高速煤粉燃烧器内燃烧特性数值模拟及结构优化

高速煤粉燃烧器火焰喷射速度高达60~200 m/s,炉膛内火焰较长,对流换热比例提高,使得炉膛内温度分布均匀,没有传统低速煤粉燃烧器火焰短,炉膛内局部过热和结焦等缺点。笔者以14 MW高速煤粉燃烧器为研究对象,采用数值模拟的方法,研究旋流强度、二次风温度等关键参数对燃烧器内煤粉燃烧的影响,针对燃烧器内煤粉燃烧特点进行结构优化设计。对旋流强度研究结果表明,当旋流强度S=2.2、2.8、3.2及3.7时,燃烧器内回流区形状变化不大,从一次风喷口开始到旋流叶片位置结束,回流区环绕一次风管;最大回流量在一次风喷口附近,距离一次风喷口越远,回流量越小;旋流强度对一次风喷口附近最大回流量影响不大,喷口附近最大回流量均在0.45 kg/s左右,当距喷口超过一定距离(L/H<0.35)时,旋流强度对回流量的影响开始变得明显,表现为旋流强度越大,回流区末端回流量越大,回流区末端回流量最大为0.30 kg/s,最小为0.17 kg/s。研究燃烧器喷口处燃烧状态表明,喷口处火焰旋流强度为0.10~0.28,与入口旋流强度正相关,火焰喷射速度150 m/s,为中等旋流强度的高速旋流火焰;喷口中心区可燃性组分富集,缺氧,燃料和氧气分层分布。当旋流强度提高,喷口中心区可燃性组分浓度降低,CO浓度从11%降低到10%,H2浓度从1.65%降低到1.40%,焦炭浓度从0. 14%降低到0. 11%,喷口边缘O2浓度从13%降低到10%。旋流强度S=3.2和S=3.7时可燃组分和氧气浓度分布变化较小,说明旋流强度提高对燃烧的影响减弱。考察0、100和200℃下二次风温度对燃烧的影响,结果表明,当二次风温度提高,煤粉在燃烧器内的反应时间有所降低,从0.15 s降低到0.11 s,但燃烧器内的煤粉碳转化率提高20%,达到65%。对燃烧器结构进行优化,加入中心风,对比中心风直流和旋流与不加中心风3种状态,结果表明,加入旋流中心风和直流中心风后喷口中心区半径r≤75 mm范围内可燃组分浓度降低,采用直流时由于气流刚性较强,喷口中心区氧气浓度升高,采用旋流中心风对中心区氧浓度影响弱,对可燃组分浓度降低效果优于直流中心风。     

一次风速对高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器性能影响的数值模拟

高浓度煤粉燃烧器能稳定燃烧和显著降低NO_x排放,是一种经济环保的燃烧技术,其一次风速对炉内着火延迟、煤粉燃烧稳定性以及NO_x排放量都有重要的影响。为了确定适合新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器的一次风速,为燃烧器的现场试验和实际运行提供指导依据,采用ANSYS Fluent软件模拟计算了一次风速对煤粉燃烧稳定性和NO_x排放的影响。先进行网格无关性检验,并用一台25 t/h全尺寸煤粉工业锅炉进行试验,验证了模型的准确性。数值模拟计算结果表明:新型高浓度煤粉预燃式低氮燃烧器可在预燃室和炉膛内形成2个回流区,预燃室内的回流区保证煤粉稳定燃烧,炉膛内的回流区降低NO_x。一次风速过低时,一、二次风的后期混合减弱,煤粉燃烧不稳定,NO_x排放量略微升高;一次风速过高时,二次风与煤粉的混合被削弱,煤粉燃烧同样不稳定,且焦炭转化率明显下降,NO_x排放大幅增加;一次风速从17 m/s增加到20 m/s,出口截面NO_x浓度提高约10%;适当的一次风速不仅能稳定煤粉着火和燃烧,还能实现NO_x低排放。试验研究燃烧器的最佳一次风速在14～17 m/s。     

新型双通道煤粉燃烧器流场模拟

为了优化新型双通道煤粉燃烧器结构参数,采用计算流体动力学软件建立燃烧器-回转窑物理模型,使用κ-ε湍流模型和SIMPLE算法,对回转窑内流场进行冷态数值模拟。分析旋流角度和旋流风速变化对回流区的影响,结果表明:喷嘴附近二次风存在旋转现象;旋流风角度增大,回流区范围扩大,向靠近燃烧器方向移动,旋流风速增大,回流区范围增加幅度较小;低旋流角度,依赖轴向速度差卷吸二次风,高旋流角度加快旋流风径向扩散,不利于卷吸二次风。     

预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器流场特性作用研究

煤粉高效低氮燃烧技术是煤炭高效利用领域持续关注的热点。煤粉燃烧器作为煤粉锅炉的核心设备,研究适合多煤种、宽负荷条件的煤粉燃烧器设计原理及技术至关重要。逆喷射流稳燃机理大都应用在航空发动机和燃气轮机领域,在煤粉燃烧领域应用极少。前人大量研究了预燃室对旋流燃烧器流场特性的影响,但鲜见预燃室对逆喷旋流燃烧器流场影响的相关研究。为了探究预燃室对逆喷旋流煤粉燃烧器流场特性的影响规律,笔者针对一款20 t/h逆喷旋流燃烧器,基于等温模化原理建立冷态燃烧器模型,利用热线风速仪和飘带法进行了流场测试和分析,结果表明:预燃室的存在不改变逆喷旋流煤粉燃烧器回流区环形的形状,但在逆喷旋流煤粉燃烧器内形成一个有利于煤粉着火的轴向速度低和湍流强度大的回流区。在X/D<1.3区域内,由于圆锥形预燃室对气流的挤压作用,预燃室的存在对回流区的面积起到抑制作用;在1.32.3区域内,预燃室对燃烧器内部流场的作用减弱,可忽略不计。在预燃室的作用下,回流区最宽处的直径从0.97D降至0.86D,最大相对回流率位置从截面X/D=1后移到截面X/D=1.6处,相对回流率从1.17减小至0.99。预燃室的存在对二次风区域内的轴向平均速度和湍流度分布规律影响较大。无预燃室工况下,在X/D<0.6区域内,速度和湍流度均出现峰值,在X/D>1.6区域内峰值消失,内外二次风完全混合;有预燃室工况下,在X/D<0.6区域速度沿着径向方向逐渐增大,湍流度沿着径向方向逐渐减小,在X/D>1.6区域,速度和湍流度沿着径向方向分布均匀。预燃室的存在有利于回流区煤粉的稳定燃烧,工程应用中起到煤粉迅速着火以及难燃煤稳定燃烧的作用。另外预燃室壁面气流速度较大,刚性强,避免预燃室壁面超温或结焦现象的发生,延长了煤粉燃烧器无故障运行时间和整体的使用寿命。     

不同风速下双通道燃烧器的着火特性研究

随着新能源的迅速发展,火电机组将频繁处于低负荷运行状态,因此锅炉面临低负荷稳燃的难题。为解决这一问题,研究了双通道燃烧器在不同一次风速下的燃烧特性。通过改变一次风速,强化燃烧器高温烟气的回流,从而提高煤粉的稳燃程度。使用数值模拟的方法,对双通道燃烧器内煤粉着火情况进行研究,得出燃部温度场、速度场、组分浓度分布等的模拟结果,分析得出一次风速为21m/s时,着火距离可调整到280mm。研究结果表明通过调整一次风速,可以明显改善双通道燃烧器的稳燃性能。     

煤粉工业锅炉燃烧兰炭试验研究

为提高兰炭在煤粉工业锅炉上的燃烧效率,以陕西煤业化工集团生产的兰炭为原料,进行煤粉工业锅炉燃烧试验,分析了兰炭着火、稳燃、燃烬情况;针对兰炭燃烧过程中存在的问题提出解决方案。结果表明:高效煤粉工业锅炉双锥燃烧器的独特结构和浓相燃烧的方式,为兰炭的着火和稳燃提供了良好条件。在过量空气系数1.2,一、二、三次风比例分别为0.11、0.47、0.42,预热时间3 min,伴燃时间4 min的条件下,实现了兰炭粉的着火和自维持稳定燃烧,燃烧期间后部温度保持在550℃,炉膛中部温度大于800℃。针对兰炭燃烧存在燃烧器内燃点靠后、着火区域温度低和兰炭燃烧不完全等问题,提出可通过调整燃烧室的结构和尺寸,使燃烧器蓄热能力增强,延长煤粉预热时间,产生更多高温回流烟气,使兰炭在燃烧器中快速着火并稳定传播到炉膛,降低兰炭灰残炭率,提高燃烧效率。     

75t/h锅炉燃烧器改造的可行性

双通道煤粉燃烧器就是将一次风分为上下两通道,两股一次风是以贴壁受限射流形式进入一个突扩稳燃腔,在稳燃腔内上下两股一次风之间设计一个回流空间,用以卷吸炉内高温烟气加热一次风粉气流,预热点火,上下两股一次风气流可以防止稳燃腔喷口上下壁在燃烧运行中不变形烧坏、不结渣。浓相煤粉气流降低了煤粉着火热,缩短了着火距离,使煤粉提前着火,点燃淡相煤粉气流,淡相煤粉气流的及时混入有利于提供煤粉燃烧所需的氧气,有利于提高煤粉的燃尽度。大大降低着火期间煤粉气流的辐射散热,提高了燃用难燃煤种及劣质煤时的着火稳燃能力。     

基于回流区特性对水泥回转窑减排NOx的分析

本文提出基于回流区特性实现NOx的减排,并运用FLUENT软件对某2500 t/d线用四通道煤粉燃烧器回流区进行了冷态模拟,研究了燃烧器不同风道的风量变化对回流区的影响,并根据模拟结果进行了调整.结果表明:回流区面积及烟气回流量与内旋流风风量大小成正相关,而轴流风和外旋流风单独改变对回流区特性影响很小;增加内旋流风风量可显著降低烟室NO含量,NO降低约53％;证实了烟气回流的增加可减少回转窑内NOx生成量的推论.     

新型低氮旋流燃烧器NOx排放特性

为应对燃煤工业锅炉日益严苛的排放标准,提出了一种新型低NO_x旋流燃烧器,将煤粉预燃与燃烧器空气分级、炉膛空气分级进行耦合,通过改变燃烧系统的配风布置对煤粉预燃燃烧状态进行调整,研究了一次风率、内外二次风率、外二次风入射方式、循环风率和燃尽风率对NO_x排放特性的影响。结果表明:在试验工况下当一次风率从15.4%提高到28.7%,预燃室内氧气浓度增大,一次风携带的氧气可直接将煤粉热解释放挥发分中含氮化合物HCN、NH_3等中的N氧化为NO,NO_x生成量由284.4 mg/m~3逐渐增至326.7 mg/m~3。当内外二次风率比由0.46增大到1.4,NO_x排放浓度先下降后上升;由于内二次风量影响预燃室内过量空气系数和湍动强度,外二次风量影响炉膛内部主燃区煤粉发生燃烧反应的湍动混合强度,在二次空气配比变化的综合作用下,内外二次风率比为1.0时,NO_x排放值最低为211.2 mg/m~3。随着外二次风内部入射风量与端面入射风量比值由0增大到4.56,NO_x生成浓度先下降后上升;由预燃室端面入射的外二次空气射流边界较长,主燃区相对较大,燃烧整体较为均衡,而从预燃室内部入射的外二次风促进了预燃室出口气粉混合物在炉膛内与助燃空气的混合;当外二次风内部、端面射流风率比为0.25时,煤粉在预燃室出口区域的湍动强度提高,在局部还原性气氛下,NO_x生成浓度有最低值230.9 mg/m~3。当循环风率从0增大到30.6%时,内外二次风中氧气浓度降低,预燃室和炉膛主燃区还原性气氛增强,挥发分中含氮化合物HCN、NH_3等中的N迁移形成N_2的概率增加,NO_x排放量由250.7 mg/m~3逐渐降低到221.1 mg/m~3。随着燃尽风率由0提高到29%,NO_x排放值先减小后增大;燃尽风率提高时二次风率随之降低,内外二次风湍动扩散能力减弱,主燃区还原性气氛增强;燃尽风率进一步提高使得主燃区氧量不足,燃尽区氧化性氛围较强,大量焦炭和含氮化合物在燃尽区发生氧化反应,导致NO_x生成量增加;当燃尽风率为19.6%时,NO_x生成值最低为253.5 mg/m~3。整体上,当一次风率为17%～19%,内外二次风率比为0.8～1.0,外二次风由预燃室端面入射,循环风率为15%～20%,燃尽风率为19%～22%时,NO_x排放值为212～231 mg/m~3,相比试验工况下最大NO_x排放量下降29%～35%。     

回转窑煤粉燃烧器的理论及实践（下）

3 双风道煤粉燃烧器 在单风道的中心增加了一根净风管。净风口设有钝用来调节净风喷出形状,使火焰沿中心产生一定回流。煤喷头处装有风翅,煤粉喷出时发生旋流(图9)。     

煤粉工业锅炉技术发展及应用

中国煤粉工业锅炉借鉴油气锅炉和德国煤粉工业锅炉技术理念,经历立项研发、中试验证和工业示范,系统技术逐步成熟,自2010年起,实现规模化工业应用。煤粉工业锅炉系统具有高热效率、低烟气污染物排放等优点,有效带动了燃煤工业锅炉产业发展。笔者论述了煤粉工业锅炉技术与发展,重点介绍了煤粉工业锅炉的关键技术,并对主要技术进行对比,分析了煤粉工业锅炉的工业应用情况,最后提出了煤粉工业锅炉技术发展方向。煤粉工业锅炉系统由燃料煤粉生产、储供、油气点火、燃烧、锅炉本体、烟气净化以及自动化控制等系统构成。锅炉热效率大于91%,烟气污染物达到国家超低排放标准,系统技术符合国家煤炭清洁利用方向。燃料煤粉生产采用一步法工艺,通过强化流动性和安全措施,现可实现最大为1 000 m^3安全存储量。锅炉供粉采用气动活化、无脉动给料及高速引射流浓相输送技术,已实现输送阻力低于20 kPa,粉风固气比大于2.5 kg/m^3,供料精度在±3.0%以内,最大供料量为5 t/h的浓相供料技术与装备,广泛应用于锅炉供料系统。供料量在2.5 t/h,供料精度在±2.0%和±1.0%以内的第三代和第四代供料器也分别开展了工业验证和样机的试制工作,并取得了阶段性的成果。煤粉燃烧器采用逆喷式回流式结构,设计工作依据其结构特征,通过模拟气流扩展角、回流区域范围、回流量、旋流强度以及温度和速度场等研究开展,再经过实际工程应用,进一步验证优化设计参数,最终实现燃烧器的逐级放大。天然气/煤粉双燃料燃烧器具有便捷切换和快速着火功能。风冷燃烧器采用内外双级旋流供风燃烧技术,具有点火迅速、燃烧稳定、燃烧效率高和初始NOx排放低等优点。随着煤粉锅炉系统测控技术向智能化、网络化和集成化方向发展。锅炉烟气脱硫除尘采用NGD高倍率灰钙循环脱硫技术,具有占地小,运行成本低等特点,在低钙硫摩尔比下,系统脱硫和除尘效率分别达到90%和99.95%以上。低温炭基预氧化脱硝耦合NGD协同烟气净化技术具有工艺简单,耗水少,废物资源再利用,无二次污染产生等优点,更加适合于煤粉工业锅炉的烟气净化。煤粉工业锅炉在发展历程中通过关键技术和装备优化升级,在大型化、模块化和系列化方向已取得成效,在节能性、环保性和经济性等方面较常规工业锅炉具有显著优势,技术已达到世界先进水平。未来随着国家能源结构优化,天然气/煤粉锅炉、低氮燃烧、生物质复合半焦粉及协同化烟气净化等技术的开发与成熟,煤粉工业锅炉技术将成为煤炭清洁燃烧利用主要技术之一。     

Investigation of particle dynamics and pulverized coal combustion in a cavity bluff-body burner

Mean and fluctuating velocity components and turbulence characteristics of the flow in the outlet of a cavity bluff-body burner were measured using three-dimensional laser particle dynamics anemometry (3D PDA). Results are also given on the choice of model particles, particle diameter distribution in and out of the recirculation zone, particle number density and volume flux distribution, and the combustion process for low-volatile coals. The experimental results not only provide an explanation of the mechanism of flame stabilization of the cavity bluff-body burner, but also demonstrate the potential of this kind of flame stabilization in industrial use.     

低热值煤层气燃烧器结构设计的数值模拟

对改进前后两种低热值煤层气燃烧器进行了全尺寸的三维数值模拟,给出了两种燃烧器速度场、温度场和浓度场的分布情况,结果表明,改进后的燃烧器在产生中心回流区和外回流区的同时,还能具有较好的射流刚性;具有较宽的甲烷体积浓度调节比,在燃烧甲烷浓度较低(20%,体积分数)的煤层气时,还能保持较高的燃烧温度,高温区域分布较广,燃烧效率高.     

Study of the influence of vane angle on flow, gas species, temperature, and char burnout in a 200 MWe lignite-fired boiler

We measured various operational parameters of a 200-MW_e, wall-fired, lignite utility boiler under various outer secondary air vane angles. The parameters measured were gas temperature, gas species concentrations, char burnout, and component release rates (C, H and N). Cold air experiments of a single burner were conducted in the laboratory. A double swirl flow pulverized-coal burner has a single ring recirculation zone that forms in the secondary air region in the burner. By decreasing vane angles, maximum values of radial velocity, tangential velocity and turbulence intensity all increase. Moreover, swirl intensity of air flow and recirculation zone size increase. Concomitantly, in the central region of the burner, decreasing the vane angles of outer secondary air increases gas temperatures, CO concentrations, char burnout and component release rates of C, H, and N, while O₂ and NO_x concentrations decrease, and an early ignition of pulverized-coal occurs. Meanwhile, in the secondary air region of the burner, conditions are similar except that NO_x mean concentrations are reversed showing instead an increase. In the side wall region, gas temperatures increase, O₂ and NO_x concentrations decrease, but CO concentrations vary only slightly.     

高海拔地区大型循环流化床锅炉特性研究

结合青海盐湖工业股份有限公司供热中心4×480 t/h循环流化床(CFB)锅炉的启动调试,通过理论论证及实际应用,对高海拔地区大型循环流化床锅炉特性进行研究,解决了低气压地区流化床锅炉高负荷工况下频繁结焦问题。给出了流化床锅炉正常运行所要维持的流化风速范围,明确了高海拔地区循环流化床锅炉流化风速计算应选用标态风量,与低海拔地区一致,使得此类技术具备实际可参考性及可操作性,对解决同类型问题有一定的参考价值。     

Experimental investigation on NOx emission and carbon burnout from a radially biased pulverized coal whirl burner

Experiments have been performed on 1 MW pulverized coal (pc) furnace in order to investigate the characteristics of coal combustion and NO_x emission from a new type of radially biased dual register whirl burner. The burner is characterized by a primary air pipe with a continuously changing cross-section and an impact ring. The mixture of pulverized coal and air inside the primary pipe is split into two streams, which are the outer pc rich annular jet and the inner pc lean annular jet respectively. Three Chinese coals, which are high rank bituminous coal, low rank bituminous coal and meager coal respectively, are used in the experiments. We examine the influences of various parameters such as the relative position of the over-fire air (OFA) nozzle, over-fire air ratio (19.1%), primary air ratio, inner secondary air ratio, outer secondary air ratio, inner secondary air swirling intensity, and outer secondary air swirling intensity on NO_x formation and unburned carbon in fly ash. With the primary air ratio increasing from 13.4% to 23.4%, the value of the NO_x emission of the SH coal decreases by 26.7% at first, and then increases by 21.7%. In contrast, the value of the carbon in fly ash (C_FA) increases by 40.1% at first, and then decreases by 58.3%.According to the experimental results, the influence of each individual parameter on NO_x formation and unburned carbon in fly ash agrees well with the existing literature. In this study, the influences of various combinations of these parameters are also examined, thus providing some reference for the design of the radial biased whirl burner, the configuration of the furnace and the distribution of the air.     

PRP燃烧器技术应用效果

分析了PRP燃烧器技术工作原理,综述了PRP燃烧器的性能和优点。PRP燃烧器在太原发电厂的实际应用效果表明,此技术可以解决锅炉燃烧不佳的问题。     

超临界对冲旋流燃烧锅炉低氮改造

为了降低进入SCR(选择性催化还原)装置的NO_x浓度,拟对某电厂600 MW超临界锅炉进行低氮燃烧器改造,在改造前对NO_x排放浓度高的原因进行分析,同时提出3种备选改造方案并进行数值模拟研究,最后确定最优方案,即:保持原来燃烧器数量、位置不变,减小各次风的通流面积(风速不变),使主燃烧器区域过量空气系数为0.85,更换先进的低氮燃烧器,在原来的位于34.724 m标高位置的16只SOFA(分离燃尽风)风口中只保留两侧墙的6只,并在标高39.350 m处布置一层SOFA燃尽风(12个喷口)。改造后进入SCR的NO_x平均质量浓度约为400.7 mg/m~3,与数值模拟计算结果误差为12.8%,说明数值模拟计算结果具有参考意义。