒运动的轨道模型；另一种则是把流体作为连续介质，把颗粒相作为拟流体介质在 欧拉坐标系下描述颗粒群运动的双流体模型。气固两相模型又可具体分为：无滑移模 型、轨道模型和双流体模型。 无滑移模型：这种模型不考虑相间的温度和速度滑移，直接把单相流体的概念推 广到悬浮流中，把整个悬浮流看成一种单一流体，不需要颗粒的动量和能量方程，只 5 l 绪论 硕士论文 需解颗粒群的质量方程，这种模拟方法的最大优点是简单，但离实际情况相差较大， 因而不适宜工程运用【2 。 轨道模型：考虑了颗粒相与流体相的相互作用，易于描述单颗粒的复杂经历，又可 分为：确定轨道模型和随机轨道模型。确定轨道模型不考虑颗粒的湍流扩散，通过引 入随机轨道或漂移速度修正轨道位置来反映颗粒扩散；随机轨道法直接在拉格朗日坐 标系下求解瞬态颗粒运动方程，考虑流体脉动对颗粒的作用，计算颗粒的随机轨道和 其变化经历，一般认为流体湍流局部各向同性、脉动速度符合当地的高斯分布。 双流体模型把颗粒相看成与流体相占据同一空间而且相互渗透的拟流体，空间各 点流体与颗粒都有各自不同的速度、温度、体积分数和相对滑移。颗粒群有自身的质 量、动量和能量的湍流输运，颗粒相可按初始和当地尺寸分组，颗粒相的模拟是双流 体模型发展的核心口刀。 1 5 本文的主要工作 1 ) 计算原设计煤种和生物质燃烧特性参数，提出锅炉燃烧系统初步改造方案。 2 ) 借助f l u e n t 软件模拟锅炉初步改造方案炉内冷态流场。 3 ) 提出初步改造方案的改进，并借助f l u e n t 软件模拟改进方案后的炉内冷态流 场，找到前后各喷口合理的角度，确定锅炉改进方案。 4 ) 借助f l u e n t 软件模拟不同风量配比条件下的炉内流场，找到优选的风量配比 条件，最终确定锅炉改造方案。 5 ) 借助f l u e n t 软件提出锅炉改造预备方案。 6 ) 完成配风系统改造后，对新系统的炉内冷态流场进行调试与实炉测试试验研究， 实际测量3 个平面上的速度分布。通过火花示踪显示炉内实际流场，并进行生物质冷 态喷吹试验研究燃料粒子在炉排上的沉降均匀性。 1 6 本章小结 本章介绍了当前世界和我国的能源情况，生物质在能源中的地位、生物质发电的 主要形式以及研究炉内流场的意义；介绍了课题来源，生物质直燃发电锅炉面临的主 要问题，生物质燃烧过程中结渣的机理、危害和减少结渣的措施；强调了研究炉内空 气流场对于减少结渣的重要性，介绍了目前国内外炉内空气流场数值模拟研究现状和 炉内空气流场数值模拟的湍流模型。最后阐述了本文的主要工作和研究方法。 6 型土堡兰! 丛! 兰塑堕垄皇墨里翌塑堡查煎堑旦塑 26 m w 生物质发电机组锅炉燃烧系统方案设计 2 1 锅炉概况 本课题主要的研究对象是某电厂2 抖机组3 5 t h 锅炉，该锅炉是无锡锅炉厂生产的 中温中压锅炉机组，原设计燃用淮南大通烟煤，抛煤机倒转链条炉排燃煤锅炉，配6 m w 发电机组。锅炉炉膛尺寸约为4 4 x 8 米，炉膛四周布置光管水冷壁。原锅炉有三股风 量：炉排风、播煤风和二次风，锅炉原基本设计参数见附录a 、锅炉原结构参数见附 录b 、锅炉受热面换热参数见附录c 。锅炉原炉膛和风口如图2 1 和2 2 所示，喷口数 量和尺寸参数见表2 1 。 后 图21 原锅炉炉膛纵截面图 图2 2 原锅炉炉膛和风i s l 一= 维示意图 表21 原锅炉风量分配与结构尺寸表 原设计锅炉由于使用抛煤机燃烧方式，较好地适应了当地的劣质煤的燃烧特点， 但是由于抛煤机的一些固有燃烧特点，比如燃烧效率对煤的粒度分布极其敏感，实际 煤种的粒度偏细时，有可能造成锅炉熟效率的大幅度下降和煤耗的急剧上升。 2 2 燃烧特性计算与改造中的问题 锅炉改造项目的实施目标是：在燃料转换之后，能够维持锅炉的过热汽温，能够 维持锅炉的额定负荷或略低于额定负荷以保证正常运行，进一步的目标是追求高的热 效率。 26 m w 生物质发电机组锅炉燃烧系统方案设计 硕士论文 生物质除了表观物理性质与煤有显著差异之外，燃烧特性也与煤有所不同。附录d 中计算并列出了生物质与原设计煤种燃烧性能的对比数据。通过这些数据可以分析生 物质燃烧的一些基本特点和燃烧过程组织的一些基本原则。 1 ) 挥发分含量远远高于煤炭( 见附录d 中第7 项) 这个特征使得生物质燃料具有容易着火和燃尽的优点，通常不必考虑低负荷稳燃 措施。只要组织合理，生物质的燃烧效率要远高于燃煤。 由于挥发分高，因此燃烧特征是炉膛空间内的均相燃烧过程的放热份额要大于燃 煤，因此要求在炉膛内组织足够多的助燃空气，同时大幅度减少炉排风量，炉内混合 条件也应当强化，以避免造成较大的q 3 ( 气体化学不完全燃烧热损失) 。 2 ) 燃烧功率相等时，燃烧过程需要的空气量和生成的烟气量要略高于烟煤 从附录d 中第3 5 、3 6 、3 7 、3 8 项的数据中，可以看出，同样负荷下，生物质燃烧 需要消耗更多的( 约多0 3 8 ) 空气，同时也产生出更多( 约多3 8 1 1 3 ) 的 烟气，这主要是由于生物质含氧量和折算水分特别高的缘故( 见附录d 中第4 项) 。 进行燃料置换时，既要考虑流量增加时，风机风量和压头是否能满足要求，又要 考虑烟气量的增加带来的对流受热面烟气流速的增加，从而在其他条件不变时，可能 造成过热器超温的问题。 3 ) 生物质灰分组成与煤有很大差别 灰分组成中，s i 0 2 和a 1 2 0 3 是酸性氧化物，其余的金属氧化物是碱性氧化物，酸性 氧化物与碱性氧化物的比例决定了灰熔点。生物质的灰分特征是碱性氧化物比例高、 灰熔点低，具体数据比较见附录d 中第1 0 - - - , 2 0 项。以上特征是生物质直接燃烧发电系 统的最大障碍，尤其是碱性氧化物中大量存在的氧化钾和氧化钠属于升华组分，8 0 0 - - 8 5 0 以上升华，容易在受热面的冷壁面上凝结造成水冷壁结渣，如果炉膛出口烟温高 于其升华温度，可能会出现高温段过热器管束入口处因为结渣而堵塞烟气通道的严重 后果。 水冷壁结渣会减少其吸热量，而原锅炉的结构设计中，水冷壁的吸热量偏低而省 煤器的设计吸热量偏高，改烧生物质后可能陷入水冷壁结渣、炉膛温度走高、水冷壁 结渣趋于严重、炉膛温度更高的恶性循环，并进一步影响到过热汽温。 由于对高钾钠组分的灰的玷污性缺乏基础经验数据积累，上述过程的影响程度目 前无法判别。从国外热衷于发展昂贵的生物质气化发电技术来看，高钾钠组分的灰在 大型生物质直接燃烧系统中仍然是一个难题，而解决问题的关键在于控制炉膛出口烟 温。 由于生物质的含氧量高、热值低、烟气量大( 见附录d 中第1 、4 、4 0 项) ，所以 其绝热火焰温度要低于煤炭( 通常要低l o o 2 0 0 ) ，其他条件不变时炉膛出口烟温要 较燃煤时低，炉膛出口烟温下降也影响到过热器传热温差使之下降。 8 硕士论文 6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 综合考虑以上各个方面，可以认为能否顺利实现燃料转换的关键在于两个方面： 能否避免水冷壁和过热器严重结渣，以及能否在喷水减温器工作上下限的范围内维持 过热汽温。这两个问题都指向炉膛出口烟温这个关键的运行参数，所以在改造中对该 参数应特别重视。 燃料转换后过热汽温的变化趋势受到一些因素的复杂影响，如水冷壁玷污程度， 有些与采用的控制炉膛出口烟温的措施有关。 燃料更换后锅炉的主要运行参数会发生变化，以下分析参数变化的影响因素： 1 ) 炉膛出口烟温 由于炉膛出口烟温是生物质燃烧系统的核心参数，目标是改造后将它控制在8 0 0 c 左右。原来系统缺乏对该参数的调节手段，因此改造的重点是建立可以调节炉膛出口 烟温的机制。在不改动炉膛结构的前提下，控制炉膛出口烟温的可能的技术措施有： 调节热风温度：如在空气预热器的空气流程上增加一个冷风旁路降低炉膛出口烟 温，但锅炉热效率会下降。这是以牺牲锅炉的经济性为代价的，一般不采用。 增加入炉风量：入炉风量增加，过量空气系数也会增加，可以降低炉膛出口烟温， 同时锅炉热效率下降。显然这也是以牺牲锅炉经济性为代价，但是换取了一个方便有 效的调节手段。 调整炉内温度分布：通过改变炉膛内的配风模式调整火焰中心的位置，从而达到改 变炉内换热量的效果，炉膛出口烟温也随之改变。它在不影响排烟热损失q 2 前提下完 成了调节任务，与炉内流场的组织相结合，还可能降低化学不完全燃烧热损失q 3 和机 械不完全燃烧热损失q 4 。这是一种理想的模式，它在提高锅炉热效率的同时，获取了 一个炉膛出口烟温的调节手段。 2 ) 过热汽温 过热汽温的影响因素极其复杂，除了负荷波动的影响之外，其他可能的相关因素 分析如下： 更换燃料后引起的过热汽温超温的因素有：烟气流量增加、炉膛出口烟温上升、 水冷壁结渣、减温器换热量不足；引起过热汽温不足的因素有：烟气流量下降、炉膛 出口烟温下降、过热器结渣。 3 ) 锅炉出力 更换燃料后，燃烧系统本身对出力的影响不大，主要影响因素在于烟气流量和结 渣。烟气流量大幅度增加和过热器严重结渣会造成过热汽温不足，同时烟气阻力上升， 引风量不足；水冷壁严重结渣造成蒸发量不足或过热器严重超温，诱发过热器和省煤 器爆管。 4 ) 锅炉热效率 更换燃料后，热效率的主要影响因素有： 9 26 m w 生物质发电机组锅炉燃烧系统方案设计 硕士论文 烟气流量：烟气流量的增加造成排烟温度和排烟量上升，加大了q 2 热损失，造成锅 炉热效率下降； 配风：如果配风合理，将有效提高燃烧效率；但是如果运行中配风失调，可能造成 大量的可燃气体不能燃尽，q 3 将增加，锅炉热效率下降： 残碳：生物质燃料容易着火和燃尽，灰渣和飞灰的含碳量将下降，q 4 将减小，锅炉 热效率上升； 结渣和积灰。 2 3 锅炉燃烧系统改造方案 2 3 i 锅炉初步改造方案 由附录d 可知，生物质的燃烧特性与原设计煤种有很大的差别，锅炉燃烧系统尤 其是配风系统需要进行改造。本着不改动锅炉受热面、尽量保留原有链条炉排和炉膛 结构的原则，改造项目包括：给料系统改造、风机改型、风道改造和完善监测系统。 根据生物质燃料挥发分高的特点，要顺利实现燃料转换，必须大幅度减少炉排风量， 同时大幅度增加直接进入炉膛的风量，加大二次风量( 增a n - 次风喷口数目，并更换 二次风机) 。该初步方案由南京理工大学动力学院可再生能源利用课题组共同拟定。 2 3 1 1 给料系统改造 拆除抛煤机和原有的原煤输送系统、更换料仓和送料装置等，三个抛煤口改为三 个一次风( 给料风) 口。 2 3 1 2 送风机、引风机改型 考虑到改用生物质后，固有风量要增加8 左右，特别是考虑到需要将增加入炉风 量作为炉膛出口烟温的备用调节手段，入炉风量按炉膛出口烟温调节幅度2 0 0 * ( 2 计算， 需要新增送风量约1 0 0 0 0 m 3 h ，因此将送风机的风量选定为6 0 0 0 0m 3 h 。 新增风量造成空气预热器阻力增加约1 8 倍，总阻力增加约1 5 倍，所以将送风机 的风压选定为3 0 0 m m h 2 0 ( 2 9 4 0 p a ) 。 根据送风量的增加，相应地，引风机的流量和压头也需要相应的提升。 2 3 1 3 二次风机改型 更换燃料后，二次风的重要性进一步增加，它承担着两个重要任务：一是组织炉 内流场强化可燃气体的燃烧，这直接关系到q 3 热损失和锅炉的燃烧效率；二是，二次 风还担负着调整火焰中心的任务，从经济性考虑，这是调节炉膛出口烟温的首选措施。 考虑到二次风的重要性，所以在新选型时必须给出较大的余量。考虑n - 次风机的电 耗特别高，确定其压头维持原数值6 0 0 m m h 2 0 ( 5 8 8 0 p a ) ，通过加大二次风道的口径来 维持较低的风道风速，风量提高到2 0 0 0 0 m 3 h ，改造前后的风机参数见表2 2 。 1 0 硕十论文6 m w 生物质发电机组炉内冷态流场研究 2 3 1 4 风道改造 原锅炉有三股风量：炉排风、播煤风和二次风。拆除抛煤机后，不再需要播煤风， 而新增了一次风( 给料风) ，所以改造后还是三股风量：炉排风、一次风( 给料风) 和 二次风。由于入炉风量的增加，生物质的挥发分较高，为了强化炉内可燃气体的燃烧， 保留原二次风喷口中心点位置高度不变，增加二次风喷口数量，前二次风喷口数量由 原来的7 路增加到1 4 路，并且等距离分布。后二次风由原来的7 路增加到1 5 路。炉 排风道保留原有的系