水煤浆在双锥逆喷燃烧器内燃烧过程的数值分析

为了研究煤粉和煤浆在双锥燃烧器内燃烧过程的区别,应用计算流体软件Fluent,对14 MW逆喷双锥燃烧器建立了燃烧过程的热态模型,分别进行煤粉和水煤浆的燃烧过程模拟研究。结果发现:水煤浆和煤粉的速度场基本类似;水煤浆中水分汽化增大了燃烧器的阻力,使离散相颗粒在燃烧器内的停留时间增加;由于水分高,水煤浆着火位置较煤粉延后110 mm;燃用水煤浆的燃烧器内平均温度和出口温度分别比燃用煤粉低162 K和199 K;水煤浆火炬的核心温度区比煤粉火炬提前438mm,且水煤浆火炬刚性更强,但衰减速度较快。水煤浆的燃烧特性处于逆喷双锥燃烧组织控制的有效范围,证明该燃烧组织原理是解决水煤浆燃烧温度与效率之间矛盾的有效方法之一。     

基于EDM、PDF和FR/ED模型的煤粉燃烧过程适应性研究

还原气氛下煤粉反应过程兼具燃烧和气化的特点,是煤粉实现低氮燃烧的关键因素,合适的化学反应模型是准确模拟该过程的基础。笔者基于煤粉双锥燃烧器,对比了EDM模型、PDF模型和FR/ED模型在氧化气氛和还原气氛的模拟结果,通过与试验结果的对比验证,确定了不同反应气氛适合的化学反应模型。研究结果表明,3种模型在煤粉着火位置和逆喷传播距离的预测上存在差别,PDF模型起火点更靠近燃烧器逆喷喷口,EDM模型一次风和煤粉喷出经过一段升温过程后逐渐燃烧,FR/ED模型的升温过程更长,壁面低温区域接近前锥长度一半;使用FR/ED模型模拟时燃烧器内平均温度最高,EDM模型次之,PDF模型最低;EDM模型中未考虑CO反应,燃烧器内基本无CO存在,PDF模型高CO浓度区域集中在煤粉燃烧初期,燃烧器出口CO含量较低,FR/ED模型化学反应动力学参数在煤粉燃烧整个区域内均有较高CO浓度存在。由于考虑了焦炭与氧气气化反应的影响,FR/ED模型模拟燃烧器内氧含量明显低于EDM和PDF模型,当过量空气系数为1.2时,燃烧器出口处氧含量为7.0%,明显低于EDM模型的11.1%和PDF模型的12.0%,燃烧器出口处CO含量为3.5%,明显高于EDM(0)和PDF模型(0.8%);过量空气系数为0.5时,EDM模型对CO成分的预测结果偏差较大,燃烧器出口CO浓度为0.05%,采用PDF和FR/ED模型时燃烧器出口CO含量分别为5.73%和10.7%。从模拟结果与试验结果的对比来看,在氧化气氛下,主要发生煤粉的燃烧反应,EDM模型和PDF模型在温度、CO含量上的预测较为准确,与试验数据偏差较小,FR/ED模型偏差较大;在还原性气氛下,EDM模型模拟的结果几乎不生成CO和H2,并不适合还原性气氛,PDF模型和FR/ED模型有较合理的还原气氛模拟结果,两者的差别在于还原性气体的生成位置,PDF模型喷口位置CO浓度较高,出口浓度偏低,FR/ED模型随着煤粉反应流程的进行,CO浓度逐渐升高,出口浓度更接近试验结果。综合考虑,氧化气氛下双锥燃烧器适合采用EDM模型和PDF模型进行模拟,还原气氛下适合采用FR/ED模型进行模拟。     

煤粉低尘燃烧器内燃烧特性的数值模拟

介绍了一种用于中小型工业窑炉的新型煤粉低尘燃烧技术,利用计算机数值模拟考察了煤粉低尘旋流燃烧器的特性. 在合理选择气相流动、固相流动、煤燃烧及NO的生成等模型的同时,针对旋流燃烧场中固体颗粒在壁面附近的碰撞及熔融特性,探讨了煤粉在壁面处的运动模型,并以此为基础考察了燃烧场的两相流动特性,模拟了燃烧器内煤粉的燃烧过程及各物理量的分布. 在与实验比较的基础上,对燃烧器的结构进行了改进. 结果表明,在低化学计量比下,改进后的燃烧器性能更好,颗粒在燃烧器内充分燃尽,在保证液排渣效果的同时,NO的排放远低于常规液排渣旋风器的NO排放量.     

华新^#4窑煤粉燃烧系统的改造及效果

华新水泥股份有限公司１９９４年底投产的２０００ｔ／ｄ熟料预分解窑生产线＃４窑,其窑头煤粉燃烧采用ＳＷＩＲＬＡＸ三通道煤粉燃烧器。由于该燃烧器自身结构及系统配置等缺陷,使用几年后出现磨损严重、火焰调节不灵活等问题,导致煤粉燃烧状况欠佳、熟料烧成热耗高,并影响窑衬的使用寿命。为此,公司于２０００年底通过国内招标,选用南京水泥工业设计研究院以下简称“南京院”开发的ＮＣ－８Ⅱ型三通道煤粉燃烧器对原煤粉燃烧系统进行了更新改造,改造后使用效果良好。现介绍如下。１原燃烧器存在的问题及原因１燃烧器外风管弯曲变形…     

旋流器磨损研究进展

介绍了旋流器磨损方面的研究进展,包括利用数值模拟、现场及实验室试验对水力旋流器壁面磨损位置、影响磨损的关键部位的结构参数和操作参数,以及为提高旋流器使用寿命对内衬材料和自身结构进行的改进,并对减缓旋流器壁面磨损的发展趋势作了简要分析。研究表明：旋流器不同位置的磨损率不同,可根据该情况设置耐磨层,在旋流器易磨损部位采用耐冲击磨损较佳的内衬材料,通过材料的差异化提高旋流器耐磨性能或者在旋流器靠近壁面位置引入其它结构而改变该区域流体流动情况,减缓旋流器壁面磨损。随着人们对旋流器壁面磨损的不断开发,其在石油、化工等行业得到了越来越广泛的应用,减缓旋流器壁面磨损,提高其耐磨性能,对工程应用具有实用意义。     

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。     

二次风温度对回转窑内煤粉燃烧特性影响的研究

回转窑内煤粉燃烧为产品煅烧提供了热源,研究二次风温度对火焰形状、烟气流场及温度分布的影响,可为优化燃烧器的操作参数与结构参数提供依据.本文以一四风道煤粉燃烧器及φ4 m×60 m的回转窑为对象,应用Fluent软件,研究了以煤粉为燃料,二次风温度分别为1000 K、1250 K、1373 K、1550 K时,回转窑内火焰性能、烟气流场及温度分布情况.结果表明:对给定的四风道煤粉燃烧器,二次风温度为1373 K时,火焰最高温度达到2000K,回转窑内火焰形状成良好的棒槌状,火焰温度分布符合水泥生产的要求.     

煤粉燃烧器及对熟料煅烧的影响

正煤粉燃烧器火焰的温度、长度、粗细、位置对熟料的烧成有重大影响,直接关系到产量、质量、耐火材料的使用寿命,以及回转窑内温度分布,特别是不规则的附窑皮粘附过渡带上容易引起筒体变形。1煤粉燃烧器的作用回转窑煤粉燃烧器的作用就是调节火焰(燃烧器也可称为射煤器),有力的火焰才是良好的火焰。下面以笔者的理解与实践分析燃烧器。1.1轴流风与旋流风的作用(1)轴流风。引射二次风及煤粉使之充分混合并具     

窑用煤粉燃烧器的出口结构对喷射流动参数的影响研究

运用计算流体力学(CFD)技术,以大型流体工程计算软件CFX4.4为工具,模拟研究了煤粉燃烧器内的轴向风道宽度、旋流叶片角度与轴向长度的结构变化对燃烧器出口处流体流动参数的影响,分别给出了出口喷射流量、出口平均喷射流速与最大喷射流速、旋流强度等的变化规律,其结果对指导多通道燃烧器的工业化优化设计与现场操作具有现实意义。     

回转窑煤燃烧器的理论及实践（上）

介绍了煤粉燃烧器前端的热化学反应与传热,给出了单风道煤粉燃烧器的计算公式及喷头几何尺寸参数,简略简明了双风道及多风道煤粉燃烧器的工作原理,以利我国煤粉燃烧器的研制、应用与推广。     

风速对骨料烘干煤粉燃烧器排放特性的影响

基于煤粉燃烧机理,结合骨料烘干工艺,建立了骨料烘干煤粉燃烧器内部场的控制模型,采用Fluent软件模拟煤粉燃烧器内部燃烧状况,考察了一、二、三次风的风速对煤粉燃烧器中心轴线处CO, CO2, NO和SO2浓度的影响。结果表明,在研究的风速范围内,一、二、三次风风速越大燃烧越充分,一、二、三次风风速越小,产生的NO越少;三次风风速为40 m/s时,SO2浓度最低;较合理的控制参数为一次风风速30~35 m/s,二次风风速45~50 m/s,三次风风速30~40 m/s。     

CFD modeling of MPS coal mill with moisture evaporation

Coal pulverizers play an important role in the functioning and performance of a PC-fired boiler. The main functions of a pulverizer are crushing, drying and separating the fine coal particles toward combustion in the furnace. It is a common experience that mill outlet pipes have unequal coal flow in each pipe and contain some coarse particles. Unequal coal flow translates into unequal air-to-fuel ratio in the burner, deviating from the design value and thus increasing unburned carbon in fly ash, NO_x and CO. Coarser particles at the mill outlet originate from poor separation and decrease the unit efficiency. In addition, coarser particles reduce burner stability at low load. Air flow distribution at the mill throat, as well as inside the mill, significantly influences the mill performance in terms of separation, drying, coal/air flow uniformity at the mill outlet, wear patterns and mill safety. In the present work, a three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model of the MPS Roll Wheel pulverizer at Alliant Energy's Edgewater Unit 5 has been developed. The Eulerian-Lagrangian simulation approach in conjunction with the coal drying model in Fluent, a commercial CFD software package, has been used to conduct the simulation. Coal drying not only changes the primary air temperature but it also increases the primary air flow rate due to mass transfer from coal. Results of the simulation showed that a non-uniform airflow distribution near the throat contributes significantly to non-uniform air-coal flow at the outlet. It was shown that uniform velocity at the throat improves the air and coal flow distribution at the outlet pipes. A newly developed coal mill model provides a valuable tool that can be used to improve the pulverizer design and optimize unit operation. For example, reject coal rate, which is controlled by the air flow near the mill throat, can be reduced. The model can also be used to further aid in identifying and reducing high temperature or coal-rich areas where mill fires are most likely to start.     

Pulverized coal combustion characteristics of high-fuel-ratio coals

It is strongly desired for coal-fired power plants in Japan to utilize not only low-rank coals with high moisture and high ash contents, but also high-rank coals with high fuel ratio for diversifying fuel sources and lowering cost. In this study, pulverized coal combustion characteristics of high-fuel-ratio coals are experimentally investigated using an approximately 100 kg-coal/h pulverized coal combustion test furnace. The combustion characteristics are compared to those for bituminous coal. The coals tested are six kinds of coal with fuel ratios ranging from 1.46 to 7.10. The results show that under the non-staged combustion condition, the minimum burner load for stable combustion rises as fuel ratio increases. To improve the stability, it is effective to lengthen the residence time of coal particles in the high gas temperature region close to the burner outlet by using a recirculation flow. The conversion ratio of fuel nitrogen to NOx and unburned carbon fraction increases with increasing the fuel ratio. In addition, as the fuel ratio increases, NOx reduction owing to the staged combustion becomes small, and unburned carbon fraction increment becomes significant. The numerical simulations conducted under the staged combustion condition show that although the numerical results are in general agreement with the experimental ones, there remains room for improvement in NOx reduction model for high-fuel-ratio coals.     

壳牌煤气化装置锁斗阀应用现状及展望

在研究壳牌粉煤气化装置粉煤锁斗阀选型的基础上,分析比较了球阀和盘阀的结构特点及其用于粉煤锁斗阀的使用效果。结果表明：①球阀因其结构原因易出现卡涩憋压、密封面磨损等问题,使用寿命仅1～2个月;②盘阀的开关过程平稳顺畅,密封效果好,使用寿命长;③国内多家壳牌煤气化装置以盘阀取代球阀,可连续运行1年以上;④盘阀用于粉煤锁斗阀还需实现技术与设备成本双赢的目标。     

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。     

浅析回转窑煤粉燃烧器火焰稳定器的重要作用

通过对各种火焰稳定器的理论分析和实践结果,阐明了它们的性能和重要作用。一个优良的火焰稳定器不仅可使火焰更加稳定、风煤混合更加充分均匀,提高燃烧效率和喷燃管以及火砖的使用寿命;而且通过调节还可以改变火焰形状和强度,满足回转窑工况变化的要求。文章指出,对火焰稳定器设计得是否合理,是鉴别回转窑旋流式四风道煤粉燃烧器真品和赝品的一个重要标志。     

Numerical analysis of pulverized coal combustion characteristics using advanced low-NOx burner

A three-dimensional numerical simulation is applied to a pulverized coal combustion field in a test furnace equipped with an advanced low-NO_x burner called CI-α burner, and the detailed combustion characteristics are investigated. In addition, the validities of the existing NO_x formation and reduction models are examined. The results show that a recirculation flow is formed in the high-gas-temperature region near the CI-α burner outlet, and this lengthens the residence time of coal particles in this high-temperature region, promotes the evolution of volatile matter and the progress of char reaction, and produces an extremely low-O₂ region for effective NO reduction. It is also found that, by lessening the effect of NO reduction in Levy et al.'s model and taking the NO formation from char N into account, the accuracy of the NO prediction is improved. The efficiency factor of the conversion of char N to NO affects the total NO concentration downstream after the injection of staged combustion air.     

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。