（工程热物理专业论文）煤粉浓淡直流燃烧器气固多相流动的数值试验研究.pdf

浙扛大学博士学位论文摘要 摘要 本文首先对国内外在煤粉燃烧器内的气固多相流方面的研究工作作了详细 的评述。在c a t 计算机辅助试验理论的指导下，结合实验研究，本文采用包括 脉动频谱随机轨道( f s r t ) 模型、颗粒和颗粒的随机碰撞模型等先进的气固多 相流模型，在高浓度气固多相流动数值模拟这一前沿研究方面得到了很有价值的 结果。 本文结合实验，对直流煤粉浓淡燃烧器多相流动进行了较全面的数值试验研 究，并得出相关经验公式以供工程应用。文章研究了来流速度，撞击块高度、隔 板位置等因素对气相速度场、隔板两侧配风均匀性、颗粒浓度、浓淡分离比和燃 烧器内阻力特性的影响。同时文章分析了燃烧器内部流动的流体动力学机理。 本文的研究尝试了把燃烧器内部和喷口射流区域的流场一体计算，用数值试 验方法考察浓淡燃烧器从内到外的多相流动特性。结合实验研究，文章分析了分 析该燃烧器射流的气固多相流动的特点，着重研究了不同撞击块高度、喷口型式 和颗粒粒径等因素对射流流场的影响。 关键词：煤粉燃烧器，气固多相流动，数值试验 本文研究得到下列项目资助 国家自然科学基金项目( 编号：5 0 0 7 6 0 3 8 ) 国家重点基础研究发展规划资助( 9 7 3 ) 项目( 编号：g 1 9 9 9 0 2 2 2 ) 浙江省自然科学基金项目( 编号：5 9 8 0 1 7 ) a b s t r a c t t h e p r e s e n td i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e sd e t a i l e ds u m m a r y a n de v a l u a t i o n o ft h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cw o r k so nt h eg a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o w i n p u l v e r i z e d c o a lb u r n e r n u m e r i c a is i m u l a t i o n o nt h e g a s - s o l i d m u l t i p h a s ef l o wi nn e wt y p ep u l v e r i z e dc o a li m p a c t r i c h l e a nb u r n e ri s p r e s e n t e di ni ，,t u n d e rt h eg u i d a n c e o - f t h et h e o r yo f c o m p u t e ra i d test(cat)the d i s s e r t a t i o nu s e sp a r t i c l ep a r t i c l er a n d o mi m p a c tm o d e la n d t h ef l u c t u a t i n g s p e c t r u m r a n d o m t r a j e c t o r y ( f s r t ) m o d e lt os i m u l a t e t h eg a sp h a s ef l o wa n dt h ep a r t i c l ep h a s ef l o wb a s e do nt h el a g r a n g e a p p r o a c h ，c o m p a r e d w i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a n d r e a c h e ss a t i s f i e d e f f o r t s t h e m u l t i p h a s ef l o wi nt h ep u l v e r i z e dc o a li m p a c t r i c h l e a nb u r n e ri s i n v e s t e d c o m p r e h e n s i v e l yb y n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n ds u m m a r i z e s e x p e r i e n t i a l f o r m u l a so fa p p l i c a t i o nv a l u e t h ei n f l u e n c eo fi n f l o w v e l o c i t y ，t h eb a f f l eb o d yh e i g h ta n d t h ec l a p b o a r dp o s i t i o no nt h ef l o w v e l o c i t y ，f l o we q u i l i b r i u m b e t w e e nt h et w os i d e so ft h e c l a p b o a r d ， p a r t i c l ed i s t r i b u t i o n ，r i c h l e a n c o n c e n t r a t i o nr a t i oa n df l o wr e s i s t a n c e c h a r a c t e r i s t i ca r es t u d i e d n u m e r i c a l l y b e s i d e s ，t h eh y d r o k i n e t i c s m e c h a n i s mo f t h ei n n e rb u r n e rf l o wi sa n a l y z e d 1 1 1 ed i s s e r t a t i o na l s oa t t e m p t st oc o m p u t et h ei n n e rc o m b u s t o rw i t h i t sj e tf l o wt o g e t h e r 。c o m b i n e d 、i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t s 。i ta n a l y s e st h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h em u l t i p h a s ef l o wt ot h ej e t s ，e s p e c i a l l yd i f f e r e n t b a f f l eb o d y h e i g h t ，n o z z l et y p ea n dp a r t i c l ed i a m e t e r k e y w o r d s ：p u l v e r i z e dc o a lb u r n e r ，g a s s o l i dm u l t i p h a s ef l o w ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 浙江大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国国民经济的迅速发展，用电峰谷差越来越大，迫切需要大容量的发 电机组参与调峰，这就使得燃煤锅炉稳燃问题变得突出起来。同时，由于我国电 站锅炉燃用煤质多变，且大多数动力用煤属于结渣煤种，因此要求电站锅炉具有 良好的煤种适应性和防结渣能力。另外，火力发电厂是大气污染的主要污染源， 减少乩0 、州l 和粉尘等污染物排放也显得十分迫切。总之，随着发电机组日 益向大容量发展，电力工业对煤粉燃烧提出越来越高的要求，概括起来为：高效 率燃烧、稳燃、防结渣、低污染以及良好的煤种适应性和快速负荷变化适应性。 但是，能够同时满足上述要求的燃烧技术尚不多见，现有技术大多数从某几个方 面，如稳燃、包括低负荷稳燃及劣质煤稳燃，低污染等方面入手来解决问题。 浓淡燃烧技术正是在这一背景下迅速发展起来的。所谓浓淡燃烧技术，即是 采用新型燃烧器，使煤粉浓缩，其基础是通过燃烧器前的浓缩结构，把一次风粉 气流分离成浓淡两股，获得高浓度煤粉气流。利用高浓度煤粉气流量具有火温度 低，火焰传播速度快，着火距离短等优点，改善和稳定着火。同时，由于煤粉燃 烧初期一次风率压得很低，也大大降低了n o x 的生成。由于该技术着火稳燃特性 良好，近年来得到了广泛的应用，各种浓淡燃烧器层出不穷，基本上解决了低负 荷稳燃的问题，但当煤质变好时，又带来了燃烧器喷口烧坏，炉内结焦严重等新 的问题，因此，为保障运行的经济性和安全性，我们必须开发出一种能够实现煤 粉浓度的连续可调和燃烧的适时强化的新型燃烧器。 要开发性能良好的浓淡燃烧器，必须对燃烧器内气固多相流动有一个比较清 楚的了解，以求减少盲目性，缩短开发时间，降低投资。然而，在这一工程领域 所研究的对象常处于高温、高压甚至有害的工作状况下，加上设备十分庞大，这 就给仪器实验带来了较大的困难。另一方面，随着技术的发展，要求设计出新型 的设备和装置。为了能使设计出的设备和装置具有最佳的工作效率和良好的性 能，仅仅依靠仪器实验研究不但需要花费大量的人力物力和时间，而且也很难达 到所要求的目的。随着计算机容量和计算速度的提高，以及计算方法的日益完善， 对各种复杂问题的数值计算成为一种很有效的方法。 浙江大学热能工程研究所岑可法院士、樊建人教授提出的计算机辅助优化试 验方法即c a t 理论【l 2 】。这就是运用数值模拟方法，对各种具体的实际问题， 在物理模型与数理统计理论和计算设计与分析方法的指导下，进行大量的优化计 算，从而得出对工程应用有用的数据。它是数值计算与实验有机的结合，既比纯 粹的仪器实验省时省钱，克服了复杂气固多相流动实验测量困难的缺点，又摆脱 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 了一般数值计算常有的脱离实践的弊病给实验一个强有力的工具，是一套系统 的，行之有效的方法。 1 2 煤粉锅炉低负荷稳燃技术 1 2 1 低负荷稳燃原理 在我国电站锅炉中得到了广泛应用是切向燃烧锅炉，其具有适应性广，稳燃 性能好等特点。这种燃烧方式基本上都采用了直流煤粉燃烧器，所以这里将以直 流煤粉燃烧为例讨论切向燃烧锅炉的低负荷稳燃问题。 在煤粉锅炉中，将一次风煤粉加热到着火所需的温度称为着火温度；加热到 着火温度所需的热量称为着火热；炉内高温烟气实际传递给一次风粉的热量称为 着火供热。着火供热主要来自对流传热。研究指出，对流能提供着火热量的7 0 9 0 9 6 。但是，对于普通的直流燃烧器，一次风粉射流从一次风喷口射入炉膛后， 只能靠从射流外侧卷吸炉内的高温烟气来提供着火供热，一次风粉混合物的火焰 传播速度一般为1 5 6 m s ，而一次风粉输送速度却是2 0 3 0 m s ，因此在煤粉 喷嘴出口处稳定的着火一般只可能发生在一次风粉射流的边缘处。因此，从理论 上说，自由射流的外边界处速度梯度趋于零，几乎没有湍流扰动，传热传质的作 用很差。此外，射流离开喷口后向外扩张，煤粉颗粒因惯性作用而集中在射流内 侧，射流获得的热量必须首先加热外层的空气，然后才能对煤粉加热，所以，普 通单股直流燃烧器所形成的射流的着火条件是很差的。它必须依靠上游邻角的火 焰稳燃。当锅炉负荷降低时，炉温将下降，为了维持必要的煤粉混合物输送速度， 一次风中的煤粉浓度将大为降低：对于切向燃烧锅炉来说，二次风速度也要降低， 炉膛中火球的转动强度也渐渐减弱，以至于不投油最低负荷运行时，火球不能自 行稳定燃烧，因此每个煤粉喷嘴必须具有自稳燃能力，而不是单单依靠邻角燃烧 器油火焰的助燃。 若以q _ 表示煤粉气流达到着火温度所必须的着火热；以9 。表示外界提供给 煤粉射流的着火供热，则若要使一次风煤粉气流着火，应保证： 删：堕l( i 1 ) q 吐 删称为稳燃指数。m 值越大，则着火越稳定。 由( 卜1 ) 式可见，煤粉气流若要稳燃，应从两个方面着手，一方面尽可能 降低着火热q _ ；另一方面应加强着火供热q 。的供应。 1 2 1 1 降低着火热 着火热包括用于加热煤粉和一次风所需的热量，以及使煤粉中水份蒸发与过 热所需的热量，乏气送粉时按下式估计f 3 】： 浙江大学博士学位论文第一章绪论 q , h 刮( v 。r ，k c k 等+ c 等+ 吲铲 、 y l16 ， + 蒜- 6 w ) 4 1 9 ( 1 0 0 - t , ) + 2 5 1 0 + q ( 匕一1 0 0 ) 】) ，k 式中：e 一每只燃烧器的燃煤量，k g ( 煤) s ： v o 一理论空气量，m 3 k g ； 口，一燃烧器出i ：1 截面处的过量空气系数； 。一一次风率： q 一空气比热，k j ( m 3 0 c ) ； 吼一固体未完全燃烧热损失，： c j 一燃料干燥基比热，k j ( k g o c ) ； 燃料应用基水份， a w 原煤在制粉系统中蒸发掉的水份，k g k g ( 煤) e 一水蒸气比热，k j ( 七g o c ) ： 匕，f ，着火温度和一次风煤粉气流的温度，o c 。 1 2 1 2 强化着火供热 ( 1 ) 建立稳定的高温热源 为确保低负荷状态下锅炉稳定燃烧，电厂一般都装设一层或几层油枪，在锅 炉燃烧不稳定时利用油燃烧释放的大量热量来建立稳定的着火热源。s z w p i i i 型抛物线少油煤粉直接点火及稳燃喷燃器则利用了抛物线的物理特性，制作成燃 烧筒的内简，具有聚集能量于焦点的作用，从而使煤粉气流着火增加了一种稳定 的高温热源，这对于燃用低反应性煤种的稳燃非常有效。 ( 2 ) 提高回流热烟气的“质”和“量” 章明川等“1 中认为，点燃煤粉的着火热主要来自于热烟气的回流，带一次热 烟气的回流的着火链环。 对着火链环过程做热平衡，以l k g 煤粉空气混合物为基础，则： l = 瓦+ 赛击 ( 1 _ 3 ) 式中： 瓦，一热烟气回流混入煤粉后气流温度，k ： l 一煤粉空气混合物的初温，k ； q 一整个着火链环中每千克煤粉空气混合物的燃烧发热量： c 。一烟气比热容； r 一回流烟气与煤粉气流的质量流量比率。 浙江大学博士学位论文第一章绪论 从上式可以看出，要提高烟气混入后温度l ，需要保证回流烟气的“质” 和“量”。上式中，烟气返回煤粉空气混合物的热量只占全部燃烧放热量的 r ( 1 + r ) 这一部分，即回流的“量”是比较小的，因此，为改善煤粉气流的着火 燃烧条件，稳定着火，除增大烟气回流量外，还要组织好链环内煤粉的早期燃烧， 增大q ，即提高着火供热的“质”。 1 2 2 低负荷稳燃技术 1 2 2 1 制粉系统方面的稳燃措施 包括加强燃煤的统筹调度和管理，尽量避免煤质的大幅度变化；根据煤质特 性、磨煤机型式、燃烧方式、炉膛结构和热负荷等因素，选择经济的煤粉细度； 提高一次风粉混合物温度等。 1 2 2 2 炉膛设计方面的稳燃措施 燃用极难燃烧的劣质烟煤、贫煤或无烟煤时，可考虑采用炉或u 型火焰炉。 w 型火焰锅炉由于着火条件好，火焰行程长，煤粉在炉内的停留时间达3 4 s ，比 其它燃烧方式几乎增加一倍，所以燃烧效率高。国外的实践表明，w 型火焰锅炉 能燃用可燃基挥发份v 。24 2 0 的无烟煤和贫煤。所以，燃用无烟煤时，很 多国外公司都推荐采用这种燃烧方式的炉型。 1 2 2 3 采用新型煤粉燃烧器 ( 1 ) 不同的燃烧器结构 先看燃烧器前浓缩的结构。从煤粉离开煤粉仓( 中储式系统) 或磨煤机( 直 吹式系统) 到燃烧器前这一段距离，由于不可能得到炉内高温烟气的回流加热， 稳燃结构只能以降低一次风粉气流的着火热为目标。具体措施一种是通过提高一 次风粉的煤粉浓度，降低着火温度来降低着火热；另一种是通过提高一次风粉的 初温来达到降低着火热的目的。 秦裕昆等0 1 将这一范围的煤粉浓缩按其浓缩位置分为原始浓缩和燃烧器前 浓缩。原始浓缩是指煤粉离开煤粉仓( 中储式系统) 或磨煤机( 直吹式系统) 时 采取措施使煤粉浓度提高的方法。燃烧器前浓缩即在正常浓度的煤粉气流进入燃 烧器前利用气固分离装置把煤粉气流分成浓淡两股，分别送入燃烧器的浓淡喷 口，如高调节比w r 燃烧器”7 1 。 该燃烧器主要由缩放型通道、水平浓淡分离隔板及摆动式喷嘴三部分组成。 煤粉流过一次风管与燃烧器连接的最后弯头时，由于惯性离心力的作用，在弯头 外侧，煤粉浓度较高；弯头内侧，情况则相反。w r 煤粉燃烧器水平浓淡分离隔板 将一次风粉气流分为上浓下淡两股，在燃烧器出口，煤粉在高浓度区首先着火， 然后点燃低浓度区，呈浓淡燃烧方式。浙江大学热能工程研究所开发的撞击式煤 粉浓淡燃烧器“。0 1 也属于燃烧器前浓缩。 4 浙江大学博士学位论文第一章绪论 燃烧器前另一种降低着火热的方法就是提高次风粉的初温。如b & w 公司在 旋流燃烧器基础上开发的p a x 型燃烧器”“。 一次风由冷一次风机输送，经过两台三分仓回转式空气预热器加熟后分别 送至各台磨煤机，然后携带磨制好的煤粉进入p a x 燃烧器。磨煤机出口风粉混合 物的温度约8 5 0 c 。进入燃烧器前，风粉混合物先要流过偏心导管、弯头和分离 板。利用偏心导管的导流作用和弯头的离心分离作用，将大量煤粉分离到管道外 缘。另从管道中央将5 0 左右的乏气抽出，经乏气管直接送入炉膛。乏气喷口布 置在相邻两燃烧器之间。乏气中所含煤粉量约占总煤粉量的1 0 。3 1 0 0 c 的热风 从二次风箱抽出，经增压风机和增压风管送入燃烧器，补充气粉混合物所缺的风 量，并使燃烧器出口处的一次风粉混合物温度上升到2 0 0 0 c 左右，达到中间储仓 式制粉系统热风送粉的温度水平。 根据煤质变化和燃料的着火情况，燃烧器中补充的热风量可以等于或少于 抽出的乏气量，因而一次风中的煤粉浓度可能有所提高，再加上一次风温升高的 影响，为低挥发份煤种的着火创造了有利条件。 燃烧器内以降低着火热、提高着火供热为目的的燃烧器结构 燃烧器内由于可以采取措施卷吸炉内高温烟气或预热一次风粉，因此，稳燃 结构一般在降低着火需热的同时，也要提高着火供热的供应，一般将这种燃烧器 称为预燃室。 预燃室是由耐火材料或耐热钢制成的筒型前置燃烧室，预燃室的点火过程 是：先点燃引火燃料一油或天然气，用其加热预燃室内壁的耐火筒壁，由于筒内 空间较小，壁温很快升高，然后投入煤粉气流，此时在室内形成适当的受限射流， ( 旋转射流或直流) ，这股气流与已燃烧的油( 气) 火炬相互扰动混合，又在高 温筒壁辐射传热的作用下，使煤粉气流着火燃烧。燃烧的高温火焰反向回流到一 次风射流出口附近，被卷吸到一次风内，并在此形成高温、高煤粉浓度、高氧的 区域，从而增加了火焰的稳定性和燃烧强度，这样，就能在不长的时间内保证脱 油后煤粉气流在室内稳定地着火和燃烧，使室内燃烧过程持续进行。从原理上讲， 煤粉预燃室在燃烧器内形成高温回流烟气加热一次风粉来流，其稳燃作用是显而 易见的，但是，在预燃室内煤粉就开始燃烧，其燃烧的高温熔融粒子总会有冲刷 壁面的机会，因此对于易结渣煤种，根据国内运行的经验教训，预燃室非常容易 产生结渣，所结的渣块有时将预燃室堵死，甚至把预燃室烧坏，局部烧熔，这种 现象在各种预燃室中屡有发生0 3 。为解决预燃室容易结焦的问题，韩才元等” 抛弃了“煤粉预燃”的概念，强调了“煤粉预热”的作用，利用回流使煤粉在较 短的距离内预热，从而保持火焰的稳定性，以便解决火焰稳定性和筒内结渣的矛 盾，并开发了稳燃腔。 稳燃腔是在钝体的基础上加上一段不长的稳燃罩，并将稳燃腔设计成渐扩型 结构，然后保持一段较短的直段，扩散段和直段的总长度不得超过回流区的长度， 让部分回流区“伸入”炉膛，卷吸高温烟气，使煤粉在稳燃腔内预热但不燃烧， 浙江火学博j 学位论文第一章绪论 预热后的风粉气流在喷出稳燃腔后着火燃烧，使火焰保持在较强的稳定状态。该 稳燃腔在一些电厂的应用中取得了很好的效果。稳燃腔在设计思想上强调预热而 不是预燃，这就要求在结构设计上要合理，同时在空气动力参数的选择上也要给 予充分的注意，以保证腔内温度不大于煤粉着火温度，因此该稳燃腔在应用中从 燃烧器到炉膛设计，其结构和参数都要精心优化，以便既保证煤粉火焰稳定，又 保证运行中不结焦。 清华大学和中国科学院力学研究所等单位研制的大速差射流燃烧器“2 。“1 ，本 质上也是一种预燃室。 在受限空间中，高速射流的强烈引射作用会将低速一次风中的气体吸引过 去，在一次风下游形成一个负压回流区。它的长度约为旋流后回流区的3 倍。这 么长的回流区能从炉膛深处获取高温烟气，所以大速差射流燃烧器回流区的烟气 温度可达1 0 0 0 0 c 以上，比一般常规燃烧器尾迹回流区中的烟温高得多，这对稳 定火焰和强化燃烧都是有利的。在空气和部分细煤粉被高速射流抽走而偏离轴线 的同时，一次风中的大部分煤粉颗粒因惯性作用将继续作直线运动进入高温回流 区，使煤粉浓度分布与气流温度分布相匹配，煤粉很容易加热到着火温度。 最后看一下在燃烧器出口处以降低着火热和提高着火供热为目的的燃烧器 结构。 - 燃烧器出口处的煤粉气流，由于直接接触炉内高温回流烟气，因此，这里的 燃烧器喷口稳燃结构应一方面提高与高温烟气接触区域的煤粉浓度，降低着火温 度；另一方面提高气流与高温烟气的接触面积和热质交换强度，以强化着火供热。 钝体、火焰稳定船燃烧器就是这一类燃烧器。 燃烧器前的钝体结构，一次风粉气流绕过钝体以后，形成高温烟气回流区， 同时由于颗粒的惯性作用，钝体尾迹会有两条煤粉浓度很高的“黑龙”，使回流 区边界速度梯度、浓度梯度和温度梯度都很大，根据牛顿粘性定律、费克传质定 律和傅利叶导热定律可知，一次风粉气流和高温烟气回流区的动量、质量和热量 交换很强，强化了煤粉的着火和燃烧。较之普通直流燃烧器，钝体在射流内部开 辟了一次风粉气流与高温烟气直接混合的途径，一次风粉受高温烟气的“内外夹 攻”，内外着火，扩大了火焰燃烧的区域。另外，其凹凸不平的边缘在设计上也 是颇具匠心。( 1 ) 它可以吸收钝体在高温辐射下的热膨胀。( 2 ) 增加一次风粉 气流与高温烟气回流混合的面积。( 3 ) 提高了一次风粉气流的湍流强度，加强 了热质交换。( 4 ) 对一次风粉气流有剪切作用，一次风粉气流经过钝体表面， 煤粉颗粒减速，有利于在回流区边界形成局部高浓度区域。在凹凸不平的钝体边 缘前端，设置了细长阻挡块，当一次风粉气流速度发生变化时，可以防止“脱火”， 有利于回流区稳定。 火焰稳定船燃烧器是由清华大学研制并首先在煤粉锅炉上应用成功。在普通 直流煤粉燃烧器的一次风喷口中加装一只船形火焰稳定器，即构成火焰稳定船燃 烧器。对于船体的稳燃机制，研制者提出了“三高区”理论，即设法在一次风喷 6 浙江大学博士学位论文第一章绪论 口附近，建立一个具有高煤粉浓度、高温和较高氧浓度的“三高区”。高温、高 煤粉浓度和不算太低的氧浓度在射流束腰部的外缘处同时出现，形成“三高区”。 高煤粉浓度的着火热小，又有氧量供应，为燃料着火创造了有利条件。 ( 2 ) 不同的燃烧器安装位置和角度 目前在这方面较成功的是一次风反切技术。一次风反切就是一次风反切圆方 向送入炉膛，二次风射流方向与切圆转向一致的切圆燃烧方式。从理论上讲，一 次风反切同时具有稳燃、防结渣和降低d 的作用。 由于一次风粉气流远离下方水冷壁，减少了燃烧的煤粉火炬刷墙的可能性， 同时，反切后一次风将在炉膛中心形成浓煤粉区域，二次风的切圆较大，形成“风 包粉”，并在炉壁附近形成氧化性气氛，从而大大减轻了炉内结渣与积灰可能性。 一次风反切虽然具有以上一些优点，但它对反切一次风的风速、风率要求都 较高，必须经过燃烧优化试验后才能确定。一次风速过高，影响着火，从而影响 燃烬；一次风速过低，煤粉气流保持反吹的剐度不够，气流转折过早，形成点燃 高温环境不够，使飞灰可燃物上升。同时，由于反切一次风与下部一次风出现相 交，若风速过低，则颗粒射入主流不够，将造成大渣可燃物较大。 综上所述，锅炉稳燃措施主要从降低着火热和提高着火供热两方面入手，对 于不同的炉型、不同的煤种，应具体分析，综合考虑稳燃、结渣、降低污染等因 素，再采取合适的技术手段。 从以上综述中可以看出，随着我国发电机组日益向大容量发展，电力工业对 煤粉燃烧提出越来越高的要求，概括起来为：高效率燃烧、低负荷稳燃、高负荷 防结渣、低污染及良好的煤种适应性和快速负荷变化适应性。而且这些要求往往 是相互矛盾的，例如，为了适应电站锅炉低负荷调蜂的需要，国内开发了多种新 型燥粉燃烧器，一些新型燃烧器在低负荷时的稳燃性能很好，但当燃用易结渣煤 种时，存在着高负荷易结渣和喷口烧坏问题。在低负荷状态下，由于回流、浓缩 或两者的结合，喷口附近一般维持较高的温度，以确保稳燃；当锅炉高负荷运行 时，随着煤粉浓度及炉温的自然提高，燃烧强度也相应增大，使喷口出口附近温 度过高，有时会造成锅炉“烧的过好了”的现象。为解决新型煤粉燃烧器稳燃与 结渣的矛盾，新型燃烧器应设计成具有在低负荷状态下，在燃烧器喷口建立确保 稳燃的高煤粉浓度区和回流区：当负荷升高时，应减弱高煤粉浓度和回流的范围 和作用，使喷口温度维持在一个适当的水平，以防止喷口附近温度升得过高而造 成喷口烧坏或炉膛结渣，并保持良好的空气动力场。目前，国内有关科研单位已 进行了大量的这方面的工作。 1 3 煤粉浓淡燃烧技术 前文中提到的浓淡燃烧技术是近年来国内外广泛采用的一种新的燃烧技术 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 最初目的是为了降低n o x 的排放，后来发现，采用浓淡燃烧方式还有良好的稳燃 作用。 煤粉的浓淡燃烧技术主要是靠浓淡燃烧器来实现的。浓淡燃烧器将煤粉分为 浓度高低不同的两股。分别送入炉内燃烧。将煤粉气流分成浓淡两股，由于分流 和浓煤粉着火温度低的特点，使浓煤粉气流着火热大大降低，此时先点燃浓煤粉 气流，再利用燃烧的浓煤粉点燃淡煤粉气流，可大大提高了该燃烧器的低负荷稳 燃能力。 淡侧煤粉气流中空气量过剩，在燃烧过程中，不断向浓侧扩散，提供燃烧所 需氧气，形成分级燃烧，降低了n o x 排放。浓淡燃烧技术的关键就是如何将一次 煤粉空气气流由常规浓度约0 2 0 4 k g 煤粉k g 气浓缩约0 6 1 0 k g 煤粉k g 空气。 为了稳定煤粉火焰，就需要组织好炉内气流结构，使之形成煤粉着火的有利 区，即有较高温度和扰动及适量氧浓度的区域，煤粉在此分离并局部浓缩，这个 具有高煤粉浓度、高温和高扰动度的“三高区”蜘就是煤粉火焰稳定的着火有利 区。 文献“峙旨出，n o x 的生成量与一次风煤比有关，当一次风粉比在3 卅时，a 的生成量最高，偏离该数值，不管是煤粉浓度高于该值，还是煤粉浓度低于该值， n o x 的生成量均下降。由于一次风管道中的一次风粉比约2 3 。进行浓淡分离后， 无论浓侧或淡侧均偏离最大生? c o x 成浓度，从而降低了整体n o x 的生成量。 1 4 煤粉燃烧器的数值试验研究 用数值方法研究煤粉湍流多相流动，对煤粉燃烧器的研究和优化设计具有重 要的意义。国内外已进行了不少研究“”。 高歌等“7 1 使用实验方法及数值求解三维n s 方程，研究了新月形沙丘的b d 型旋涡发生器的后缘涡管气流结构及稳定性。并用a d c 法及k - 模型计算了v 型槽后旋涡流场”“。顾洁伟等“”用涡量一流函数法对钝体稳定器进行了数值计 算，算出了完整的密扩分离回流区。范维澄等堙0 1 介绍了湍流双流体模型的要点， 并借助p h o e n l l s 程序对钝体湍流予混燃烧区进行了数值计算。袁建伟等”使 用k 一双方程模型和s i m p c e 算法对可控涡煤粉燃烧器冷态场进行了数值计算。 姚强等”2 1 则计算了旋流式煤粉预燃室中的煤粉颗粒运动和燃烧过程，得出了不同 粒径的煤粉的运动轨迹。吴承康等”“用s i m p l e 方法和k 双方程模型对同向 射流模型燃烧室的流进行了数值计算，并用三维l d a 进行了测量。计算所实测 结果定性一致。张健等“”用颗粒轨道模型对二维大速差射流燃烧室内煤粉燃烧进 行了数值计算。郑亚等“”采用k 一模型对火焰稳定器进行了初步的数值计算。 赵坚行等”“用修币过的k e 模型对管内旋流燃烧器流进行了数值计算。赵平等”。 对气固燃烧反应多相流中颗粒弥散现象进行了数值模拟，并用随机轨道法考虑了 望l ! 坠兰堡：兰堡! 垒兰= ：一：= 一：= ：一：= ：= ：= ：叁三兰堑笙 气相湍流脉动，m a g n u s 力及挥分份的喷射对颗粒运动和弥散的影响。周力行等 ”用气固多相流双流体模型，气相湍流的k e 模型及颗闰湍能k p 输运方程模 型，对大速差射流燃烧室内三维在流流气固多相流动进行了模拟。廖昌明等” 用双流体模型对突扩湍流多相流动中多相湍流的相互作用进行了数值模拟，并用 k e k p 多相湍流模型来考虑多相湍流相互作用。洪涛等”1 颗粒相连续介质模型 对四角炉及双侧进行突扩燃烧室内的气固多相流动进行了数值模拟。徐明厚等” 运用气相k s 模型和颗粒相代数方程模型对正交射流煤粉燃烧器气固多相流场 进行了数值模拟，获了该燃烧器内的气、固多相速度分布，颗粒质量流分布，计 算中忽略气体所受的质量力。 在针对燃烧器的数值试验方面，郑远平等。2 。”1 对直流式燃烧器、钝体燃烧器 及开缝钝体燃烧器进行了数值模拟。郑楚光等”“对钝体燃烧器进行了数值模 拟。李成之等”对旋风燃烧器内的流场进行了模拟。梁勇军等”对船形燃烧器的 流场进行了数值模拟。叶孟琪等。”对旋流燃烧器中的气固多相流作了数值计算。 尽管很多研究者对燃烧器的气固多相流问题做了很多工作。但这些工作大都 忽略了气固两相的耦合，固体颗粒之间的相互碰撞，固体颗粒复杂的受力情况， 以及将燃烧器内部流动与喷口射流流场的计算结合等等，系统地考虑上述因素并 对直流煤粉浓淡燃烧器内外多相流动的数值模拟尚未见报道。 1 5 本文研究的主要内容 浙江大学热能工程研究所多年来一直致力于电站锅炉领域的技术研究，在岑 可法院士。1 ”的带领下进行了大量的理论和实验研究，发明了多项专利技术。在 大型多相流实验台上研制了撞击式煤粉可调浓度浓淡直流燃烧器，进行了大量模 化实验，取得了第一手的实验资料“”。在数值试验方面，作者所在的课题组取 得了良好的研究成果。”“1 。该装置开发成功后已在多家电站几十台锅炉上成功应 用，取得了显著的经济效益和社会效益。 本文在上述的工作背景下，针对可调浓度撞击式浓淡直流燃烧器内外的气固 多相流动特性开展了理论和实验研究，主要研究内容如下： 1 对国内外在燃烧器内的气固多相流方面的研究工作作了详细的评述，提出 了本文在相关方面开展研究的特点。 2 通过数值试验( c a t ) 的方法，采用包括颗粒和颗粒的随机碰撞模型、脉 动频谱随机轨道模型等的气固多相流模型，对可调浓度燃烧器内的气固多相流动 进行全面的模拟。 3 结合实验研究，较全面地研究来流速度，撞击块高度、隔板位置等因素对 气相速度场、隔板两侧配风均匀性和燃烧器内阻力特性的影响，并得到可供工程 应用参考的经验公式。 4 通过数值计算，研究撞击式浓淡直流燃烧器内的颗粒相流动特性，分析颗 粒浓度、分离效果、粒径分布等特性的影响，并总结出相应的经验公式。 9 浙江大学博士学位论文 第一苹绪论 5 结合实验研究，将燃烧器内部和进入炉内的射流流场一体计算，对浓淡燃 烧器两相流场进行全面数值模拟，用数值试验方法考察燃烧器从内到外的多相流 动特性。 6 分析比较撞击式浓淡燃烧器的不同撞击块高度、喷口型式、颗粒粒径等因 素对于射流流场的影响，分析该燃烧器外射流的气固多相流动的规律，为该燃烧 器的进一步开发和应用打下良好的基础。 参考文献 1 岑可法，樊建人，数值试验( c a t ) 在大型电站锅炉设计和运行中的应用前 景- - 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8 6 1 7 高歌，宁木晃，沙丘驻锅炉火焰稳定性的理论及实验研究，工程热物理学报， 1 9 8 2 ，3 ( 1 、：8 9 - 9 5 。 1 8 高歌，k e 湍流模型计算钝体尾涡的结果分析，工程热物理学报，1 9 8 4 ，5 ( 2 ) ： 2 1 0 - 2 1 2 。 1 9 顾洁伟，王应时，高丽君等，v 型火焰稳定密上、下游可压缩湍流场的理论 与实验研究。工程热物理学报，1 9 8 5 ，6 ( 2 ) ：1 7 8 1 6 3 。 2 0 范维澄，湍流燃烧的双流体模型。工程热物理学报，1 9 8 7 ，8 ( 4 ) ：3 9 0 - 3 9 4 。 2 1 袁建伟，韩才元，马毓义，可控涡煤粉燃烧器冷态流场的数值研究，工程热 物理学报，1 9 8 8 ，9 ( 3 ) ：2 8 8 - 2 9 1 。 2 2 y a oq i a n g ，x ux u c h a n g ：“n u m e r i c a ls i m u l a t i o no fc o m b u s t i o n ，m o t i o na n d t u r b u l e n td i f f u s i o no f p u l v e r i z e dc o a lp a r t i c l e si nt h ec o a l f i r e dp r e c o m b u s t i o n c h a m b e r s ”，p r o c e e d i n g so ft h ei n t e r n a t i o n a ls y m p o s i u mo nm u l t i l ；l h a s ef l o w s ， h a n g z h o u ，( a u g ，1 9 8 7 ) 2 3 吴承康，卫景彬，杨家寿等，应用三维l d a 对同向射流煤粉预燃室流场的 研究，工程热物理学报，1 9 8 9 ，l o ( 1 ) ：8 1 8 7 。 2 4 张健，周力行，大速差射流预燃室煤粉燃烧的颗粒轨道法数值模拟，工程热 物理学报，1 9 8 9 ，l o ( 1 ) ：1 0 9 1 1 3 。 2 5 郑亚，火焰稳定器周围预混反应流的初步数值模拟，工程热物理学报，1 9 9 0 ， 11 ( 1 ) ：9 8 1 0 2 。 2 6 赵坚行，管内旋流器燃烧流场的数值研究，工程热物理学报，1 9 9 0 ，1l ( 4 ) ： 4 5 9 - 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