（工程热物理专业论文）大型电站锅炉水煤浆燃烧器流场和火焰黑度的实验研究及数值模拟.pdf

摘要 浙江大学博士学位论文 摘要 本文主要通过等温模型，研究了水煤浆燃烧器、燃烧器射流组及切圆燃烧的 炉内空气动力特性，并通过数值计算对水煤浆燃烧器及燃烧器射流组进行了研 究；在热态试验台和电站锅炉上，通过试验和数值计算，用三色法研究了轻柴油、 重油、煤粉和水煤浆的发光、半发光火焰的黑度。 水煤浆燃烧器为直流和旋流组合( 外直流和内旋流) ，射流组由二次风和一 次风燃烧器组成，二次风为矩形喷口的直流射流，一次风燃烧器具有预燃室，是 直流和旋流组合的同轴环形射流组( 外环为直流的一次风，内环为旋流的中心 风) 。 射流组的实验研究表明，预燃室、出口扩锥、中心风都影响着燃烧器的流场 空气动力特性。射流组中，二次风对一次风的影响主要体现在起始段和过渡段的 旋涡挤压和补气作用和基本段的混合引射作用。在混合射流的起始段，回流区截 面减小，在过渡段和基本段，回流区长度增加明显，回流区截面由圆形转化为直 立的椭圆( 椭圆长轴沿二次风方向) ，回流量发生改变，最大回流量减少，回流 区长度增加，一次风在垂直于射流组轴线的方向上的扩展角减小。 射流组的数值模拟的结果表明，回流区长度随二次风速度的增加而增加，回 流区长度与一、二次风速度比呈线性关系。二次风加入后，最大回流量减少，回 流区长度增加，最大回流量出现位置基本未发生改变。随二次风的增加，最大回 流量开始减小，而后增加，在一、二次风速度之比大于一定值后，基本达到最大 值维持不变，可通过调节一、二次风配比控制回流区形状和回流量以调整燃烧。 角式喷燃、高长宽比炉膛中，切圆在流场中旋转，具有时均性、瞬时性、周 期性和破碎性。燃烬风反切可有效降低出口速度偏差，从而降低出口烟温偏差。 切圆随炉膛高度旋转，直径逐渐里波浪状变大，切圆内部切向速度扶核准刚体旋 转规律，切圆外部切向速度符合拟等势流体旋转规律。 传统的双色法仅仅考虑了碳黑对火焰黑度的影响，测量半发光火焰黑度是不 合适的，三色法测量火焰黑度时，计算结果对测量数据极其敏感，为提高测试精 度，应采用更好的非肉眼测量比较信号的装置和系统，并给出了模型。试验研究 表明( 在具体实验条件下) ，火焰黑度在火焰行程上，由小变大再减小，烟煤、 重油和煤浆火焰的最大黑度值几乎都出现在火焰最高温度点。工业燃烧时，烟煤 火焰黑度在0 5 7 9 0 8 4 ，烟煤制成的水煤浆的得火焰黑度在0 6 2 1 0 8 2 ，二者 数值相近。试验炉燃烧试验得出，烟煤煤粉的火焰黑度大于烧造纸黑液( 混油) 的火焰黑度。工业燃烧时。重油的火焰黑度小于烟煤和水煤浆的火焰黑度。影响 火焰黑度的主要因素为三原子、焦炭粒子和灰粒子，炭黑的影响很小。火焰黑度 不仅取决于燃料的种类，还与燃烧空间、燃烧强度、燃烧气氛等诸多因素相关， 对于燃料燃烧时火焰黑度的比较，应综合考虑各种因素。 关键词：水煤浆；燃烧器；射流组；切圆：火焰黑度；试验；模拟 a b s t r a c t浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h i sa r t i c l ei n c l u d e st h ec o a l - w a t e rs l u r r yb u r n e r , j e tc o m b i n a t i o no fb u r n e ra n d a e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft a n g e n t i a lf i r i n g i nf u r n a c e t h ec o a l w a t e r s l u r r y b u r n e ra n dj e tc o m b i n a t i o no fb u r n e ri sa n a l y z e db yn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nw h i l et h e b l a c k n e s so f l i g h td i e s e lo i l ，h e a v yo i l ，p u l v e r i z e dc o a la n dc o a l w a t e rs l u r r yb r i g h t e n a n dh a l fb r i g h t e nf l a m ei sa n a l y z e db yt h ee x p e r i m e n ta n dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni n t h eh o tt e s tb e da n ds t a t i o nb o i l e r t h ec o a l - w a t e rs l u r r yb u r n e ri sb a s e do nt h es t r a i g h ta n dr o a t i o n a lc o a l w a t e r s l u r r yb u r n e r ( e x t e r n a ls t r a i g h tf l o wa n di n t e r n a lc y c l o n ef l o w ) i na c c o r d a n c et ot h e e f f e c to fa e r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb yt h ec o a l w a t e rs l u r r yb u r n e r , j e tc o m b i n a t i o n i sm a d e u p 州t l ls e c o n d a r y a i ro f r e c t a n g u l a rs n o u ta n dp r i m a r ya i ro f c o a x i a la n n u l a r w h a ti sc o m b i n e do fd i r e c tf l o wa n dr o t a t i o n a lf l o wi nm i x i n gc h a m b e r ( s t r a i g h t p r i m a r y a i ri nt h ee x t e r n a lr i n ga n dv o r t i c a lc e n t e ra i ri nt h ei n t e r n a lr i n g ) w h a ti n d i c a t e di n 血er e s e a r c hi st h a tt h ec h a r a c t e r i s t i co fa e r o d y n a m i ci nf l o w f i e l di sa f f e c t e d b yt h ep r e c o m b u s t i o nc h a m b e r , e x p a n d e de x i t ，c e n t e r a i r i nj e t c o m b i n a t i o n ，t h ee f f e c to fs e c o n d a r ya i rt op r i m a r ya i ri n c a r n a t e st h r o u g ht h es p i r a l v o r t e xe x t r u s i o ni nt h ei n i t i a ls e c t i o na n dt r a n s i t i o ns e c t i o na n dt h ei n t e r f l o wi n j e c t i o n i nt h er o o ts e c t i o n i nt h ei n i t i a ls e c t i o no fi n t e r f l o w , t h es e c t i o n a la r e ao fb a c k f i o w r e g i o nd e c r e a s e sw h i l ei t sl e n g t hi n c r e a s e si nt h ei n i t i a ls e c t i o na n d t h er o o ts e c t i o n a n dt h e s h a p e o fb a e k f l o wr e g i o nt r a n s f o r mc h a n g e si m oe r e c t e l l i p t i c a l f r o m c i r c l e ( t h em a j o ra x i so fe l l i p t i c a la l o n g t h ed i r e c t i o no f s e c o n d a r ya i r ) t h eq u a n t i t yo f r e f l u xi sc h a n g e d t h em a x i m a lq u a n t i t yo fr e f l u xd e c r e a s e sa n dt h es p m a da n g l e a l o n gt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nt ot h ej e tc o m b i n a t i o n o f p r i m a r ya i rd e c r e a s e s ，t o o t h e c i r c l eo fc o n t a c tt a k e so nt i m ea v e r a g e d ，i n s t a n t a n e i t y , p e r i o d i c i t ya n dc r u m b l i n e s si n f l o wf i e l do fa n g l eb u m e rh i g hl e n g t h - w i t hr a t i o 缸 n a c e t h ea s ha i rc a nv e l o c i t yi n t h ee x i to ff u r r l a c eb yt h en e g a t i v et a n g e n t i a ld i r e c t i o n ，w h a tr e d u c et h ef l u e - g a s t e m p e r a t u r em i s a l i g n m e n t a b s t r a c t浙江大学博士学位论文 b e c a u s et h et w o - c o l o u rm e t h o d o n l y c o n s i d e r e dt h ee f f e c tt ob yt h eb l a c k c a r b o n ， i ti sn o t a c c e p t a b l ef o rt h er e s e a r c ho f t h eb l a c k n e s so f h a l f l i g h t i n gf l a m e 1 1 1 i sa r t i c l e i n t r o d u c e st h et h r e e - c o l o ma n df o u r o c o l o u rm e t h o da n dd os o m ef t l i 也e rs t u d i e so nt h e f l a m eb l a c k n e s sb yt h r e e - c o l o u rm e t h o da n dc o n q i d e r st h ef l a m et o n e g a t i v eg r e y b o d y n 圮f l a m eb l a c k n e s st u r n st ob el a r g ea n dt h e ns m a l la l o n gt h ef l a m et r a v e l n e m a x i m u mv a l u eo fs o f tc o a l ，h e a v yo i la n dc o a ls l u r r yf l a m eb l a c k n e s sa l m o s t a p p e a r s a f t e rt h em a x i m u m t e m p e r a t u r eo f f l a m e n l ep r i m a r yc o n c l u s i o ni st h a t ：t h es o rc o a l f l a m eb l a c k n e s si s 0 5 7 9 0 8 4 ；t h ec w sm a d ew i t hs o f tc o a l ) f l a m eb l a c k n e s s o 6 2 1 o 8 2 ；t h eh e a v yo i lf l a m eb l a c k n e s si sl e s st h a no fs o f tc o a la n dc o a l w a t e r s l u r r y ；t h em a j o re f f e c ti n f l u e n c i n gf a c t o ro ff l a m eb l a c k n e s si st h et r i a t o m i cg a s ，t h e c o k e p a r t i c l ea n d a s h p a r t i c l e k e y w a r d ：c o a l - w a t e r s l u r r y , b u r n e r i e tc o m b i n a t i o n ，t a n g e n t m lc i r c l e ， e m m i m i v i t y , a n a l o ge x p e r i m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。村e 我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得堂江盘掌或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字f 期：年月门 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解滥婆盘茔一有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权凿鎏大 茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字r 期：年月r签字n 期：年 月f | 第一章前言浙江大学博士学位论文 第一章前言 1 1 课题的提出背景 能源问题是当今世界发展的基本问题，多年来，世界范围内的能源研究机构 一直在致力于一次能源的合理利用和有效转化，包括如何有效地提高燃烧效率、 减少在能源转化和利用过程中对环境的污染和破坏。 当前我国环境问题面临着历史上任何国家都不曾遇到的复杂和严峻局面，对 经济、社会、生态系统、人民健康乃至国家安全构成威胁，通过相应的保障措施 建立循环经济模式已是刻不容缓。回顾我国5 0 多年的发展历程，经济的快速增 长在很大程度上建立在对资源、能源的高消耗上，我国单位g d p 的资源消耗远 远高于世界平均值，与发达国家相比，能源利用效率十分低下，传统的能源利用 和发展模式造成了自然生态恶化，环境污染触目惊心，联合国公布的不适宜人类 居住的约2 0 个城市中，1 6 个在中国。根据专家们分析预计，我国要实现2 0 2 0 年g d p 翻两番的经济发展目标，又要保持现有的环境质量，资源生产率必须提 高4 5 倍，如果进一步想明显改善环境质量，资源和生产效率必须提高8 一1 0 倍，这种设想是不太现实的，种种现象表明，传统的发展模式已经走到了尽头， 我国必须坚定实施可持续发展战略，走循环经济发展道路，这就要求我国用信息 技术和绿色技术改造传统产业，积极利用无害或低害新工艺、新技术，实现少投 入、高产出、低污染，推行资源的综合利用，建设工业生态圈等【l l 【2 1 1 3 1 4 】【1 0 】。 我国是世界上的煤炭消耗的第一大国，一次能源主要由煤炭构成，煤炭利用 过程中伴随的大气烟尘、酸雨、温室效应和大气臭氧层破坏的问题日益严重，能 源与伴随能源利用过程的环境问题，既是我国国民经济发展的基本问题，也是世 界性的普遍联系的问题，因此，洁净燃烧技术应运而生，洁净煤技术旨在最大限 度地发挥煤的潜能利用，同时实现最少的污染物排放，即高效、清洁。洁净煤技 术是一个庞大的系统工程，包含煤炭开发利用的所有技术领域，主要包括煤的加 工、转化、燃烧和污染控制等。 水煤浆是一种洁净燃烧技术，煤浆是7 0 年代石油危机中发展起来的新型低 污染代油燃料，它既保持了煤炭原有的物理特性，又具有石油一样的流动性和稳 定性，被称为液态煤炭产品【l j 。我国开展水煤浆技术的研究已有2 0 余年历史， 已进行了大量的基础研究、工业性试验和一些工业性应用，现正在发展大中型电 站锅炉、大型工业窑炉燃用水煤浆的有关技术，并向大型化、系列化、经济合理 化方向发展。 在水煤浆的燃烧过程中，涉及到了水煤浆燃烧器的开发与研究、锅炉的炉内 空气动力学和锅炉内燃烧过程等一系列问题，与传统的燃烧煤粉的方式相比既有 共性又有特殊性。 ( 1 ) 炉内空气动力学的主要研究内容 炉内空气动力学的主要包括直流射流及其组合的空气动力学：旋转射流 及其组合的空气动力学；冷、热态下的炉内空气动力学；空气动力学的模化研究。 这个领域面临的主要问题如下 2 1 ： 对简单的直流和旋流射流已作过大量研究，其基本规律已比较清晰，但对接 第一章前言浙江大学博士学位论文 近实际燃烧器的复杂组合射流研究得很少也不系统，例如在各种组合直流射流 中，各单个射流的截面形状、截面大小、相对位置和初始参数等对速度分布、卷 吸特性、各截面间的混合以及复合射流的刚度等的影响并不十分清楚，而这些特 性对燃烧过程十分重要，应当系统的研究各种燃烧器复合射流的空气动力学。 加强对煤粉空气混合物的两相流动的研究，国内外对煤粉空气混合物的两相 流动的研究也并不充分，应针对如下两方面继续深入研究：煤粉空气混合物两相 流动的机理研究，以便用数学分析法描述两相流动：两相流动问题的实际研究， 例如某些设备中煤粉空气混合物的流动特性、分配规律、压降损失以及平均浓度 和浓度场的测试方法等。 注意对旋流燃烧器的研究。国内外燃烧实践表明，旋流燃烧器经过改进后具 有广阔的发展应用空间，应在使用直流燃烧器的同时，对旋流燃烧器深入研究。 进行热态炉内空气动力学的研究，冷、热态下，燃烧和流动过程的规律存在 很大差异，针对热态的研究，难度更大，也更有意义。 目前，物理模化还是解决实际问题最有效的研究手段之一，除了对等温模型 ( 包括纯几何模型和各种失真模型) 进行研究外，还应进行燃烧模型的研究，并 逐步建立、形成一些冷模、热模的试验基地，同时大力发展数值模拟，以期对燃 烧问题的研究系统化、理论化。 ( 2 ) 水煤浆燃烧及其面临问题1 1 i 开发不同容量、不同类型的旋流、直流燃烧器及其它各类新型的水煤浆燃烧 器，强化着火和燃烧技术，对炉内传热特性和燃烧特性的研究，油炉改烧水煤浆 少降负荷技术的研究，炉子的改造技术的研究，锅炉改造设计计算方法的研究， 这些问题在水煤浆应用过程中很突出。 ( 3 ) 火焰黑度的研究及其面临问题 通过对各种燃料火焰黑度的研究，能使人们认识火焰燃烧的内在规律，由于 燃料燃烧过程中的构成火焰燃烧的因素的复杂性，迄今对火焰黑度的研究尚不完 善 1 4 3 】【l l ，就火焰烟气中的单一成分对火焰黑度影响的研究较多，而对液体、固 体燃料燃烧的火焰黑度的研究较少，针对水煤浆火焰黑度的研究则更少，工程应 用中大多采用经验公式的方式处理。研究方法上有的采用双色法，有的将发光和 半发光火焰作为理想灰体处理，模型的假设前提有一定的局限性。 1 2 本文的主要研究内容 本文的研究主要依托于大型水煤浆工程改造项目，即汕头电厂燃煤改烧水煤 浆锅炉( 2 2 0 t h ) 工程、茂名电厂2 撑炉( 2 2 0 t h ) 燃煤粉改烧水煤浆工程、3 # 炉 我国酋台4 1 0 t h 燃油锅炉燃烧水煤浆改造工程，研究通过冷、热态试验相结 合、数值模拟和试验相结合、在试验台上的试验和工业现场试验相结合的方式进 行，主要内容如下： ( 1 ) 用等温模型近似模化非等温过程，对4 1 0 l h 水煤浆电站锅炉作了模化， 并建立模化试验台； ( 2 ) 水煤浆燃烧器的流场特性：对单个水煤浆燃烧器( 同轴直流和旋流组 合、具有预燃室和扩锥) 进行试验和数值研究：对微旋一次风和直流二次风构成 的燃烧器射流组的空气动力特性进行试验和数值研究； 第一章前言 浙江大学博士学位论文 ( 3 ) 对高长宽比、燃烧器六角布置的水煤浆炉内空气动力特性进行试验研 究； ( 4 ) 对黑液( 造纸废料) 、轻油、重油、煤粉和水煤浆的发光和半发光火焰 进行试验和数值研究。 1 3 本文的创新点 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 大型电站锅炉中，多角喷燃构成的切圆特性，是燃烧的重要指标， 对切圆特性的研究，有利于更深入发现流动和燃烧的内在规律， 通过在冷模试验台上的实验，研究了高长宽比矩形炉膛，六角布 置燃烧器条件下的炉内流场特性，为我国首台4 1 0 f f h 燃油改水煤 浆锅炉提供了开发和设计依据，研究表明切圆具有旋转性、周期 性、时均性和破碎性，相应切圆的周期性，射流摆动也具有周期 性，并定量分析了其内在规律。 提出了在水煤浆燃烧器中心吹入环状直流夹心风的方式调节燃烧 器的回流特性，并通过实验研究得出了夹心风对回流特性的影响 规律，具有工程应用前景。 对微旋射流组的流动特性作了实验研究，研究了矩形喷口的二次 风对具有预燃室的直流和旋流组合的同轴环形射流一次风水煤浆 燃烧器流动特性的影响，通过冷态模化试验，发现了相互平行的 自由射流组中回流区的拉伸效应，由于射流间的相互混合和影响， 使射流组中每一个射流和单个的自由射流的流动规律有很大差 异。通过数值模拟得出了射流组中的二次风和一次风的动量比的 变化对一次风的影响规律。 用三色法对水煤浆、造纸黑液、煤粉等的火焰黑度进行了实验研 究，全面考虑了三原子气体、焦炭粒子、灰粒子和炭黑对发光和 半发光火焰黑度的影响：通过在实验炉和某些电站锅炉中的试验， 用三色法得出了某些烟煤、水煤浆、重油和柴油的火焰黑度及火 焰黑度和构成火焰黑度的相关因素的变化规律。 1 4 本文的划分和导读 本文首先介绍了在炉内空气动力学、水煤浆应用和燃烧、火焰黑度的研究领 域方面的研究现状，指出了在上述方面值得深入研究和有待解决的问题，而后， 针对上述问题，引出本文的研究方向和内容，之后，依次编写了所研究课题的基 本理论和试验研究内容及相关结论。 论文最后，对总的结论作出了极述，对存在的问题进行了归纳和讨论，一些 相的关计算程序、实验台图片等安排在附录中。 第二章关于承煤浆，炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火 焰黑度的研究现状 引言 髓着水煤浆的应用，水煤浆燃烧器也在不断地发展完善，研究不同结构的水 煤浆燃烧器流场具有重要意义i l j 。炉内空气动力学主要包括直流射流及其组合的 空气动力学、旋转射流及其组合的空气动力学、冷、热态下的炉内空气动力学、 空气动力学的模化研究 2 1 ，在工业实践中，上述问题往往交织存在。火焰黑度是 燃烧过程中的一个基本物理量，通过对各种燃料的火焰黑度的研究，可深入了解 燃烧过程的机理，为各种燃料锅炉的设计开发提供基础数据1 1 4 3 1 1 1 1 14 4 1 ，多年来，关 于上述领域的研究取得了很多有意义的结果，词时一些问题也有待深入研究。 2 1 概述 燃烧过程是一个复杂的物理化学过程。其物理过程，特别是能量、质量和动 量的交换过程，对燃烧系统起着重要作用，多数工业燃烧中，对总反应起决定作 用的是物理过程的速度。燃烧实践中，最关心的是如下问题【2 】： ( 1 ) 着火的稳定性； ( 2 ) 燃烧强度，即容积燃烧率； ( 3 ) 火焰与新鲜的燃料空气混合物与燃烧室环境介质间的热、质交换； ( 4 ) 与燃烧过程有关的结渣、腐蚀等安全问题： ( 5 ) 辐射换热问题。 针对着火的稳定性，必须研究火焰传播的机理和火焰传播速度，火焰传播速 度与燃烧室内的流动状态和流动结构密切相关。紊流条件下，热、质交换显著增 加，火焰传播速度也增加。如果在燃烧室内有对流流动时( 譬如回流区) ，火焰 传播速度将进一步增加，因而，是否有回流区和回流区的参数与着火稳定性有着 密切关系。为了确定火焰的外形尺寸和设计燃烧室，必须知道火焰的燃烧率。工 业条件下，火焰的燃烧率与着火过程和燃料的燃尽过程有关，即不但与燃烧室内 的一次混合过程有关，还与燃烧室内的二次混合过程有关。为了研究炉内火焰的 对流换热，防止炉内结渣和腐蚀，也必须研究炉内的流动结构【2 】。 燃烧器射流分为两类，直流和旋流射流，其流动结构和空气动力特性完全不 同，以这两种射流为基础的火焰的着火方式也不n - - 2 l o i 。切向布置燃烧器时，各 燃烧器组合射流间的相互影响对炉内空气动力特性起着主要作用1 3 】。 炉内热交换中，辐射占主要地位【m 4 4 1 ，对火焰黑度豹研究，可以有效揭示 燃烧的机理。 炉内空气动力学主要包括以下几个方面： ( 1 ) 直流射流及其组合的空气动力学； ( 2 ) 旋转射流及其组合的空气动力学； ( 3 ) 冷、热态下的炉内空气动力学； 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 ( 4 ) 空气动力学的模化研究。 以下将介绍炉内空气动力学、水煤浆燃烧器和火焰黑度研究的近况和动向。 表2 1 给出了炉内空气动力学的分类吼 表2 - 1 炉内空气动力学的分类2 直流射流及其组合的空气动力学 旋转射流及其组合的空气动力学 炉内空气动力学 舭研究_ e 2 2 关于水煤浆 2 2 1 燃用水煤浆问题的提出 圆形和平面射流 环形和同心射流 运动气流中的射巍和尾迹 钝体尾迹中的流动 多股平行射流的流动 两相流动 旋转射流 共轴旋转射流 平行旋转射流的空气动力学 冷、热态炉内空气动力特性问的差异 具有旋流燃烧器的炉膛的空气动力特性 直流燃烧器角式布置的炉膛的空气动力特性 对等温过程的模化 用等温模型近似模化非等温流动的方法 燃烧模型 数学模型 煤是锅炉的主要燃料，在我国3 l ，5 的煤炭用于电站锅炉。4 0 用于工业锅 炉和窑炉，工业锅炉的热效率平均为6 0 左右，电站锅炉可达9 0 左右，这与 世界发达国家相比存在差距( 较发达国家多耗3 7 克标准煤，度电) ，同时，带来 的环境问题也日益突出【1 】【1 0 】【l l 】，煤在燃烧后排出的粉尘、s 0 2 、n o x 、c o 、c 。t - i 。 c 0 2 等对大气环境造成的污染，我国绝大部分火电站燃用煤粉，如何解决煤粉锅 炉对环境的污染，是国内外科技界较长时间面临的重要课题。 我国能源资源中煤炭资源最为丰富，储藏量为3 2 0 0 0 亿吨，在石化燃料构成 中煤炭资源占9 5 4 ，石油仅为3 3 ，天然气仅占1 3 ，短期内，我国以煤为 主的能源结构不可能得到改变f l j 】，因此，寻求一种新型的煤基洁净燃料，以供 国民经济各行业燃烧应用需要，也是当务之急的重大课题。 煤气化、煤液化都是高效清洁的煤利用途径，由于技术经济困难，这两项技 术迄今只在较小的范围内试验性应用，尚未进入工业燃料的大面积应用阶段【”。 煤浆的发展经历了以下几个阶段i i 4 j 【l 州： e e上e 乇乇 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 ( 1 ) 油煤浆( c o a lo i l m i x t u r e 简称c o m ) 5 0 煤粉和5 0 油的混合物。 ( 2 ) 煤油水浆( c o a lo i lw a t e rm i x t u r e 简称c o w ) 煤粉、油及1 0 以 上水的混合物。 ( 3 ) 水煤浆( c o a lw a t e rs l u r r y 简称c w s 或c o a l w a t e rf u e l 简称c w f 或c o a l w a t e rm i x t u r e 简称c w l v l ) 6 0 7 0 煤粉与4 0 3 0 的水及少量添加剂的混 合物。 ( 4 ) 煤一甲醇混合物( c o a lm e t h a n o lm i x t u r e 简称c m m ) 6 0 煤粉与 4 0 甲醇或甲醇水的混合物。 7 0 年代的石油危机，促使西方国家如美国、加拿大、日本、英国、法国等 纷纷寻找代油燃料，首先发展起来的是油煤浆。1 9 8 0 年前，人们的主要兴趣集 中在油煤浆上，美国、日本、加拿大、英国以及前苏联等许多国家投入了力量， 对油煤浆进行了制备、输送、贮存和燃烧试验，分别在实验室燃烧试验台、工业 锅炉和电站锅炉上进行了燃烧试验，达到了工业应用的结果。8 0 年代后水煤浆 可全部替代燃料油，许多国家如美国、日本、瑞典、加拿大、前苏联和中国等都 把注意力转移到水煤浆上来，投入了大量的人力物力，开发了水煤浆的制备、输 送和燃烧的关键技术，建立了大型的工业性制浆厂、高浓度输浆管线，并在工业 锅炉、窑炉和大型电站锅炉进行了燃用水煤浆的工业性试验，迄今己达到工业化 运用水平【1 】【1 2 】【1 3 1 1 1 4 1 1 琊6 l 【1 7 】【1 8 】。 可见，实现部分锅炉的水煤浆燃烧，对改善我国能源紧缺和环境恶化具有重 要的现实意义。 2 2 2 发展水煤浆燃烧技术尚需研究的关键问题 我国开展水煤浆技术的研究已有2 0 余年历史，已进行了大量的基础研究、 工业性试验和一些工业性应用，现正在发展大中型电站锅炉、大型工业窑炉和窑 炉燃用水煤浆的有关技术，并向大型化、系列化、经济合理化方向发展。目前， 尚需解决如下关键技术问题【l 】： ( 1 ) 各类低灰、中灰、高灰和低浓度水煤浆燃烧特性的研究及拟定评价方 法。 ( 2 ) 强化着火燃烧的机理，低污染燃烧的机理，煤浆雾化机理的研究。 ( 3 ) 炉前煤浆输送管路冲洗、过滤和控制的设计与研究。 ( 4 ) 开发不同容量、不同种类的水煤浆喷嘴，特别是大型水煤浆喷嘴及耐 磨材料。 ( 5 ) 开发不同容量、不同类型的旋流、直流燃烧器及其它各类新型的水煤 浆燃烧器。 ( 6 ) 水煤浆的少油或无油点火技术。 ( 7 ) 强化着火和燃烧技术。 ( 8 ) 炉内传热特性和燃烧特性的研究。 ( 9 ) 受热面的腐蚀和耐磨的研究。 ( 1 0 ) 低n o 。的炉内脱硫技术的研究。 ( 1 1 ) 油炉改烧水煤浆少降负荷技术的研究。 ( 1 2 ) 炉子的改造技术的研究。 ( 1 3 ) 锅炉改造设计计算方法的研究。 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 2 3 关于水煤浆燃烧器 水煤浆含有大量水分，水蒸发吸热量占水煤浆着火吸热量的4 7 5 8 ，水煤 浆从加热蒸发到燃烧着火需要的时间较煤粉延长，水煤浆的燃烧属于动力扩散 燃烧范畴，其基本条件是高温热源加热、良好的雾化、合理配风以及燃烧区的高 温1 1 1 0 维持燃烧器出口火焰根部的高温热源，可保证水煤浆雾化炬具有很高的升温 速度，煤粉中的挥发分快速析出和着火。高温热源包括火焰前沿的辐射热和烟气 回流热，后者是稳定着火的主要来源，当采用旋流燃烧器时，燃烧器出口具有一 定的扩张角和深度的扩口( 耐火材料制成) ，可保证燃烧器出口火炬根部的高温 并加强对雾化炬的辐射传热，同时采用预热空气，经验表明，当预热空气温度为 3 0 0 度时，对原料煤的挥发分含量在1 8 3 7 【l 】【1 5 】【1 6 l 的各种水煤浆都能达到稳定 燃烧。 2 3 1 燃烧器的基本理论( 煤浆旋流燃烧器的原理) 利用旋转射流的特性设计而成的燃烧器，广泛应用于水煤浆燃烧，它在强旋 流的内部形成一个回流区，满足煤浆着火所需的回流烟气量的要求，具有较大的 喷射扩张角，射程较短，能在较短的炉室内完成燃烧过程【1 】口l 【1 8 l 【1 9 】。旋流射流从 射流外侧卷吸周围介质，同时还从内回流区中卷吸介质，具有较好的抽气能力， 使大量高温烟气回流到火炬根部，可保证燃料顺利着火和火炬稳定燃烧。 目前，旋流燃烧器分为两种情况 t 2 1 1 3 ) ：一种是自由旋转射流，气流被旋转 后，喷向无限空间，并自由扩张，例如炉子中的旋流燃烧器：另一种是半自由旋 转射流，射流被限制在炉室表面内，其外边界不能自由扩张，例如旋风炉、带有 旋转叶片或切向进风的煤浆前置燃烧室、蜗壳式或叶片式喷燃器在炉内的流动情 况，此外，还有一些比较复杂的组合旋转流，如各种类型的射流和旋转射流的组 合等。 按照流体力学分类方法，一般旋转射流分为两类f 2 】：弱旋转射流，旋流强度 不是很大，不出现轴向逆流，即轴向速度均为正值；强旋转射流，旋流强度足够 大，以至轴向逆流出现。在足够大的旋流强度下，轴向回流区有较大的直径和长 度，当旋流强度降低时，回流区逐渐缩短以至消失。 2 3 2 国内外水煤浆燃烧器的发展 一些文献给出了国内外水煤浆燃烧器的发展【1 】【l o 】【1 l j ： ( 1 ) 美国f o r n e y 公司发展的旋流燃烧器 f o m e y 公司的经验是水煤浆燃料不适于采用传统的燃烧器结构，方案包括： 燃烧器缩口和空气调风器应根据可与燃烧器相匹配的速度进行设计，不能按液体 燃烧器设计；燃烧器应分成两股风，一次风通道应为非常低速的旋转器流；在燃 烧器出1 ：3 应有高温辐射区；应使用大型点火器，保证满意点火( 图2 1 ) 。燃烧器 试验，负荷调节比达3 ：1 ，火焰稳定、形状良好并可以控制。但试验只能与其 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 发展的锥形内混式雾化喷嘴相配合，用其他雾化燃烧很难调整。 图2 一l 美国f o r n e y 公司旋流燃烧器 ( 2 ) 意大利电力开发热核研究所2 0 m w 和2 m w 的燃烧器 燃烧结果发现，大容量2 0 m w 燃烧器燃烧良好，而2 m w 燃烧器必须加5 的气体燃料才能形成稳定的火焰，燃烧效率均达到了。9 6 9 8 ，飞灰含碳量 2 5 的烟煤。 水煤浆燃烧器通常采用旋流燃烧方式，针对不同结构型式的水煤浆燃烧器， 国内外很多机构对其流场进行了研究，包括冷态、热态实验研究和数值模拟研究。 例如东南大学的秦鹏、林中达对双通道旋流燃烧器出口空气动力特性进行了数值 计算1 9 6 1 ，并对影响其特性的一、二次风量、旋流叶片角度、中心扩锥角度和直流 二次风喷口扩角等多种因素进行了分析，其结果与冷态模型试验基本吻合。推荐 的运行参数及结构尺寸对该燃烧器的试验、结构改进和运行具有一定的参考价 值。针对水煤浆旋流燃烧器在实际运行过程中会出现流场混乱。结焦等现象，浙 江大学的黄镇宇、杨玉林通过实验室冷态试验【5 l 】，对其空气动力场进行了研究， 以确定燃烧器的结构特性对空气动力场的影响，寻求合理的燃烧器结构型式。吴 江、章明川等运用c c d 摄像机对一种全新的同轴旋转分层流低n o x 燃烧器出1 ：2 空气动力特性进行了可视化研究一”，并对采集的图像进行了一系列处理。定义了 一次风扩展角和一次风转折长度，并对其变化规律进行了研究，为同轴旋转分层 流燃烧器分层机理的研究打下了基础，为燃烧器运行参数的调节提供了参考依 据。 这些研究大多建立在冷态实验基础上，给出了一些经验性的认识，水煤浆燃 烧器的结构多样，已有的研究尚不足以满足工程实际的需要，冷态模型下，水煤 浆雾炬对流场的影响、尤其对回流的影响未能真实体现，尚有待于深入研究。 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 f d 双通遣外 鲢式 f 蝴烈诃风燃烧器 图2 - 9 常见旋流燃烧器及其结构f 1 2 4 关于一些射流和射流组合的研究 2 4 1 直流射流组合的环形同心射流的空气动力研究 实践中，经常碰到环形和同心射流，这类射流与圆形射流相比，具有共性的 同时也存在很多特性，文献【6 孵【7 0 】 7 3 f 7 习的相关实验表明，环形同心射流的流动大 致分为两个具有不同特征的区域：完全发展区和喷嘴附近区，这两个区域的流动 特性和影响因素不同 2 1 1 3 1 。 ( 1 ) 完全发展区：在喷嘴下游，环形同心射流的流动特性与圆形射流在完 全发展区的流动特性相似，唯一不同的是射流原点有所前移。 ( 2 ) 喷嘴附近区；在接近喷嘴出口的地区，有一个反向的回流区。同心射 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 流在中心射流和环形射流的交界面的尾迹中，也存在一个这样的回流区。回流区 特性对着火的稳定性以及射流间的混合都有较大影响，对喷嘴附近区的流动结构 及其影响因素的研究有着重要意义。 研究表明，喷嘴几何形状、速度比的变化，都会对回流和混合构成较大影响。 2 4 2 直流射流的多股平行射流的流动过程 从直流的燃烧器流出的不是单一的射流，而是有多股平行射流组合的射流 组，在这个射流中，各单个射流的截面形状和尺寸、布置以及初始参数都可能是 不同的，这种射流组的流动过程比较复杂，已有的试验和探索 2 1 1 3 1 1 4 3 】尚不系统。 前苏联的依如莫夫对一列平行的射流组进行了研究 2 1 ，给出了独立发展和完 全发展区的两段理论，西德的c 斯勒克在研究了有限空间内三股平行射流的流 动特性后指出，射流间的惯性力比对射流组的流动有重要影响f 2 1 。 浙江大学也对这方面作了一些研究，曹欣玉、刘建忠等对射流组混合、湍流 特性作了研列”j 【”】，利用气体示踪法研究燃烧器一、二次风混合扩散特性，对 弱旋流( 一次风) 燃烧器和直流( 侧边二次风) 燃烧器组成的燃烧器组各股风混 合情况进行了详细研究，得出各截面混合物浓度分布规律及混合强度分布规律， 分析对燃烧着火的影响，对燃烧器设计参数的选择有指导意义。 曹欣玉对微旋射流组的流动特性作了实验研究，通过冷态模化试验，研究了 矩形喷口的二次风对具有预燃室的直流和旋流组合的同轴环形射流一次风水煤 浆燃烧器流动特性的影响【_ 7 4 j 。发现相互平行的自由射流组中回流区的拉伸效应， 由于射流间的相互混合和影响，使射流组中每一个射流和单个的自由射流的流动 规律有很大差异。 朱彤、陈崇枢为了研制水平浓缩煤粉燃烧器，对双矩形喷口自由射流的近场 结构进行了试验研究【7 耐，得到了燃烧器出口的冷态流场结构，阐述了雷诺数，喷 口出口速度分布，喷口截面高宽比，两射流动量比和喷口间距离等因素对流场结 构的影响。 刘海峰、周志杰基于动量守恒原理，研究了射流交叉角度和密度比对同轴交 叉射流流场的影响l ”】，提出了考虑径向流动和密度差别的同轴交叉射流的当量直 径和当量速度。当量速度与d u a lp d a 的实验结果较为吻合，该法可较好地描述 射流交叉角度、密度比对轴线上轴向速度的影响。 目前，射流组中各射流的截面形状、截面尺寸、相对位置和初始参数对射流 组的流动特性的影响规律尚不十分清楚，特别是射流彼此间的吸引特性以及射流 组的刚性变化规律，还未进行系统深入的研究 2 1 1 3 1 1 4 1 ，这些特性对燃烧过程来说 是很重要的。 2 4 3 旋转射流的研究 旋流燃烧器在燃烧实践中已使用了较长时间，上世纪6 0 年代后，许多国家 才对旋流射流进行了比较集中而深入的研究嘲。国际火焰中心以及与之合作的有 关国家对弱旋转射流、强旋转射流和旋流场中的浮升湍流射流进行了一系列试验 研究 2 1 1 3 4 1 。 前苏联在一些典型的燃烧器中，对旋转射流的流动特性和湍流脉动特性作了 第二章关于水煤浆、炉内空气动力学和火焰黑度的研究现状浙江大学博士学位论文 详尽的测量，并对共轴旋转射流的空气动力特性作了系统的研究。我国电力科学 研究院热工所也在6 0 年代中期对双蜗壳旋流燃烧器的空气动力特性做过研究。 对旋转射流的系统研究有助于改善旋流燃烧器的结构和使用，目前一些国 家、特别是前苏联，在3 0 0 m w 和5 0 0 m w 等大容量锅炉中，对多煤种( 包括贫 煤和无烟煤) 都广泛使用旋流燃烧器，从7 0 年以来代发表的文章看洲3 1 4 t 4 2 1 ，国 外对旋流和带有旋流燃烧器的炉内燃烧过程的研究都十分重视。 2 4 4 共轴旋转射流 燃烧空气分为一次空气和二次空气，从实际的旋流燃烧器中流出的往往不是 一个单一的旋转射流，而是一个共轴旋转的射流( 可以将不旋转的一次风气流看 作是旋转数为零的一种极限情况) ，共轴旋转射流的空气动力特性的研究切合实 际需要。 共轴旋转的射流之间存在复杂的相互作用，内、外射流的结构参数和工况参 数对流场构成影响，共轴旋转射流规律性的研究较为困难，但这种研究对解决问 题来说更为重要。前苏联在某些标准旋流燃烧器中，对共轴旋转射流进行了较系 统的研究1 2 l s 0 1 1 8 3 1 ，主要包括内外旋转射流的旋转强度和流量对复合旋转射流空气 动力学的影响。 2 4 5 平行旋转射流 研究平行旋转射流的空气动力学，实际上就是研究平行布置的燃烧器射流再 空气动力学上的相互影响。这方面的研究不多，文献8 4 】【8 5 1 对两个平行旋转的射 流作了一些初步探索。 径向速度的资料比较缺乏，研究发现，在轴向速度最大区域中，径向速度的 方向发生了变更，这是因为从相邻侧燃烧器方向卷吸空气更加强烈的缘故f 2 l 【3 】【”。 2 5 炉内空气动力学 从空气动力学的角度看，可以有条件的将燃烧室分成三个区域【2 】【3 】【4