（工程热物理专业论文）双稳可近浓淡燃烧器在670th锅炉的工业应用研究.pdf

摘要 本文首先对国内外在煤粉气流浓度于煤粉着火，稳燃的关系进行了详细的 评述j 旨出根据不同的运行工况，相应的调节煤粉气流浓度有助于煤粉气流的着火 于稳燃。 本文通过镇海电厂3 # 炉的改造( 改装双稳可控浓淡燃烧器和三次风反功 改造) 后的冷态实验，稳燃状况进行的低负荷热态实验，满负荷热念实验表明： 煤粉浓缩燃烧和回流技术的有机结合是解决低负荷稳燃的有效措施；燃烧 器改造后能保证不同负荷下的着火与稳定燃烧，完全实现了预计的可调节性。 三次风反切改造可以减小烟道的烟温偏差。 另外，本文还对煤粉气流浓度与n o x 的排放的关系进行了较为详细地研究， 指出了浓淡燃烧器能实现不同负荷稳燃同时具有低n o x 排放的特点。但通过镇 海电厂3 # 炉的改造发现，仅仅依靠浓淡燃烧器技术并不能有效保证电厂的低n o x 排放，应采用浓淡燃烧器和其它低n o x 燃烧技术相结合的措施。 关键词：煤粉、燃烧器? 可调浓度分离装贰调节风、低负荷稳燃7 a b s t i 眦t t h i sp a p e rp r e s e n t st h er e l a t i o no fd u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o n a n d i g n i t i o n f l a m es t a b i l i z a t i o n a n d g i y e s d e t a i l e d s u m m a r y a n d e v a l u a t i o n t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea d j u s t m e n to fd u l v e t i z e dc o a l c o n t e n t r a t i o ni sh e l p f u lt oi g n i t i o na n df l a m es t a b i l i z a t i o na c c o r d i n g t ov a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n s s e c o n d l y ，t h ec o l d - m o d e lt h e r m a l m o d e le x p e r i m e n ti sc a r r i e do l i t a c c o r d i n gt or e t r o i to f3 # c o m b u s t o ri nz h e n h a ip o w e rp l a n t t h er e s u l t s a r e1 i s t e da s f o t l o w e d ：t h em a t c h e dp u l v e r i z e dc o a l s e p a r a t i o n c o m b u s t i o na n dr e c i r c u l a t i o n t e c h n o l o g y c a ns o l v el o w1 0 a df l a m e s t a b i li z a t i o na n di s p r o v e dv e r yu s e f u l i g n i t i o n a n df l a m e s t a b i l i z a t i o nc a nb ea c h i e v e de a s i l yw h e nc o m b u s t o ri sr e f o r m e dp r o p e r l y a n da l s or e a l i z e s a c c e p t a b l ea d j u s t m e n t o f o p e r a t i o n t h e c o n t e r r o t a t i o f fo ft h i r da i r f l o wc a nr e d u c et e m d t e r a t u r eb i a s f i n a l l y ，t h er e l a t i o nb e t w e e np u l v e r i z e dc o a lc o n c e n t r a t i o na n dn o x e m i s s i o ni su n d e rd e t a i l e dd i s c u s s i o n t h er e s u l t s h o w st h a tt h i s t e c h n o l o g ym a yb eg e tf l a m es t a b i l i z a t i o no fl o wl o a da n dn o xe m i s s i o n a b a t e m e n t k e yw o r d s ：p u l v e r i z e d c o a l ，c o m b u s t o r ，a d j u s t a b l e c o n c e n t r a t i o n s e p a r a t i o na p p a r a t u s ，a d j u s t i n g a i r e 新江大学硕士学位论文 1 1 本文工作背景 第一章绪论 国民经济的发展，包括经济增长速度、经济结构变化以及个人收入的 增加而引起消费要求的变化，都强烈地反映在能源需求上。煤炭是我国的 主要能源：燃烧用煤又占主要部分：电力行业是用煤火户。而粉煤燃烧方 式是电力行业的主要燃烧方式。高效燃烧、低负荷稳燃、低污染是粉煤燃 烧的发展方向。研究煤粉燃烧技术在我国具有巨大的意义。 近三、四十年来，由于世界经济的发展，能源消费的增长迅速。 1 9 6 0 1 9 7 5 年这1 5 年问的能源消费就已经相当于1 9 0 0 1 9 6 0 年这6 0 年 问的能源消费总量。从长远来看为了解决世界总能源生产的短缺问题，特 别是1 9 7 3 年中东石油禁运以来，世界各国，尤其是西方世界主要工业发 达国家，在积极开发新能源的同时，对常规能源一煤炭的应用研究投入了 大量的人力和物力。在美国，几乎6 5 的煤用于发电。在我国，一次能源 中，煤炭就占7 4 以上。1 9 9 0 年全国煤炭产量1 0 8 亿吨，其中用于发 电的煤有2 7 亿吨占2 5 ，1 9 9 2 年煤电转换比例就提高到了原煤产量的 3 0 。以产值单耗和人均生活用电来对电力需求进行预计：2 0 0 0 年的煤电 转换比例可达到3 5 ，2 0 1 0 年将达5 0 以上；2 0 0 0 、2 0 1 0 年，火电比例 将占电源结构的7 7 左右。1 9 9 0 年我国发电装机容量为1 3 7 8 9 亿千瓦，按 上述方案：1 9 9 1 年一2 0 0 0 年需年平均净增装机容量1 5 0 0 万千瓦，2 0 0 1 年一2 0 1 2 年净增装机容量2 8 0 0 万千瓦才能满足国民经济增长发展的需 求。 随着我国电网容量的增大和人们生活用电比重的提高，电网峰谷差 将不断扩大。而且今后很长一段时期内大型火电机组将不断投入运行。这 些都将使我国火力发电机组，尤其是中、小型机组调峰能力不足的问题f = i 1 益突出。例如1 9 9 3 年东北电网峰谷差达6 5 0 0 j w ，为该系统最大负荷的 3 7 左右：华北电网峰谷差也很突出，最大达6 8 5 0 m w ，为最大负荷面4 0 以上。世界发达国家峰谷比：美国l ：0 2 5 ；日本1 ：0 4 ：原西德l ： 0 2 ；英国1 ：0 3 5 ：法国l ：0 3 5 ；原苏联系1 ：0 5 2 ：而我国的电网峰 谷比为l ：0 7 。由此可以看出，随着经济的发展，我们面临的调峰任务将 日趋严重。火电机组调峰形式较多，但机组经常停炉易造成一系列弊端， 故形势的发展要求火电机组有很好的低负荷运行能力。火电机组低负荷运 行的调峰能力主要取决于锅炉。煤粉锅炉低负荷运行时，由于炉膛燃烧热 强度低，炉膛温度低，煤粉着火慢，导致燃烧不稳定，容易出现灭火放 浙江人学硕二i ：学位论文 炮。一般大容量最低稳燃负荷多在额定负荷的7 0 左右。负荷再低且要稳 燃，就须投油助燃。一般来说低负荷时，一台4 0 0 t h 锅炉需要投油l t h 才能稳定燃烧负荷越低，投油越多。与此同时，我国电厂锅炉用煤存在 着燃用煤种和设计煤种不符、煤质不稳定、变化范围较大、用煤种杂和总 体趋势上的煤质下降等问题。这也由于长期以来电力工业的发展总是快于 煤炭工业。运输瓶颈使的煤炭供应不足往往是影响电力工业发展和生产的 重要因素，迫使许多电厂大量燃用劣质煤。发电用劣质煤主要是指多灰分 ( m 4 0 ) 、低热值( q 。， 3 2 的洗中煤和褐煤、 页岩等低热值燃料以及高硫煤( s 2 ) 。由于无烟煤燃烧技术上的困难， 也把它归入发电用劣质煤之列。对于劣质煤的燃烧，即使在高负荷运行 时也常用油伴烧。现有火电厂煤粉锅炉的点火稳燃装置，大多是在煤粉 燃烧器的二次风口内安装大型油枪或设置专作点火用的油燃烧器，在点火 过程中完全烧油。这种方法虽能满足锅炉运行的要求，但耗油量太大。全 国火电厂点火和稳燃用油量相当可观。随着大型火电机组不断增加，这一 问题将越加突出。我国重油供应不足，电厂多以轻柴油作点火燃料，因此 问题就更加严重。 此外，随着我国工农业的发展，煤的消耗量巨大，给空气造成严重的 污染，其中空气中的氮氧化物n o x 含量的不断增加尤其引人注目。n o x 对 人类和环境的严重危害主要表现在以下几个方面。( 1 ) n o x 对人体和环境 生物的健康会造成严重危害。( 2 ) n o x 会破坏大气层的臭氧层，使的太 阳光中的紫外线直接照射到地球表面，对人体和环境生物造成严重危害。 ( 3 ) 大气中的n o x 会造成酸雨现象。因此，必须采取措施限制锅炉的n o x 排放，采取浓淡燃烧可以降低锅炉的n o x 排放。对保护环境俱有重要作 用。 近十余年来，我国电力工业中开展了以改善锅炉燃烧、节油节煤为目 的的各类燃烧器及燃烧技术的研究开发和推广应用工作，如煤粉预燃室、 钝体燃烧器、夹心风燃烧器、犁形燃烧器、浓淡燃烧器等，并取得了一定 的经济效益。电力工业对煤燃烧的要求是高效燃烧、低负荷稳燃、防结 渣、清洁燃烧等。煤粉浓淡燃烧技术及高浓度燃烧技术能符合上述要求且 作为减少点火用油的手段，近年来在我国取得了广泛的研究和应用，其效 益也是较为显著的。 本文在上述的工作背景下，针对低负荷稳燃，低n o x 燃烧技术等方面 展开了理论讨论和工业试验研究。在镇海电厂2 0 0 m w 机组的6 7 0 t t t 锅炉 上成功进行了低负荷改造。 2 浙江大学硕士学位论文 1 2 我国浓淡燃烧器类型及现状 根据燃料不同的燃烧特性和炉内燃烧组织不同的要求，燃烧器有直流 式和旋流式两大类。自日本的p m ( p 0 1 u t i o i lm i n i m u m ) 及美国的w r ( w i d e r a n g ec o a lm o d e ) 两种浓淡燃烧器传入我国后，相继在我国出现了基本 原理相同的浓淡燃烧器，实现煤粉浓淡分离的主要方法有：( 1 ) 撞击可 调式浓淡分离器；( 2 ) 百叶窗式浓缩器；( 3 ) 弯管的惯性分离作用； ( 4 ) 旋流叶片煤粉浓缩器：( 5 ) 旋风分离器等。其中撞击可调式是比较 成熟的一种，也是该文重点讨论的一种。 七十年代以来，国内广泛采用直流燃烧器，使四角切圆燃烧方法得到 广泛的应用。对旋流燃烧器较为忽视，而且燃烧煤种单一，似乎有那么一 种驱势，即除了烧褐煤以外，在大容量机组上一般不用旋流燃烧器。而且 一般只烧q d ， 1 6 8 m j k g 、v ， 2 5 的煤。但国际上如b & w 公司和德国的一 些公司以及日本、前苏联的许多大容量机组上采用旋流式燃烧器，燃用包 括贫煤无烟煤在内的广泛煤种，取得了经济燃烧稳定的效果。近十年来我 国引进的一些机组也表明旋流式燃烧器负荷分配均匀、炉膛出口气温偏差 小等优点。这无疑也肯定了旋流式燃烧企有良好的发展前途。对旧的旋流 式燃烧器进行改造也可以取得良好的效果。但由于我们需要改造的锅炉负 荷为而十万千瓦，燃用煤种较为稳定而且直流式分离技术较为成熟，因 此，对镇海电厂锅炉改造采用直流式分离技术一撞击可调式浓淡燃烧器。 撞击可调式浓淡燃烧器技术已经付诸应用，取得了很好的效果。在实 际应用中的一些问题，如分离后浓相与稀相气流速度的不等；高负荷时 燃烧器喷嘴浓侧易烧坏等。但经过设计人员的改进，通过一、二次风的调 平及在喷嘴处加装冷却风喷口等措施，上述问题也已获得较好解决，因 此，可以预言，撞击可调式浓淡燃烧器的应用前景将极为可观，对节约能 源将作出极大的贡献。 1 3 清洁稳燃的高浓度燃烧技术综述 煤粉高浓度燃烧是通过一定的技术措施在燃烧器着火区域形成f r ；j 煤粉 浓度远远超过此区常规燃烧时所形成的煤粉浓度。常规煤粉锅炉只是通过 一次风量来问接控制总体的煤粉浓度，并不精确计算着火区的煤粉浓度， 投运后一般也不从浓度角度去组织燃烧。 表1 3 一l 把煤粉高浓度燃烧技术分为三种四类，即高浓度输粉技术，燃 烧器浓缩技术( 分为局部浓缩和浓淡分离二类) 和浓缩器浓缩技术。所谓 “燃烧器浓缩技术”是在常规一次风煤粉浓度条件下，通过燃烧器的浓缩 结构形成高浓度火焰燃烧。其中浓淡分离是把一次风分离成浓淡两股，获 浙江大学硕十学位论文 得不同浓度的粉流；局部浓缩是指在一次风出口后的着火区局部形成高浓 度区域。 表1 - 1 国外高浓度燃烧技术分析 燃烧器类型高浓度给粉燃烧器浓缩浓缩器浓缩应用备注 前苏联一种正压系统从改善给粉 系统到稳燃 燃烧器负压系统降硝化物 三菱p m 燃分配器弯管从低硝化物 烧器分离到低挥发分 煤到无烟煤 i h i f w 双流喷口收缩集低负荷稳燃 旋流燃烧器中( 沙角b 电厂 3 5 0 m w ) c e w r 燃烧弯管分离钝体回流低硝化物到 器贫煤到无烟 煤 b & w 公司调风集中低硝化物 双调风燃烧 器 日立b w调风集中低硝化物 和日立公司 双调风燃烧 器 b & w 公司p a x 装置分调风集中 从低硝化物 p a x 一次风离( 弯管)到贫煤到无 交换燃烧器烟煤 f w 公司旋旋风分离低硝化物到 风分离式燃无烟煤 烧器 i h i 、w r p c 卧式分离器从低负荷稳 分离式燃烧 燃到低硝化 器 物 前苏联德国 惯性浓缩器低负荷稳燃 带浓缩器褐 离心浓缩器 煤燃烧 下面对其中的一些燃烧技术进行评述： 4 浙 工人学硕j 。学位论史 1 高浓度输粉技术 前苏联开发应用的高浓度给粉技术已有1 0 多年。至今已有燃用无烟 煤、褐煤、烟煤的2 0 0 m w 、3 0 0 m w 、5 0 0 m w 、和8 0 0 i d w 机组锅炉。采用此种 技术可大大简化制粉系统，减少金属及保温材料保养等消耗，提高可靠性 和经济性。 2 三菱p m ( p o 儿u t i o nm i n i m u m ) 燃烧器 同本三菱重工在1 9 8 1 年，1 ：发的p m 直流煤粉燃烧器用于煤粉切圆燃 烧方法。p 1 i i 燃烧器由浓淡喷嘴和浓淡分离器于一体。实际上是集分级燃 烧和浓淡燃烧于一体的低硝化物燃烧系统。 三菱公司由研究着火距离与一次风a c 关系进而研究一次风着火与 传播速度的关系。一般制粉系统出来的风粉流中a ci f 常值为2 、4 的范 围，对于高挥发分煤来说正处于高火焰传播速度区，着火距离短且易着火 稳燃。而高挥发分煤要达到a c = 1 ( 高浓度) 左右才处于较高的火焰传播速 度区。因此，对于低挥发分煤的燃烧分隔成浓淡两股，使高浓度内粉流 a c 约为l 。 据说p m 燃烧器可控制硝化物生成量在2 5 0 、6 5 p p m 。 我国山东黄台电厂已成功应用的三菱3 0 0 m w 锅炉p m 燃烧器煤粉分配 器设计参数如下：风量浓淡股各半，平均粉风c a = o 5 2 k g k g ，浓股c a = 0 8 3 0 7 3 2 k g k g ，淡股c a = 0 3 13 0 2 l k g k g ，压损高达 1 3 0 m m h 2 0 。运行煤种发热量q 。，= 2 5 5 8 9 ( i j k g ) 、v y = 1 1 6 。 3 石川岛播磨i h i - f w 双流旋流燃烧器 沙角电厂3 5 0 煤粉锅炉即采用这种低硝化物燃烧器，对冲和罱，时埔 3 排，后墙2 排，每排4 只，4 只磨，额定负荷投4 台1 6 只。 据介绍，该锅炉在不投汕时可以2 0 m c r 下连续运行。 设计煤种：q 。k 2 1 6 5 8 m j k g ，挥发分v ，= 3 8 0 7 ，w ，8 ， a7 2 2 3 9 。 这种燃烧器是使一次风粉流往内外筒形的环形通道切向旋转进入炉 膛；调风器和内叶轮控制二次风分二批进入炉膛，第一批二次风风量较 少；热三次风由燃烧器中心进入，风量极小。 除了一、二次风率调节可以间接调节煤粉浓度，环形通道末端内向收 缩；滑动喷口也能使一次风出口截面缩小，使煤粉向中心浓缩，在离燃烧 器很近距离内形成回流区，外表面浓度低于内表面，从而实现局部浓缩， 达到降低硝化物和低负荷稳燃。 4 石川岛播磨i 叭一w r - p c 燃烧器 浙江人学硕i 。学位论文 煤粉燃烧器的有限调节比影响锅的启停和变负荷运行。在运行方式 中，往往需要油助燃并伴随着磨煤机的启停操作。i h i 公司开发的w r p c 燃烧器可使常规燃烧器的调节比变德很宽而不必对原有磨煤机和燃烧器系 统作任何大的改动。i h i 公司研究认为，对常规燃烧器系统，一次风煤比 a c 必须低于3 或3 5 才能保证燃烧的稳定，即这时磨煤机和燃烧器的实 际运行负荷约为3 0 或4 0 。对直吹式系统，磨煤机负荷下降时，a c 将 上升。i h i - w r p c 燃烧器的思想是当负荷下降时仍能保证燃烧器出口一定 的煤粉浓度。其特点是在通向燃烧器的一次风管上加了一个带离心式分离 器的旁路。通过实验及运行得出，当分离器入口c a 为0 2 k r k g 时抽 汽率为l5 9 6 时，低、高浓度出口c a 9 分别为0 ，0 2 k g k g 和1 2 k g k g 。 实际运行分离效率为7 5 8 0 。试验表明，燃用典型烟煤时，负荷可降至 2 0 ，改造实例表明：启动时可使油一煤粉的切换可从3 0 负荷降至温 5 。锅炉最低负荷可降至满负荷时的3 5 而不必启停磨煤机，而且负荷变 化速率可望达到冉油炉的水平。缺点是运行调节复杂，不适合我国国情， 阻力约为1 0 0 m m h 2 0 。 5 p a x 燃烧器 p a x 燃烧器( p r i m a r ya i re x c h a n g eb u r n e r ) 与直吹式制粉系统配 套使用，它是b & w 公司在旋流燃烧器的基础上开发出来的新型旋流煤粉燃 烧器。最先用在w 型火焰锅炉上，近年来已用在水平燃烧方式上。 b & w 一6 7 0 1 3 7 - m 型锅炉上的燃烧器为前后墙对冲布置，设计煤种 为山西贫煤。配有双层调风系统内层二次风量少，内外二层旋流强度均 可调节，一次风不旋转。 经置换后，它能使磨煤机出口风粉混合物由8 5 提高到燃烧器出口的 2 0 0 左右，达到中储式热风送粉的温度水平。同时替换前一次风粉流的 1 0 的煤粉和5 0 的空气经乏气喷口送入炉膛。能使一次风粉浓度浓缩至约 1 8 倍。乏气喷口呈极扁平的形状。 该型燃烧器一次风交换装置阻力约为5 2 m m h 。0 ，燃烧器的调风器压降 5 0 、8 7 m m h 2 0 。 6 b & w 和日立( 叭t a c t l i ) 低硝化物双调风燃烧器 通过双调风措施可以使燃烧器中心区保持还原形气氛、富燃料燃烧状 态，而在周围形成氧化气氛，这也是其能降低硝化物的原理，实际上也是 在着火区局部形成浓缩型高浓度燃烧。 双调风燃烧器采用相对狭长的火焰。燃料的着火是在火焰中心含粉浓 度较大的风粉混合物中发生的，气流的扰动仅是用以维持风粉的混合达到 浙江大学碳i | 学位论文 燃烧所需要的程度。当配风合适时能使煤粉在喷口端部外侧几十毫米处着 火燃烧。 华能南通电厂2 5 0 m w 机组b a b o c k 双调风燃烧器特征值如表1 2 表1 2 华能南通电厂b a b o c k 双调风燃烧器特征值 风率( )风速( m s )风温( ) 一次风 2 1 21 6 27 9 二次风 2 3 6 3 1 51 3 5 1 8 03 3 l # 1 - - 次风 5 5 2 4 7 33 8 5 3 3 03 3 1 单只燃烧器功率 3 7 5 m w 由上表可看出该内二次风速值比常规燃烧器要低。该炉能在3 5 负荷 下无须投油助燃，存在的问题是硝化物排放量偏高和内外二次风门机构、 旋转叶片调节机构往往因卡涩而无法调节。 7 旋风式煤粉浓缩燃烧器 英、意、德等国比较趋向于组织u 型、w 型火焰燃烧方式来燃用 v r e ( 2 ) f r ：i d e m ： ( 3 ) s t k = id e m ： ( 4 ) r l = i d e m 或r e 。处于同一区间。这里n 是描述阻力关系的系数。 其中r e 。为颗粒与气体之间相对运动的雷诺数： r e6 = 6w g v ( 3 1 卜1 ) 式中：6 一颗粒的直径： w 。一颗粒与气体之间的相对运动速度； v 一气体的运动粘度。 r e 准则表示惯性力和粘性力之比，模化试验中如忽略边界层内流动不 相似的影响，则只需保证原型与模型的r e 处在同一模化区。 f r 准则表示惯性力或离心力与重力之比。 s t 。是起决定性作用的准则，它表示惯性力或离心力与颗粒一气流相 对运动阻力之比。这里惯性力可理解为引起颗粒分离的力，阻力即阻止颗 粒分离的力。因而s t 。数表示颗粒在气流转弯时是否容易从气流中分离出 来的指标。s t 。愈大，颗粒跟随性变差，分离能力愈大。对于电厂煤粉直 径在l o o u m 上下，可以认为模型与原型中运动阻力符合斯托克斯定律，于 是有c = 2 4 ，n = l 。即： s t k = p 。w 。62 2 4vlp 。 由于锅炉一次风管煤粉浓度约0 4 0 7 k g k g ( c a ) ，属于稀相流动， 可近似假设颗粒间相互作用忽略。模型中进入试验管段的颗粒一空气两相 流己充分发展，由此可认为原型与模型的进口条件相似。 在这些模化条件中，s t 。准则中包含有微粒当量直径。严格的说此准 则只适用于合有单一尺寸微粒的气流。但在工程实际中，几乎都是含有多 种尺寸微粒的气粉流，理论分析表明，可将准则中的6 用多种尺寸微粒的 等特性尺寸6 。代替，同时补充要求模型与实物的颗粒无因次特性曲线相 同。而在有的磨煤机分离器模化试验表明，对于三种不同颗粒特性曲线的 微粒，得到完全相同的分离效率曲线，大多是可以忽略不计的。 3 1 2 双稳可控浓淡燃烧器两相流模拟的试验装置 浙江大学顺一f ：学位论文 按上述模化原理设计的气固两相流试验系统。浓缩装置之后加装分隔 挡板，防止分离后的前浓后淡两股风粉流再度混合，使浓度趋于均衡或前 淡后浓。 _ 呻 浓粉流 _ 。，- - - 彰, 厂+ 分隔挡板 一浓粉流 _ 。 叫，一、广浓淡分离装置_ 稀粉流 二= 之二y 二二一= ! ：1 2 0 0 2 2 6 图3 12 - 1 试验管段结构简图 _ 25 h 3 一 三厂 图3 1 2 2 双稳可控浓淡燃烧器两相流模拟的浓淡分离 3 1 3两相流模拟浓淡分离装置的分离特性 按多相模化理论及试验方法，浙江大学工程热能研究所刘建忠，池作 和等对扇状流线形撞击式惯性煤粉分离装置的浓淡效果及影响因素进行了 大量试验， ( 图3 1 3 一1 ) 和( 图3 1 3 - 2 ) 为浓淡两侧速度分布和浓 度分布结果。表明煤粉浓淡比可达7 8 倍，浓淡两侧气相速度基本达到平 衡，速度比约为1 1 5 倍。 浙江人学硕，i 学位论文 一：一扒 一：、 二：一一：一：+ + ：一- 一：一一一；一一 k ；：一 一 图3 1 3 3 浓淡分离效果随撞击块高度的变化曲线 “9m 。器 ” 图3 1 3 4 浓淡分离效果随隔板距离变化曲线 浓淡分离效果随撞击块高度的变化绘成( 图3 1 3 3 ) 所示的曲线。 随着撞击块高度的增加，浓淡分离效果显著增加。但是，从浓淡两侧的速 度测量结果看，随着撞击块高度的增加，浓淡两侧的速度不均匀也将增 加。 挡块与隔板的距离是影响浓淡分离效果的另一个重要因素，试验结果 见( 图3 1 3 - 4 ) 。随着挡块与隔板的距离增加，浓淡分离效果显著下 降。但该距离也不是越小越好，随着距离的减少，浓淡两侧的速度差将明 显增加。 所以结果说明撞击块高度、挡块与隔板的距离等都可以作为煤粉浓 淡调节的手段。 3 1 4 双稳可控浓淡燃烧器两相流模拟的阻力特性 气相试验阻力特性研究内容包括气流速度、挡块高度、前倾角、隔板 距离等对阻力损失的影响，试验结果见( 表3 1 4 1 ) 表3 1 4 1 冷态模拟试验单相流试验数据记录表 工况流速挡块高度f t l l n前倾角碥板距离阻力损失 m s( 。) m m h ，0 l l7 56 03 7 03 0 0l o 21 6 64 02 1 62 4 01 0 31 7 22 51 3 32 5 01 0 浙江大学顾f ：学位论文 42 1 16 01 3 34 2 0 】5 52 1 04 02 1 63 2 0 1 0 62 0 72 53 7 0 3 0 09 72 4 8g o2 1 65 l o1 5 82 3 44 0 3 704 0 01 2 92 3 12 51 3 33 5 0l l i o2 3 3oo3 3 5l o 图2 - 9 单相流时每个工况对应的一次风管中的阻力损失 由( 表3 1 4 一1 ) 以及( 图3 1 4 1 ) 可以看出，单相流时阻力损失 随着挡块高度的增加、前倾角的变大、风速的增大和挡板距离的增加而增 大，但在设计工况下，一次风管中的阻力损失都不是很大，在第七工况下 达到最大时也就是1 5 m m h 2 0 ，因此可以认为加装此浓淡分离装置后虽然使一 次风管中的阻力损失增大，但是增大幅度不是很大，此装置的设计是合理 的，也不会对一次风管中的空气动力场有大的影响。 由图可以很容易地看出，对阻力损失的影响较大的是挡块高度和风 速，而且都是随着因素的增大而增加。 综上所述，此浓淡分离装置的阻力特性是：( 1 ) 挡块越高度，阻力损 失就越大，且从以上诸图可以看出，挡块高度应该是最大的影响因素；( 2 ) 挡块高度一定时，阻力损失随一次风速、前倾角和挡板距离的增加而增 大且风速影响最大，挡板距离、前倾角其次。因此，在进行设计考虑阻 力损失时，应主要针对以上因素进行。但因为实际应用时，一次j x l 速变化 不大。所以，实际设计时，应主要考虑挡块高度、挡板距离和前倾角。 柚 j g o ：三一 鼍 一：一。一。：。一一一i 一一一一一一：一一一一一。：。 ；- - 一? “，一一一：一- ，：一 ! ： ： 图2 1 0 阻力损失随挡块高度的变化规律 浙江人学删i 。学位论文 ：_ 至荔：_ - 1 丰i 轻卜一 ”2 。 雌1 2 ； 2 ” 图2 1 1 阻力损失随风速变化规律 3 1 5 双稳可控浓淡燃烧器稳燃锥体结构对稳定煤粉火焰 的机理 煤粉燃烧器采用稳燃锥体来稳定火焰燃烧已有多年历史，但随着形势 的发展，对煤粉稳燃有了更高的要求，稳燃锥体的形式也在不断的发展和 完善。最早采用的普通稳燃锥体已不再适应煤粉锅炉低负荷及煤种多变的 要求，新的技术不断涌现。为了提高低负荷稳燃性能，提出了带中心调节 风的波纹稳燃锥体，为设计了解稳燃锥体具体结构及运行参数，浙江大学 热能工程研究所池作和，刘建忠等在实验室台架上利用激光多谱勒( l d v ) 测量了燃烧器冷态流场，对冷念空气动力特性进行了详细研究，通过对三 种不同结构稳燃锥体后的流场特性来分析这种煤粉燃烧器稳燃机理及流动 燃烧特性，提出最佳了的改造方案。 3 1 5 1 冷态流场的方法 因风机容量限制，燃烧器的模型是按1 ：5 比例缩小设计。模化设计计 算遵守原则为： ( i ) 冷模气流运动进入自模化区，雷诺数r e r 8 ( 2 ) 模型与实物保持几何相似： ( 3 ) 边界条件相似。 燃烧器模型采j ；i _ j 的煤粉浓淡分离型。为了研究锥体对出流场及燃烧 器着火稳燃特性影响。这次试验针对设计的三种不同形式的锥体进行研 究。见( 图3 1 5 卜1 ) 它们分别是普通锥体，带翻边锥体及波纹翻边锥 体，所有锥体与喷口的边宽比为b b = o 3 3 ，锥角为2 0 。 普通锥体 翻边锥体 波纹翻边锥体 图3 1 5 1 各种锥体形式 浙江大学硕i ：学位论文 3 1 5 2 冷态流场煤粉燃烧器流场参数测量及稳燃机理分析 ( 1 ) 燃烧器出口速度场 图( 3 1 5 2 1 ) 至图( 3 1 5 2 - 2 ) 为燃烧器出口轴向速度场测量结 果。由图可见，由于锥体的作用，气流向二侧扩散更强烈，在速度场二侧 形成峰值( 凸起) ，而在中间形成回流区( 凹处) ，这种典型的双峰结构 气流要保持较远距离，在离喷口1 4 0 m m 处仍相当明显。另外，加锥体后， 因气流分离后绕流锥体形成回流区，增强了气流湍流交换，使射流速度衰 减加快。这点在图上有充分反映，对照图4 4 和图4 6 ，加锥体的气流速 度最大值( 浓相区) 由1 5 m s 下降到l o m s 而无锥体气流速度最大值只 有1 1 m s 下降到9 m s 。有关射流衰减特性将在下面详述。 此外，试验结果还表明，由于挡板的分离作用，使燃烧器出口浓淡两 侧速度不相等。浓侧平均轴向速度要比淡侧大1 0 左右。 ( 2 ) 燃烧器出口湍流强度分布 湍流分离流动改变了流动的结构，使流场具有更大的湍流输动能力。 湍流脉动的增强能使煤粉火焰传播速度增大，它对于流场中动量、质量和 热量的传输起着很大的作用。分析( 图3 1 5 2 - 1 ) 至( 图3 1 5 2 2 ) 湍流强度在锥体后的分布情况可知，在回流区的湍流强度较之来流有明显 的增大，一般可达3 0 6 0 ，并且在零流线附近出现峰值，形成一个“双 峰”值分布。如将锥体后的湍流分布与自由射流中的湍流分布相对比，可 以发现湍流结构发生了很大的变化。在锥体后回流区边界附近区域( 即湍 流动能逆转区) 中，主流和回流介质发生强烈的动量和质量的交换，如果 在流动过程中发生燃烧反应，则在这一区域中，可强化可燃气流与回流烟 气的热质交换，并造成强烈扰动，有利于燃料的着火和燃烧。 锥体形状对燃烧器出口流场分布影响也很大，由图可见，对波纹翻边 锥体，因波纹错位及翻边结构的双重影响，使射流在回流区边界面附近出 现强烈扰动，在浓侧晟大湍流强度可达6 6 7 2 ，淡侧湍流强度达6 0 ；带 翻边锥体次之，浓侧及淡侧最大湍流强度分别为4 8 年n3 4 ；而普通锥体 相对最小，浓侧及淡侧最大湍流强度只有3 4 及3 3 。所有锥体燃烧器出 口流动分布较相似，湍流强度在中间回流区较大，两边小，而在射流外边 界又增大。无锥体的燃烧器出口湍流强度在射流核心区基本恒定，其值约 为1 5 2 0 ，而在外边界上，湍流强度要增加到3 4 。 由上述分析可见，波纹翻边锥体的湍流强度要比普通锥体大一倍左 右比无锥体射流大三倍左右。说明波纹翻边锥体燃烧器能把浓淡分离出 来的煤粉局部富集于强烈湍流交换区域里，因此具有很好的稳燃条件。 注：图3 1 5 2 1 至图3 1 5 2 4 中的曲线说明： 浙江人学硕j 学位论文 无锥体十 波纹翻边锥体一 普通锥体o 翻边锥体十 p o s i t i o na x i sx ( r a m ) 图3 1 52 一l 燃烧器出口1 0 m m 截面速度分布 p o s l t l o na x i sxc r a m ) 图3 l522 燃烧器出口6 0 m m 截面速度分布 蜥江大学母! i 学位论史 v e t o cm e a nu ( m 5 ) p o s i t i o na x l sx ( r a m ) 图3 152 - 3 燃烧器出口1 4 0 m m 截面速度分布 t u r b u l e n c e u ( ) p o s i t i o na z t sx ( m m ) 图31 5 2 - 4 燃烧器出口1 0 m m 截面湍流强度分布 塑坚叁兰堕堂丝笙兰 t u r b u l e n c e u ( ) p o s i tr o na z i sx ( r a m ) 图3 1 5 2 - 5 燃烧器出口6 0 m m 截面湍流强度分布 t u r b u l e n c e u ( ) p o s i t r o na x i sx ( m m ) 图3 1 5 2 - 6 燃烧器出口1 4 0 m m 截面湍流强度分布 浙江人学硕士学位论文 ( 3 )回流区边界及长度的测定 粘性流体掠过锥形物体时，会产生绕流脱体现象，从而在物体的背后 产生一个稳定的回流区。如果测出锥体后不同断面的轴向速度分布，即可 根据下式求出零流线在不同断面上的径向坐标以确定回流区的边界，即： 2 坳nd r + 2 印f 2 彬d r = 0 式中，h 锥体宽度( 与喷口宽度相等) ； p 气流密度； w x 轴向速度： r 。零速度线到轴线距离； r 。零流线到轴线距离。 把所有的i 。连结起来即为零速度线，把所有r ：连结起来即为零流线。 浙江大学颀士学位论文 根据上述分析，绕流脱体产生的反向压力梯度，是形成回流区根本原 果。由图可见，回流区边 图3 ，1 5 2 7 不同锥体回流区边 界及长度的大小依次为带翻边锥体、波纹翻边锥体、及普通锥体( 无翻 边) ( 表3 1 5 2 一1 ) ，说明锥体形状对回流区影响很大，翻边锥体因气 流容易产生较大的偏折，促使回流区宽度增加，由于同样的原因，气流向 轴线卷曲的能力也有所减弱，使两侧主流的汇合点后移，因而回流区也较 长。 因此，从回流区大小及回流量角度出发，在这三种不同形状锥体中， 翻边锥体最好，因回流区大，能回卷更多热量，有利于着火，但射流衰减 快，刚性相对较差，不利于后期扰动燃烬，从而影响燃烧工况。 表3 1 5 2 - - 1 不同“v ”型体回流区长度、最大宽度及回流量 锥体形式普通锥体带翻边锥体波形全翻边锥体 回流区最大宽度( m m ) 3 94 84 2 回流区最大长度( r a m ) 6 68 37 3 回流区最大速度( m m ) 34 3 在x = 2 0 m m 处回漉率r ( )6 4 l l7 8 ( 4 ) 回流率测定 回流的气体流量与喷口处主气流流量之比，称为回流率。回流率可当 作旋涡强度的度量。并在决定火焰稳定的有效程度方面起首要作用。 根据这次试验所用的锥体几何形状，在任意轴向截面位置上，回流质 量流量由下式决定： m ，= f 2 跏彬咖 式中，r 零速度线边界( w x ：o ) 的径向位置。 主气流流量为： m o ：s h w op 浙江大学硕士学位论文 于是回流率： r = m m o( 3 1 5 2 - 4 ) 由式( 4 2 ) 可知，求取回流率实际上就是测定回流区轴向速度分布， 根据速度分布不难求得m r ，进而求m r m o 。这里我们仅对x = 2 0 m m 处截面 上回流率进行计算求解，其结果见表4 一l 。计算结果表明，回流率r 与锥 体形状有较大关系，翻边锥体的回流率或湍流交换率要大于普通锥体。 ( 5 ) 回流区的形状修正系数 回流区内的介质与主气流之问的质量交换率m e 可以表示为： m e = p v t ( 3 1 5 2 5 ) 式中，v 。回流区体积； t 进入回流区的介质的停留时间。 由式( 4 5 ) 可知，当停留时问t 一定时，回流区的体积v 。越大，其质 量交换率m e 也越大，因而对新鲜气粉混合物的加热越强烈，着火将会提 前。所以，v 。同样是表征回流区物性的重要参数。 根据这次试验采用的锥体结构，所形成的回流区体积可用下式计算： v l = c 2 f r h ( 3 1 5 2 - 6 ) 式中，f 。为回流区的最大水平截面积； c ：为回流区高度修正系数。 而f r = c 。l r ( 3 1 5 2 7 ) 式中，c 。回流区水平截面修正系数； l 回流区水平截面长度： r , a x 回流区水平截面最大边界( 宽度) 。 一 如果把回流区长度和最大宽度用无因次值表示则式( 4 7 ) 可改写为： f r = c i ( l b ) ( r m a x b ) b 2 ( 3 1 5 2 8 ) 因此回流区水平截面形状修正系数为： e l一2(libb ) b ：( 3 1 5 2 - b ) b 9 ) 一 l j 。，j 根据实测数值，我们应用式( 9 ) 对不同锥体计算了c 值，其结果列于表4 2 。 由表可见，各种形式锥体对形状系数影响不大，可近似地当作常数，取 c 2 = 0 8 左右。确定了c ，之后，在计算上带来较大的方便，只要测出回流区 长度l 和最大宽度r ，便可用式( 4 7 ) 很容易地计算出回流区的横截面积 f 。，如假定在高度方向上截面相等，进而可用式( 4 - 6 ) 计算出回流体积。 浙江大学硕j ：学位论文 锥体形式 f r b 2 l b r bc l 普通锥体 1 8 9 62 o o1 2 0o 7 9 波纹翻边锥体 2 3 3 62 2 01 3 0o 8 1 6 8 带翻边锥体 3 1 4 5o 2 5 01 4 5o 8 2 7 6 ( 6 ) 射流外边界及扩张角 加装锥体后的射流扩张角，与自由射流有较大的不同。射流外边界及 扩张角的测定方法是：在各截面上确定射流外缘w x = o 的径向位置( y ；) ，然 后，把各测量截面的y ；连接起来，构成射流外缘的零速度线( 即w x w o = o ) ， 该线就是射流外边界线，此线与x 轴的夹角即为射流的半张角b 2 。 加装各种锥体后，射流外边界线见图4 1 1 ，半张角的测定结果列于表 3 。图4 - 1 1 中还画出了方形喷口不带锥体( 但带浓淡分离挡扳) 时射流外边 界线以便对比。由图可得如下结论：( 1 ) 对方形燃烧器喷口，加装锥体后， 射流扩张角明显增大这将导致一、二次风混合位置提前。( 2 ) 带翻边锥体 的射流扩张角比普通锥体射流扩张角大。 i 喷口形状普通方形喷口普通锥体翻边锥体翻边波纹锥体 l 半张角b 27 5 o 8 9 。 1 3 1 。1 4 9 。 注：浓侧及淡侧边界线半张角基本相同，表中数据为它们的平均值。 ( 7 ) 射流的衰减特性 四角切圆燃烧器射流要在炉膛中心形成一定直径的假想切圆，因此， 气流达到炉膛中心时应保持一定的动量，一般情况下，在炉膛中心气流速 度仍有其出口速度的6 0 6 5 左右，那么，加装各种形式的锥体后是否会 引起速度衰减的较大变 化，从而影响气流的动量 伯。 为此，我们对试验结果进 8 0 行分析处理，见图 曼6 0 ( 3 1 5 2 - 8 ) 。 。 - 由图可见加装锥体西4 0 后，因气流分离后绕流锥霜2 0 体形成回流区，增强了气 流湍流交换，使射流速度 。 衰减加快，因此，对波纹 稳燃锥体燃烧器为提高其 02 0 4 06 0 8 01 0 01 2 01 4 01 6 0 轴向距离x ( u ) 浙江人学硕，j ：学位论文 射流刚性，往往采用加周 界风或单边风等措施，以 加强尾部扰动，改善燃烧 工况。 此外，锥体形状对射 流衰减影响也较大，试验 结果表明，带翻边锥体的 射流衰减最快，因此，虽 然这种锥体所形成的回流 区长度及边界都很大，但 图3 1 5 2 - 8不同锥体射流衰减特 由于射流后部刚性差，影响四角切圆燃烧，在实际中很少应用。普通锥体 的射流衰减最慢，但其回流区长度及边界相对较小，也不是十分理想的方 案。从回流区的特性及射流衰减特性来看，波纹带翻边锥体是较理想的 选择。 ( 8 ) 小结 利用激光多普勒测速仪( l d v ) 对波纹稳燃锥体煤粉燃烧器出口流场的 测量及分析结果表明： ( 1 ) 在燃烧器喷口装锥体后，特别是波纹翻边锥体，湍流强度可达6 6 ， 且最大湍流强度分布在回流区边界附近，这将大大增强回流区内高温 烟气与主气流之间的热质交换，对煤粉的着火及稳燃均十分有利。 ( 2 ) 不同锥体产生的回流区大小及回流率各不相等，试验表明，带翻边锥 体的射流形成的回流区边界、长度及回流率均大于普通锥体，波纹翻 边锥体介于两者中间。经计算，回流区形状修正系数为0 8 0 左右。 ( 3 ) 试验结果表明，普通喷口加锥体后，气流速度呈双峰结构。浓、淡两 侧分布不均。且射流扩张角将增大，衰减加快，而在各种形状锥体 中，带翻边锥体射流扩张角最大，衰减最快刚性差。普通锥体射流 扩张角最小，衰减最慢，刚性相对较好。波纹翻边锥体射流介于两者 之间。 ( 4 ) 从湍流强度、速度场分如、回流区大小、气流刚性等方面对煤着火燃 烧的影响，经综合考虑，我们认为波纹翻边锥体射流冷态空气动力特 性较好，应予优先采用