切圆燃烧角部风箱锅炉浓缩器结构优化研究

切圆燃烧角部风箱锅炉浓缩器结构优化研究

0锅炉点火技术在应用浓度较大的燃料二氧化碳燃烧技术的锅炉中，小油枪直接燃烧技术通常用于冷炉的启动。小油枪煤粉直接点火技术是将油枪布置在一次风的喷嘴中或在一次风口附近,利用强化燃烧原理使燃油充分燃烧,用很小的燃油量(根据燃用煤种不同,着火温度不同,燃油量可在50～300kg/h)就可以获得一个刚性较强、温度较高的稳定火炬。由于该火炬可达到1500～1800℃,当高浓度的煤粉气流通过火炬时很快受热,被迅速点燃,并在点火初期就尽可能燃烧完全。被点着的煤粉产生的热量由里向外传递,着火过程也由里向外。已着火的区域随气流喷射向外扩散,在燃烧器喷口处形成以煤粉燃烧为主的火炬进行点火启动。小油枪是在冷炉启动或锅炉低负荷稳燃时才投用的,带油运行时,小油枪的燃油热负荷仅占煤粉燃烧器热负荷的6%～13%。按照文献的计算方法,小油枪计算点火节油率大于72%,计算稳燃节油率大于81%。大容量切圆燃烧锅炉的燃烧器一般是布置在风箱中的。为解决锅炉点火的问题,目前的解决方案是将燃烧器布置在角部风箱外,从而使油枪在浓煤粉气流侧点火。受风箱结构的限制,1号角和3号角的油枪只能布置在淡煤粉气流侧(图1中)。淡煤粉气流中煤粉浓度低,不易实现油枪点火。因而1号角和3号角的燃烧器达不到良好的点燃效果,这势必会消耗更多的燃油,造成燃料的浪费。在锅炉低负荷运行需要助燃时,这两个角的油枪因不能有效点燃淡煤粉气流,从而起不到稳定燃烧的效果,可能威胁到锅炉的安全稳定运行。本文针对这一问题,提出了可换向百叶窗煤粉浓缩器的思路,采用数值模拟的方法对锅炉正常运行工况及点火工况下浓缩器的结构进行了优化,并确定了浓缩器结构优化方案,最后对该锅炉下层煤粉燃烧器改造后的一次风喷口速度进行了测量,验证了可换向百叶窗煤粉浓缩器的可靠性。1自然循环汽包炉某电厂#6锅炉是由武汉锅炉厂制造的300MWe亚临界压力一次中间再热自然循环汽包炉,为固态排渣煤粉炉。该锅炉燃烧系统如图1所示。燃烧器采用大风箱、大切角、固定式燃烧器,燃烧器正四角布置,在炉内形成切圆燃烧,假想切圆分别为Φ974mm和Φ802mm,平均燃烧角为3°。2改进的喷射结构2.1煤粉浓缩器的结构及工作原理实现锅炉顺利点火启动,并保证锅炉稳定运行,对燃烧器进行改造时需要满足三个前提条件:第一,受空间限制,油枪布置的方位不能改变;第二,锅炉点火启动时,点火油枪侧保证有适当高浓度的煤粉气流;第三,锅炉正常运行时,锅炉四角的浓淡煤粉气流形成浓侧向火淡侧背火的水平浓淡燃烧。基于以上前提,设计开发了可换向百叶窗煤粉浓缩器。其结构原理如图2所示,其中叶片1、叶片2、叶片3为可调叶片。当锅炉正常运行时,正向百叶窗由叶片2、叶片3及叶片4组成。叶片1与x轴夹角为0°,叶片2、叶片3、叶片4与x轴正向夹角为α。这种叶片布置方式在浓缩器出口分别形成浓煤粉气流和淡煤粉气流,可以满足水平浓淡燃烧的要求。当锅炉点火启动时,反向百叶窗由叶片1f、叶片3f及挡块1组成,其中叶片1f、叶片3f分别由叶片1、叶片3通过固定在浓缩器壳体上的旋转轴旋转得到。叶片2旋转到叶片2f位置,与x轴夹角为0°。叶片1f、叶片3f与x轴夹角为负值,记为β。这种叶片布置方式可在原浓煤粉气流侧形成(淡煤粉气流)f,在原淡煤粉气流侧形成(浓煤粉气流)f,从而实现浓淡煤粉气流的换向,满足锅炉点火启动和低负荷稳燃的需求。2.2确定可调叶片的角度锅炉点火启动时,在原淡煤粉气流侧获得高浓度的煤粉气流是最为关键的。为了使反向百叶窗达到较好的性能,进而满足锅炉点火启动的要求,本文通过旋转可调叶片的角度来实现。确定可调叶片1f、叶片3f的倾角β=-25°、-30°、-35°,-40°,叶片2f的倾角β=0°,叶片4的倾角保持正向百叶窗结构中的角度,即α=30°。由此确定的可换向百叶窗煤粉浓缩器结构工况如表1所示。2.3物理模型及网格划分采用Fluent6.3.21软件对表1中各工况下浓缩器的性能及流场进行数值模拟。气相湍流模型采用可实现k-ε模型,气固两相模型选用颗粒随机轨道模型。浓缩器物理模型及网格划分如图3所示,采用分块划分网格的方法,网格尺寸为20mm,网格总数约为35万个。在浓缩器入口和出口分别设置0.88m长的稳定段。2.4基本参数和边界条件(1)管流条件分析入口为速度入口,速度为20m/s,湍流强度I取为5%,水利直径为0.4767m;出口采用充分发展管流条件;壁面处采用无滑移条件。(2)rosin-rammler分布入口计算参数见表2。其中煤粉颗粒粒径分布满足Rosin-Rammler分布,粒径范围是0～100μm,均匀性指数n=1。颗粒与壁面的碰撞为弹性碰撞,速度恢复系数参考文献确定。3结果与讨论3.1叶片3f倾角对百叶窗浓缩率的影响锅炉正常运行工况(工况1)下,计算的浓缩器的浓淡风量比为1.21,浓缩比为3.07,浓缩率为1.33,阻力损失系数为2.92。在实际应用中,浓缩器各叶片角度可调,因而可根据实际锅炉运行的需要,如不同煤质最佳煤粉浓度的差异及锅炉负荷的要求,通过调节叶片倾角来满足实际需要。为便于分析,将工况2～工况16分成4组,即在叶片1f倾角分别为-25°、-30°、-35°、-40°时,改变叶片3f的倾角,来分析各工况下叶片倾角对反向百叶窗性能的影响。图4～图6分别为第二级、第三级叶片倾角对浓缩器内浓淡风量比、阻力损失系数及浓缩率的影响关系图。由图可知,叶片1f倾角在-25°～-40°之间变化时,反向百叶窗浓淡风量比维持在0.9～1.2之间,浓淡风量比随叶片3f倾角绝对值的增加而逐渐减小。如果固定叶片3f的倾角,由图4可知,反向百叶窗浓淡风量比随叶片1f倾角绝对值的增加而逐渐增加。由此可见,叶片1f倾角绝对值的增加有助于提高浓淡风量比,而叶片3f倾角绝对值的增加有助于降低浓淡风量比,二者对反向百叶窗浓淡风量比的影响趋势是相反的。由图5可知,叶片1f和叶片3f倾角绝对值增加时,反向百叶窗阻力损失系数均是增加的。由图6可知,叶片1f倾角固定时,反向百叶窗的浓缩率随叶片3f倾角绝对值的增加而增加,这种增加的趋势随叶片1f倾角绝对值的增加而逐渐趋于平缓。这说明,叶片1f和叶片3f倾角绝对值的增加均有助于提高反向百叶窗的浓缩率,且提高的幅度随两个叶片倾角绝对值的增加而减小。当叶片1f倾角为-35°～-40°,叶片3f倾角在-40°～-25°变化时,反向百叶窗浓缩率维持在1.3～1.4附近。锅炉顺利点火及低负荷稳燃的前提是反向百叶窗浓侧具有较高的煤粉浓度,即要求反向百叶窗具有高煤粉浓缩率。此外,反向百叶窗的浓淡风量比应尽量接近于1,如浓淡风量比过大或过小会使浓淡喷口风度偏差加大,易导致锅炉低负荷稳燃时炉内空气动力场波动及燃烧不稳。百叶窗煤粉浓缩器自身的结构特点决定了3个性能参数,即浓淡风量比、浓缩率、阻力损失系数之间互相制约,很难同时兼顾。在重点考虑高煤粉浓缩率和浓淡风量比接近于1的条件下,往往会牺牲一定的阻力损失。百叶窗煤粉浓缩器的作用是将一次风管道中进入燃烧器的煤粉气流进行浓淡分离,即在燃烧器浓淡喷口处形成气流流量相当、煤粉浓度差异较大的两股煤粉气流。根据煤粉燃烧理论,对于每一种煤,其煤粉浓度都有一最佳值,在此浓度下其着火温度最低,即煤粉最易着火。如果煤粉浓度大于或小于最佳煤粉浓度,都将使煤粉着火温度提高,不利于锅炉的稳定燃烧。所以在锅炉的实际运行中,并不是浓缩器将煤粉气流浓缩得越浓越好,而应在综合考虑煤种及锅炉运行条件等因素的前提下,来设计浓缩器的性能参数。但从理论上分析各点火工况,确定最优方案,对指导实际锅炉中浓缩器的改造是有帮助的。图6中,浓缩率大于1.3的工况为工况11～工况16共计6个工况。在图4中,以上6个工况中,工况12和工况16浓淡风量比偏低,工况13浓淡风量比偏高,相对而言,工况11、工况14和工况15的浓淡风量比占优。而在图5中,以上6个工况中,工况12、工况15和工况16阻力损失系数大,工况11、工况13和工况14的阻力损失系数占优。综上分析,确定最优点火工况为工况11和工况14。3.2浓侧壁面时煤粉颗粒不稳定烧坏喷口的问题图7为最优点火工况下浓缩器内体积浓度分布。在工况14中隔板下方浓侧区域,高浓度、高速度的煤粉颗粒集中在浓侧近壁面处,易导致布置在该区域的点火油枪磨损式烧坏喷口。而工况11中,高浓度、高速度的煤粉颗粒集中在隔板和浓侧壁面之间,在实现油枪点火的同时可以避免烧坏油枪喷口。从这个角度来看,工况11为优选工况。4燃烧系统可靠性的校核对#6锅炉下层燃烧器进行了小油枪直接点火燃烧器的改造,浓缩器采用设计的可换向百叶窗煤粉浓缩器。为了考核下层燃烧器改造后的一次风喷口速度分布,掌握在锅炉正常运行和点火过程中燃烧器喷口浓淡风量比,对锅炉燃烧器进行了冷态工业实验。锅炉正常运行时,对下层燃烧器1号角、2号角和3号角浓淡喷口速度进行测量。锅炉点火工况下,对下层燃烧器1号角和3号角浓淡喷口速度进行测量。其中锅炉正常运行工况下浓缩器叶片调整到工况1中的叶片倾角,点火工况下浓缩器叶片调整到优选点火工况11中的叶片倾角。实验测得,锅炉运行工况下平均浓淡风量比在1.12～1.33之间,点火工况下平均浓淡风量比在1.12～1.17之间。燃烧器喷口浓淡风量比的理论计算值与工业实验测量值的偏差在±10%左右。考虑到数值计算中两相模型的不完备以及工业实验中测量的误差,上述偏差是可以接受的。通过对可换向百叶窗煤粉浓缩器进行结构优化和燃烧器改造后的工业实验,表明可换向百叶窗煤粉浓缩器在锅炉正常运行及点火工况下,可以在保证浓淡两侧风量差别不是很大的情况下达到煤粉的充分浓缩,有利于锅炉的顺利点火及稳定运行。5油枪对火炬直接点火锅炉燃烧的平均煤质为贫煤。锅炉点火过程中,采用微量油枪对燃烧器直接点火,1～2只大油枪(0.6t/h)伴烧。平均油耗为2t/h,相当于只需10～20t油就能完成锅炉正常冷启动点火,有效节约燃油。6燃烧喷口浓缩减量比确定(1)本文提出了可换向百叶窗煤粉浓缩器的构思。该浓缩器结构简单,易于调节,可在锅炉运行过程中改变浓淡煤粉气流方向,实现锅炉有效点火启动并节约燃油。(2)数值模拟结果表明,锅炉正常运行工况下,浓缩器的浓淡风量比为1.21,浓缩比为3.07,浓缩率为1.33,阻力损失系数为2.92。设计点火工况中,综合考虑浓缩器性能参数即浓缩率、浓淡风量比和阻力损