论文部分内容阅读
中国是世界上为数较少难燃煤（包括贫煤和无烟煤）储量丰富的国家之一,超过40%的电力供应来自于燃烧难燃煤,W火焰锅炉作为燃用难燃煤的重要炉型已在我国得到广泛发展。哈尔滨工业大学提出的W火焰锅炉多次引射分级燃烧技术在燃烧难燃煤方面表现出煤粉及时着火、火焰对称且燃烧稳定、炉膛结渣轻微、NOx排放浓度大幅低于同类技术等优点。但该技术在600MW超临界W火焰锅炉的实际应用中仍存在提升空间:下炉膛水冷壁易超温、飞灰可燃物含量及NOx排放浓度存在一定降低空间（优化工况下飞灰可燃物含量和NOx排放浓度分别为9.81%和878mg/m3（O2=6.0%））。本文在国家自然科学基金的资助下,立足于对上述三个方面进行综合性研究。在600MW超临界W火焰锅炉拱上12组燃烧器（每组燃烧器由两只燃烧器集中布置,总计24只燃烧器）均匀布置情况下,通过现场炉内冷态气流轨迹示踪试验得到:三次风挡板开度由55%增大到100%对拱上气流下冲深度影响较小,下射气流均具有较大的下冲深度并表现出明显的冲刷冷灰斗趋势。对应三次风挡板开度下的工业热态试验结果表明:实际含粉量约55%的浓煤粉气流距喷口1.42.3m着火,实际含粉量约45%的淡煤粉气流距喷口4.4m范围内未发生着火,最高温度为771°C。较多未燃尽煤粉下落到冷灰斗区域燃烧,冷灰斗近壁区温度高达1200°C。飞灰可燃物含量在7.029.53%,对应NOx排放浓度在8011023mg/m3（O2=6.0%）。有待对拱上气流下冲深度,浓、淡煤粉气流着火,煤粉浓淡燃烧及空气分级燃烧进行优化。借助数值模拟和工业试验方法对浓煤粉气流周围过量空气系数进行研究,得到浓煤粉气流周围过量空气系数由0.46增大到0.55,能够有效促进煤粉燃尽及降低拱上火焰下冲深度,但NOx排放浓度偏高在8601045mg/m3（O2=6.0%）。提出拱上24只燃烧器均匀布置情况下的燃烧器布置及参数试验方案,借助1:20冷态单相模化试验台,对不同燃烧器结构及配风参数下的炉内空气流动特性进行测量。综合考虑各参数变化对流场对称性、拱上气流下冲深度及进入冷灰斗气流流量的影响,推荐实际锅炉拱上燃烧器间距为1687mm,浓、淡煤粉气流风速为13.11m/s和17.49m/s,浓、淡煤粉气流粉量比为9:1,拱上二次风速为37m/s,二次风率为39%及三次风率为22.74%。推荐参数组合下的炉内流场对称性良好,前拱气流下冲深度及进入冷灰斗气流流量相对于拱上12组燃烧器均匀布置情况下分别减小了6.3%及14.9%。在此基础上,调整内二次风率由15.16%减小到9.41%,各工况外二次风及边界风速度衰减均要快于内二次风,拱下回流区水平无量纲速度逐渐增大,气流无量纲下射深度由0.830逐渐减小到0.788。建立1:40气固两相试验台,利用激光颗粒动态分析仪对拱上24只燃烧器均匀布置情况下的炉内气固流动特性进行测量。研究得到:随着浓、淡煤粉气流粉量比由6:4增大到9:1,浓煤粉气流喷口下方颗粒体积流率明显增大,气固两相在下射过程中的速度衰减有所加快,冷灰斗区域颗粒体积流率逐渐减少,最大颗粒体积流率出现位置逐渐远离冷灰斗倾斜水冷壁。随着内二次风率由19.66%减小到7.66%,内二次风引射浓煤粉气流下射的能力减弱,浓煤粉气流折转向炉膛中心的位置提前,颗粒体积流率峰值出现位置逐渐远离冷灰斗倾斜水冷壁。减小内二次风率减缓了近燃烧器区域的颗粒体积流率衰减,且推迟了内二次风对浓煤粉气流的稀释,有利于锅炉实际运行中浓煤粉气流的着火。借助数值计算方法对拱上24只燃烧器均匀布置情况下的炉内燃烧及NOx生成特性进行数值预测。浓、淡煤粉气流粉量比由6:4增大到9:1后,浓煤粉气流着火距离由1.2m缩短到0.7m。下炉膛火焰中心位置上移,冷灰斗内高温区域面积减小且出现位置逐渐远离冷灰斗倾斜水冷壁。对应飞灰可燃物含量由5.87%减小到5.52%,NOx排放浓度由778mg/m3（O2=6%）减小到662mg/m3（O2=6%）。随着内二次风率由19.66%减小到7.66%,浓煤粉气流着火距离由1.0m减小到0.8m。拱上气流下冲深度有所减小,冷灰斗近壁区温度保持在600800°C之间,减小内二次风率能够促进煤粉的燃尽,但不利于NOx排放量的降低,NOx排放浓度由662mg/m3（O2=6.0%）增大到726mg/m3（O2=6.0%）。拱上24只燃烧器均匀布置情况下的工业试验结果表明:相比于拱上12组燃烧器均匀布置情况,拱上气流下射过程中向炉膛中心的流动趋势增强,气流下射深度明显减小且冲刷冷灰斗现象消失;调整OFA挡板开度由20%增加到70%,含粉量约90%的浓煤粉气流距喷口0.661.05m附近着火,含粉量约10%的淡煤粉气流距喷口4.4m范围内未发生着火,冷灰斗近壁区温度在700800°C,低于拱上12组燃烧器均匀布置情况约400°C,下炉膛水冷壁超温现象消失。NOx排放浓度由702mg/m3（O2=6.0%）降低到575mg/m3（O2=6.0%）,飞灰可燃物含量由5.65%升高到6.4%;增大三次风挡板开度由40%到70%,浓煤粉气流着火距离由1.25m缩短到0.87m,冷灰斗近壁区温度逐渐降低,同一测点处的温度降幅约50°C。对应NOx排放浓度由593mg/m3（O2=6.0%）增加到641mg/m3（O2=6.0%）,飞灰可燃物含量由6.91%降低到6.15%;减小内二次风挡板开度由100%到50%,浓煤粉气流着火距离由1.36m减小到1.11m,拱上火焰下射深度逐渐减小,对应飞灰可燃物含量由7.31%降低到6.93%,NOx排放浓度由703mg/m3（O2=6.0%）增加到760mg/m3（O2=6.0%）。综合考虑,推荐优化二次风、三次风、燃尽风及内二次风挡板开度分别为95%、70%、55%和100%,该挡板开度组合下的NOx排放浓度和飞灰可燃物含量分别为589mg/m3（O2=6.0%）和6.18%,相比于拱上12组燃烧器均匀布置情况下的推荐挡板开度实现了NOx排放浓度和飞灰可燃物含量大幅降低约33%和37%。