低流量煤粉稳燃燃烧器的研究与应用

结合煤粉工业锅炉煤粉流量低和炉膛容积小的特点,运用内二次旋转风、锥形钝体和有限预燃室空间相结合的稳燃技术,开发出一种低流量煤粉稳燃燃烧器。运用CFD技术研究了一次风速、内二次风速、内二次风旋流强度和钝体阻塞率等参量变化对回流区大小和回流速度的影响。提高内二次风速,回流区长度和平均回流速度皆呈现缓慢增加趋势;增加内二次风旋流强度,回流区长度和平均回流速度能较快增加,能明显提高回流区卷吸高温烟气热量;钝体阻塞率为1.070是比较合适的。该燃烧器应用到蒸发量4 t/h煤粉工业锅炉上,能够稳定燃烧,提高锅炉热效率10%～18%。     

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。     

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。     

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。     

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。     

煤粉热解气化耦合燃烧超低氮燃烧技术进展

随着环保政策趋严,常规火电机组经超低氮排放改造对炉膛内部燃烧过程及尾部烟道燃烧后烟气进行氮氧化物协同脱除后,NO_x已达到低于50 mg/m3的水平。随着低NO_x燃烧技术的发展,煤粉热解气化耦合燃烧超低氮燃烧技术已引起重视,其主要思路是在预燃室内引入高温热源,对远低于化学当量比的浓煤粉气流进行加热,煤粉在预燃室内先快速释放挥发分并发生部分燃烧,其气相产物及高温半焦离开预燃室经燃烧器组织送入炉膛后进行低氮燃烧处理。与传统的选择性催化/非催化还原法(SCR/SNCR)等燃烧后降氮策略相比,该技术通过燃烧高温半焦直接在炉内燃烧过程中降氮,技术优势和经济潜力显著。预燃源是产生气相产物、高温半焦的关键环节,笔者根据预燃源方式的不同,介绍了天然气供热煤粉预燃、循环流化床供热煤粉预燃、等离子点火预燃室、感应加热点火预燃室、传统预燃室燃烧器等煤粉预燃技术的发展现状及应用情况,为相关技术人员提供参考。     

撞击预燃式煤粉燃烧器优化研究

针对适用于低挥发分无烟煤燃烧的撞击预燃式燃烧器在运行过程中存在的燃烧不稳定,燃烧器出口结焦现象严重的问题,采用数值计算方法模拟燃烧器内和燃烧器出口的冷态流场分布及燃烧器内煤粉颗粒轨迹的分布,得出影响燃烧器回流特性的主要因素,并给出燃烧器的优化模型.     

新型旋流式氧煤喷枪的喷煤特性

对比研究了一种新型旋流式氧煤喷枪与普通单管喷枪的喷煤特性,主要考察了直吹管内流场、浓度场及煤粉的燃烧情况. 结果表明,采用该氧煤枪喷吹时,在直吹管内形成的低速区面积更大,在距喷枪口30 mm范围内形成了明显的回流区,在距喷枪口200 mm范围内形成了富氧、富煤的强湍流区域;与普通单管喷枪相比,旋流式氧煤喷枪使煤粉温度提高近100 K,有助于挥发分挥发,燃尽率由4.96%提高到15.53%.     

三通道煤粉燃烧器湍流场热线测试研究

采用双通道热线风速仪对典型三通道煤粉燃烧器形成的等温湍流场进行了测试研究，给出了轴向、切向平均速度的分布规律，探讨了相应的湍流强度分布曲线，分析了回流区、回流量的变化规律.所得结果对指导煤粉燃烧器的操作，开发新型三通道煤粉燃烧器及加深理解燃烧机理均有一定帮助，并为进一步开展理论研究提供了基础     

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%。     

Effect of primary air flow types on particle distributions in the near swirl burner region

A three-component particle-dynamics anemometry is used to measure, in the near-burner region, the characteristics of gas-particle two phase flows with two swirl burners with different primary air flow types, on a gas-particle two phase test facility. One burner is the radial bias combustion swirl pulverized coal burner whose primary air is non-swirl, and the other is the swirl burner whose primary air is swirl. With the former one, particle volume fluxes, particle volume fractions and particle number concentrations are bigger near the edge of central recirculation zone, and the particle volume fractions and the particle number concentrations are also bigger in the central recirculation zone. With the latter one, the particle volume fluxes and particle number concentrations are less near the edge of the central recirculation zone, and they are bigger in the wall zone. The influence of gas-particle flow characteristics on combustion has been analyzed, and the theory of air-surrounding-coal combustion is given.     

The influence of fuel bias in the primary air duct on the gas/particle flow characteristics near the swirl burner region

A three-component particle-dynamics anemometer is used to measure, in the near-burner region, the influence of the particle bias in the primary air duct on the gas/particle flow characteristics for a centrally fuel rich swirl coal combustion burner, in conjunction with a gas/particle two-phase test facility. Velocities, particle volume flux profiles and normalized particle number concentrations were obtained. Compared with a common burner (a centrally fuel rich burner without a particle concentrator), the degree of penetration for the centrally fuel rich burner is higher, the residence time of particles in the central recirculation zone is longer and the central recirculation zone is larger. The particle volume flux and normalized particle number concentration for the centrally fuel rich burner are much larger near the chamber axis. The influence of gas/particle flow characteristics on combustion has been analyzed.     

Numerical modelling and simulation of pulverized solid‐fuel combustion in swirl burners

A finite‐volume numerical model for computer simulation of pulverized solid‐fuel combustion in furnaces with axisymmetric‐geometry swirl burner is presented. The simulation model is based on the k ? ε single phase turbulence model, considering the presence of the dispersed solid phase via additional source terms in the gas phase equations. The dispersed phase is treated by the particle source in cell (PSIC) method. Solid fuel particle devolatilization, homogenous and heterogeneous chemical reaction processes are modelled via a global combustion model. The radiative heat transfer equation is also resolved using the finite volume method. The numerical simulation code is validated by comparing computational and experimental results of pulverized coal in an experimental furnace equipped with a swirl burner. It is shown that the developed numerical code can successfully predict the flow field and flame structure including swirl effects and can therefore be used for the design and optimization of pulverized solid‐fuel swirl burners.     

逆向射流燃烧技术研究进展

逆向射流燃烧技术是可同时适用于燃气和燃煤领域的高效低污染燃烧技术,逆喷结构和射流流速比决定了其流场特性。笔者综述了逆向射流燃烧技术在燃气和燃煤领域的发展历史、研究现状和发展趋势。在燃气领域,逆向射流主要起稳定火焰作用,具有良好的燃料-空气混合条件,形成一个近似均匀的热流场,避免燃烧过程中出现局部热点,但目前仅为一种为燃气轮机和飞机发动机提供的探索性技术,工程应用还需克服燃料和空气在一个狭小空间里的流场合理控制以及从简化装置到工程放大等问题。在燃煤领域,对于煤粉燃烧器,逆向射流可形成一个可控组分、大小、形状和位置的回流区,且将煤粉直接送进回流区,还可控制煤粉在回流区内的停留时间,该技术与传统火焰稳定方式相比,火焰稳定能力更强、停留时间更长、污染更低,更适用于低阶煤的高效燃烧,目前,逆向射流燃烧技术耦合其他稳燃、低氮技术为煤粉高效清洁利用发展提供了新方向,且已有实际工程应用,但对于其机理研究不够深入,限制了其进一步发展与推广。对于电站锅炉,部分一次风或燃尽风逆向偏转射入炉内,可缓解四角切圆燃烧方式下炉膛出口烟气的烟速和烟温偏差,目前主要是燃尽风反切的工业应用,但如何合理控制燃尽风反切角度、反切动量以及反切层数等关键问题还需进一步研究。     

煤粉工业锅炉燃烧器研究进展

燃烧器作为煤粉燃烧技术核心关键设备,主要作用是将燃料与空气合理混合,使燃料稳定着火并形成某种流场以利于后续完全燃烧。实现安全节能环保燃烧,必须根据燃料的特性,选择合理的燃烧器类型及布置形式。因此,本文介绍了国内外几种典型的旋流燃烧器的分类及其特点,并总结了旋流燃烧器的发展趋势。     

Computational modeling of a utility boiler tangentially-fired furnace retrofitted with swirl burners

The paper presents 3D numerical investigation of OP-380 boiler tangentially-fired furnace utilizing bituminous coal. The boiler was retrofitted by replacing traditional jet burners with RI-JET2 (Rapid Ignition — JET) swirl burners. This kind of solution is unique in power generation systems. The purpose of this work is to show how the flow, combustion performance and heat exchange in the furnace are affected by introducing rapid ignition phenomena in RI-JET2 burners instead of delayed ignition associated with the traditional jet burners. Results were compared to simulations of similarly designed boiler equipped with traditional jet burners. Furnace simulation was preceded with a single RI-JET2 burner simulation at the inlet to a virtual combustion chamber. The results have shown that pulverized coal (PC) concentrator separates the PC into two streams: concentric with fine particles and axial with coarse particles. Stable flame operation was noticed even without secondary and tertiary air swirl. 3D simulations of combustion chamber have shown that in a burner zone a visibly isolated, concentrated flame exists in the furnace axis. This kind of flame shape reduces corrosion risk and furnace walls slagging as a result of RI-JET2 burner's long range.     

Gas/particle flow characteristics of a centrally fuel rich swirl coal combustion burner

A three-component particle-dynamics anemometer is used to measure the characteristics of two-phase gas/particle flows in the near-burner region for a centrally fuel rich swirl coal combustion burner using a gas/particle two-phase test facility. Velocities, mean particle diameters and particle-volume flux profiles were obtained. The primary air and glass beads partially penetrate the central recirculation zone and are then deflected radially. At the center of the central recirculation zone, the mean radial velocities and tangential velocities are low and a zone of high particle-volume flux and large particle size is formed. The influence of gas/particle flow characteristics on combustion is analyzed.     

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。