（热能工程专业论文）350mw超临界w火焰锅炉单相试验研究及气固两相数值模拟.pdf

国内图书分类号：tk224.1 学校代码：10213 国际图书分类号：621.18 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 350mw 超临界 w 火焰锅炉 单相试验研究及气固两相数值模拟 硕 士 研 究 生： 张文振 导师： 朱群益 教授 申 请 学 位： 工学硕士 学 科 、 专 业： 热能工程 所 在 单 位： 能源科学与工程学院 答 辩 日 期： 2012 年 7 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index: tk224.1 u.d.c.: 621.18 dissertation for the degree of master in engineering research about single flow and numerical simulation about gas-solid two-phase flow for a 350mw supercritical down-fired boiler candidate： zhang wenzhen supervisor： prof. zhu qunyi academic degree applied for： master of engineering specialty： thermal engineering affiliation: school of energy sci. & eng. date of defence： july, 2012 degree-conferring-institution： ： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 i 摘摘 要要 我国目前投运的 w 火焰锅炉均为引进技术，在通过对各流派 w 火焰锅炉进行 了系统而深入的研究后而提出的“多次引射分级燃烧技术”是我国第一个具有自主 知识产权的 w 火焰锅炉燃烧技术，有着巨大的发展潜力。 本文以一台采用多次引射分级燃烧技术设计的350mw超临界w火焰锅炉为研 究对象，在其 1：10 的冷态单相试验台上对炉内空气动力场进行了研究，并运用 fluent 软件对其炉内气固两相流动进行了模拟，得到如下研究结果： 以锅炉燃尽风（ofa）设计风率 19.1%为基础研究了不同燃尽风率下的冷态空 气动力场，试验结果表明：锅炉 ofa 风率为 1.9%时炉内流场出现轻微偏斜，下炉 膛后墙气流压迫前墙气流；当 ofa 风率分别为 9.6%、19.1%和 28.7%时，炉内流场 则对称性良好。同时随着 ofa 风率的增加，拱上气流的下冲深度逐渐变小；拱上 气流的衰减基本呈线性变化，且随着 ofa 风率的增大衰减速度变慢。综合各方面 因素得到锅炉原 ofa 设计风率 19.1%较合理。 拱下二次风倾角对炉内冷态空气动力场影响的试验结果表明：当拱下二次风水 平及下倾 15 进入炉膛时，下炉膛流场出现偏斜，两者都为下炉膛前墙气流压迫后 墙气流；而倾角分别为 25 和 35 时，下炉膛流场对称性较好，且倾角为 35 时，拱 上下行气流的下冲深度更大。拱下二次风下倾角度对上炉膛流场没有太大影响。综 合各方面因素选取拱下二次风下倾角度为 25 。 在停运后墙燃烧器的低负荷条件下，炉内仅有一个很大的由前墙冲向后墙的回 流区，气流基本是贴近水冷壁运动的；且其前拱气流较后墙燃烧器正常给风时有更 大的下冲深度。 炉内气固两相数值模拟结果表明：靠近侧墙的一组燃烧器的气流受到来自侧墙 的气流的挤压作用而偏向邻近的一组燃烧器，并过早的偏向炉膛中心；拱上气流运 行至冷灰斗中下部后有向侧墙方向运动的趋势，到达侧墙后向前后墙运动并对靠近 侧墙的燃烧器气流造成挤压。当拱下二次风率为 35%时流场出现偏斜表现为后墙压 迫前墙，当拱下二次风率为 5%、15%、25%的炉内流场都较为对称。综合考虑后取 拱下二次风率为 25%较合适。 关键字：w 火焰锅炉，多次引射分级燃烧，单相空气动力场，气固两相数值模拟 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 ii abstract the down-fired boilers running in china are introduction from the foreign currently. through the system and depth researches of the down-fire boilers of various schools, multi-injection multi-stage combustion technology is put forward, which is the first combustion technology of the down-fire boiler having independent intellectual property rights, so it has a great potential. a 350mwe supercritical down-fired boiler has been researched in this paper, which adopted the multi-injection multi-stage combustion technology. the characteristics of aerodynamic field has been researched in the 1:10 cold single-phase test bench. and the flow of the gas-solid phase in furnace has been simulated using the fluent software. the results are as follows: based on the designed rate of the over-fire air （ofa） 19.1%, the results of the cold aerodynamic field test at the different rate of ofa shows: when the rate of ofa is 1.9%, the flow-field of the furnace appears a slight deflectionthe air flow from the bear wall squeezed the air flow from the front wall. while 9.6%、19.1% and 28.7% symmetry better. with the increase of the ofa rate, the penetration depth of the flow upon the arches decreased. the decay of the flow upon arches is linear changes, and the velocity of the decay became slow down as the rate of ofa increasing. taking all factors, the front designed rate of ofa19.1% is suitable. the impact of the declination of the secondary air below arches on the cold aerodynamic field in the furnace test shows: when the secondary air below arches enter the furnace at horizontal and 15 , the flow-field of the furnace is asymmetric expressed as the air flow from front wall squeezed the air flow from the bear wall, while 25 and 35 symmetry better in the low furnace. contrast to condition of 25 and 35 , when the declination of the secondary air below arches is 35 , there has the deeper penetration depth. the angle of the declination of the secondary air below arches has little impact on the upper furnace flow-field. taking all factors, the angle of the declination of the secondary air take 25 . when the furnace under low load conditions of shutdown the bear wall burners, the furnace only has one recirculation zone from the front wall to the bear wall. the air is basically closed to the wall. air flow of the side of normal has deeper penetration depth than the conditions that the bear wall burners have normal air flow. 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iii the results of numerical simulation of the gas-solid phase show: the air-flow from the burner near the side wall has been squeezed tend to the near burner and the center of the furnace too early by air-flow from the side wall. the air-flow upon arches has the trend move to the side wall when reaches the lower position of the ash-hopper, and squeezes the air-flow from the burner near the side wall . when the rate of the secondary air below arches is 35% the flow-field appear deflection expressed as the air flow from bear wall squeezed the air flow from the front wall, while the flow field are symmetrical at 5%、15% and 25%. taking all factors, the rate of the secondary below arches take 25%. keywords: down-fired boiler, multi-injection multi-stage combustion technology, single phase aerodynamic field, gas-solid two-phase numerical simulation 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 iv 目目 录录 摘 要 . i abstract .ii 目 录 . iv 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 w 火焰锅炉发展及其分类. 2 1.2.1 w 火焰锅炉的技术特点及其缺点. 3 1.2.2 w 火焰锅炉的分类. 4 1.3 w 火焰锅炉国内外研究现状. 7 1.4 w 火焰锅炉多次引射分级燃烧技术. 10 1.5 主要研究内容 .11 第 2 章 冷态空气动力场试验系统及数值模拟方法 . 12 2.1 锅炉原型概况 . 12 2.2 锅炉燃烧系统布置方式以及配风参数 . 13 2.3 试验系统及试验方法 . 15 2.3.1 冷态模化原理与方法 . 16 2.3.2 试验系统 . 17 2.3.3 试验方法 . 18 2.4 数值模拟模型介绍 . 22 2.4.1 湍流模型 . 22 2.4.2 气固两相耦合模型 . 23 2.4.3 离散方法 . 24 2.5 本章小结 . 24 第 3 章 冷态空气动力场试验研究 . 25 3.1 不同 ofa 风率下炉内空气动力场的试验研究. 25 3.1.1 试验内容和工况安排 . 25 3.1.2 数据处理方法 . 26 3.1.3 试验结果分析 . 27 3.2 不同拱下二次风下倾角度下炉内空气动力场的试验研究 . 34 3.2.1 工况安排和试验内容 . 34 3.2.2 数据处理和结果分析 . 35 3.3 低负荷条件下炉内空气动力场的试验研究 . 39 3.3.1 工况安排和实验内容 . 39 3.3.2 数据处理和结果分析 . 39 3.4 本章小结 . 42 第 4 章 炉内气固两相流场数值模拟 . 43 4.1 计算域和网格的划分 . 43 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 v 4.2 冷态气固两相数值模拟模型的验证 . 44 4.3 冷态气固两相数值模拟设计参数下炉内空气动力场的分析 . 46 4.3.1 炉膛沿宽度方向不同截面上的流场分析 . 47 4.3.2 炉膛沿深度方向不同截面上的流场分析 . 48 4.3.3 炉膛沿高度方向不同截面上的流场分析 . 50 4.4 拱下二次风风率对炉内空气动力场的影响 . 51 4.4.1 不同拱下二次风率条件下宽度方向截面上炉内流场 . 51 4.4.2 不同拱下二次风率条件下深度方向截面上炉内流场 . 53 4.4.3 不同拱下二次风率条件下高度方向截面上炉内流场 . 54 4.4.4 深度方向速度分量沿炉膛沿高度方向的分布曲线 . 55 4.5 本章小结 . 55 结 论 . 57 参考文献 . 59 攻读学位期间发表的学术论文 . 64 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明 . 65 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书 . 65 致谢 . 66 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景 能源是人类文明发展的物质基础，人类的一切活动都要有能源的保障和支撑。 随着人类文明的进步，社会的发展，人类对能源的需求越来越大。目前，能源根据 使用的类型基本分为常规能源和新型能源，其中常规能源主要包括水能和化石能 源，其中化石能源为煤炭、石油及天然气；新型能源主要包括太阳能、风能、核能、 生物能、潮汐能以及地热能等。受新型能源的发展利用技术的限制，目前世界能源 的主要来源依然是常规的化石能源。据统计，2010 年全球能源消费总量与 2009 年 相比增长了 5.6%，折算后的消费总量为 120.02 亿吨油当量，其中石油占 33.6%， 煤炭占 29.6%，天然气占 23.8%，核能占 5.2%，水能占 6.5%，其他可再生能源包括 风能、太阳能、生物能等占 1.3%，可见其中化石能源占能源总量的比例高达 86%。 能源的消费结构和资源状况密切相关，和世界能源消费情况不同的是，2010 年我国 的煤炭消费占总能源消费的比例达到 70%左右，高居世界首位，这是由我国的能源 结构决定的1。在我国，煤炭资源相对存量丰富，且分布广泛，石油、天然气资源 储量相对匮乏。截至 2005 年，我国煤炭剩余可采储量为 1145 亿吨，占到全部已探 明化石能源储量的 94%2。伴随着化石能源的日益枯竭，以及清洁能源、可再生能 源的迅速发展，煤炭占我国能源消费总量的比例从 2005 年的 70.8%降到 2010 年的 68%， 但是煤炭的消费量却从 2005 年的 16.7 亿吨增加到 2010 年的 22.1 亿吨， 年平 均增长 1.08 亿吨，可见虽然煤炭在我国能源消费结构中的比例是逐渐降低的，但随 着我国经济的持续增长，对能源消费量的需求越来越大，煤炭的需求量也是越来越 大的，因此煤炭将会在很长一段时间内在我国的能源结构中占据主要地位3。 煤炭在我国的利用方式可分为火力发电、 供热、 工业燃烧、 化工炼焦制气。 2009 年我国火力发电用煤量为 14.4 亿吨，占当年煤炭消费总量的 48.7%，并且这一比例 在未来将会逐渐增大到 70%3。 可见在我国火力发电不仅作为煤炭的主要利用方式， 并且比例会越来越大。我国发电用煤常按其中干燥无灰基挥发份（vdaf）的含量分 为无烟煤 （vdaf10%） 、 贫煤 （10%vdaf20%） 、 烟煤 （20%vdaf40%） 和褐煤 （vdaf 40%） ，干燥无灰基挥发份含量低于 14%的称为低挥发份煤，包括无烟煤和低挥 发份贫煤4。低挥发份煤种由于煤化程度非常高，其中挥发份含量低，发热量中的 挥发份发热量所占的比率也很低，因而着火非常困难；同时煤化程度高使得煤的岩 相结构致密而稳定，孔隙率小，磨碎性弱，反应性低，因而燃尽性差。即低挥发份 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2 煤种往往表现出着火和燃尽都比较困难， 需要较高的燃烧温度和较长的燃烧时间5。 我国的低挥发份煤种的储量占到煤炭总储量的 19%，是世界上少数低挥发份煤种储 量丰富的国家之一，根据国家的燃料政策，低挥发份煤占我国电站锅炉用煤的 40% 以上，可见我国电站锅炉有相当一部分要用低挥发份煤来进行发电6。 我国电站锅炉燃用低挥发份煤最早采用蜗壳式旋流燃烧器，上世纪 60 年代开 始自主研制并投运切圆燃烧方式锅炉，包括液态排渣和固态排渣，另外少数为墙式 燃烧方式锅炉。欧美国家自上世纪 30 年代开始使用“u”或“w”型火焰锅炉来燃 烧无烟煤和低挥发份贫煤，而前苏联自上世纪 70 年代开始采用开式或半开式的墙 式液态排渣锅炉。目前被广泛采用的燃烧无烟煤和低挥发份贫煤的燃烧方式主要 有：我国的切圆燃烧方式，前苏联的墙式液态排渣方式和欧美的拱形锅炉“w”型 火焰燃烧方式7。在上世纪 90 年代以前，我国电站锅炉燃用无烟煤和低挥发份贫煤 时主要是选用固态排渣的切圆燃烧方式，但在实际运行中普遍存在着火差，燃烧不 稳，飞灰可燃物含量高，燃料熔点低时易结渣，负荷调节幅度小等问题。为此欧美 国家大都倾向采用“u”或“w”型火焰锅炉来燃用低挥发份煤种，认为 vdaf10% 的煤种必须采用“u”或“w”型火焰锅炉。同时我国也于上世纪 80 年代末开始从 国外引用 w 火焰锅炉来燃用低挥发份煤，发展到现在 w 火焰锅炉已经成为燃用低 挥发份煤种的主力炉型，基本解决了燃用低挥发份煤种时电站锅炉运行中的存在的 稳定性和可靠性问题，取得了巨大进展8。 1.2 w 火焰锅炉发展及其分类 w 火焰锅炉源于“u”型锅炉，最早由美国福斯特惠勒（foster wheeler，简 称 fw） 公司开发， 后经美国 ce （combustion engineering） 、 英国三井巴布科克 （mitsui babcock energy limited，简称 mbel） 、美国巴威（babcock&wilcox，简称 b&w） 、 法国斯坦因（stein）等公司吸收引进并加以研究，目前已经形成众多不同技术流派 的 w 火焰锅炉。如图 1-1 所示，w 火焰锅炉炉膛沿高度方向可由炉拱分为明显的 上、下炉膛两部分，上、下炉膛深度不同，一般下炉膛要比上炉膛大 80%120%， 这样在上、下炉膛结合处形成具有一定坡度的炉拱。炉拱上布置燃烧器，包括煤粉 气流和部分二次风（有的 w 火焰锅炉拱上只装有煤粉气流和乏气喷口） ，这部分气 流自喷口进入炉膛中向下运动，煤粉气流着火后向下伸展，在下炉膛下部与剩余的 二次风相遇后转折向上，形成 w 形火焰9。并在下炉膛部分水冷壁壁面上敷设燃烧 带，形成着火区域的高温区，亦有利于着火。w 火焰锅炉炉内燃烧过程一般可以分 为三个阶段：首先是起始阶段，煤粉颗粒在低扰动状态下着火和初步燃烧，燃烧所 需空气以少量、低速进入，以利于煤粉颗粒的着火；其次为燃烧阶段，煤粉颗粒和 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 剩余二次风混合强烈，急剧燃烧；最后是辐射传热阶段，燃烧的生成物进入上部炉 膛区域，继续以低扰动状态使未燃尽煤粉颗粒燃烧完全，同时对受热面进行辐射换 热。下炉膛为燃烧室，上炉膛为燃尽室。国内外实践证明：w 火焰锅炉对燃烧低挥 发份煤种是非常有效的，但是 w 火焰锅炉的炉膛容积大小和炉膛的结构形状、燃 烧带面积和敷设位置以及各喷口配风比例和风速，都会对 w 火焰锅炉的燃烧产生 显著的影响4,5。 1.2.1 w 火焰锅炉的技术特点及其缺点 w 火焰锅炉主要具有下列技术特点： （1）燃烧器布置在拱上，煤粉气流自上而下进入炉膛，着火后向下扩展运动， 并且随着燃烧过程的进行随度逐渐变慢，与前后墙二次风混合后转折向上运动，形 成 w 形火焰轨迹。这样一方面不容易产生煤粉分离现象，另一方面大大的增长了 煤粉气流火焰行程， 煤粉颗粒在炉膛内的停留时间较长， 这对煤粉的燃尽是有利的， 对燃尽困难的低挥发份煤种尤为重要。 燃尽室 燃烧室 低速反转气流 二次风分 级引入 燃烧器 着火区 热烟气回 流至着火区 图 1-1 w 火焰锅炉炉膛结构和燃烧过程示意图 （2）由于煤粉自上而下进入炉膛，故一次风率可以降低至 5%15%，一次风速 可以很低，这同样有利于煤粉颗粒的着火。然后剩余的空气可以沿火焰行程逐步送 入，以达到分级配风的目的。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 4 （3） 煤粉气流在炉内先向下后向上运动在下炉膛竖直面内形成了两个很大的回 流区，煤粉气流进入炉膛内直接受到回流区的高温烟气的对流换热和辐射作用，有 利于煤粉的着火。 （4）与切圆燃烧方式相比，w 火焰锅炉的炉膛出口烟气的速度场及温度场分 布比较均匀，过热器和再热器的热偏差较小。 正是有了上述特点，才使得 w 火焰锅炉在燃用低挥发份煤种时具有很大的优 势。但是，w 火焰锅炉也存在一些缺点，主要有： （1）煤粉颗粒和空气的后期混合比较差，同时由于高温区在下炉膛，上炉膛的 温度水平较低，这都易造成煤粉颗粒的不完全燃烧损失增大，降低锅炉效率。 （2）为了保证下炉膛燃烧区的局部高温，w 火焰锅炉在下炉膛铺设了大量的 燃烧带，燃烧带位置非常容易结渣。 （3）w 火焰锅炉采取了一系列措施来保证煤粉颗粒的着火和燃尽，例如在下 炉膛铺设燃烧带以提高炉内温度水平，增长火焰行程并延长煤粉颗粒在高温区的停 留时间等，这些都易导致氮氧化物的生成，所以 w 火焰锅炉的氮氧化物排放量非 常高。 此外，w 火焰锅炉结构复杂，尺寸大，故通常造价较高。 1.2.2 w 火焰锅炉的分类 w 火焰锅炉自美国 fw 公司研发， 经各大公司吸收引进现在已经发展为众多不 同技术的流派，主要有下列四种：采用福斯特惠勒（fw）技术的 w 火焰锅炉，采 用巴威（b&w）技术的 w 火焰锅炉，采用斗巴（dbel）技术的 w 火焰锅炉和采 用斯坦因（stein）技术的 w 火焰锅炉。目前这四种 w 火焰锅炉在我国均有应用。 下面就各技术流派的 w 火焰锅炉特点介绍一下10,11： （1）福斯特惠勒技术 锅炉示意图如图 1-2，这种技术的 w 火焰锅炉上、下炉膛的深度比值较大（一 般为 0.55 左右） ，上炉膛较大，下炉膛相对较小，同时炉拱倾角较大，为 25 。锅 炉在炉拱上布置双旋风筒浓淡分离燃烧器，煤粉气流由煤粉运输管进入格栅分离器 被均匀的分成两部分，分别进入两个旋风筒；在旋风筒内由惯性作用被分成浓淡两 股煤粉气流，浓煤粉气流由旋风筒下部经消旋叶片喷入炉膛，即为一次风气流，淡 煤粉由旋风筒边壁进入淡煤粉气流管道，即为乏气。锅炉实际运行中可通过调节消 旋叶片的位置和乏气挡板开度来调节炉内的燃烧状况。二次风可分为拱上和拱下两 部分，拱上二次风包括环绕在一次风和乏气喷口周围的周界风和与油枪相配的油二 次风；拱下二次风包括 d、e、f 三层二次风，依次布置在垂直墙上。其中环绕在 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 5 一次风和乏气喷口周围的周界风风量小但风速高，一方面为增大煤粉气流的刚度， 增加下射深度，另一方面保护了喷口不被高温烟气烧坏；油二次风为油枪点火时提 供所需空气；拱下二次风分为 d、e、f 三层是为了沿火焰行程逐级供风，以达到 降低氮氧化物的目的；拱上、拱下二次风风量配比约为 3：7。此外，该锅炉制粉系 统一般为双进双出正压直吹系统12。 乏气喷口 i i 冷灰斗燃烧室 冷灰斗 燃尽室 主气流喷口 主气流喷口 乏气喷口 d层二次风 e层二次风 f层二次风 f层二次风 e层二次风 d层二次风 环形二次 风b喷口 环形二次 风a喷口 图 1-2 福斯特惠勒 w 火焰锅炉示意图 （2）巴威技术 锅炉示意图见图 1-3，这种技术的 w 火焰锅炉最主要的特点是采用叶片式的旋 流燃烧器。上、下炉膛空间都较大，深度比值在 0.520.55 之间，炉拱倾角为 15 。 锅炉在拱上布置旋流燃烧器，燃烧器主要有两种：pax 燃烧器和 ei-xcl 燃烧器， 煤粉气流经过偏心弯头时自动发生浓缩，浓煤粉气流进入一次风管道由拱上喷入炉 膛，淡煤粉气流进入乏气管道由拱下前后墙以一定角度喷入炉膛，称为三次风。拱 上二次风分为内、外二次风，经过旋流叶片时发生偏转旋转进入炉膛，其中内二次 风为强旋流以卷吸炉膛的高温烟气来加热煤粉气流，外二次风为弱旋流以保持一次 风刚度，保证下射深度；另外，部分二次风由拱下进入炉膛，称为分级风，这样实 现分级燃烧，有利于降低氮氧化物的生成，同时增强了燃烧后期的扰动。锅炉的风 量主要通过拱上给入，拱上风量占到总风量的 75%13。 （3）斗巴技术 锅炉示意图见图 1-4，这种技术的 w 火焰锅炉下炉膛空间特别大，而上炉膛则 狭窄短小，上、下炉膛深度比在 0.440.48 之间，炉拱倾角为 15 。锅炉同样采用旋 风筒浓淡分离燃烧器，不过气流喷口为直流狭缝形式，燃烧器成组布置。拱上有与 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 6 一次风喷口相间布置的二次风喷口，二次风喷口同样为直流狭缝形式；在拱下由二 次风箱引出三次风在靠近冷灰斗上缘处水平进入炉膛。在风量配比方面，锅炉拱上 风量约占总风量的 85%。 二次 风箱 分级风 一 次 风 三 次 风 燃烧室 燃尽室 一 次 风 三 次 风 分级风 二次 风箱 图 1-3 巴威 w 火焰锅炉示意图 下炉膛 上炉膛 二次风 三次风 (二) 次风 一 贴 壁 风 乏 气 图 1-4 斗巴 w 火焰锅炉示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 7 （4）斯坦因技术 锅炉示意图见图 1-5，这种锅炉同样采用直流缝隙式燃烧器，与斗巴技术不同 的是锅炉没有旋风分离器，并且在拱上一次风喷口与二次风喷口相间均匀布置。同 时，从二次风箱引出三次风由拱下喷入，三次风分为上三次风和下三次风，以形成 一定的空气分级，另外在上下三次风之间喷入乏气。这种 w 火焰锅炉的制粉系统 主要是中储仓式制粉系统。 上三次风 下三次风 制粉乏气 一、二次风 制粉乏气 下三次风 上三次风 下炉膛仰视图 卫燃带 抽烟口 二次风喷口 一次风喷口 图 1-5 斯坦因 w 火焰锅炉示意图 1.3 w 火焰锅炉国内外研究现状 w 火焰锅炉虽开发于上世纪 30 年代，但由于国外能源结构普遍以石油、天然 气为主，燃煤电厂所用煤质也普遍较好，同时，由于 w 火焰锅炉炉膛热负荷较高 使其氮氧化物排量很高，国外高标准的污染物排放要求极大地限制了 w 火焰锅炉 的应用，所以燃用低挥发份煤种的 w 火焰锅炉在国外应用较少，目前世界上的 w 火焰锅炉主要集中在我国， 国外关于 w 火焰锅炉的研究报道较少。blas14研究了燃 用煤质、锅炉配风、煤粉细度等对 fw 型 w 火焰锅炉炉内着火、燃烧和结渣的影 响。fw 公司根据其 w 火焰锅炉实际运行状况中氮氧化物排量过高的问题，提出了 一套改造方案：一是在旋风筒分离器的中心加核以缩短一次风喷口长度和减小喷口 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 8 直径，通过使一次风提前和周界风混合预热煤粉气流，称为“燃料预热型喷嘴” ； 而是将部分拱下二次风由拱上的燃尽风喷口进入炉膛， 实行空气分级15,16。 burdett17 对一台 500mw 的 w 火焰锅炉进行了现场测试， 得到了拱下风量对氮氧化物生成量 的影响。 自上世纪 80 年代末 w 火焰锅炉引进我国后，经过不断的探索和尝试，目前已 积累了丰富的 w 火焰锅炉运行经验。国内各大锅炉制造厂、电力集团、电科院、 研究院以及许多高校都对 w 火焰锅炉进行了很多工作，主要包括：锅炉实际运行 问题研究，电厂工业改造试验，实验室热态、冷态实验和数值模拟计算等几个方面。 目前国内对 w 火焰锅炉的运行调试研究主要是针对各机组运行中出现的各种 问题，这主要包括飞灰可燃物含量大，燃烧不稳定，运行氧量低，结渣严重以及氮 氧化物排量高等。 许传凯18认为锅炉燃烧和制粉系统的设计与低挥发份煤种燃烧特 性的良好匹配是运行性能好坏的关键，提出控制燃用煤质在适当范围，同时煤粉细 度应满足 r90=0.5nvdaf。毕玉森等5对我国现役 w 火焰锅炉实际运行调研分析后， 认为设计煤粉细度偏粗，炉膛参数选取不合理是导致锅炉飞灰可燃物含量高的主要 原因，提出加大磨煤机出力裕度等建议。金鑫等19通过对 fw 型 w 火焰锅炉的现 场测量得出侧墙和翼墙燃烧带结渣严重主要是烟气流冲刷所致，提出适当关小靠近 侧墙的 f 层二次风挡板开度，减弱二次风的引射作用可有效降低侧墙和翼墙的烟气 贴壁流动，减缓结渣现象。刘庆鑫等20对一台巴威技术的 w 火焰锅炉运行中存在 的燃烧稳定性差， 飞灰可燃物含量高等问题进行了分析研究， 发现增加燃烧带面积， 同时提高一次风温，留出磨煤机足够的裕度以保证煤粉细度和均匀度，可以取得良 好的着火、燃尽和燃烧的稳定性。苗长信等21对聊城电厂采用斗巴技术的 w 火焰 锅炉存在的“偏烧”现象进行了分析，认为“偏烧”现象主要和各喷口风量配比、 垂直风和水平风的动量比、炉膛几何形状以及燃烧器安装误差等因素有关。王春昌 22针对缝隙式燃烧器 w 火焰锅炉存在的燃烧稳定性差的问题进行了研究，认为缝 隙式燃烧器由于自身结构布置等因素使得煤粉气流和二次风混合过早，增加了燃烧 所需热量，导致着火推迟，是此种 w 火焰锅炉燃烧不稳定的主要因素。 在炉膛冷态空气动力场方面，对 w 火焰锅炉的研究也已经开展多年。张文宏 等23利用 thring-newby模化方法对三种 w 火焰锅炉炉膛进行了模化实验，结果表 明：w 火焰锅炉空气动力场主要取决于拱上拱下气流的动量比、射流角度等运行参 数和几何参数。魏小林等24对 fw 型 w 火焰锅炉拱上、拱下风的配比进行了研究， 并给出了拱上拱下动量比的建议值。许卫疆25研究了部分 fw 型 w 火焰锅炉设有 的三次风对炉内流动的影响，研究发现，水平吹入炉内的三次风对主气流的向下运 动有明显的阻碍作用，建议下倾三次风一个小的角度。周昊等26对采用旋流燃烧器 的巴威技术 w 火焰锅炉进行了炉内多相流动特性研究，并和采用直流燃烧器的 w 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 9 火焰锅炉进行了对比，发现一次风射流深度取决于二次风的旋流强度，建议将二次 风旋流叶片设计为可变的。何立明等27,28研究了采用斯坦因技术的 w 火焰锅炉不 同燃烧器配风、炉膛喉口面积以及有无折焰角对炉内空气动力场的影响，分析了不 同工况下炉内气流的速度分布、湍流强度、炉内充满度以及气流衰减特性等，给出 了各气流动量流率的最佳配比和喉口面积的较优设置，此外发现炉膛无折焰角时可 造成气流冲刷前后墙的问题。 哈尔滨工业大学燃烧工程研究所自 2004 年开始对目前国内各 w 火焰锅炉类型 进行了系统而深入的研究。任枫等29-41通过冷态单相、两相以及工业试验等方法对 一台采用福斯特惠勒技术的 w 火焰锅炉进行了研究，并逐步提出了针对 fw 型 w 火焰锅炉的高效低氮氧化物燃烧技术（简称 helnct） ，并将这一技术进行了工业 示范。研究结果表明：锅炉改造后，煤粉气流着火提前，燃烧稳定性提高，锅炉火 焰中心下移，在没有增加飞灰可燃物含量的同时降低氮氧化物排放量 50%，锅炉结 渣减轻。范夙博等42-44对一台采用巴威技术的 w 火焰锅炉进行了研究，发现外二 次风叶片角度较小时不能在燃烧器出口形成回流区， 增大到 45 时出现中心回流区； 工业试验表明：锅炉燃尽效果较好，随着分级风挡板开度的增大，氮氧化物排放量 降低而飞灰可燃物含量升高。况敏等45-54对采用斗巴技术的 w 火焰锅炉进行了研 究，并提出了“多次引射，分级燃烧”技术（multi-injection multi-stage combustion technology