（热能工程专业论文）330mw锅炉旋流燃烧器冷态模化实验研究.pdf

摘要 随着国内外对节能和环保的日益关注，燃煤火力发电机组日趋大型化， 其容量和参数不断提升，降低机组的煤耗量，降低机组的可燃物损失是当前 火力发电厂的一个主要目标。 本文是根据宁夏石嘴山电厂燃烧器存在可燃物损失大，在炉底灰中出现 未燃尽黑色块状物，大约占底灰的1 0 。为此，本文依据相似模化理论搭建 冷念实验台，利用热膜风速仪测量原有燃烧器稳燃环和改进后稳燃齿的一次 风的脉动度和湍动度，分析流场的流动情况；利用等速取样枪测量原有燃烧 器稳燃环和改进后稳燃齿的次风的飞灰浓度；从而分析燃烧器的一次风的 煤粉浓度分布情况，通过对实验结果的分析对比从而提出最佳的解决方案。 关键词：冷态模化，可燃物损失，双调风旋流燃烧器，热膜风速仪，等速取样枪 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li n c r e a s i n gs o l i c i t u d ef o re n e r g ys l v i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，c o a le n e r g yi si ns h o r ts u p p l yi n c r e a s i n g l y t h ef i r e p o w e r g e n e r a t i o ns e to fc o a lf i r e da l s ob e c o m e sl a r g es c a l ed a yb yd a yt om e l t ，i t sc a p a c i t ya n d p a r a m e t e ru n c e a s i n gp r o m o t i o nr e d u c et h ec o a lc o n s u m p t i o no fu n i tt om e a s u r e ，r e d u c e u n i ti n f l a m m a b l em a t t e rl o s si sam a j o rg o a lo fc u r r e n tp o w e rp l a n t t h i sp a p e ri sb a s i so nn i n gx i as h iz u i s h a np o w e rp l a n te x i s t e n c ei n f l a m m a b l e m a t t e rl o s sb i g ，i na s ha p p e a rd on o tb u r nt ol e tb l a c kp i e c ef o r mt h i n g ，t a k et h e1 0 o f b a s ea s hp r o b a b l y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rt e s t st h ef o u n d a t i o no ft a i w a nt h r o u g hp u t i n g u pt ob u i l dc o l dc o n d i t i o n s ，m e a s u r eo r i g i n a lb u r n e ru s i n gt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e a n e m o m e t e rs t e a d yb u r nr i n ga n di m p r o v e m e n ta f t e rs t e a d yb u r nt h ep u l s a t i o nd e g r e e o ft h eo n ew i n do ft o o t hw i t ht u a nm o v ed e g r e e ，a n a l y s et h ef l o a t i n gc o n d i t i o nt h a t f l o w so u ts i t e ；m e a s u r eo r i g i n a lb u r n e ru s i n ge t c q u i c k l ys a m p l i n gg u ns t e a d yb u r nr i n g a n di m p r o v e m e n ta f t e rs t e a d yb u r nt h eo u ew i n do ft o o t hf l yg r e yd e n s i t y ，s o ，t h e d e n s i t yd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no fc o a lf i n e so ft h eo n ew i n do fa n a l y s i sb u r n e rp a s s e s t h r o u g he x p e r i m e n tr e s u l tt op u tf o r w a r dt h es o l v i n gs c b e m ao ft h eb e s t d o n gy o n g s h e n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o m i n k e yw o r d s ：c o l dm o d u l a r i z a t i o n ；i n f l a m m a b l em a t t e rl o s s ，d u a lc h a n n e lc y c l o n e b u r n e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n e m o m e t e r ；s a m p l i n gg u ns t e a d 摘要 随着国内外对节能和环保的日益关注，燃煤火力发电机组日趋大型化， 其容量和参数不断提升，降低机组的煤耗量，降低机组的可燃物损失是当前 火力发电厂的一个主要目标。 本文是根据宁夏石嘴山电厂燃烧器存在可燃物损失大，在炉底灰中出现 未燃尽黑色块状物，大约占底灰的1 0 。为此，本文依据相似模化理论搭建 冷念实验台，利用热膜风速仪测量原有燃烧器稳燃环和改进后稳燃齿的一次 风的脉动度和湍动度，分析流场的流动情况；利用等速取样枪测量原有燃烧 器稳燃环和改进后稳燃齿的次风的飞灰浓度；从而分析燃烧器的一次风的 煤粉浓度分布情况，通过对实验结果的分析对比从而提出最佳的解决方案。 关键词：冷态模化，可燃物损失，双调风旋流燃烧器，热膜风速仪，等速取样枪 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a li n c r e a s i n gs o l i c i t u d ef o re n e r g ys l v i n g a n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，c o a le n e r g yi si ns h o r ts u p p l yi n c r e a s i n g l y t h ef i r e p o w e r g e n e r a t i o ns e to fc o a lf i r e da l s ob e c o m e sl a r g es c a l ed a yb yd a yt om e l t ，i t sc a p a c i t ya n d p a r a m e t e ru n c e a s i n gp r o m o t i o nr e d u c et h ec o a lc o n s u m p t i o no fu n i tt om e a s u r e ，r e d u c e u n i ti n f l a m m a b l em a t t e rl o s si sam a j o rg o a lo fc u r r e n tp o w e rp l a n t t h i sp a p e ri sb a s i so nn i n gx i as h iz u i s h a np o w e rp l a n te x i s t e n c ei n f l a m m a b l e m a t t e rl o s sb i g ，i na s ha p p e a rd on o tb u r nt ol e tb l a c kp i e c ef o r mt h i n g ，t a k et h e1 0 o f b a s ea s hp r o b a b l y t h e r e f o r e ，t h i sp a p e rt e s t st h ef o u n d a t i o no ft a i w a nt h r o u g hp u t i n g u pt ob u i l dc o l dc o n d i t i o n s ，m e a s u r eo r i g i n a lb u r n e ru s i n gt h ec o n s t a n tt e m p e r a t u r e a n e m o m e t e rs t e a d yb u r nr i n ga n di m p r o v e m e n ta f t e rs t e a d yb u r nt h ep u l s a t i o nd e g r e e o ft h eo n ew i n do ft o o t hw i t ht u a nm o v ed e g r e e ，a n a l y s et h ef l o a t i n gc o n d i t i o nt h a t f l o w so u ts i t e ；m e a s u r eo r i g i n a lb u r n e ru s i n ge t c q u i c k l ys a m p l i n gg u ns t e a d yb u r nr i n g a n di m p r o v e m e n ta f t e rs t e a d yb u r nt h eo u ew i n do ft o o t hf l yg r e yd e n s i t y ，s o ，t h e d e n s i t yd i s t r i b u t i o nc o n d i t i o no fc o a lf i n e so ft h eo n ew i n do fa n a l y s i sb u r n e rp a s s e s t h r o u g he x p e r i m e n tr e s u l tt op u tf o r w a r dt h es o l v i n gs c b e m ao ft h eb e s t d o n gy o n g s h e n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f s u nb a o m i n k e yw o r d s ：c o l dm o d u l a r i z a t i o n ；i n f l a m m a b l em a t t e rl o s s ，d u a lc h a n n e lc y c l o n e b u r n e r ，c o n s t a n tt e m p e r a t u r ea n e m o m e t e r ；s a m p l i n gg u ns t e a d 明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。尽我所知，除文冲已经注明引用的内容外，本学位论 文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工 作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 特此申明。 签名：美垂拉日期：丝丛2 ：呈 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复 制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学 术交流为目的。复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 兰垒监 日期_ 塑么兰：吝 导师签名： 姆 日瓤：莎7 i 尸 堡j e 鱼左盔堂亟主堂焦适塞 第一章引言 1 1 课题背景 在火电发电行业中，蒸汽参数的提高和机组容量的增大是一个主要的发 展趋势，锅炉技术的发展也主要体现了机组容量的增大和蒸汽参数的提高。 在锅炉技术发展中，受热面的发展与燃烧技术的进步成为其发展的核心。循 环方式从自然循环、控制循环到直流推动锅炉向高参数方向发展，燃烧技术 的进步则成为推动锅炉机组大型化的一个重要方面【。 锅炉技术进步的一个重要方面是燃烧技术的发展。先进的燃烧技术主要 体现为着火稳定，燃尽度高，污染排放量低，同时又不会造成炉膛结渣、高 温腐蚀、超温爆管等对锅炉工作的不良影响。 由于着火稳定性与锅炉负荷有关，因此，通常用低负荷稳燃能力来反映 着火的稳定性。燃烧污染物，目前主要关注的是s 0 2 与n o ；。s 0 2 主要从煤 中的黄铁矿和其它硫化合物转化而来，燃烧过程中无法控制其生成。s 0 2 只 能在其生成后再通过化学反应将其转化，防止其直接向大气排放形成酸雨。 n o ；的生成与燃烧过程中热力与化学环境有关，通过控制热力与化学环境可 大幅度降低n o ；的排放。燃尽度是锅炉燃烧设备和运行水平的综合反映。其 中，煤粉细度，燃烧器的结构与布置，炉膛燃烧器区域组合射流的流动工况， 炉膛及其燃烧器区域的热强度等对于燃尽起着关键的作用。 要使煤迅速而完全燃烧，必须满足四个条件：供给充足的空气；有 足够的炉膛温度；可燃物质与空气要有良好的接触；有充分的燃烧时间。 因此，要减少不完全燃烧，关键在于如何组织好燃烧和怎样强化燃烧【2 1 1 3 1 。 根据宁夏石嘴山电厂燃烧器存在可燃物损失大，在炉底灰中出现未燃尽 黑色块状物，大约占底灰的1 0 。通过对未燃尽黑色块状物的观察以及燃烧 器本身结构的分析，寻找造成该锅炉可燃物损失的原因，做出需要对燃烧器 进行必要的改造的意见。本课题是鉴于上述情况而开展的工作。 1 2 大型电站锅炉燃烧技术综述 1 2 1 中国电力工业发展现状 电力工业是国民经济可持续发展的先行工业。1 9 4 9 年新中国成立以来的 半个多世纪里，我国的电力工业从小到大，至2 0 0 2 年，我国的电力装机容量 和发电量都跃居世界第二位。在我国的各种能源中，煤炭的蕴臧量是最为丰 富的。2 0 0 0 年煤炭占我国能源消费总量的6 7 ，这决定了煤炭在我国能源 结构中的主导地位，其中约4 0 用于发电，全国发电装机在1 9 8 7 年突破l 亿 千瓦，1 9 9 5 年突破2 亿千瓦，2 0 0 0 年全国电力设备总装机容量已跨上3 亿 千瓦的新台阶，其中煤电的装机容量占全国总装机容量的7 2 7 ；2 0 0 4 年6 月已达到4 亿千瓦。发电装机和发电量从1 9 9 6 年起一直位居世界第二位。 我国已掌握3 0 0 m w 、6 0 0 m w 亚l 临界机组的发电技术和6 0 0 m w 以上的核电 技术。0 4 年我国新增电力装机容量位居世界第一，达到5 1 0 0 万千瓦，年底 全国装机总容量4 4 7 亿千瓦，同比增长1 1 5 。据初步预测，2 0 i 0 年全国 用电量将达到3 0 9 2 0 亿千瓦时，“十一五”( 2 0 0 6 至2 0 1 0 年) 年均增长6 左右，发电装机需要6 8 亿千瓦左右：2 0 2 0 年需要4 6 0 0 0 亿千瓦时，相应发 电装机达到1 0 亿千瓦左右。2 0 0 5 年是十五规划的最后一年，按照国务院通 过的“十五”后三年电力发展调整规划，全国准备新开工的电源项目由原来 的为6 0 0 0 至8 0 0 0 万千瓦，调高到6 0 0 0 到1 1 0 0 0 万千瓦。这样到了2 0 0 5 年， 全国发电装机总容量将达到4 3 亿千瓦。各地政府也对此做出了相应的调整， 如四川省就将2 0 0 5 年的装机规模由2 0 0 0 万千瓦提高到2 3 0 0 万千瓦。火电 在电力工业中依然是主要部分，目前风电装机容量约7 6 万千瓦，仅占全国 总装机容量的0 2 左右，核电装机容量目前已经投产和在建的共计8 7 0 万 千瓦。受各方面条件的限制，中国未来很长一段时期仍将以燃煤发电为主。 2 0 0 4 年国务院批准了国家发改委依据“十五”电力发展规划提出的1 3 个电 站项目，这些项目发电装机规模共1 1 8 8 万千瓦，其中火电站就占9 个，占装 机容量的8 0 ，火电站的建设是2 0 0 5 年发电站建设的主要部分。目前，国 产3 0 0 m w 、6 0 0 m w 亚临界机组已成为我国电力工业的主力机组，提高了我 国电力设备制造业的竞争能力，促进了我国电力工业的结构优化，降低了一 次能源的损耗，对推动我国电力工业的可持续发展意义重大。今后，将进一 步提高6 0 0 m w 亚临界机组的整体性能参数和机组的配套能力，使国产亚临 界机组在国际竞争中不仅具有价格优势，而且具有更好的性能指标。我国首 台6 0 万千瓦国产化超临界燃煤机组一一中国华能集团华能沁北电厂1 号机 组2 3 日正式投产，标志着我国电站设备制造和电力工业装备水平迈上新台 阶【4 i 。 1 2 2 锅炉燃烧技术综述 直流燃烧器锅炉从各个角上喷出的射流在炉膛中形成大的旋转火球。整 个炉膛相当于一个大的燃烧器。锅炉着火性能优越，炉内混合强烈，炉膛四 ： 垡j e 电力盔堂亟主堂焦监塞 壁的热负荷分布比较均匀。煤粉在炉内停留时间较长，易于燃尽。其优势在 于充分利用各单个燃烧器之间相互配合的强大作用。 在结渣和高温腐蚀方面，直流燃烧器由于在炉膛内形成强烈的切圆旋转 气流，未燃尽的煤粉从气流中分离出来，冲刷水冷壁，从而引起燃烧器及扶斗 区域的结渣及高温腐蚀。另外当切圆较大，着火较迟，更易引起水冷壁的结渣 和高温腐蚀。直流燃烧器采用同心切圆燃烧技术，煤粉和空气仍切向喷入炉 膛。但空气所形成的切圆要比煤粉形成的切圆大一些，减少了一次风冲刷水 冷壁的可能性，同时还有同心正反切圆燃烧技术也能达到同样的效果1 5 l 。 在n o x 的生成方面，直流燃烧器由于切圆燃烧的固有特性，切圆布置方 式的一次风和二次风混合较晚，所以，直流燃烧器的n o x 的生成量较旋流燃 烧器稍低。 降低n o x 生成措施：1 ) 不等切圆燃烧技术：辅助风与一次风成一角度 喷入炉膛，以减小一次风对辅助风的卷吸，平均降低n o x 约3 5 。同心切圆 燃烧技术，进一步降低了n o x 的生成。2 ) 垂直浓淡燃烧技术：采用一个弯头 或分离器把一次风分成垂赢方向上浓淡两股气流，这种燃烧技术能使n o ，的 生成量降低4 5 6 0 ，而且可增强燃稳燃性。 为了提高低负荷稳燃性能和降低n o x 排放，国际上普遍采用垂直浓淡燃 烧技术。即：将煤粉气流分成浓淡两股，分别送入炉膛。浓淡气流各自远离 燃料燃烧的化学当量比燃烧，从而可以抑制n o x 生成，高浓度煤粉气流易于 着火和稳定燃烧，从而提高了整个火焰的稳定性。图卜l 是我国大型机组引 进的美国c e 公司的w r 型燃烧器，它利用煤粉气流在弯头处的惯性将气流 分成上下两股。显然，上股为高浓度煤粉气流、下股为低浓度煤粉气流。该 燃烧技术也称为“上下浓淡燃烧”，该燃烧方式取得了良好的效果1 6 j 。 图1 1 美国c e 公司的w r 型燃烧器 由于在很多情况下，或是由于一次风风速较低，或是由于喷嘴形状所致， 含煤粉的一次风气流的剐性小于二次风气流，受到上游气流的撞击，一次风 气流偏转要大于二次风，使一次风首先贴向壁面，二次风则偏转较小，在炉 内旋转，而浓一次风贴向壁面则可能造成结渣或高温腐蚀，并且不利于提高 燃烧效率。为了避免上述问题的发生，研究开发了水平浓淡燃烧技术( 如图 卜2 所示) 。一次风经过专门的浓缩器在水平方向上被分成浓淡两股，以一定 的夹角喷入炉膛内，同时使得浓气流在向火侧。由于四角切向燃烧时煤粉气 流是靠上游火焰点燃的，向火侧一次风的煤粉浓度高有助于提高火焰稳定 性，且它的着火面比w r 燃烧器增加了一倍左右，使着火更为有利。采用专 门的浓缩器使更多的煤粉集中在浓一次风气流中，有利于低负荷稳燃和低 n o x 排放。浓淡两股气流的夹角根据煤质确定，它控制两股气流的混合。这 样，即使一次风气流贴向壁面，由于背火侧是淡煤粉气流，也可以防止结渣 和高温腐蚀，实现“风包粉”i ”。 图1 2 配有百叶窗式煤粉水平浓淡燃烧器 旋流燃烧方式的燃烧器射流在喷人炉膛时依靠射流旋转时产生的中心 回流来稳定燃烧。其特点是单一燃烧器可以组织燃烧。旋流燃烧器也分输送 煤粉的一次风与助燃的二次风。旋流燃烧器的基本种类按照产生旋流的结构 方式而分蜗壳式( 图卜3 ) 、切向叶片式与轴向叶片式3 种【8 】o l 一一次风蜗壳2 一二诜风蜗壳3 一喷头 4 一点火湖贲嘴 图1 3 双蜗壳式旋流燃烧器 旋流燃烧器稳定燃烧的关键是通过气流的切向旋转在燃烧器出口中心 附近形成稳定的、合适的轴向回流区。旋流燃烧器的旋转强度决定旋流燃烧 器的工作特性。旋流强度既要足够的大以满足稳定着火的需要，同时又要避 免过大的旋度造成火焰刷墙，引起燃烧器区域炉壁结渣。在中小容量的锅炉 中，主要采用单面墙布置的方式。在大容量锅炉中，随着炉膛容积的增大， 都采用前后墙布置的方式。从单个旋流燃烧器的特点来看，前期的混合比较 坐j b 生左太堂亟堂焦迨塞 强烈，后期的混合显得比较薄弱。利用前后墙对冲布置的方式就弥补了后期 混合的不足。 现在国外采用的旋流燃烧器的一次风很多也是旋转的。根据“风包粉”浓 淡燃烧的原理，又研制开发了径向浓淡旋流煤粉燃烧技术“1 ( 如图1 4 ) 。在燃烧 器一次风通道内加装一只具有高浓缩比的环形百叶窗式煤粉浓缩器，一次风气流 经过浓缩器后被分成浓淡不同的两股气流，浓煤粉气流经过靠近中心管的浓一次 风通道喷入炉膛，淡煤粉气流在浓一次风通道的外侧经过淡一次风通道喷入炉 膛，形成煤粉浓度在燃烧器喷口处的径向浓淡分离。二次风分成旋流和直流两部 分，由固定式轴向弯曲叶片组成的旋流器产生旋流二次风，在燃烧器喷口外与直 流二次风相混合，经一次风外侧的二次风喷口喷入炉膛。直流二次风风箱入口设 有调节挡板，通过调节直流二次风风量，改变整个二次风的旋流强度和射流扩展 角度。由于旋流二次风的作用和扩口导流的作用，出口气流在燃烧器喷口附近可 形成适当大小的高温烟气回流区，内侧浓煤粉气流在中心回流区边界处形成较高 煤粉浓度，使高温区域与燃料高浓度区域相匹配，使煤粉气流适时着火，火焰稳 定性提高。外围淡煤粉气流及二次风在浓煤粉着火后及时混入，提供了煤粉颗粒 着火后充分燃尽所需要的氧，保证了高的燃烧效率。强烈旋转的二次风外包着直 流一次风，降低了炉膛水冷壁处的煤粉浓度，使此区域处于氧化性气氛，减少炉 膛结渣和水冷壁管高温腐蚀的可能性。浓煤粉气流先着火，淡煤粉气流后着火， 之后旋流二次风混入，直流二次风最后混入燃烧，形成多层分级燃烧，使煤粉气 流中心燃烧区处于还原性气氛下，有效抑制了n o x 的产生。径向浓淡旋流煤粉 燃烧器已在国内电厂的1 9 台锅炉上应用，成功地燃用了贫煤和烟煤。 二盘蝇 1 一炉墙，2 一直i 符二汝风通道，3 旋流器， 4 一旋流二役风通道，5 一一浚风通道，6 一中心管， 7 一点火装苴，8 一直流二诜风挡板9 一煤粉浓缩器， 10 一漱一汝风风道，l1 一浓一蒎风风道 垡j g 坐左点堂亟主堂鱼鲨塞 图卜4 径向浓淡旋流煤粉燃烧器 在结渣和高温腐蚀方面，旋流燃烧器对介质的卷吸率高，射程短，这就减 少了火焰碰撞、冲刷水冷壁的机会，而且沿炉膛内热负荷比较均匀，炉膛的结 渣和腐蚀较易控制。但旋流燃烧器同样存在燃烧器区域的结渣和腐蚀问题， 这往往是由于煤粉浓度分配不均引起的。采用分层风箱配风方式，改进输粉 管的布置，增大燃烧器的阻力的方法，可提高煤粉分配的均匀性。径向浓淡旋 流燃烧器通过浓淡煤粉的分配也可以达到减少结渣的现象。 普通的旋流燃烧器由于一二次风混合比较强烈，导致煤粉与气流强烈混 合，过快温升及过量氧的加入，使燃烧强度很高，最终导致仇的大量生成，约 为1 0 0 0 1 2 0 0 m g l 。可通过增加燃烧器之间距离和分级配风来降低晚排 放。 降低仇生成措施：1 ) 双调风轴向旋流燃烧器2 ) 径向浓淡旋流燃烧器。 型火焰锅炉从8 0 年代开始至今。1 ，投产的达3 5 台，在建的有2 1 台， 在我国的发电市场上是占一席之她的，尽管其在实际运行中出现诸多问题， 比如，燃烧不稳定，结渣严重，氮氧化物排放超标，但其在解决无烟煤及低 挥发粉煤着火燃烧等发面较常规锅炉要好。现在国内用火焰炉的除了珞 璜、岳阳、上安外，还有北京热电厂、天津的杨柳青、邯峰电厂等。如果配 合好的燃烧器以及组织好燃烧方式，也可以让仇排放比较低，例如杨柳青 用英巴的燃烧器就比较不错。 1 3 本论文的主要工作 在总结前人大量研究工作的基础上，本论文用实验研究和计算模拟相结 合的方法，模拟燃烧器实际运行工况，结合电厂的实际情况，对燃烧器提出 合理的改造意见。找出切实可行的措施来解决该锅炉可燃物损失大的问题。 具体工作如下： 一、根据实验室的具体空间尺寸，设计钢结构，并进行了强度计算。 二、用热天平进行对电厂所燃煤粉样品及出现在捞渣机中的不同黑块样 本热解验及部分燃烧试验，分析试验结果，研究黑块的热解及燃烧程度，以 便确定黑焦的形成原因。 三、以石嘴山电厂3 3 0 m w 机组锅炉旋流燃烧器作为原型，设计、加工 冷模实验台，根据电厂燃烧器具体的设计参数，按照满足自模化条件，已经 完成对冷态模化的风速和风量，旋流强度等相关数据的计算。根据计算的参 数，初步联系了相关试验设备的生产厂家，并得到部分设备的具体参数，价 格，供货期。主要设备有鼓风机、布袋除尘器、旋风除尘器和引风机，购置 生e 皇左盔堂亟堂焦地塞 测试仪器，进行仪器的标定和调试。 四、制定试验方案，安排实验工况，对燃烧器一次风进行气相实验研究， 用以测量一次风原有结构和改进后结构的流场情况、湍动度等数据。对燃烧 器一次风进行气固两相流实验研究，用以测量一次风原有结构和改进后结构 煤粉堆积情况，并进行录像。 通过试验测试分析造成可燃物损失的原因，提出合理的改造方案，并进 行试验测试。在试验验证后，将改造后的方案应用到石嘴山电厂。 坐e 皇虫盔堂亟主堂焦鲨塞 2 0 ! 冷态模化简介 第二章冷态模化实验理论简介 电站锅炉炉膛较为庞大，因此研究锅炉炉膛的空气动力场，除了在已建 成的锅炉机组上实际测试外，通常都按照一定的模拟方法建立模型实验台， 先在模型实验台对炉内空气动力场进行试验研究，将其研究结果用以指导实 际锅炉的设计及运行。 国内外大量研究表明：一般情况下，在冷态等温模型上得到的流速分布、 压力分布规律与热态实际设备的情况接近；得出的流动特性与通道几何形 状、运行工况之间的关系的规律适用于热态设备。当然，模型毕竟不是实际， 在冷模实验中也发现了冷热态流场差别较大的情况“町3 。 炉内模化试验通常在下列情况下采用：在设计新型锅炉或新炉投入运行 时，可以通过模化实验来了艉、掌握其流动规律，验证及修改设计及运行方 案；对已有的不正常的燃烧设备，可通过模化或冷炉实验，找出其改正的措 施。因此，冷态等温模化技术被认为是一种省时、省力、效率高、灵活性强 的一种试验方法。通常用来： 1 、确定锅炉燃烧系统配风均匀程度：如旋流燃烧系统的大风箱配风均 匀性，四角燃烧器各一、二、三次风系统的配风均匀性，各风门挡板的风量 特性等。 2 、确定燃烧系统及燃烧器的阻力特性。 3 、确定燃烧器的流体动力特性：探索新型燃烧器的流动规律，一、二 次风的混合情况，旋流式燃烧器回流区大小及回流量变化情况，四角喷燃器 的切圆大小等。 4 、确定三次风的作用、布置位置、角度和所需风速等。 5 、确定影响炉膛充满度的影响因素。 6 、探讨炉内结渣、腐蚀的空气动力原因。 7 、试验降低炉膛出口烟气速度和温度扭转残余的各种措施。 8 、摸索合理的运行方式：如低负荷的运行方法，四角燃烧中缺角运行 的影响，停用个别旋流燃烧器的方式。 此外，还可应用于探索新的燃烧方式，新的炉膛结构。 众所周知，对流动过程起主要作用的是雷诺准则：r e ：竺它表明了流 1 ， 动惯性力与粘性力之比值。在等温流动时，它决定了气流运动的阻力特性， 通常以欧拉准则e u 来表明压力与惯性力的比值，即： 8 生j e 曳左友兰亟堂焦监塞 函：罢：f ( r e ) p r o 。 在截面积不变的情况下，阻力系数即为欧拉准则的两倍。所谓气流运动 状态进入自模化区，就是指当尼大于某一个定值后，e u 值不再与尼数有关 而保持为一个定值，即此时惯性力是决定因素，而粘性力的影响可以忽略不 计，因此气流质点的运动轨迹主要受惯性力的支配不再受尼的影响。利用进 入自模化区进行试验的好处是明显的： 1 ) 通常大型锅炉尼值很高，如果缩小几十倍的模型兄准则与实物数值相 等，势必要求模型中实物大十倍以上，这是不容易实现的。利用进入自模化 区的特点，可以在较低的见数值下试验而能得到相同的结果。 2 ) 在锅炉进行冷态流体动力场试验时，达到热态运行尼值的冷念炉内风 速很低，测量比较困难，此时可利用自模化区的特点，用较低的尼值进行试 验来解决。在进行试验我们采用静压法来测量燃烧器模型进出口两个截面的 压差即模型燃烧器内流动阻力，通过涡街流量计读数来读取。 2 2 模化方法 锅炉冷态模化实验就是在冷态模型或真实炉膛中用冷态气流模拟真实 炉膛烟气流动。通过测量冷态模型或真实炉膛中冷态气流各点的速度或设法 显示气流分布情况，从而达到对炉内空气动力场有比较清楚了解的一种实验 方法。由于在热态炉膛中，存在着煤粉着火燃烧、气流受热膨胀等一系列复 杂的变化过程，因此，锅炉热态动力场模拟是一个非常复杂的问题。根据相 似理论，锅炉冷态模化实验通常需要满足如下四个方面： 1 、模型与实物几何相似； 2 、保持气流运动状态进入自模化区； 3 、模型与原型喷口动量比相等； 4 、模型与原型出口气流速度与实际速度之比相等亦即模型与原型斯特 劳哈数相等。 s ：! 生一w 旦 l“l 式中：肛燃烧器出口气流速度； r 一煤粉颗粒在炉膛中停留时间： h 炉膛中气流平均速度； h 炉膛高度； 工炉膛横截面边长。 生j e 生左盔堂亟堂鱼丝塞 在冷态锅炉炉内空气动力场模化实验中，同时满足以上四个条件是很困 难，甚至是不可能的。因此，一般采用近似模拟的方法 1 2 - 2 5 1 。 目前国内外普便采用的近似模拟方法主要有纯几何相似法、斯林一纽拜 法、放大后移入炉底风法。这些方法各有特点，人们对它们的争论也比较多， 需要根据实验研究的重点及研究目的而进行选择。下面分别予以简单的介 绍。 一、纯几何相似法 这是一种广泛采用的近似模拟方法。由于炉膛和燃烧器模型严格按实物 几何比例缩小从而保证了燃烧器出1 ：3 边界条件与实物相似，使燃烧器附近的 气流接近实际。但这种模拟方法没有考虑斯特劳哈数相等。因此，模型内气 流体积未改变，炉膛出口仍是燃烧器送入的空气，所以采用这种模拟方法时， 模型切圆直径偏大，炉内空气动力场与实炉有一定差异。不过，从重点研究 燃烧器区域空气动力场，防止水冷壁高温腐蚀和炉内结渣角度出发，此法仍 是可取的。【1 0 】 二、斯林一纽拜法 为了模拟煤粉燃烧引起的气流密度和速度的变化，斯林一纽拜提出模型 燃烧器出口截面按冷空气和着火气流密度之比放大的相似模拟方法即按下 式进行计算： ，一 吉等 式中：，力一模型燃烧器和原型燃烧器的截面积； p 。送入模型燃烧器的气流密度； po 一炉膛特征温度下的烟气密度： f 一模型缩小的几何比例。 该方法的物理本质是将己着火并燃尽的烟气，全部从燃烧器送入炉膛， 即进入模型的是已燃烧完全的热烟气。这种模拟方法虽然使燃烧器出口射流 外形与实际射流相一致，炉内空气动力场较纯几何相似法更接近实际，但因 燃烧器出口放大，射流初始段的核心速度区增大，使射流的平均速度较实际 速度大得多。因此，燃烧器出口附近的气流特征与实炉有较大偏差。 三、燃烧器放大后移加炉底风法 该方法是柴考夫斯基根据斯林一纽拜法提出的改进模化方法，他用燃烧 器放大后移的方法克服了射流初始段核心区尺寸与实际不一致的缺陷，用加 一部分炉底风的办法保证模型与原形的斯特劳哈数相同，使模型内气流更接 近实际。但这种方法用一个整体的代用喷嘴来取代分隔开的一、二次风喷1 3 ， 完全破坏了燃烧器的几何相似和出口边界条件，使燃烧器区域气流特征完全 坐j b 皇左盔堂亟堂焦迨童 失真，给模化实验带来较大的误差。 不论上述那种模化方法均有特点，适用的范围也有差别，其模拟的流场 与真实流场相比都存在一定误差。为了更真实地反应炉内热态流场，有些科 研单位在上述模化方法的基础上，提出了一些新的锅炉冷态模化实验方法， 这罩不再赘述。 本次冷模实验的主要目的是寻找合理的燃烧器改造方式，重点掌握燃烧 器区域空气动力场情况，因此，我们保证模型和原型几何相似：保证气流进 入第二自模化区且边界条件相似。 坐j e 堕厶堂亟堂鱼逢皇 第三章冷态实验台系统 3 1 原型燃烧器简介 宁夏石嘴山电厂采用武汉锅炉厂生产的2 4 台双通道带有煤粉浓缩装置 的轴向旋流燃烧器( 见图3 - 1 ) ，燃烧器布置成水平4 排，每排6 台，每台相 邻燃烧器旋向相反。与燃烧器支持框架为一体的独立风箱向每一排6 个双通 道带有煤粉浓缩装置的轴向旋流燃烧器提供内外二次风，一台磨煤机供应每 一排的6 个燃烧器，使给入热量沿整个炉膛宽度均匀分布，以保持最小的温 度变化。 图3 1 轴向旋流燃烧器 2 4 个旋流燃烧器中，其中1 2 个为顺时针旋向( 即一次风、内外二次风 及中心风均为顺时针旋向) ，另外1 2 个为逆时针旋向。从中心风进入位置看 只有3 个从燃烧器右侧接口进入，其余2 1 个均从燃烧器左侧接几进入。 每只燃烧器存中心风管内设置油枪及高能点火器备一只，油枪为机械雾 化，每只油枪铭牌出力9 0 0 k g h ( 爿配备一只出力为3 5 0 k g h 的雾化片) 。当 油枪停用时可以退出5 0 0 m m 。安装油枪时需使油枪所配备中心旋流风叶片的 旋向与内外次风旋向相同。 采用分级送风技术，煤粉燃烧所需的空气，分别从内一次风道、外二次 风道和中心风管进入，使二次风在煤粉燃烧过程分级逐步送入煤粉气流。内 二次风量较小，可确保煤粉初期的燃烧反应在偏离化学当量的状态下进行， 燃烧区域氧量相对不足，消减了火焰温度峰值，同时使己形成的氮氧化物还 原成氮气，从而有效抑制氮氧化物的生成。 大部分空气从外二次风道送入，量大风速高，极大提高外二次风与煤粉 气流的动压比，气流后期湍流混和强烈，使焦炭燃烧后期所需氧气及时输送 到煤粉表面，促进剩余焦炭燃尽，降低飞灰中可燃物含量，提高燃烧效率。 到煤粉表面，促进剩余焦炭燃尽，降低飞灰中可燃物含量，提高燃烧效率。 堡e 鱼左叁堂亟堂焦迨塞 少量空气从中心管送入，为煤粉燃烧根部提供必要氧量，有利于煤粉稳定着 火，中心风速较低，可保证高温烟气回流区稳定，燃烧器停运时中心风起到 冷却燃烧器的作用。 燃烧器内、外二次风道内均装有轴向可动旋流叶片，旋转角度为4 5 0 。， 使二次风形成旋流气流，两股风的旋流强度通过轴向叶轮的拉杆进行调节， 机构简单可靠。通过调节内外二次风的旋流强度能有效的改变燃烧器出口回 流区的大小、位置以及各股风之间的混合，使燃烧器有较强的煤种适应能力。 选流叶片均为耐热不锈钢板压制成形。燃烧器一次风管由切向蜗壳引入煤粉 分配器，煤粉由叶片旋转导向，使煤粉气流在一次风道内旋转，为改善煤粉 气流通过煤粉管道所造成的煤粉气流浓度周向分布不均匀的现象。在煤粉分 配器出口装有纵向均流槽( 见图3 2 ) 。使得煤粉气流通过煤粉管道沿径向也 均匀分布。煤粉旋转导向叶片和纵向均流槽均为耐磨铸钢制成。 燃烧器又采用煤粉浓淡燃烧技术，在煤粉喷口出口，装设4 个带有半圆 形状的煤粉浓缩器。利用煤粉气流旋转的惯性，使得煤粉在煤粉浓缩器附近 密集，形成煤粉浓相区，从而沿圆周上形成四股浓淡煤粉，实现沿圆周分布 的浓淡燃烧，特别有利于煤粉的稳燃和抑制氮氧化物的生成。燃烧器一次风 出口处设有火焰稳燃器。它由稳燃齿和稳燃环两部分组成，( 见图3 3 ) 。稳 燃齿可对煤粉的分布进行合理的调整，当煤粉气流绕流过稳燃齿时，在其圆 周形成小涡流圈，附在高温回流区的根部，在小涡流区内，煤粉极易着火， 并将热量传给未着火的煤粉，强化煤粉的着火。同时，大量煤粉颗粒流过稳 燃齿时，其运动轨道将向中心偏转，射入高温烟气回流区，形成较高的煤粉 浓度，回流区内的湍流度也较高。这种高温度、高浓度、高湍流同时存在， 形成了局部的煤粉着火有利条件，煤粉气流可在此区域内被迅速加热，实现 及时着火和稳定燃烧。在稳燃齿外装有耐热钢圆环( 称为火焰稳燃环) 。其 作用可避免内二次风过早与煤粉混合，有利于煤粉着火稳定。 h 。 。翊 j 。 ， n、 、j 一 i 卜一次风入口2 一蜗壳3 一均流槽4 一次风外壁5 一中心风管6 一浓缩器7 一稳燃环 图3 - 2 无二次风燃烧器结构 生e 电左盔堂亟堂焦迨室 图3 - 3 稳燃环结构 石嘴山电厂燃烧器运行发现一些缺陷，主要是存在可燃物损失大，在底 灰中含有大量未燃尽黑色块状物，大约占底灰的1 0 。 沿周向封闭的稳燃环结构有其优缺点，优点在于在稳燃环前端形成回流 区，有利于煤粉的着火过程。稳燃环结构的技术弱点在于在稳燃环形成的周 向封闭的台阶迎风侧会发生煤粉颗粒的堆积。由于一次风温度为7 5 ，二次 风温度为3 2 1p ，炉膛煤粉燃烧形成的高温区域对稳燃环的辐射换热在稳燃 环的台阶处形成局部高温。堆积的煤粉颗粒在高温作用下发生热解，热解产 生的有机物质在煤粉颗粒表面发生凝结，形成一种柔软的、粘性比较大的薄 膜。这层薄膜与来自迎风侧的煤粉颗粒发生作用，煤粉颗粒粘接堆积在热解 的煤粉颗粒表面。这样，经过煤粉堆积、热解、粘接、传热等过程的反复循 环，最后在稳燃环与一次风管形成的台阶处形成了块状黑色物质。由于电站 锅炉机组本体在运行中存在一定的振动，当黑色物质重量足够大或者振动强 度足够大的时候，黑色物质就会掉下来，落在炉底捞渣机中。需要对轴向旋 流燃烧器进行必要的改造。 通过分析对稳燃环进行了优化和改造，使其避免发生堆积，将其改造成 齿型结构的稳燃环。如图3 - 4 。 图3 4 改造以后的稳燃环结构 根据具体的分析，进行了三种稳燃齿改造，分别为1 6 、2 0 和2 4 齿。将 其与原有稳燃环进行对比分析，找到解决问题的方法，提出解决的最佳方案 坐l t 生塑盔堂亟主堂焦迨塞 ( 如图3 - 5 ) 。 图3 5 燃烧器一次风及稳燃齿结构图 石嘴山电厂燃烧器部分数据表( 3 1 ) 如下： 表3 - 1 石嘴山燃烧器数据表 名称3 3 0 m w 设计煤3 3 0 m w 校核煤 风率风速风温风率风速风温 一次风 1 9 1 3 27 51 8 13 0 37 5 内二次风 1 2 12 4 53 2 1 1 2 3 2 4 7 3 2 1 外二次风 5 5 25 8 53 2 15 5 95 93 2 1 漏风 44 煤质 q d 。5 0 3 2 k c a l k gq 7 d 。5 8 4 4 k c a l k g ；v 1 3 5 0 2 ； v 。3 1 1 a y 2 9 7 8 w y 4 9 8 a 2 1 3 ：w y 4 4 2 制粉系统四台中速磨z g m l l 3 n一台备用 最大出力5 9 1 t h最大出力6 4 8 9 t h 风煤比1 7 1 k g k g风煤比1 8 7 k g k g 3 2 冷态实验台 本实验台以上节中介绍的石嘴山电厂3 3 0 肘机组锅炉旋流燃烧器作为 原型，按1 ：4 比例设计并加工制造。模型总长1 1 3 3 m m ，测试段两侧和顶部 由普通玻璃制成，其余部分均由铁板制成，测点置在模型前置段及一次风出 口处。燃烧器出口区域沿着径向均匀分布测点，燃烧器测试段区域分布2 排 测量孔。每排测量孔布置8 个，每个测孔测量4 点。整个装置采用微负压系 统，一次气由鼓风机进入炉膛，流经管道、测试段、前鼹段，经过布袋除尘 堡韭皇左盔堂亟堂焦途塞 器过滤后乏气排入大气，过滤后的飞灰回到给料机循环使用，给料机选用 g z r 4 电磁振动给料机。系统由鼓风机来克服鼓风机出口到除尘器入口的流动 阻力，根据空气动力计算原理，鼓风机选型为4 - 9 1 9 型，配3 k w 电机。固相 颗粒示踪实验中，玻璃粉和飞灰由给料机送入随一次风进入燃烧器，经由布 袋除尘器除尘后，乏气可以直接排入大气，固相颗粒回流到料仓。布袋除尘 器为h d 8 9 2 4 型，除尘效果可达到8 5 9 9 。由u 型管流量计测量燃烧器入 口和出口压差，通过涡街流量计读数一次风风量。 卜调节阀；2 一管道；3 一突扩段；4 一前置段；5 一振动给料机；6 一布袋除尘器 7 一引风机；8 - 鼓风机；9 - 涡街流量计；1 0 - 热膜风速仪；1 卜等速取样枪 图3 - 4 冷态实验台系统布置示意图 3 3 热线( 膜) 风速仪介绍及标定 一、热线风速仪的概述【2 6 】 热线风速仪是常用的热电式测速装置，被广泛