（工程热物理专业论文）浓淡气固两相射流扩散规律研究和炉内防结渣技术.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 气固多相流运动的存在范围十分广泛，在电站锅炉系统中，准确地给出流体 的流动特性，具有重要的意义它关系到系统投入运转后的安全性、可靠性，经 济性。光学波动法是测量气固多相流浓度和粒度分布的一种有效的手段本文阐 述了光学波动法测量气固多相流颗粒浓度的原理，并在实验条件下，利用此原理 对多相射流的浓度和粒度分布进行了测量研究 实验利用浙江大学多相流试验台，通过冷模试验对不同工况下的水平浓淡燃 烧器出口气固两相射流的扩散特性进行了研究。主要涉及了三方面的内容：第一， 按照模化比例进行了相关的模化计算，确定了模化工况，本试验中使用粒径为 1 61 1i i i 左右的滑石粉对实际煤粉进行模化；第二，进行无粉送风的单相射流试验， 得到了不同撞击块高度下，浓淡两侧射流的速度分布，并据此分析不同撞击块高 度对射流的刚性影响以及速度差异对浓淡两侧煤粉分离效果保持的影响，认为撞 击块分离装置对速度影响在合理范围之内，不会产生实际运行中淡侧喷口被烧坏 的后果，对浓淡分离保持的负面影响也由于隔板的作用交得不是很明显，同时不 同撞击块高度下的速度分布图为选择合适的撞击块高度提供了依据；第三，基于 浓度测量对燃烧器出口的气固两相浓淡射流扩散特性进行研究，通过固定给粉浓 度变换撞击块高度以及固定撞击块高度变换绘粉浓度来测量设计测点的浓度分 布，比较各种不同工况下浓度分布图，讨论撞击块高度及给粉浓度对浓淡分离鳃 影响，认为撞击块高度是影响浓淡分离的主要因素最后通过实际应用，对上海 理工大学提供的用于测量浓度的光线探针给出了客观的评价 此外，我们还以某电厂的锅炉为例，针对该电厂水冷蹙容易结渣的问题，进 行了锅炉冷模试验我们对各燃烧器的一次风、侧边风、二次风、燃尽风进行不 同的配风比，观察炉内的空气动力场，所得结果可以对燃烧器设计、现场运行提 供有价值的参考 关钥! 词：浓淡燃烧器气固两相流冷模试验 多相流浓度测量 d i s s e r a t i o no f2 h e h a n gi r n i v e r s r r ya b s i 弛c r a b s t r a c t t h eg a s - s o l i dm u l t i p b a s cf l o ww a se x i s t e di nn o n m a lw a y s i tw a s 诬哪o r t 缸吐t o g e tt h er e s u l t so ft h ec h a r a c t e r i s t i c sa c c u r a t e l y , w h i c hr e l a t e dt ot h es y s t e mw o r k s s a f e l ya n de c o m i c a l l yi nt h ep o w e rp l a n t an o v e lm e t h o do fi n v e s t i g a t i o nt h e d i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a s - s o l i dm u l t i p h a s ej e tf l o ww a sp r e s e n t e db a s e do n o p t i c sw a v et h e o r yi nt h i sw o r k t h ee x p e r i m e n t sw t 朗r ec o n d u c t e dt od e t e r m i n et h e p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n sd i s t r i b u t i o na n di t ss i z ei nt h eg a s - s o l i dj e tf l o wf r o mt h e r i c h l e a nr u e ib u r n e rw i t hc o l l i s i o nb l o c k i nt h i sw o r k , t h ea u t h o rc a r r y st h r o u g hs o m er e s e a r c ha b o u tt h ep a r t i c l ed i s p e r s i o n i ng a s - s o l i dt w o - p h a s ef u e lr i c h l e a nb u r n e rf l o wo l lt h em u l t i p h a s ef l o wt e s t - b e di n z h e j i a n gu n i v e r s i t y t h ec o n t e n to ft h i st e s tm o s t l yt o u c h 岬t h r e ea s p e c t s ：右峨d o 鬟腻m o d e l i n gc a l c u l a t i o nb a s i n g o nt h em o d e l i n gr a t i oa n dd e f i n et h et e s tc o n d i t i o n s w e 嗽t a l c u mp o w d e rw i t ht h ep a r t i c l ed i a m e t e ro f1 6 - mi nc o l dm o d e l i n gt o s i m u l a t i o nt h ec o a lp a r t i c l ei nr e a lb o i l os e c o n d , 面s i i i g l c - p h a s ef l o wt e s t ，g e t d i f f e r e n tv e l o c i t yd i s t r i b u f i o no fr i c h l e a nf l o wb o t hi na n do u to ft h ee j e c t o rn o z z l ei n t h ec o n d i t i o no fd i f f e r e n th e i g h to fc o l l i s i o nb l o c k w ea n a l y s i st h ei n f l u e n c e so ft h e d i 彘r o m h e i g h t o f c o l l i s i n n b l o c k t o t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e v e l o c r y o f t h e r i c h s i d e a n d t h a t o f l e a ns i d e 。a n dw eb e l i e v et h a tt h ed i 蛔i nt h er a t i o n a lr a n g eb e o ft h ee x i s to ft h e c 0 3 v ep l a t e 嗽an o v e lf i b e rp r o b ei s e m p l o y e dt oi n v e s t i g a t ep a r t i c l ed i s p e r s i o ni n g a s - s o l i dt w o - p h a s ef u e lr i c h l e a nb u r n e rf l o w b ym e a n so fc h a n g i n gt h eh e i g h to f t h ec o l l i s i o nb l o c kb a s i n go nt h e 丘x c dd e n s i t yo ff e e d i n gp o w d e ra n dc h a n g i n gt h e d e n s i t yo ff e e d i n gp o w d e rb a s i n go nt h e 丘x c dh e i g h to ft h ec o l l i s i o nb l o c k ，c o m p a r e t h ed i f f e r e n td e n s i t yd i s t r i b u t i o no ft h ef l o wa n dd i s c u s st h ei n f l u e n c et od e n s i t yb y t h eh e i g h to fc o l l i s i o nb l o c ka n dd e n s i t yo ff e e d i n gp o w d e r w ec o n s i d e rt h a tt h e i n f l u e n c eo ft h eh e i g h to fc o l l i s i o nb l o c ki st h em o s ti m p o r t a n ta n dw ec a ng e t d i f f e r e n tr i c h l e a nr a t i ob ya d j u s t i n gt h eh e i g h to ft h ec o l l i s i o nb l o c k a tl a s tw eg i v e d i s s e r 棚0 no fz h e i i a n gu n i v e r s r i y t h ep r o p e rj u d g e m e n ta b o u tt h ef i b e rp r o b ep r o v i d e db ys h a n g h a is c i e n c ea n d t e c h n o l o g yu n i v e r s i t y w ea l o s et a k eap o w c rp l a n t ，sb o i l e ra sp r o t o t y p et op e r f o r mc o l dm o d e lt e s t so f t h ew h o l eb o i l e ri no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fs o o t b l o w i n g s t u d i e so nh o wp r i m a r y a 址s e c o n 出a ya i r , o v e r f i r ca i ra n ds i d ef l o w ，sq u a n t i t ye f f e c t 蚰a e r o d y l l a l d i co ft a n g e n t i a lb o i l e r i l r ec a r d e do u tt h r o u g hc o l dm o d e lt c s lt h er e s u l 伍c a l lg i v ev a l u a b a l er e f e r e n c ef o rb o r e rd e s i g n a n do p e r d f i o n k e y w o r d s ：r i c h l e a nf u e lb u r n e r ；, g a s - s o l i dt w o - p h a s ef l o w ；c o l dm o d e lt e x t ； t h em e a s m e m e n t so f d e n s i t yi nm u r i p h a s ef l o w 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。据我所知，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，也不包含为获得澎姿盘茔或其他教育机 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。 张国咩爷魄 年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘婆盘芏有关保留、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。本人授权迸鎏太茎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： 日揖辞 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名 冈是 签字日期：一年3 月( 日 电话： 邮编： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对用电的需求量大大增加，从 而加大了煤的需求量，从而客观上对这种不可再生资源品质的要求有所降低，且 用电的峰谷差日见明显，这就要求我们一方面有更多更大型的电站锅炉参与到调 峰运行当中来，另一方面对各类劣质煤的燃烧也要保证其稳定燃烧及其燃烧效 率两者都是要求电厂机组具有很好的稳燃能力以前主要通过投油助燃的方法 保证火炬能够有效稳燃但是投油助燃耗费大量的燃油，经济上不是很合理，所 以当前国内外采用的有效稳燃措施主要有；敷设燃烧带提高燃烧区域的温度；采 用热风送粉系统和较高的热风温度；采用较低一次风率和风速；减小煤粉颗粒细 度；煤粉预燃室；以及采用性能良好的燃烧器“1 ： 敷设燃烧带主要是通过降低水冷壁的辐射吸热来提高燃烧区域的温度；采用 热风送粉系统和较高的热风温度主要是用来提高风粉的温度，降低其着火热；采 用较低一次风率和风速主要是通过提高煤粉气流的加热速度，使着火距离缩短； 减小煤粉颗粒细度主要从燃烧反应的动力学出发考虑增加煤粉颗粒的表面反应 面积从而有利燃烧进行；煤粉预燃主要是依靠不同的工作原理，在容积较小的前 置燃烧室内形成强烈的回流高温区，利用较小的点火能量即可点燃预燃室中的煤 粉气流，使煤粉气流稳定着火和燃烧；采用性能良好的燃烧器主要利用其结构性 能，浓淡分离或钝体回流区，形成易于煤粉燃烧的高温、高浓度、高氧量的燃烧 区近几十年来，发展成熟并在某些电厂得到实际运用的燃烧器主要是浓淡燃烧 器，其类型有旋风分离式浓淡燃烧器、弯管分离式浓淡燃烧器、百叶窗式浓淡燃 烧器、撞击式浓淡燃烧器等其中由浙江大学开发的水平浓淡撞击式燃烧器经过 近几年的不断改进，对电站锅炉n o x 低排放、锅炉安全高效运行、防止炉内结焦 结渣等要求能够得到很好的满足 浓淡燃烧器就是基于这样的考虑在原有传统的燃烧器上发展起来的。浓淡燃 烧器性能优劣主要体现燃烧器内的气固两相的射流特性好坏，包括燃烧器内气流 分离特性、阻力特性，喷口外射流所及区域的浓度场和速度场分布。浙江大学的 水平撞击式浓淡燃烧器出口射流在水平方向上分为浓淡两股，浓煤粉射流位于向 火侧而淡煤粉射流位于背火侧，以实现稳定着火，防止炉内结渣和高温腐蚀，并 起到降低氮氧化物( n o x ) 排放的作用，但由于浓淡两股煤粉空气射流之间仅有 较薄的隔板加以分隔，因此往往存在浓淡煤粉射流是否在出口后不久即发生混 合，导致浓淡分离效果丧失的疑虑。气固多相射流的扩散和混合过程是一个比较 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 复杂的过程，由于气固相间滑移的存在，且气固相之间存在双向作用。气固射流 在流动过程中还不断卷吸周围的气体，使射流的流量不断增加，固相浓度不断降 低。撞击式浓淡燃烧器撞击块高度的改变，会对燃烧器的浓淡分离效果产生影响， 从而改变射流的扩散混合过程。以上因素导致气固射流的扩散规律比较复杂，需 要通过试验来进行一定的探讨目前研究人员对燃烧器性能的研究有热模试验 啪、冷态试验睡帕、冷态模化试验嘲和计算机数值模拟试验睡”本课题通过气固两 相冷态模化实验，对水平浓淡气固两相射流在燃烧器出口外浓淡两股射流的扩散 特性和混合特性进行了试验研究，来确定水平浓淡燃烧器出口气固两相射流的浓 淡分离效果能否在较长的射程内得以维持，从而保证了浓淡燃烧的优点该课题 的重要意义在于通过燃烧器出口射流的冷态模化试验来研究燃烧器的性能，以及 掌握和优化水平浓淡燃烧技术，开发性能优良的新型燃烧器 采用试验方法研究水平浓淡射流的扩散和混合特性，要寻找一种便捷、准确 的测量技术，获得射流不同位置的固相颗粒浓度分布，以了解浓淡射流的沿程发 展、混合规律众所周知，由于气固多相流测量的困难性，便捷准确的固相浓度 测量手段尚不够成熟在许多多相流的混合扩散特性研究中，研究者通常都采用 热平衡法、气体示踪法等来进行气固两相流混合特性研究但该方法有极大的局 限性，只适用于流速较低的情况下测量温度才较正确埘目前往往采用等速取样 方法测量管内多相流浓度，但由于等速取样方法需要知道测量位置处的气相速 度，而燃烧器出口射流的速度分布比较复杂同时等速取样方法测量费时费力， 并不是一种合适的研究气固射流发展和扩散的测量手段本文采用一种基于光学 波动法的激光测量技术，建立了大型多相气固流动实验台架，对一种水平浓淡燃 烧器出口的浓淡射流扩散和混合规律进行了试验研究光学波动法类似于光学消 光法，它不但利用光线穿越颗粒层后所产生的平均衰减值，还利用衰减值的动态 特性得到有关信息，在选择合适的衰减值的情况下，能够反映探测区域的颗粒浓 度的细微变化” 实际锅炉运行中除了要求稳燃。还要求安全性由于我国能源生产的发展跟 不上整个国民经济发展的要求，煤炭供应十分紧张为了贯彻国家关于电站锅炉 用煤尽量燃用劣质煤的能源政策，电站锅炉除了燃用非炼焦煤外，还需要大量燃 烧洗中煤、劣烟煤、高硫煤、软硬褐煤、油页岩等，这些燃料的燃烧容易引起炉 内结渣、高温腐蚀等问题，使电厂的安全运行面临着严竣的挑战。在这种情况下， 组织一个良好的炉内空气动力场对锅炉的安全运行能起到重要的作用“4 这 些都迫使人们花费大量的人力、财力去开发更加有效的煤燃烧技术和设备现实 的需要促进了煤燃烧科学的发展，并不断的深化由于锅炉炉膛较为庞大，研究 锅炉炉膛的空气动力场，除可在已建成的锅炉机组上实际测量外( 该方法只能在 已建成的锅炉上少量使用) ，通常都按照一定的模拟方法建立模型试验台，先在 2 浙江大学硕士学位论文第一幸绪论 模型试验台上对空气动力场进行试验研究，从而建立起能够推广应用的准则关系 式以指导实际锅炉的设计和运行。本课题对燃烧器各喷口在不同配风比时，冷模 炉内的空气动力场进行了一些研究，所得结果可以对锅炉设计和运行起到参考价 值啪。 1 2 研究内容 本文在上述的工作背景下，进行了浓淡气固两相射流的扩散规律和炉内防结 渣技术两个方面的研究具体内容如下： l 、介绍了目前应用较广的几种浓淡燃烧器，并且对它们的优缺点进行评价 论述了多相流的定义和几种分类方法以及九种已经比较成熟的多相流测 量技术 2 、详细介绍本试验所采用的光学波动法测量气固两相流浓度的原理、测量 系统，并对气固浓淡多相的试验台架进行一些说明 3 、基于光学波动法，研究了水平撞击块浓淡燃烧器随撞击块和给粉浓度变 化时的浓淡分离效果及浓淡两股射流的扩散特性 4 、在冷模试验台上，对新型燃烧器各喷口进行1 5 种不同的配风比，并测量 其炉内空气动力场 参考文献： 1 1 容銮恩，袁镇福，刘志敏。田子平，电站锅炉原理，中国电力出版社，1 9 9 7 。 1 5 6 1 6 6 2 】裴友民，水平浓淡燃烧器的热态模化试验，电站系统工程，v 0 1 2 0n o 2m a r 2 0 0 4 3 】刘泰生。吴焕琪，邓仲勇，刘建文，姚本荣，许晋源，一次风双向切圆布置燃 烧系统的特点和试验研究，动力工程，v 0 1 2 3n o 4a u g 2 0 0 3 【4 】x i a o l i nw e i ，t o n g m ox u ，s h i e nh u i ，b u r n i n gl o wv o l a t i l ef u e li n t a n g e n t i a l l yf i r e df u r n a c e sw i t hf u e lr i c h l e a ab u r n e r s e n e r g y c o n v e r s i o na n dm a n a g e m e n t4 5 ( 2 0 0 4 ) 7 2 5 7 3 5 3 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 c 5 l i z q ，y a n g l b ，q i u p h ，s u n r ，c h e r t l 二s u n s ze ) 噼翩t a i u u d y o f t h e c o m b u s t i o n e f f i c i e n c y a n d f o m m t i o n o f n o x i na l l i n d u s t r i a lp i l l w ：畦d c o a l c o m b u s t o r i n tje n e r g yr e s2 0 0 4 ；2 8 ：5 1 1 - 2 0 c 8 c 7 c b 9 】 c l o c 1 1 i t 2 c 1 3 h z h o u 。k e f ac e n ，j i a n r e nf a n ，d e t a c h e de d d ys i m u l a t i o no fp a r t i c l e d i s p e r s i o ni nag a s - s o l i dt w o - p h a s ef u e lr i c h l e a nb u r n e rf l o w , f u e l8 4 ( 2 0 0 5 ) 7 2 3 0 3 l j 瓦f a n , z h x i a , x y z h a n g , l lf c e n ，n u m e r i c a li n v e s t i g a t i o no n t w o - p h a s ef l o wi nr i c h l e a np u l v e r i z e dc o a ln o z z l e s f u e l7 9 ( 2 0 0 0 ) 1 8 5 3 - 1 8 6 0 周昊，牡黎龙，王正华。郑立刚。岑可法，樊建人，水平浓淡燃烧器出口气固 浓淡射流的混合特性研究，中国电机工程学报，v 0 1 2 3n o 7j u l 2 0 0 3 王凯，赵海生，陈增宏煤粉浓度监测系统，动力工程，1 4 ( 3 ) ：4 5 - 4 8 ，1 9 9 4 何佩敖。我国电站锅炉燃煤特性的试验研究及展望动力工程1 9 9 0 4 冯俊凯、毛建雄，煤燃烧技术发展前景预测动力工程1 9 9 0 6 裒颖我国劣质煤发电的现状和前景熟力发电1 9 9 0 5 社黎龙浙江大学硕士学位论文2 0 0 3 4 浙江大学硕士学位论文第二章浓淡燃烧器及多相流综述 第二章浓淡燃烧器及多相流综述 2 1 浓淡燃烧器原理及技术 2 1 1 炉内燃烧技术介绍 电站煤粉锅炉炉内燃烧组织的好坏主要取决于炉子的选型、燃烧器的选型和 布置、炉内配风的设计和燃烧方式的选择炉型选定以后，配风方式的设计和燃 烧器类型的选择及位置的布置都是基于燃烧方式的选择。燃烧器作为主要的燃烧 设备，其结构、布置和流体动力特性的好坏直接涉及到燃料和空气在进入炉膛时 能否充分混合、及时着火和稳定燃烧因此对燃烧器的基本要求为；( 1 ) 能使 煤粉气流稳定地着火；( 2 ) 着火以后，一二次风及时合理混合，确保较高的燃烧 效率；( 3 ) 火焰在炉内的充满度好，且不冲墙贴壁。避免结渣；( 4 ) 较好的燃料 适应性和负荷调节范围：( 5 ) 阻力较小；( 6 ) 能减小n o x 的生成不管是起初 的燃烧器的设计还是新型的燃烧器的研究，其依据都是基于以上几点的考虑本 节阐述的燃烧技术主要围绕不同的燃烧器型式的比较 煤粉燃烧器按其出口气流特性可分为两大类： l 直流燃烧器其出口气流为直流射流或直流射流组的燃烧器直流燃烧 器是由一组矩形或圆形的喷口组成，喷出的一、二次风都是直流射流 直流燃烧器可以布置在炉膛四角、炉膛顶部或炉膛中部的拱形部分，从 而形成四角布置切园燃烧方式，火焰燃烧方式和u 型火焰燃烧方式在 我国应用最广的是四角布置切圆燃烧方式 2 旋流燃烧器其出口气流为旋转射流的燃烧器在燃烧器中，二次风都 是旋转气流，一次风可以是旋转射流，也可以是直流射流相对于直流 燃烧器，旋流燃烧器的主要特点是：( 1 ) 不仅具有轴向速度而且具有较 大的切向速度，气流前期的扰动很强烈，但是后期的扰动不够强烈( 2 ) 旋转射流离燃烧器出口一段距离内轴线上的轴向速度为负值，射流有一 个中心回流区，能回流高温烟气。另一方面旋转射流也从射流的外边界 卷吸高温烟气，所以旋转射流的着火从内、外边界开始的( 3 ) 旋转射 流扩展角很大常用的旋流燃烧器有“：a ) 单蜗壳扩锥型旋流燃烧器b ) 双蜗壳旋流燃烧器，c ) 轴向叶片旋流燃烧器，d ) 切向叶片式旋流燃烧器。 旋流燃烧器的布置方式对炉内的空气动力场有很大的影响良好的空气 动力场应该是火焰在炉膛充满度好，烟气不冲墙贴壁。我国常用的是前 墙布置，前、后墙对冲或交错布置，此外还有两侧墙对冲或交错布置， 和炉项布置等。 5 浙江大学硕士学位论文第二章浓渍燃烧器及多相流综述 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，对用电的需求量大大增加， 从而加大了煤的需求量，且用电的峰谷差日见明显，这就要求我们一方面有更多 更大型的电站锅炉参与到调峰运行当中来，另一方面对各类劣质煤的燃烧也要保 证其稳定燃烧和燃烧效率稳燃技术有很多，国内外采用有效的措施如：敷设燃 烧带提高燃烧区域的温度：采用热风送粉系统和较高的热风温度；采用较低一次 风率和风速；减小煤粉颗粒细度；以及采用性能良好的燃烧器。结合锅炉低负荷 运行的要求和燃烧劣质煤粉稳燃要求，采用性能良好的燃烧器是现在火力发电的 一个很好的策略同时环境保护对电站锅炉n o x 低排放的要求以及锅炉安全高效 运行对防止炉内结焦结渣的要求也对燃烧器的设计提出更高的要求 1 ) 常规燃烧器应对变负荷运行的策略及存在的不足常规燃烧器( 如上节所述) 主要依靠改变一次风风速和风量来改变煤粉浓度来适应交负荷运行的要求 而一次风的风速和风量受制粉系统的和输运煤粉的限制，不能调得太低，一 次风速一般大于2 0 m s ，故最低负荷一般不会低于7 0 额定负荷同时由于 不同的煤质对应及时着火、和充分燃尽的要求都有一个最佳的煤粉浓度”， 所以对那些低挥发份的无烟煤和贫煤，一次风的煤粉浓度远低于着火燃烧所 需的最佳煤粉浓度，由于一次风的风速和风量的增加将推迟着火点( - - 般风 速不大予3 0 m s ) ，因此靠加大一次风的风速和风量来增加煤粉浓度的潜力有 限，以前常用的办法是靠投油助燃，但是这种方法需要耗费大量的燃油资源， 经济上不划算 2 ) 浓淡燃烧器的设计思想基于锅炉低负荷运行，着火所需的煤粉最佳浓度不 易达到，影响稳定燃烧，同时燃烧理论和实践都要求一次风喷口附近需要形 成局部的高温、高煤粉浓度和适当高氧浓度的所谓“三高区”因此通过浓 淡分离器( 或浓缩器) 形成浓淡分离的两股射流，使浓煤粉射流用来着火引 燃这种方案是可行的这样提高了单个燃烧器的低负荷运行能力。再结合燃 烧器实际的运行情况，就能达到很好的低负荷运行能力同时浓淡燃烧器有 助于降低n o x 排放和炉子结焦结渣。 2 1 2 国内外浓淡燃烧器的主要研究成果及比较 国内外研制煤粉燃烧器的公司和研究单位都是大多基于对原来常规燃烧器 的结构改造，以适应煤粉气流分离的要求实现煤粉浓淡分离的主要技术有啊： 1 ) 旋风分离器，2 ) 旋流叶片煤粉浓缩器，3 ) 百叶窗式浓缩器，4 ) 利用弯管 惯性分离作用，5 ) 撞击式高度可调的分离器目前在社会上应用较广的国内外 浓淡燃烧器主要有以下几种： 6 浙江大学硕士学位论文第二章浓浚燃烧器及多相流综述 1 ：三菱蹦( p o ll u t i o nm i n i m u m ) 燃烧器 日本三菱重工在1 9 8 1 年开发的p m 直流煤粉燃烧器用于煤粉切圆燃烧方式。跗 燃烧器融浓淡喷嘴和浓淡分离器于一体，实际上是集分级燃烧和浓淡燃烧于一体 的低硝化物燃烧系统。三菱公司由研究着火距离与一次风a c 关系，进而研究一 次风着火与传播速度的关系。一般制粉系统出来的风粉流中a c 正常值为2 - - 4 的范围，对于高挥发分煤来说正处于高火焰传播速度区，着火距离短且易着火稳 燃。而低挥发分煤要达到a c = 1 ( 高浓度) 左右才处于较高的火焰传播速度区 因此，对于低挥发分煤的燃烧分隔成浓谈两股，使高浓度煤粉泓c 约为1 p l i 燃烧器可控制硝化物生成量在2 5 0 - - - 6 5 p p m 其结构如图1 所示； 图2 - l 三菱p l l 燃烧器结构图 2 ： o i d 型旋流浓淡燃烧器 该型燃烧器是将一次风通过浓谈分离器分成浓煤粉气流和淡煤粉气流浓煤 粉气流从喷燃器中心直流喷入炉膛，淡煤粉气流在浓煤粉气流外围喷入炉膛，二 次风在最外围以旋流方式喷入炉膛为了增加回流量，满足低负荷稳燃需要，在 一、二次风管及中心风管出口处，均装设扩流锥实验证明这是增加回流量的 一个有效方法。由于旋流作用，高温烟气的回流位于旋流中心，浓煤粉气流可最 大限度接受着火热煤粉浓度的提高，增强了煤粉气流的着火可靠性，提高了稳 燃性能回流区着火燃烧后与淡粉气流混合，促进煤粉的进一步燃烧一次风与 二次风的混合，提高了煤粉燃尽率，但这时的燃烧状况已属于氧化气氛提高了 灰的熔化温度，从而可以防止结渣浓煤粉气流以直流方式喷入炉膛，可防止煤 粉颗粒受离心力作用被抛向外边，增加燃尽时间，防止火焰上移，减少尾部烟道 的烟气温度 x 耶型燃烧器具有低负荷稳燃及煤质适应范围广的优点，适用于可燃基挥发 分大于1 4 的贫煤，低负荷稳燃在理想状态下可达到额定负荷6 0 左右其缺 点是结构较复杂维护工作量相对大，且一旦浓淡分离器磨损严重时，低负荷稳 7 浙江大学硕士学位论文 第二章浓淡燃烧器及多相流综述 燃能力将大大降低另外，燃烧器只能在锅炉侧路上对冲布置，形成双“l ”型 火炬，炉内燃烧动力工况不如切圆布置燃烧时状况嗍。x w d 型燃烧器在山东黄岛 发电厂3 、4 号6 7 0 t h 锅炉上应用，效果比较理想嘲 2 舯黻t 囊盘竹站稳曩 i _ 一t ： ，- 卜：矗足卜堋 一曩4 一聱奠 图2 _ 2x 髓型旋流浓淡燃烧器结构图 图2 - 3 职浓淡型燃烧器结构图 。 尹 ii i i 敲粒辩仓钧藏巍一 z l ， _ 5 一 受噫 垃铆峰一 、 、 、 、 图2 - 4 百叶窗式水平浓淡燃烧器结构图 8 浙江大学磺士学位论文第二章浓谈燃烧器及多相流综述 3 ：职浓淡型燃烧器 w r 型燃烧器结构示意见图3 ，主要由燃烧器直段、喷口、阻挡板、v 形钝体、 隔板、周界风通道和9 矿急转弯头等部件组成喷口是该燃烧器的关键部分，煤 粉管道自上而下通过急转弯进人煤粉喷口，形成下半部浓煤粉气流和上半部淡煤 粉气流出口处有一水平置放的v 形钝体，使煤粉气流在下游形成一个稳定的回 流区，起稳燃作用煤粉喷口在出口端成扩口，以增加外回流周界风喷口布置 在一次风喷口四周，其作用是增加一次风的刚性，使一次风动量和二次风动量不 致相差过大而造成一次风被牵引贴壁，及时补充氧气，防止结焦，同时起到保护 喷口作用周界风上、下部分面积大一些，而两侧部分小些，使主气流向火面很 快与高温烟气接触，易于着火嘲。 4 ：百叶窗式水平浓淡燃烧器 百叶窗式水平浓淡燃烧器是由哈尔滨工业大学研究开发的，其结构如图2 - 4 该燃烧器主要利用离心力的作用，当煤粉经过百叶窗时，改变方向，形成浓淡两 股射流这种燃烧器布置在四角切圆燃烧方式的炉子上御。 髓鬻 图2 - 5 水平撞击式浓淡燃烧器 5 ；水平撞击式浓淡燃烧器 浙江大学等单位一直致力于水平撞击式浓淡燃烧器的研究并取得很好的应 用成果这种燃烧器主要利用一次风煤流过撞击块时，由于惯性作用而进行浓 淡分离其主要结构如图2 - 5 所示 一般来说，撞击块做成可旋转的，用来调整撞击块的高度，从而调整浓淡比， 分离板的作用是保证浓淡两股多相流在燃烧器内不提前混合，保持分离效果通 常在喷口处会加一个钝体，来保证很好的回流效果，形成双稳燃效果有时在 喷口处两侧或一侧设置侧边风。侧边风在这里不影响浓淡分离，只是补充淡侧氧 量，提高灰熔点，防止结渣阳1 经过试验研究，撞击分离器具有很高的分离效率， 9 浙江大学硕士学位论文 第二章侬淡燃烧器及多相流综述 并且浓淡两相的速度分布均匀；分离装置的分离效果随速度增大而变好，速度增 大，颗粒惯性增大，有利于颗粒的分离；分离装置的分离效果随浓度的增大而略 有下降，颗粒的初始浓度对分离装置的分离效果有一定的影响嘲 2 1 3 各种浓淡燃烧器的作用和缺陷 1 )低负荷稳燃采用合理的技术措施，使富煤粉气流处于直流燃烧器四角 布置切圆燃烧气流结构中的向火侧，这样就形成了浓淡燃烧方式特有的高 煤粉浓度、高温和高气流扰动度的。三高区”，对煤粉颗粒着火燃烧提供 了极为有利的条件在该区内已着火的煤粉形成了稳定的着火源，不断点 燃已处于高温区的高浓度煤粉，使火焰迅速扩展到整个射流 2 )降低n o x 排放由于浓淡燃烧造成的高浓度煤粉处于低氧燃烧，低浓度 煤粉粉量少，燃烧温度低，故浓谈燃烧过程中n o x 生成总量会大大降蹦 型浓淡燃烧器与普通燃烧器n o x 的生成量比较见图l o t t 装，糖名：f 图2 - 6 雕型燃烧器n o x 生成曲线 3 )防止结焦和结渣由于浓淡燃烧器四角切圆布置，浓侧气流向火，淡侧 气流背火淡侧气流在背火侧将提高水冷壁附近的氧浓度和灰熔点温度， 降低水冷壁附近的颗粒浓度。减少腐蚀性气体n o x 、s 0 ：等的产生，从而达 到防范水冷壁结渣和高温腐蚀的目的” 4 )节约燃料油，提高机组调峰能力由于低负荷稳燃能力的提高，自然节 约了大量的助燃油同时更低负荷运行能力的提高有利于机组调峰能力的 增强 5 )浓淡燃烧器对无烟煤、贫煤的调峰能力有限不同煤种的最佳煤粉浓度 是不同的，而且不是越浓缩的越好，同时在全负荷运行和低负荷运行时， 对煤粉的浓度要求也是不同的全负荷运行时炉温较高，许多煤无需浓缩 就可稳定燃烧：低负荷要求煤粉浓缩，如果浓淡燃烧器对煤粉浓度设计是 不可调的或实际运行中调节性差，就不能很好地适应不同煤种和不同负荷 的需要仅仅采用浓淡燃烧技术解决无烟煤的低负荷运行能力有限，随着 挥发分含量的降低，其着火温度随浓度变化而降低的幅度也下降无烟煤 1 0 皇蚤 浙江大学硕士学位论文 第二章浓淡燃烧器及多相流综述 本身着火温度就高，低负荷运行时炉温较低，尽管此时煤粉已被浓缩到最 佳值，但因其着火温度的降低幅度不大，所以因炉温仍达不到着火条件而 不能起到稳燃作用所以一些浓淡燃烧器对无烟煤调峰的低限只有7 0 左 右 6 )煤粉的浓缩与其后期混台之间的矛盾从着火和降低n o x 的排放来说， 希望气粉分离，提高煤粉浓度，降低着火温度和着火热但是任何燃烧过 程，总希望燃料与空气混合得越均匀越好。因此将一次风粉在进入炉膛后 分成浓淡两股，若在炉内不加强后期混合措施，势必造成飞灰含碳量增加， 降低锅炉效率，尤其对低挥发分煤更加明显诚然，由于浓缩后的煤粉着 火提前，有利于煤粉的燃尽，从而可部分抵偿由于浓淡分离后造成的后期 混合不好而导致锅炉效率的下降，这对反应性好及固定碳含量较低的高挥 发分烟煤、劣质烟煤及褐煤可能问题不大，甚至会使飞灰含碳量下降，但 对低挥发煤来说，矛盾就会显得突出 7 )大型锅炉浓侧水冷壁管的高温腐蚀浓侧缺氧。形成还原性气氛，烟气 中含有c o 等不完全燃烧气体如果组织不当，造成水冷壁区域也形成还原 性氛围；煤中硫分，在还原性气氛下生成 璐气体，造成水冷壁的h 2 s 性高 温腐蚀相关研究表明，还原性气氛中c o 含量增加，h 5 含量也将成比例 增加1 1 1 2 2 多相流定义及分类 在工业生产过程中经常碰到固体颗粒在气流中进行输送、反应或燃烧，以完 成整个产品的制造或合成过程的问题。在工业各部门中多相流动的应用范围是十 分广泛的，诸如在能源工程中固体和液体燃料在锅炉内的流动和燃烧过程；煤粉 的制备、分离与管道的输送；锅炉管内及核电站蒸汽发生器内的气液两相流动及 传热；燃气轮机燃烧室内的流动及燃烧；蒸汽轮机内湿蒸汽的流动及冷凝器的两 相传热等。在化学工程中，各种反应、萃取、分离装置都要牵扯到多相流动过程， 如板内式塔、填料塔、固定床、气流床及流化床反应器等在冶金工业中诸如各 种冶金炉、高炉煤粉喷吹等等在采矿工业中煤碳的选洗、矿石的预加工，预处 理、煤碳及矿粉的管道输送等在机械制造工业中的各种加热炉、热处理炉，也 大多涉及到多相流过程在建材工业中水泥窑、玻璃窑、陶瓷隧道窑也离不开多 相流动的处理工艺在环保工程中各种除尘设备内的多相流动更是复杂。而且直 接影响到除尘烟气脱硫和脱硝装置内的多相反应；烟囱的污染物捧放与扩散的规 律等；在食品和运输工业中，也把多相流动作为输送物料或制成品的一种重要手 段1 1 2 _ 1 ”。 多相流动已经渗入到国民经济的各部门中虽然多相流的应用领域很广，但 浙江大学硕士学位论文第二章浓淡燃烧器及多相漉综述 是它的理论基础和物理模型都是共同的这种颗粒流动通常称谓多相流动相的 含义有两种，一种是泛指气、固、液相：另一种是指气一固或液一固流动过程中， 颗粒相是由不同直径的固粒或液滴所组成可以把每一组直径相同的颗粒称为一 相，因而由不同直径组成的气一固或者气一液流动也称为多相流动。本论文只讨 论前一种 工程中的多相流种类繁多，结构复杂，目前尚无统一、严格的分类方法根 据实际应用的不同领域，从空气动力学的特征出发有如下的三种分类方式： 1 、稀相多相流和密相多相流这是以颗粒相在气相中含量多少来划分的 遁常认为在稀相多相流中由于颗粒相的浓度不太大，使得颗粒相的存在对气相运 动的影响不太大，颗粒相运动规律基本与气相一致只要把气相和固相的相互影 响加以修正即可( 例如固相对气相的相对滑移，固相的存在对气相运动的阻力、 气相对固相的作用力等) 密相多相流动指的是颗粒相浓度增大到某一数值后， 对气相的流动形成很大的影响，此时用气相流动的方程就很难准确地加以描述， 这是主要的矛盾方面是颗粒相的流动，颗粒相对气相的影响达到不能忽略，因而 流动过程就不能用简单的气相方程加以修正来描述这种流动的分界目前尚无统 一的定论，大多以颗粒相的存在对气相流动尚未形成重大影响的颗粒浓度为分 界例如对于气固多相漉，物料浓度小于i k g 物料他气时，可认为是稀相多相 流，反之可认为是密相多相流应当指出，在稀相多相流中只能说颗粒相的存在 对气相的影响不大，相反气相的存在对颗粒相的运动影响极大，因此即使在稀相 流动中，也要着重分析气相和颗粒相相互问的作用力，以决定颗粒相的运动轨迹 和速度在工程中属于密相多相流动的有密相管道输送、固定床、流化床反应装 置等 2 、按工业锅炉窑和反应装置的生产过程的空气动力分类通常有四种主要 的空气动力形式第一种为固定床，颗粒堆放在炉捧上不动而气流在颗粒床层间 隙中绕流而过，此时炉捧可以固定的，可以移动的，也可以是振动的；气流可以 从上而下。也可以从下而上流动因此可归纳为气流绕静止或移动颗粒群的流动 工况。第二种为流化床，空气和颗粒作同向的或异向的上下翻滚流动，对于鼓泡 流化床，在颗粒相之间还出现气泡流动，因流化床属密相多相流动，因而气泡的 运动轨迹和速度受颗粒乳化相的影响极大第三种为旋风室，颗粒和气相在高速 旋转下完成反应或分离过程，在壁面的附近集中有高浓度的颗粒在气流作用下不 断相互碰撞或和壁面碰撞而形成复杂的多相流动第四种为悬浮床，气体和颗粒 一起流动穿过炉窑和反应器，此时的流动特点是颗粒和气相的滑移速度不大，和 主流运动方向相同，多属于稀相多相流。 3 、按典型的射流空气动力学分类。通常复杂的多相流动过程可以分解成凡 种典型的射流然后加以合成常用的典型射流有以下四种形式： 浙江大学硕士学位论文第二章浓淡燃烧器及多相流综述 ( 1 ) 自由射流，空气和颗粒从特定的喷嘴喷向无限空间的流动通称为自由 射流它是组成单相或多相流动的基本形式按喷嘴形式可以分为圆形、矩形、 环形等，按喷嘴的组合它可以分为同心环形、平行射流组、交叉射流、对冲射流 等。如炉内的二次风就是一个典型的交叉射流 ( 2 ) 绕钝体的多相射流，多相射流绕过钝体的流动应用十分普遍，如多相 射流绕过热交换器的管束、绕过钝体的燃烧稳燃器及钢锭的射流加热等由于钝 体的存在产生绕流和碰撞的现象，使得多相流动交得复杂 ( 3 ) 多相旋转射流，射流通过切向或旋转叶片而产生强烈旋转后喷入自由 空间形成多相旋转射流。由于气体和颗粒受到不同的离心力作用，使得气流和颗 粒的速度场和颗粒浓度场产生很大的不均匀度，中心形成强大的回流区，较粗的 颗粒则飞向射流外边界在工程应用中旋转射流可有不同的形式，如带扩口的旋 转射流、与轴同向或不同向双旋转射流、不同旋转方向组成的旋转射流矩阵、单 相和多相旋转射流的组合等 ( 4 ) 受限射流，上述三种基本形式的射流不是喷向无限空间，而是喷入炉 内或反应器的有限空间内，此时必须计及壁面对射流的作甩，使得流动更为复杂， 大多数多相流的工程问题都具有受限射流的性质，只有当空问足够大、壁面效应 的影响可以忽略才可作为自由射流来处理 实际的工业设备中，其流动过程往往由上述四种基本形式组合而成，典型的 锅炉内的流动形式，如u 型燃烧方式，煤粉多相流( 一次风) 从顶部喷入，或 在侧面二次风射流分段喷入，或在顶部用旋转三次风相伴随，组成典型的u 型 火炬直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式，它是由多股单相和多相直流射流组合 而成的一股强烈的旋转流，为了稳定劣质燃料的燃烧，有时还在射流出口处加上 稳燃钝体前墙布