水平浓淡煤粉燃烧器内气固流动特性研究

论文摘要

近年来,随着各国对氮氧化物排放的控制更加严格,大幅度降低电站锅炉NOx排放量已成为科研院所急需解决的研究课题。水平浓淡燃烧技术作为先进的煤粉燃烧技术可以同时解决锅炉的燃烧效率、火焰稳定性、防止结渣和水冷壁管的高温腐蚀及低NOx排放问题。作为该技术的核心部件,百叶窗煤粉浓缩器已经广泛应用到电站锅炉中。为了揭示百叶窗煤粉浓缩器内的气固流动规律、充分发挥现有煤粉管道的浓缩作用,实现以较低的代价有效地降低煤粉锅炉的NOx排放,本文研究了百叶窗煤粉浓缩器内的气固流动特性,以及细粒子在弯头中的分离特性,研发并优化了可换向百叶窗煤粉浓缩器,并在采用角部风箱的微量油直接点火水平浓淡煤粉燃烧器中应用。最后诊断了采用弯头加扭板结构的浓淡燃烧器的锅炉中出现的燃烧不稳定及高温腐蚀现象,提出了燃烧设备改造方案。在百叶窗煤粉浓缩器冷态单相实验台上,采用恒温热线风速仪测量了浓缩器内气相时均速度和脉动速度分布。采用标准k-ε模型、可实现k-ε模型、RNG k-ε模型和RSM模型模拟了浓缩器内流场分布,并与实验结果进行了对比。四种湍流模型可以准确地预报百叶窗煤粉浓缩器内的时均速度分布,但在预报浓缩器内湍流动能方面,可实现k-ε模型和RSM模型相比标准k-ε模型和RNG k-ε模型,获得了与实验值吻合较好的结果。以玻璃微珠为示踪粒子,利用片光源和高速摄影技术对浓缩器内流场进行了示踪实验。结果表明,在浓缩器浓侧靠近叶片的区域,有一条浓度较高的粉流颗粒带。浓缩器实际运行中,高浓度的煤粉颗粒长期冲刷叶片表面,将导致叶片的磨损问题。在百叶窗煤粉浓缩器气固两相模化实验台上,采用PDA（粒子动态分析仪）测量了浓缩器内气固两相流场,重点分析了浓缩器典型截面、叶片表面附近及浓侧出口区域的两相流场分布。结果表明,叶片表面附近颗粒与叶片的碰撞反弹是形成浓缩器内颗粒浓缩的本质所在;叶片只浓缩叶片附近区域的颗粒,而对远离叶片的浓侧区域则影响较小;浓侧壁面磨损区域主要发生在末级叶片喉口到距喉口0.7D（D为浓缩器的宽度）范围内,在浓缩器的应用中需考虑此处的防磨措施。采用可实现k-ε模型和颗粒随机轨道模型对百叶窗煤粉浓缩器进行了气固两相流动的数值模拟研究,并与PDA实验结果进行了对比,验证了两相流模型的合理性。对叶片缺级条件下的浓缩器流场进行了数值模拟研究。采用预测磨损率的半经验公式对叶片的磨损进行了预报,并进行了叶片磨损的工业实验。结果表明:叶片磨损严重的区域发生在叶片的下部;后级叶片比前级叶片磨损速度快;同一级叶片上,叶片后端磨损严重。针对现有采用水平浓淡燃烧技术、小油枪煤粉直接点火技术的锅炉中,锅炉两个角的油枪（双炉膛锅炉中是4个角的油枪）受空间的限制只能布置在淡煤粉气流侧而无法实现锅炉有效点火以及浪费燃料油的问题,提出了可换向百叶窗煤粉浓缩器。采用数值模拟方法对可换向百叶窗煤粉浓缩器结构进行了优化,并确定了结构优化方案。对某电厂#6炉下层煤粉燃烧器改造后的一次风喷口速度分布进行了测量,浓淡风速比满足设计要求,验证了可换向百叶窗煤粉浓缩器的可靠性。在气固两相模化实验台上,采用PDA测量了弯头内及弯头下游典型截面上的气固两相流场,分析了弯头的气固分离性能。通过数值模拟及动量矩分析等手段,对某煤粉燃烧锅炉炉内出现的燃烧不稳及高温腐蚀现象进行了分析,发现这主要是因为该锅炉采用弯头加扭板型燃烧器,其出口浓侧存在反向动量矩,导致炉内整体动量矩与切圆的设计旋转方向相反,从而在炉内形成反转切圆。通过采用百叶窗式水平浓淡风燃烧器,消除了燃烧器出口的反向动量,改造后锅炉燃烧稳定,大大降低了炉内高温腐蚀现象,燃烧效率提高,从而获得较明显的经济效益。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 水平浓淡煤粉燃烧技术原理
• 1.3 百叶窗煤粉浓缩器结构原理及性能指标
• 1.3.1 百叶窗煤粉浓缩器结构原理
• 1.3.2 百叶窗煤粉浓缩器性能指标
• 1.4 百叶窗煤粉浓缩器研究现状
• 1.5 弯管内气固流动研究综述
• 1.5.1 气固两相流动的测量技术
• 1.5.2 弯管内气固流动研究现状
• 1.6 本文的研究内容
• 1.6.1 课题的提出
• 1.6.2 课题的研究内容
• 第2章 百叶窗煤粉浓缩器内流场特性的实验研究及数值模拟
• 2.1 实验系统及测量方法
• 2.1.1 百叶窗煤粉浓缩器结构设计
• 2.1.2 实验系统
• 2.1.3 实验参数及测点布置
• 2.1.4 实验测量仪器及精度
• 2.2 数值模拟方法
• 2.2.1 湍流模型
• 2.2.2 计算域及网格划分
• 2.2.3 模拟参数设定
• 2.3 结果及分析
• 2.3.1 速度分布
• 2.3.2 湍流动能分布
• 2.3.3 叶片表面速度分布
• 2.4 百叶窗煤粉浓缩器内流场的显示
• 2.4.1 流动显示技术简介
• 2.4.2 激光片光系统
• 2.4.3 实验方法
• 2.4.4 流场显示结果
• 2.5 本章小结
• 第3章 百叶窗煤粉浓缩器内气固两相PDA实验研究
• 3.1 PDA测量系统介绍
• 3.1.1 PDA测量系统组成
• 3.1.2 PDA测量原理
• 3.1.3 PDA测量精度及误差分析
• 3.1.4 PDA探头布置
• 3.2 实验系统介绍
• 3.2.1 实验系统
• 3.2.2 实验参数及测点布置
• 3.2.3 气相示踪粒子粒径的确定
• 3.3 结果及分析
• 3.3.1 浓缩器内气固两相速度分布
• 3.3.2 浓缩器内颗粒粒径分布
• 3.3.3 浓缩器内颗粒浓度分布
• 3.4 本章小结
• 第4章 百叶窗煤粉浓缩器内两相流动的数值模拟及磨损预测
• 4.1 百叶窗煤粉浓缩器内两相流动的数值模拟
• 4.1.1 气固两相流动模型
• 4.1.2 计算域及网格划分
• 4.1.3 求解方法
• 4.1.4 边界条件设置
• 4.1.5 模拟方案
• 4.1.6 收敛性的判定
• 4.1.7 结果及分析
• 4.2 百叶窗煤粉浓缩器内磨损预测
• 4.2.1 磨损的定义及分类
• 4.2.2 百叶窗煤粉浓缩器内的磨损机制
• 4.2.3 本文中叶片磨损的研究方法
• 4.2.4 叶片磨损的预测结果及分析
• 4.2.5 浓缩器叶片磨损的工业实验
• 4.3 本章小结
• 第5章 可换向百叶窗煤粉浓缩器的结构优化研究
• 5.1 引言
• 5.2 无油和少油点火技术
• 5.3 锅炉及燃烧装置概述
• 5.3.1 锅炉本体
• 5.3.2 锅炉燃烧系统
• 5.3.3 点火系统
• 5.4 锅炉小油枪点火系统设计中存在的问题
• 5.5 小油枪直接点火燃烧器结构改进方案
• 5.5.1 可换向百叶窗煤粉浓缩器的提出
• 5.5.2 燃烧器设计结构
• 5.5.3 可换向百叶窗煤粉浓缩器结构设计及工作原理
• 5.5.4 可换向百叶窗煤粉浓缩器结构的优化设计
• 5.5.5 可换向百叶窗煤粉浓缩器性能研究方法
• 5.5.6 基本参数及边界条件
• 5.6 结果与讨论
• 5.6.1 锅炉正常运行工况下浓缩器性能及流场分布
• 5.6.2 锅炉点火工况下浓缩器性能及流场分布
• 5.7 #06 锅炉下层燃烧器改后冷态工业实验
• 5.7.1 实验方法
• 5.7.2 实验结果
• 5.8 热态运行效果
• 5.9 本章小结
• 第6章 浓缩器形式对四角切圆水平浓淡燃烧锅炉运行的影响
• 6.1 90°弯管内气固流动特性研究
• 6.1.1 实验方法
• 6.1.2 弯头入口流场均匀性分析
• 6.1.3 结果及分析
• 6.2 浓缩器形式对四角切圆水平浓淡燃烧锅炉运行的影响
• 6.2.1 锅炉及燃烧装置概述
• 6.2.2 运行中存在的问题
• 6.2.3 原因分析
• 6.2.4 设备改造及效果
• 6.3 本章小结
• 结论
• 研究工作的未来展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢
• 个人简历