W型火焰锅炉的热态试验研究

第23卷 第5期 2003年10月 动 力 工 程 POW ER EN GI N EER I N G Vol . 23 No. 5 Oct.2003 锅炉技术 文章编号: 100026761(2003)0522632203 W型火焰锅炉的热态试验研究 张 杰, 余战英, 谭厚章, 徐通模, 惠世恩 (西安交通大学 能源与动力工程学院,西安710049) 摘 要:针对东方锅炉厂引进FW公司300 MW的W型火焰锅炉,设计搭建了1 MW的W型火焰热态试验 台,依据组织冷态空气动力场的试验结果组织了W型锅炉贫煤燃烧试验,研究了正常燃烧工况时炉膛中心温 度分布规律及炉膛出口温度分布特性,得出炉膛中心截面温度分布和炉膛出口温度分布,分析了炉膛结渣的 原因。图4表3参5 关键词:W型火焰锅炉;热态试验;温度分布;贫煤 中图分类号: TK 229. 6+ 3 文献标识码 :A 收稿日期: 2003201227 作者简介:张 杰(19622 ), 男,天津市人,教授,现为西安交 通大学博士研究生。主要研究方向为煤的燃烧与污染控制。 W型火焰燃烧技术,具有煤粉气流着火条件 好,火焰行程长;负荷调节范围大;采用分级送风, 着火区风量小,提高了火焰根部的温度水平,着火 条件好,稳定性好,燃烧效率高等优点,特别适合 于低挥发份的贫煤或无烟煤燃烧。我国贫煤和无 烟煤储量丰富,在动力用煤中约占15% ,因而W 型火焰锅炉在我国得到越来越广泛的应用1。 炉内煤粉燃烧过程是一个复杂的物理和化学 过程,主要包括气相和固相颗粒的湍动流动和湍 流扩散、 煤粉的热解挥发、 挥发份的燃烧和焦炭燃 烧、 气相和固相及壁面的传热。目前,锅炉炉内冷 态流场的测试已有一些报道2, 3,但热态流场的测 试相对较少4, 5,炉内传热的测试则更少。热态试 验数据对锅炉设计至关重要,但由于热态试验台 耗资较大,许多传热试验只能在实炉上进行。 本文针对东方锅炉厂引进FW公司300 MW 的W型火焰锅炉,设计搭建了1MW的W型火 焰热态试验台,首次进行了系统的冷、 热态综合试 验研究和理论分析。 1 试验模型及工况设计 炉内煤粉燃烧过程是在气体流动中进行的, 燃烧时伴随有传热和传质,所以燃烧过程的相似, 首先要求流动、 传热及传质相似。 由于燃烧过程相 似要求保持相等的准则数较多,因此目前只能进 行近似模化和局部模化。 该试验台的功率为1 MW。采用纯几何模化 东锅300 MW的W型火焰锅炉建造出热态模化 试验台。具体结构如图1所示。 图1 W型火焰锅炉热态试验模型 试验台分为上炉膛和下炉膛两部分。下部炉 膛为燃烧区,截面尺寸为1000 600( mm 2 ), 高为 1750mm ,下部为冷灰斗。上炉膛为燃尽区,截面 尺寸为500 600( mm 2 ), 高为1800mm。 在前后墙 拱上分别布置2组燃烧器,燃烧器采用了简化结 构,去掉了拱上二次风和一次风旋风筒装置,只有 一次风喷口和乏气喷口。每组燃烧器各有2组乏 气喷口管和一次风喷口管。在下炉膛前后墙上沿 高度方向分别布置D层、E层二次风、 三次风和F 层二次风,沿宽度方向上与一次风喷口严格对中。 一次风管和乏气管与垂直方向的夹角为5。前后 墙D层、E层二次风、 三次风和F层二次风垂直 炉墙进入,即与水平方向的夹角为0。在下炉膛 右墙上有一人孔门,冷态试验时可通过人孔门处 加装有机玻璃可观测炉膛里的飘带方向。炉膛炉 墙的内表面是一层耐火砖,外墙均用红砖砌成。 在 锅炉试验台燃烧时,炉墙以自然冷却的散热方法 模拟水冷壁。 在冷态试验基础之上,本试验采用漳泽贫煤, 改变一次风速、 各层分级风配比等参数时,测量正 常工况和短路工况的温度分布情况,具体试验安 排示于表1。 表1 试验工况表 工况一次风速(m?s)乏气风速(m?s)三次风速(m?s) 二次风速(m?s) D层E层F层 煤种给粉量kg?m in 1211012579漳泽贫煤2. 31 2161512579漳泽贫煤2. 31 326512579漳泽贫煤2. 31 42110127. 37. 37. 3漳泽贫煤2. 31 52110122411. 5漳泽贫煤2. 31 61471210116. 4漳泽贫煤2. 31 2 试验结果及分析 2. 1 炉膛中心截面的温度分布 使用水冷热电偶,沿炉膛中心截面高度方向, 选择测孔A、C、E、G、I 5个高度层次,每个层次在 深度方向取11个测点测量炉膛温度,得到炉膛中 心截面温度分布,图2是工况1条件下炉膛中心 截面温度分布曲线。图3是根据此数据绘制的温 度等值线图。 该工况拱上风与拱下风的综合动量流率比均 为1. 08,由冷态空气动力场试验可知,此时一次 风有较好的穿透性。一次风主气流大约穿至冷灰 斗上沿处,在各股气流综合作用下,可以在燃烧器 入口处形成较大的回流区,火焰的行程长且炉膛 的充满度好。虽然热态空气动力场与冷态有很大 的差别,但在拱上风和拱下风动量流率比一致时, 冷态空气动力场较好地反映出炉内热态燃烧的流 场状况。 从图2、 图3上可看出:炉膛中心截面整体温 度呈 “凸” 型分布,温度沿炉膛深度方向基本呈对 称分布,左右两侧的温度较低,高温区分布在中间 对称轴心线上;由上向下温度逐渐升高;燃烧漳泽 贫煤时炉膛最高温度为1508,大致在二次风F 层中心线和冷灰斗上沿之间;与其它工况相比,工 况1火焰充满度最好,火焰行程长,是向下喷射的 W型火焰行程的理想温度分布。 图2 炉膛中心截面温度分布(工况 1) 图3 炉膛中心截面温度等值线图(工况 1) 结合冷态空气动力场和热态温度场分析可 知:在炉膛一次风火焰的内侧存在一较大的回流 3362 第5期动 力 工 程 区,使刚进入炉膛的一次风粉与高温烟气混合,有 利于煤粉加热,迅速达到着火温度;在向下运动的 过程中,分级二次风不断地补充进来,补给燃料燃 烧所需的氧气,燃烧愈来愈剧烈,放出大量的热 量,在下行的过程中,温度逐渐升高;下行的一次 风火焰在分级风的作用下速度逐渐衰减,最后在 炉膛冷灰斗上沿处,左右两股剧烈的火焰都向内 旋转,汇合成一股剧烈的火焰开始向上流动,形成 转折180 的高温火炬,炽热的炭粒继续燃烧,出 现炉膛最高温度或最高热负荷点。火焰上行中未 燃尽的碳颗粒继续燃烧。上行的高温火炬又为煤 粉气流的着火提供了辐射对流热源。在F层中心 线下部出现的炉膛最高温点,标志着煤粉气流着 火点位置适中、 火焰行程长、 火焰充满度好,是W 型火焰的最佳工况,可以作为W型火焰锅炉设计 及运行的指导准则。 为了准确地分析炉膛内温度分布的情况,表 2给出了炉膛中心截面各个高度方向的温度平均 值和偏差系数。 从表中可以看出:在于炉膛出口测 孔A截面温度偏差最大,冷灰斗上沿折线测孔I 处最小,分析其原因是由炉内的W形火焰的 “先 前后墙两侧下行,后中部上行” 流场特性所决定 的。 表2 工况1炉膛中心截面各高度温度偏差系数 表(漳泽贫煤) 测孔 测孔A测孔C测孔E测孔G测孔I tAV()9141051130113901233 max1. 441. 291. 151. 101. 08 m in0. 680. 840. 900. 870. 88 0. 760. 450. 260. 230. 20 2. 2 结渣情况及原因 漳泽贫煤的灰变形温度D T为1450,灰化 温度FT为1490,灰熔融温度S T 1500,属 于低结渣特性煤。燃烧时在下炉膛的左右两侧墙 中部都存在有局部结渣现象。 其原因是由W型火 焰的流场结构特性决定的,存在两方面的因素:一 方面由于其在前后墙布置了大量的二次风,因而 前后墙为氧化性氛围,起到防止结焦的目的,而左 右侧墙无二次风,不能够形成氧化性氛围;另一方 面由于靠近左右侧墙下行的W型火焰沿中部上 升后较易冲刷到左右侧墙,而在左右侧墙的中部 炉膛温度最高。因此,在W型火焰中下炉膛左右 两侧墙中部较易形成结渣。 这在W型火焰锅炉的 设计和运行中都应该注意。 图4 炉膛出口烟气温度分布 2. 3 炉膛出口温度分布 图4是各工况炉膛出口温度分布。 总体看来, W型火焰燃烧方式炉膛出口温度是比较均匀的, 工况1、 工况6的温度不均匀性系数均为0. 03。 从 图中可看出:短路工况中(工况 6) 由于炉膛火焰 中心上移,炉膛出口烟气平均温度比正常燃烧工 况(工况 1) 平均温度高出100左右。 表3 各工况炉膛出口烟温偏差系数表 工况号工况1工况6 tAV()11451241 max1. 011. 01 m in0. 980. 98 0. 030. 03 3 结论 通过小型W型火焰锅炉试验台的热态实验, 得到了W型火焰锅炉燃烧室温度分布,结合冷态 空气动力场的试验结果,分析得出如下结论: (1)良好的组织W型火焰,其炉膛最高温点 应在F层中心线下部。 这一准则对于W型火焰锅 炉的设计具有重要意义。 (2)在W型火焰中左右两侧墙中部较易形 成结渣。 这在W型火焰锅炉的设计和运行中都应 该注重。 (3)W型火焰炉膛出口温度分布均匀,不存 在烟温偏差现象。 参考文献: 1 樊泉桂. W型火焰锅炉炉膛的性能评价J .动力工程, 1994, 14(6): 4549. (下转第2659页) 4362 动 力 工 程第23卷 4 Kunio Yoshikawa.Gasification and power generation from solid fuels using high temperature airC . Proceeding of Bei2 jing Symposium on“High Temperature A ir Comubstion” Oct. 1819, 1999. 5 Chen Yisheng(陈义胜), He Youduo(贺友多), Chen Chun2 yuan( 陈春元), Ji Fuzhou (纪福忠). M athematical model for single Pulverized coal combustion J . Journal of iron and steel research, 1997. 6 Kunio Yoshikawa.Innovative coal gasification system w ith high temperature airM . 7 Carlson C P,Pian,Kunio Yoshikawa.Development of a high2temperature air2blown gasification system J . Biore2 source technology, 2001(79): 231241. Research on MathematicalM odel for High Temperature A ir Pebble Bed Gasif ier X IA O X iao2qing, SUN X in, L I Zheng (Dept. of Thermal Engrg. , Q inghua U niv. , Beijing 100084, China) Abstract: This article establishes a mathematicalmodel to predict the performance of high temperature air pebble bed gasifier. Cellmodel is used to set up the total energy balance and mass balance of solid flow , carbon flow and eight gas components . M ore than ten chem ical reactions are considered in this model .In order to predict the chem ical composition of the gasifier before chem ical balance is achieved, different methods for calculating the residence ti me are applied to different section of the gasifier to deal w ith the special structure.This model can reflect the influence of the gasifiers geometry and structure. A lso can it predict the distribution of most of the i mportant operation parameters in the gasifier.The model is reliable as compare w ith the experi mental data. Figs 9, tables 6 and refs 7. Key words: pebble bed gasifier; high temperature air gasification; mathematicalmodel (上接第2634页) 2 张文宏. W型火焰锅炉炉内空气动力场的试验研究J .动 力工程, 1992, 12(4): 1423. 3 魏小林. W型火焰锅炉冷态模化试验及数值计算J .动力 工程, 1994, 14(1): 2732. 4 闫维平,高正阳,姜 平. 300MW机组W型火焰锅炉燃烧 调整试验研究J .动力工程, 1999, 19(1): 2326. 5 郭宏生.四角布置切向燃烧锅炉炉膛内的热负荷分布D . 西安交通大学博士学位论文, 1991. Hot-State Experi mental Study of theW-Shape Flame Boiler H A N G J ie,YU Zhan2y ing,TA N H ou2zhang,X U T ong2m o,H U I S hi2en (Xian Jiaotong U niv. , Xian 710049, China) Abstract: 1 MW W2shape flame test rig is established w ith the 300 MW W2shape flame boiler intro2 duced b