燃煤链条锅炉燃烧的数值建模及配风与炉拱的优化设计

论文摘要

燃煤链条锅炉是我国重要的热力设备,量大面广,但效率却十分低下。在链条锅炉中,燃烧优化的3T+E要素,即Time（停留时间）,Temperature（温度）,Turbulence（混合）,Excess air（空气过量率）主要由配风和炉拱来调节控制,优化配风和炉拱是提高链条炉燃烧效率的常用手段。然而,长久以来,无论是传统炉拱还是双人字拱等新型节能炉拱都依赖于经验设计,配风也往往由司炉人员根据经验调节,存在很大的盲目性,常造成燃烧效果不佳,甚至出现不明机理的正压燃烧问题。针对燃烧优化设计缺乏理论预测的问题,本文旨在建立基于煤质分析和供风配置的燃煤链条锅炉燃烧数值模型。该模型主要由三部分组成,即床层燃烧模型,炉膛气相燃烧模型,以及两者的流动传热耦合。床层模型中,考虑到我国燃煤颗粒大、灰量高的特点,建立了包含煤块内部温度梯度和灰层扩散阻力的二维床层燃烧模型,然后基于煤层和炉膛的整体网格,将其与炉膛气相燃烧模型结合,耦合两者的流动、辐射、对流等条件,集成为一体化的链条炉燃烧模型。为验证模型的准确性,采用气相色谱测量了实际链条炉中煤层表面的气体成分分布,并与模型预测结果校对。研究结果显示,模型具有较好预测结果,且精度较一般的等温模型有所提高。为进一步对不同煤种的预测结果进行分析,搭建了单元体实验炉,利用红外烟气分析仪,对三种不同挥发份等级的煤种的煤层表面气体组分进行实时测量记录,通过与模拟结果的对比,发现本文的模型在整体上具有合理的精度,可以满足配风和炉拱辅助设计的要求。在成功建立模型的基础上,对影响煤层燃烧的基本因素,如炉排前进速度、煤层厚度进行了研究,揭示其影响机理,为运行提供理论指导。将模型用于配风和炉拱优化分析,研究了不同配风方式对不同挥发份等级煤种煤层燃烧的影响,及作用机理。并针对新型双人字节能炉拱,研究了其工作原理,配风搭配,及拱型设计原则。随后,针对某20t/h锅炉炉拱存在的问题,通过辅助计算确定改良炉拱形状和配风,经实测,获得了较好的节能效果。最后,针对炉拱设计不当引起的非阻力型正压燃烧这一局部特殊问题,建立挥发份燃烧炉内脉动压力测试实验台,研究其发生机理。采用动态压力传感器数据采集系统测量了不同配风下炉内压力的波动。通过大涡模拟结果与实验比对,并对炉内的燃烧分析表明,非阻力正压是由于周期性的涡脱落诱导挥发份不正常燃烧引起的。根据得出的机理,提出了避免非阻力型正压的炉拱设计方式。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章、绪论
• 1.1 前言
• 1.2 链条锅炉燃烧的优化要素
• 1.2.1 配风
• 1.2.2 炉拱
• 1.3 层燃模型研究现状
• 1.3.1 燃煤链条锅炉燃烧数值模拟的研究现状
• 1.3.2 垃圾、生物质焚烧炉床层燃烧模型的研究现状
• 1.3.3 煤块燃烧与生物质燃烧的区别
• 1.4 本文研究内容和方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究方法
• 参考文献
• 第二章、链条锅炉燃烧的数值建模
• 2.1 前言
• 2.2 链条锅炉床层燃烧过程分析
• 2.3 颗粒模型
• 2.4 床层模型
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 气相控制方程
• 2.4.3 固相控制方程
• 2.5 气相、固相物理化学过程模型
• 2.5.1 水分析出
• 2.5.2 挥发份析出与燃烧
• 2.5.3 焦炭燃烧与气化
• 2.6 物性参数
• 2.6.1 煤的密度
• 2.6.2 煤的比热
• 2.7 炉膛燃烧模型
• 2.8 床层与炉膛的耦合
• 2.8.1 气体速度、温度、压力的耦合
• 2.8.2 对流换热的耦合
• 2.8.3 辐射换热的耦合
• 2.8.4 网格位置判断模块
• 2.9 数值方法和边界条件
• 2.10 本章小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第三章、模型验证及床层燃烧的影响因素分析
• 3.1 现场20t/h锅炉测试
• 3.2 单元体炉实验
• 3.2.1 单元体炉一般原理
• 3.2.2 实验设备
• 3.3 热解动力学数据的热重分析
• 3.4 现场20t/h锅炉对比结果
• 3.5 单元炉对比结果
• 3.6 床层燃烧特性
• 3.6.1 床层温度和颗粒内部温度
• 3.6.2 燃烧线
• 3.6.3 焦炭反应区分布
• 3.7 床层燃烧影响因素分析
• 3.7.1 空气预热温度
• 3.7.2 颗粒直径
• 3.7.3 炉排前进速度
• 3.7.4 煤层厚度
• 3.8 本章小结
• 参考文献
• 第四章、配风与炉拱的数值优化及其在实炉改造中的应用
• 4.1 引言
• 4.2 统仓配风与分段配风比较分析
• 4.3 尽早配风与推迟配风的比较及与煤种的关系
• 4.3.1 动力#2 煤
• 4.3.2 神木煤
• 4.3.3 潞安煤
• 4.4 炉拱作用的数值分析
• 4.5 双人字炉拱的配风搭配
• 4.6 双人字炉拱的后拱设计
• 4.7 双人字炉拱的前拱设计
• 4.8 实炉改造中的应用
• 4.9 本章小结
• 参考文献
• 第五章、非阻力型正压的机理研究
• 5.1 前言
• 5.2 阻力型正压与非阻力型正压的区别
• 5.3 实验设备与方案
• 5.3.1 实验系统
• 5.3.2 实验工况
• 5.4 机理研究
• 5.4.1 数值分析方法
• 5.4.2 结果与讨论
• 5.5 非阻力型正压的消除
• 5.6 本章小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第六章、全文总结、创新点与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 进一步工作展望
• 附录A 部分控制方程的推导
• A.1 颗粒直径控制方程
• A.2 颗粒内部温度节点导热能量传输方程
• A.3 颗粒表层及中心球壳能量方程
• A.4 带灰层扩散阻力的碳核燃烧速率
• 符号说明
• 致谢
• 作者攻读博士学位期间发表的论文