（工程热物理专业论文）对冲燃烧和w型火焰锅炉炉内流动特性的研究及其工程应用.pdf

浙江太学硕士学位论文 摘要 ( 对冲燃烧锅炉在我国应用较早，旋流燃烧器也早在5 0 年代开始使用但这 、 些都是前苏联技术。在8 0 年代后期，我国引进了美国b & w 公司的对冲燃烧锅 炉和旋流燃烧器的技术。它给我们带来了很多新的设计思想，如喷水减温器和 烟气挡板结合，使锅炉运行简单，新的旋流燃烧器提高了锅炉效率，调节方便， 炉膛出口烟温偏差减少，同时对降低污染排放有一定的好处。但美国技术不一 定完全适应中国，这需要我们的研究人员去理解和完善工作这也在定程度 上阻碍了锅炉技术的发展。特别是烧劣质煤的大容量机组，针对性的试验和数 值计算都不多，很多问题没有披完全认识。 对冲燃烧锅炉有着自身的特点，对其性能和运行情况的了解是本文的一项 重要工作。数值计算是计算机辅助优化数值试验的重要环节之一，也是本文的 、，7 1 r 一 重点之一 本文从理论和部分运行数据上运用计算机辅助优化数值试验原理和 方法针对对冲锅炉的流场进行了初步的探讨。并对计算方法有了初步的认识。 本人对实际运行的3 3 0 m w 锅炉的不同运行负荷进行了计算，并与部分运行数 据进行了对比，对理论进行了验证和延伸。出口流场与实炉进行比较结果比 较满意。 在试验的基础上，对w 型火焰锅炉的设计工作进行了改进，并相应的对 w 型火焰锅炉的数值计算进行了完善。这些改进已被用于产品中，实际运行和 测试结果证明了这些工作是对的。 关键词：对冲燃烧旋流燃烧器流场w 型火焰锅炉 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t o p p o s e df i r i n gb o i l e ri sa p p l i e di nc h i n ae a r l ya n ds w i r lb u r n e ri su s e di n19 5 0 s t o o ，b u tt h e s et e c h n o l o g i e sa r eo w n e db yr u s s i a n t h et e c h n o l o g yo fo p p o s e da n d s w i r lo fa m e r i c ai st a k e ni nt h ee a r l yo f1 9 8 6 a c c o m p a n i e dw i t l lb & w s t e c h n o l o g y i si n t r o d u c e d i tb r i n g sag r e a tn u m b e ro fn e w d e s i g ni d e a s u c ha s ，t h em e t h o do f c o n t r o ls t e a mt e m p e r a t u r ei sa c c o m p a n i e db yt h ec o m b i n a t i o no fa t t e m p e r a t o ra n d g a sd a m p e r i ti se a s yt oo p e r a t ea n dg e th i g he f f i c i e n c ya n dm a k ea d j u s tf l e x i b l ea n d d e c r e a s et h ed e v i a t i o no ft h ef u r n a c ee x i tg a st e m p e r a t u r e ，a tt h es a m et i m e ，i ti s u s e f u lt om a k e p o l l u t i o nl o w e r b u ti t i sn o ta l lo fa m e r i c a nt e c h n o l o g yt os u i tf o r c h i n e s em a r k e t , s oi tn e e d su st 0u n d e r s t a n da n dp e r f e c t o t h e r w i s e ，i tw o u l db l o c k t h ed e v e l o p m e n to fb o i l e r t h e r ea r en o tm o r ed e t a i l so ft h et e s ta n dt h en u m e r i c a lf o r t h e o p p o s e df i r i n g ，e s p e c i a l l y f o rt h e l a r g eq u a n t i t y b o i l e r s ot h e r ea r e m a n y q u e s t i o n st ob es t u d i e dc o m p l e t e l y i ti so l l eo ff f d sw o r k st h a tr e s e a r c ht h ep e r f o r m a n c ea n d o p e r a t i n go fo p p o s e d f i r i n gb o i l e r n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sd o m i n a t i n gp a r to fc a t , a l s ot h ec o p eo ft h i sw o r k t h i s w o r kw h i c ha i m st og e t p r e l i m i n a r ys t u d y f o rt h eo p p o s e df i r i n gb o i l e ri sb a s e do nt h ep r i n c i p l e s a n dt h ep a r to fo p e r a t i n gd a t ab yu s i n gc o m p m “a i d e dt e s t t h ev a r i e dl o a d so ft h e3 3 0 m w b o i l e ra nc a l c u l a t e d ，a n dt h e nc o m p a r e dw i t ho p e r a t i n g 。b o t ha r ec o n d u c t e ds o t ov a l i d a t e t h e o r e t i c a ls i m u l a t i o n t h ee x i tf l o wf i e l di si na c c o r d a n c ew i t ht h eo p e r a t i n gd a t a t h ed e s i g no fwf l a m eb o i l e ri sb e i n gi n a p r o v e db a s e do ne x p e r i m e n t , a n dt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o ni sp e r f e c t e da tt h es a l l , l et i m e t h e s e c h a n g e s h a s a l r e a d ya p p l i e d i np r o d u c ta n d a p p r o v e db y t h eo p e r a t i n ga n dt e s t k e yw o r d ：o p p o s e df i r i n g ，s w i r lb u r n e r ，f l o wf i e l d ，wf l a m eb o i l e r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 燃烧技术的发展 本世纪二十年代末第一次在水管锅炉上燃烧煤粉，由于制粉系统和燃烧器 的设计都有改进，火焰的稳定性、煤粉和空气混合情况都有改善，因而提高了 火焰温度和燃烧效率，磨煤机可靠性的不断提高也使采用直吹式制粉系统有了 可能性，从此锅炉容量也不断增大，从1 0 0 1 删机组一直达到1 3 0 0 姗机组，没有 可靠的煤粉燃烧技术这一切都是不可能的。 今天几乎所有的煤种均能实行煤粉燃烧，同时其燃烧效率也与烧油、烧气 相差无几。 煤粉燃烧的最近发展趋势则是在不降低锅炉性能和可靠性的基础上力求控 制n 0 。的排放量。可以想像这将导致燃烧技术的新发展。 随着工业的发展，世界对煤炭需求的激增以及对环境保护要求的日益严格， 从某一角度来说促进了煤粉燃烧技术的发展。 从煤储量来看“】，2 l 世纪初煤仍将是世界上主要能源之一，随着工业的飞 速发展，预计到2l 世纪初，煤炭生产的增长速度仍将低于工业的发展速度，煤 炭的供应仍将紧张，煤价也将提高。同时要求燃烧更多的品质差、含硫量高的 煤，因此迫切要求发展高效、低污染煤燃烧技术。电力工业也将加快发展的步 伐，要求机组有更大的容量；煤在供应能源的同时会以粉尘、二氧化硫、氮 氧化物、二氧化碳、灰渣等形式污染环境。目前发达国家因燃料消耗量大、污 染严重已制定了严格的制度限制有害污染物的排放，并已取得显著的效果。预 计环境保护的排放标准将会更加严格。 随着我国现代化建设的迅速发展”1 ，能源在国民经济中的重要作用越来越 来越为人们所认识。根据我国的资源情况，火力发电在电力工业中始终占着较 大的比例。1 9 9 5 年底，全国的发电设备装机容量已达2 1 4 亿k w ，其中火电1 6 l 亿k w 设备中，我国制造部门提供的机组占8 0 左右。 我国火电设备制造行业从无到有，由小到大经历了一个不断前进的过程。 浙江大学硕士学位论文 进入8 0 年代后期，短短的十多年，发生了很大的变化，大力发展了大容量、高 参数大机组，大型火电设备的生产能力大幅度增长，积极发展优质辅机，提高 电站成套水平，进一步提高大电站自动化水平。从1 9 5 6 年研制了我国首台容量 6 姗中压机组到目前开始批量生产3 0 0 f 和6 0 0 m w 机组，火电设备的年生产能 力已达到1 5 0 0 0 姗。在这一过程中，科研、设计、制造、工艺、材料等方面都 积累了十分丰富的经验，认真总结经验，这就是当前进一步提高火力发电设备 制造能力的迫切要求，也是以更高的质量水平技术水平按新世纪的历史水平， 瞄准更高的目标，进一步提高火力发电的安全，经济运行，继续发展高参数， 大容量，高效率，高的可靠性，调峰性能好和低污染的机组。积极开发大容量， 超临界机组兴建坑口、路口火电机组群，建设大型和超大型火电基地，开发 新型清洁煤燃烧发电。 近2 0 年来我国的电力工业有了前所未有的高速发展口】，技术水平也有了 很大提高，已跨入了大电网、大机组、高电压、高度自动化发展的新阶段，取 得了举世瞩目的成就。但是，随着世界范围内对环境保护的高度重视，作为环 境污染源之一的电厂，面临着既要满足用电需要、提高效率、节省能源，又要 解决环境污染问题。我国高硫煤较多，在高硫煤产地和使用地，酸雨现象十分 严重，由于n o 。形成的硝酸雨的危害是硫酸雨的两倍而加剧了危害，因此火电 厂对大气环境的污染己受到我国政府有关部门的高度重视。新的国家标准“火 电厂大气污染物排放标准”已经颁布实施，但与世界发达国家污染物排放控制 标准和措施相比，我国尚有很大差距。因此，浩净煤燃烧技术的研究开发与应 用已成为当务之急。 高效、稳燃、低污染是当今新型煤粉燃烧技术发展的需要。国外在研究新 型燃烧器时，采用分级燃烧、浓淡燃烧等方法来降低n o 。的排放。在实施中发 现，煤粉浓淡燃烧不但能够降低n o ，而且还能提高燃烧稳定性。因此，近年来 浓淡煤耪燃烧技术己成为煤粉燃烧研究的热点。 2 燃烧器的发展变化 燃烧器是燃烧系统最重要的部分之一燃烧器的设计应和制粉系统相匹配， 应和炉膛设计相适应。要考虑煤粉和空气均匀分配的要求。 浙江大学硕士学位论文 为保证安全、经济和清洁的燃烧，燃烧器设计要符合调节和控制的要求， 同时燃烧器也应有一定的寿命要求。 日本三菱公司开发采用典型浓淡燃烧的高浓度燃烧技术的刚型燃烧器，利 用弯管分配器分离把一次风分成垂直方向的浓淡两股，分别送入炉膛燃烧，运 行中发现，不但降低n o t 效果显著。而且燃烧的稳定性增强。 c e 公司研制的浓淡分离型宽调节比燃烧器，是浓淡燃烧和局部浓缩技术相 结合的典型，由喷嘴前端板、中间钝体和燃烧器简体套装。喷嘴可作水平和垂 直摆动，结构简单，维护方便“_ 。其实验结果表明：( 1 ) 着火稳燃性能好；( 2 ) 低负荷性能好；( 3 ) 燃烧效率高。此外还有b w 公司的双调风燃烧器和p a x 燃 烧器，采用浓缩器浓缩技术的石川岛播磨研制的t h i w r p c 宽调节比的卧式 分离燃烧器等。由此可以得出以下结论：首先，采用浓淡燃烧技术是国外多种 燃烧技术的共同特点，是国外先进经验。其次。煤粉高浓度燃烧技术具有低n o 。 和稳燃两大优势，是煤粉燃烧技术的发展方向。第三浓淡技术适应我国煤质 下降多变的国情，降低n o i 、稳燃之外，还可能简化系统，降低消耗。既适用于 老机组的改造，又适用于新机组锅炉的设计，值得重视。比较局部浓缩、浓淡 浓缩到高浓度煤粉浓缩燃烧技术的发展，显示出煤粉浓度的调节控制能力从完 全受常规给粉燃烧系统和浓度限制到完全摆脱其限制，灵活适应能力渐大。【6 】 图1 1w r 燃烧器 浙江大学硕士学位论文 浓淡稳燃器分流导管浓缩分配器铸石弯头浓淡稳燃器 淡煤粉浓煤粉 图l 一2p i f 燃烧嚣 五十年代b w 公司开始致力于低n o x 燃烧器的开发n ，首先采用的是可以 控制风粉混合工况的槽形燃烧器。在这种设计中将风分成两股。一部分风经燃 烧器喉口和火焰快速混合、而另一部分则转向外槽，逐步她和火焰混合。从原 理上说这种设计思想是正确的，但实际和炉膛配合作用时有一定困难。 1 9 7 2 年b & w 公司又开发了双调风燃烧器( d r b d u a lr e g i s t e rb u r n e r ) 。 在这种燃烧器中，在一次风管道外围，设有二个分别控制的调风器。内调风器 由可调轴向叶片组成，其主要功能是促进点火和稳定火焰，而切向叶片的外调 风器主要是在火焰下游供风以完成燃烧，由于外调风的旋流强度较大它也吸 引了热烟气回流以稳定火炬。最初设计的d r b 燃烧器其一次风管是文丘利管， 目的是要使风粉混合物得到很好的分散以提高燃烧效率。这种燃烧器形成的火 焰，其核心是还原性的，然后在核心火焰下游再逐步向其供风以达到既降低 n o x 又保证燃烧效率的双重功能。由于外围二次风有一定的厚度和动量、核心部 分的还原性火焰要穿过二次风是不可能的，因而可以防止炉膛结焦和腐蚀。1 9 7 3 年曾在一台锅炉上用此型燃烧器代替一般的园型燃烧器，发现n o x 可降低5 0 浙江丈学硕士学位论文 6 0 。1 9 7 4 年1 月该型燃烧器获得美国专利。大量的运行经验表明此类燃烧器 的n o ，排放低于政府要求。在华能南通电厂3 5 0 m w 满负荷实测结果，其n o x 排 放量最低可达4 4 7 m g m 3 ，一般维持6 0 0 m g m 3 在水平上。此外，d r b 燃烧器还 有几种变形，如d r b x c l ，e i - x c l 等。 b 一热烟气回遣区 c 混畚区 图卜3d r b e i - - d r b 燃烧器 图卜4p a x 燃烧器 断江大学硕士学位诠主 蝴营蟛 “一 膏沮l 量辩挥发臼精出医。 噩鼻区曲 h o 丹解区。 丧璇氯化区邱 图卜5d r b x c l 燃烧器 强化着火的e i - d r b 燃烧器和一次风可以交换的p a x d r b 燃烧器等。前者是 为反应慢或尽管反应不慢但含水含灰多因而着火有圃难的煤设计的，这种燃烧 器在外型和结构上和常规d r b 燃烧器没有什么区别，其唯一的不同是一次风速 度较低，同时燃烧器进口的锥形扩散器使得喷出的煤粉空气混合物局部浓缩， 在周围形成一个煤粉浓缩的环而中问则是富氧的、这样的煤粉浓度分布方式， 加之二次风旋流强度提高可以增加高温烟气的回流使点火性能大大改善。经验 证明这种燃烧器可以经济地燃烧贪煤和含水量高达3 5 的褐煤， 近十年来，根据我国的火力发电厂要求，进一步改善燃烧，适应煤质变化 和锅炉机组的调峰能力，节约点火及稳燃用油，达到锅炉机组安全可靠和经济 运行的目的。在国家有关部门的领导下，一些高等院校，科研单位与生产部门 密切配合，已开发出一些新的稳燃技术，研制出一些新型煤粉燃烧设备。目前， 这些新技术和新设备已在我国火电厂中得到不同的应用，有的已能达到正常水 平，并在稳定燃烧，适应煤质变化和负荷变动、节约点火及稳燃用油等方面取 得不同程度的效果”。 ( 1 ) 利用空气动力学原理，采用各种形式的钝体( 如扩散锥型、竖直型、船型、 梨型等) 、旋流器( 如直叶片，斜叶轮、圆弧形时片轮等) 以及不同方式的 浙江大学硕士学位论文 射流( 如大速差射流、偏置射流、扁平射流等) 。设法在钝体尾迹或风粉混 合物喷嘴出口处形成高温回流区( 船型钝体可形成中温回流区) ，使主气流 与回流区之间发生强烈的湍流扩散混合和热量交换，使之成为一个稳定的内 部热源以提高供给燃料着火热所需要的热量，从而维持燃料的连续稳定着火 和燃烧。 ( 2 ) 充分发挥向火侧一次风煤粉射流的着火优势，增强其对高温炉烟的外卷吸作 用，改善和强化着火条件( 如单折边和对折边扩口夹心风燃烧器) ( 3 ) 利用离心分离原理。将一次风管中的煤粉作浓淡分离，或经煤粉浓缩器或乏 气分离器，将一次风中的一部分乏气分离出去，使浓度较高的煤粉更有利于 着火和稳燃( 如附燃烧器、p a x 燃烧器、变异型燃烧器带煤粉浓缩器或乏 气分离器的燃烧器等) 这些稳燃技术和新型燃烧设备，有的可以作为主燃烧器用，有的必需对原有的 主燃烧器进行现场改造后才能作主燃烧器用，有的只能作为辅助燃烧器，主要 用于点火和稳燃。 国内先后出现了钝体煤粉燃烧器、大速差同向射流直流式煤粉预燃室、火 焰稳定船式直流煤粉燃烧器以及夹心风浓缩器等。这些燃烧器在改善劣质煤着 ( 空气+ 煤粉浓度分布 图l 一6大速差预燃室 分布 新江大学硕士学位论文 一次风 ( 空气+ 煤粉 钝体 j ：一交 勃。一 型一 图l 一7钝体燃烧器 火、稳定燃烧，适应煤种及负荷变化、节约助燃用油等方面都取得了一定成果 “) ，同时还解决了结渣与磨损问题。这些燃烧器主要利用了高温烟气内回流强 化与燃粉气流的换热来改善着火、稳定燃烧。还在某种程度上利用了高温烟气 的内回流的局部浓缩分离效果，如钝体、船体、高速射流等，从而降低了着火 热、提高了稳燃性。由于回流所能提供的能量有限，在煤质下降到一定程度以 后，这部分热量不足以确保稳燃。从着火和稳燃的角度出发，应该着重考虑高 浓度煤粉气流着火温度低、着火时间短、所需热量少的特点，提高一次风中的 煤粉浓度，利用回流与高浓度燃烧，达到稳燃的目的”。 3 燃烧方式 目前国内存在的两种主要燃烧方式“3 1 ：对冲燃烧和四角切圆燃烧 浙江大学硕士学位论文 ； ；j 。_- a ) 四角切圆燃烧 b ) 对冲燃烧 图卜8 不同的燃烧方式 1 ) 直流煤粉燃烧器的布置及其炉内空气动力特性 目前，国内外电站锅炉广泛采用直流燃烧器四角布置切圆燃烧方式。在这 种燃烧方式中，直流燃烧器布置在炉膛的四角或接近四角，四个燃烧器的几何 轴线与炉室中心的一个或两个假想圆相切。 直流煤粉燃烧器切向燃烧炉室中的空气动力特性不仅取决于每个燃烧器本 身的结构和工况参数的选择，而且也决定于燃烧器的布置方式。此时，某一角 燃烧器煤粉气流着火所需热量，除依靠本身卷吸烟气和接受炉膛辐射热外，主 要是靠来自上游邻角正在剧烈燃烧的火焰的混合和加热。这说明切圆燃烧炉室 内各燃烧器射流问的相互作用对炉内燃烧过程有重要的影响。 直流煤粉燃烧器切圆燃烧方式，由于着火条件好，煤种适应性强，一、二 次风混合的快慢可以通过燃烧器结构进行适当的调节，燃烧后期气流扰动较强 有利于燃尽等优点而得到了广泛的应用。但是在这种炉膛内，从燃烧器喷口出 来的气流并不能保持沿喷口几何轴线方向前进，而会出现一定程度的偏斜，气 流偏向炉墙一侧。偏斜严重时会导致燃烧器射流贴附或冲击炉墙。这是造成 炉膛水冷壁结渣的主要原因。而水冷壁结渣直接影响锅炉的安全运行。 浙江大学硕士学位论文 切向燃烧炉室中，由于一次风煤粉气流动量最小，刚性最差，因此一次风 射流的偏斜也最厉害。另外，结渣往往是由于一次风煤粉射流贴壁冲墙造成的。 2 ) 煤粉的旋流燃烧 与直流燃烧方式相比，煤粉旋流燃烧方式具有独特的优点：旋流燃烧早期 混合强烈，对周围介质卷吸能力强，火焰长度短，从而减少对水冷壁的直接冲 刷有利于减轻结渣及高温腐蚀：强旋射流的流动区域与直流射流是不同的，其 最大的特点就是射流内部有一个反向的回流区，这个强旋射流所特有的回流区 提高了火焰的稳定性】。 a ) 表征旋转流动的无因次特性一旋流强度 研究表明，在旋转射流中旋转动量矩m 和轴向动量矩i 是守恒的。般说 来m 和i 的表达式如下： m = p a w - r ( 1 1 ) i = p q , ( 1 - - 2 ) 式中o 一射流流量( n 1 3 s ) ；u 和w 一分别为燃烧器内平均轴向和径向速度 ( m s ) ：r s , 一旋转射流的旋转半径( m ) ；p 一气流密度( k 。珀3 ) 。由于以上两 个动量可以反映旋转射流的空气动力特性，所以各国研究者都推荐使用以这两 个量为基础组成的一个无因次准则这来表征旋转射流。这个准则就叫做旋流强 度。其表达式为：s ：兰 ( 1 3 ) 式中：l 一定性尺寸，此处取l = d 4 。d 为燃烧器喉口处直径。 将( 1 - 1 ) 和( 卜2 ) 代入( 卜3 ) 得：s ：兰冬 “- l b ) 回流区几何尺寸、射流边晃与扩展角 对旋转射流而言，回流区尺寸与射流扩展角是反映其空气动力特性的重要 参数 1 。回流区几何尺寸一般以最大直径和回流长度来衡量；射流边界通常用 该截面轴向最大速度的1 0 来定义，射流扩展角即为旋转射流边界线的交角。 此外旋转射流扩展角的特性还可用半速度边界线的交角来衡量“，所谓半速度 边界就是射流外缘轴向速度下降到该截面最大轴向速度一半的点所形成的边 界。 浙江大学硕士学位论文 为达到煤的稳定、高效而清洁的燃烧】，b w 公司对煤及其灰的物理化学 性质和燃烧理论进行大量的试验研究、投入了很大的人力和物力。试验是从二 方面着手的，b w 公司的a l l i 斛c e 试验研究中心，负责进行理论分析和实验研 究，有必要时也在该中心中建立工业试验台以对理论分析和实验数据进行工业 性论证，如最近建成的燃烧和排放物控制试验装置是当前此类试验台中功率最 大的一个试验设备。其单个试验燃烧器的热功率可达2 5 1 0 6 k c a l h 。与此同 时也强调和电厂合作以便最大程度地从电厂获得宝贵的反馈信息。早在大量发 展煤粉燃烧以前，实验室试验小型煤粉炉试烧和工业运行中已查明煤粉燃烧与 煤的质量、煤的特性以及炉膛和燃烧器设计有关。 对于任何一个锅炉制造公司来说燃烧方式和燃烧器型式的选择都是十分重 要的，从历史上看雎w 公司既设计制造过大量的干态排渣锅炉也设计制造过液 态排渣炉。在干态排渣锅炉上既大量采用园型燃烧器墙式燃烧，偶而也采用过 四角切园燃烧和顶吹缝隙式燃烧器，总的说这取决于市场原因和技术原因，如 果只就技术方面来考虑，b 公司是绝对倾向于采用园型燃烧器培式燃烧的。 经过对煤和灰的长期深入的试验研究以及对大量的电厂实际运行情况的分 析归纳，和其他各种燃烧方式和燃烧器相比较，园型燃烧器墙式燃烧至少有如 下优点： ( 1 ) 启动容易 图1 - 9 为典型的具有分隔式大风箱一磨带一层韵燃烧器布置系统图由图 可见在园形燃器墙式系统中，燃烧器实际上是成组启动的，必要时也可以几个 燃烧器启动，它并不像其他的燃烧方式要求的各角之间协同，也不要求前后培 或上下层间的协同，只要本燃烧器风煤比和旋流强度合适就可以，因此控制比 较简单，目标比较集中。 在其他燃烧系统中为保证启动成功，一般要做冷空气动力场以保证火焰大 小和位置的正确性，对应层之间位置调平，如果位置是可调的还需同步、这些 工作在培式燃烧是不必要的。为保证形成火球和避免火球飘移，对一次风速有 一定的要求，这一要求和着火要求是不一致的。这切都要求启动十分小心， 墙式燃烧没有这种问题，因而启动简单得多。 浙江大学硕士学位论文 图1 - 9 分隔式大风箱 ( 2 ) 容易着火和稳燃 煤粉在炉膛内着火和稳燃，主要决定于需要多少着火热和如何得到这些着 火热二者之间的平衡。在墙式燃烧园型燃烧器情况，煤粉着火基本上是在二次 风还没有混入的情况下进行的，即是处在煤分浓度高，着火温度相对的较低， 所需着火热较小的情况下进行的，( 其火炬情况可见图卜3 ) ，因而点火就比较 容易。 另一方面众所周知煤粉着火主要靠对流换热，煤越难着火，所要求的煤粉 细度更细，对流传热依赖程度越高。园型燃烧器的回流区是可调的，对煤的着 火和稳燃比较有利，曾经在一个容量为每小时烧五吨煤的燃烧器上做过试验， 当在常规炉膛燃烧v r 为1 0 的无烟煤时，只要有1 的辅助燃料即能将火焰完 全稳定。 墙式燃烧园型燃烧器从稳燃和水循环可靠二方面来考虑，在烧烟煤时最低 负荷可达0 3 d 。 ( 3 ) 流场和温度场均匀 浙江太学硕士学位论文 流场和温度场均匀是墙式燃烧的一个突出优点，可以想像锅炉容量越大， 这一优点越显著。 国内外运行经验都是类似的，对3 0 0 - - 6 0 0 m w 容量等级的锅炉、墙式燃烧炉 膛出口处二侧烟温偏差为5 0 8 0 。 温度偏差小的好处是十分明显的，膜式水冷壁温度偏差小热应力就小因而 延长了寿命，由于温度偏差小，过热器和再热器系统就可设计得比较简单，避 免了不必要的交叉，这些都给制造，安装和运行维护带来了好处，由于过热器 交叉少，系统简单，阻力就小。这样汽包运行压力就低，既可降低汽包应力不 可减少厂用电。同样再热器系统的阻力小提高了电厂循环效率。 由于烟气热偏差小，局部超温爆管现象得以避免，这也提高了机组的运行 可靠性。 ( 4 ) 抗结焦性 墙式燃烧抗结焦性好已被国内外运行经验所证实。其原因也是很明显的。 在墙式燃烧园型燃烧器条件下，低速直流的煤粉空气混俣物处在两股强大 的二次风包围之中，由于煤粉不可能从二次风中分离出来，因此，很少或根本 没有接触炉壁的机会当然就不会造成炉膛结焦。烧低熔点( 1 0 8 0 c ) 煤的华 能南通电厂和宁夏大坝电厂运行情况都是一个佐证。 b w 公司在这方面积累了长期的经验，说明只要炉膛尺寸合理，燃烧器布 置适当，单个燃烧器的容量选择正确，对墙式燃烧园型燃烧器的锅炉，结焦不 是一个问题，实际上目前在b 鲫公司这些设计参数都是标准化的。 ( 5 ) 煤种适应性好，燃烧经济性高 墙式燃烧的园型燃烧器有较好的负荷适应性和燃营业税经济性主要取决于 二点。一是燃烧器型式和布置，其二是受热面的配置和调温方式。前者主要是 由于各燃烧器之间风粉分配均匀，次风速取值较自由和回流区的质和量都是 可调的，这就大大提高了对不同煤种煤的着火和燃尽的适应性。 而辐射和对流受热面的配置和比例，以及双烟道布置又对煤种适应性提供 了帮助，b & w 公司设计的江苏新海电厂的2 0 0 m w 锅炉曾经烧过十几种煤、从烟 煤，贫煤到半无烟煤，它们的热值和元素分析均有相当出入，但实践证明锅炉 6 浙江大学硕士学位论文 都能安全满发。 河北省西柏坡电厂的3 0 0 v o d 锅炉也是既能烧烟煤也能烧贫煤。 就燃烧经济性而言。墙式燃烧园型燃烧器即使烧贫煤时，碳不完全燃烧损 失也小于1 。 ( 6 ) 实现清洁燃烧 环境保护是现代燃烧必须考虑的问题b & w 公司对环保技术的发展是十分 重视的，如前面提到的在公司的a l l i a n c e 研究中心已建成了当前北美最大的燃 烧和排放控制的试验装置。为降低脱硫成本、开发了炉内喷碱技术等。 当前锅炉炉膛设计的抗爆压力为8 9 0 m m 水柱，因此，当用户需要对，可在 锅炉尾部增设脱硫装置。 在n 0 ，控制方面b w 公司的方法是从各燃烧器之间煤粉和风均匀分布着手 的，其次他是以化学动力学方法处理的，而整个过程又是在厚实的，高能量二 次风包复下进行的，因此它既能达到控制n o x 的生成又不降低燃烧效率并能防 止水冷壁的腐蚀。 表l l 北京和美国b & w 公司在中国市场己投运的对冲燃烧和w 型火焰锅炉 电厂及机组编号机组容量煤种投运日期 新海电厂# 1 i2 0 伽w贫煤 9 0 0 8 1 1 新海电厂# 1 22 0 ( ) w 贫煤9 1 0 9 2 9 秦皇岛热电厂# l 2 0 0 l l f w贫煤9 2 1 1 1 4 秦皇岛热电厂# 22 0 0 卿贫煤 9 3 0 8 2 8 邯郸热电厂 l 2 0 m 唧 贫煤 1 9 9 8 邯郸热电厂# 22 0 0 删贫煤1 9 9 9 大坝电厂# 1 3 0 0 m w烟煤 9 1 0 5 1 3 大坝电厂# 23 0 0 姗烟煤9 2 0 4 1 4 大坝电厂# 33 0 0 唧烟煤9 7 叭 大坝电厂# 43 0 0 删烟煤9 7 1 2 西柏坡电厂# 1 3 0 0 m w贫煤 9 3 1 2 2 6 西柏坡电厂# 23 0 0 唧贫煤9 4 1 1 1 7 浙江大学硕士学位论文 电厂及机组编号机组容量煤种投运日期 西柏坡电厂# 3 3 0 0 m w贫煤1 9 9 8 西柏坡电厂# 43 0 0 姗贫煤1 9 9 9 衡水电厂# 13 0 0 姗贫煤9 5 1 2 3 0 衡水电厂# 2 3 0 0 y w贫煤9 6 1 】 阳泉电厂# 33 0 0 舯无烟煤 9 8 1 2 阳泉电厂群43 0 0 w无烟煤1 9 9 9 达旗电厂# l3 3 0 舸烟煤9 5 1 2 ，2 9 达旗电厂# 23 3 0 姗烟煤 9 6 1 2 达旗电厂# 3 3 3 0m i | 烟煤9 8 0 4 达旗电厂# 4 3 3 0 w烟煤1 9 9 9 台州电厂# 73 3 0 w烟煤9 7 0 l 台州电厂# 8 3 3 0 _ w烟煤9 7 1 2 华能南通电厂# l3 5 0 啊烟煤 8 9 0 1 1 0 华能南通电厂# 23 5 0 啊烟煤 9 0 0 4 0 l 华能南通电厂# 33 j o 埘烟煤 1 9 9 9 华能南通电厂# 43 5 0 姗烟煤 1 9 9 9 华能上安电厂群l 3 5 0 婀 贫煤+ 无烟煤 9 0 0 8 1 2 华能上安电厂# 2 3 5 0 m w贫煤+ 无烟煤9 0 1 2 0 5 北仑港电厂# 26 0 0 螂烟煤 9 4 1 0 2 0 扬州二电厂# l 6 0 0 m w烟煤1 9 9 9 扬州二电厂# 2 6 0 0 姗烟煤2 0 0 0 4 湍流流动现象 自然环境、生物体和工程装置中常常遇到不同类型的流动问题。由于工程 装置的尺寸、流速条件以及各种障碍的存在，其中的流动绝大部分是湍流，而 且还不只限于湍流边界层、湍流射流这类简单的流动，往往是极其复杂的流动， 如突扩回流、旋转流动( 包括极强的涡旋流动) 、有浮力的回流等。”。 湍流是一种高度复杂的非稳态三维流动。在湍流中流体的各种物理参数如 浙江大学硕士学位论文 速度、压力、温度等随时间与空间发生随机的变化。从物理结构上说，可以把 湍流看成是由各种不同尺度的涡旋叠合而成的流动。这些流动的大小及旋转轴 的方向分布是随机的、2 “。大尺度的涡旋破裂后形成小尺度的涡旋，较小尺度的 涡旋破裂后形成更小尺度的涡旋。因而在充分发展的湍流区域内，流体涡旋的 尺寸可以在相当宽的范围内连续地变化，大尺度的涡旋不断地从主流获得能量， 通过涡旋间的相互使用，能量逐级向小尺度的涡旋传递。最后由于流体粘性的 作用，小尺度的涡旋不断消失，机械能就转化为流体的热能。同时由于边界的 作用、扰动及速度梯度的作用，新的涡旋又不断产生，这就是现在湍流涡旋的 级联现象。 由于流体内不同尺度涡旋的随机运动造成了湍流的一个重要的特点一物理 量的脉动。湍流脉动引起的动量交换远比分子热运动引起的动量交换大得多， 故湍流切应力中的粘性部分是次要的，主要是脉动切应力( 雷诺切应力) 。 5 煤粉锅炉炉内数值模拟的研究现状 计算机模拟技术的飞速发展还是本世纪七八十年代开始的。目前为止，采 用计算机模拟技术研究燃烧室内过程已经是各国能源领域的研究者们普遍采用 的手段。 在七十年代是一个模型发展与完善的阶段。如g i b s o n 的化学动力学模型， s p a l d i n g 的湍流燃烧模型，g r o w 等的气固两相模型，p a r t a n k a r 的s i m p l e 算 法等“。 进入八十年代，一整套的燃烧室内的模型方法开始初步形成，燃烧室的模 拟开始走向大型的炉内模拟( 1 “。 1 9 8 6 年，英国的a b b a s 和l o c k w o o d m l 对四角切向燃烧和侧墙喷燃炉膛进 行了气相燃烧模拟其中传热采用的是离散传播模型。b o y d 和k e n t 2 1 3 对5 0 0 m w 的四角切圆锅炉进行模拟，采用了轨道法，双反应热解模型，扩散一动力焦炭燃 烧模型和离散传播法的辐射传热模型，并与实测的温度场作了比较。 1 9 8 8 年，f i v e l a n d 和w e s s e l 【盟对5 6 0 m w 的炉膛进行了流动传热、燃烧的 模拟，得到了一些热态燃烧的有益结果。 1 9 8 9 年，g i l i s ：2 3 对5 mx1 5 1x1 3 m 的冷态模型锅炉进行了模拟，并 浙江大学硕士学位论文 与实测结果进行了对比。该文探讨了如何防止伪扩散的方法，提出了一种“节 点迎风格式”。 开始进入九十年代至今，炉内三维的流动燃烧，传热模型与方法正在走向 成熟，开始向实际应用迈进，这一标志是开始与大型的冷模、实测的实验进行 对照，模拟的方向也趋向于实用的，如污染物模拟，结渣模拟，炭黑的模拟。 】9 9 3 年c o i m b r a 等【2 们对3 0 0 k 聊的墙式三维炉膛中的n o x 的生成进行了模拟， 但是没有实验值作为比较。 1 9 9 3 年，l o c k w o o d ( 2 胡等对对冲燃烧锅炉内的n o x 生成进行了数值模拟。 国内的科学工作者也在炉内的数值模拟方面取得了很大的进步。如清华大 学，浙江大学，华中理工大学，华北电力大学等。 二、本文的工作 1 对大型墙式燃烧锅炉炉内的流场流动进行数值理论研究。 2 对对冲燃烧锅炉的设计、结构和运行等特点进行研究。 3 对已运行的3 3 0 i 州对冲燃烧锅炉进行数值模拟，并与现场数据进行对比。 4 用实际运行的w 火焰锅炉运行数据与现有的数值计算程序进行对比，完善 程序。对运行情况进行分析。 浙江大学硕士学位论文 一、引言 第二章数学模型 近年来随着计算机技术的发展及计算流体力学的进展，流场数值模拟及气 固多相流场的数值计算有了很大的发展。熟知的模拟的稳定性意志是令人头疼 的问题，对于线性方程可用v o n n e n u m a n 方法来分析差分方程的稳定性；对于 非线性方程，目前只能做到：计算收敛，则认为稳定，否则不稳定。 绝大部分工程问题处于湍流状态【2 7 l ，湍流模型一直是最受关注的问题之一。 1 8 7 7 年，b o u s s i n e q 提出湍流粘性系数的概念，即雷诺应力： 一户弼c 等+ m t ， 此后用围绕粘性系数湍流即雷诺应力，提出混合长度模型、单方程模型、双方 程模型、直接求解雷诺应力的代数应力模型和应力输运方程模型等。鉴于基于 近似的并不比模型改善和的极大的计算量，尽管模型在强旋流、浮力流动和各 向异性湍流等几种情形中不适应，近年来仍在工程中得到了广泛的应用。 陈义良，孙慈针对s i m p l e 方法指出了几种提高收敛速度的方法：采用低 松弛，截面流量连续校正及压力的低松弛，误差反馈解决方程的收敛并总结 了影响方法收敛速度的若干因素御。 如第一章所引述，虽然国内外已有不少研究者对四角切向燃烧锅炉进行了 数值模拟和研究，但大多数还没有很好的把理论研究和实验研究两者统一起来， 还缺乏实际工程应用。这在对冲燃烧更为明显。在计算模型上，对气相湍流的 模拟大都停留在标准模型或等粘度模型上，没有考虑旋转和浮升力造成的湍流 各向异性效应，大多数研究者所采用的网格相当粗，从而模拟结果只有定性意 义，流动与网格斜交所引起的伪扩散还有待于进一步研究。 二、微分方程瑚r 3 7 j 1 ，简述 浙江大学硕士学位论文 对三维多相湍流运动及燃烧过程的控制微分方程组，仔细分析，会发现它 们都具有如下特点： ( 1 ) 非线性：方程中存在因变量或它们的导数的非一次项，主要表面在对 流项和化学反应源项； ( 2 ) 多变量 ( 3 ) 强耦合：各方程不互相独立，因变量交错地存在于各个方程之中； ( 4 ) 定解条件复杂：实际情况是多种多样的。 以上几个特点决定了这些微分方程不可能用解析法求解，而只能将微分方 程组离散化以后，以计算机所擅长的数值迭代法求解。 微分方程离散化成代数方程，其本质通常是用积分区域内有限数目的弧立 点上的不连续的函数值取代函数定义域内的连续函数值。目前，常用的离散化 方法有四种，即有限差分法、有限单元法、边界单元法和有限分析法。有限单 元法在固体力学的分析中发挥了巨大威力，尤其是在处理不规则的边界问题时 具有明显优势，但在处理流体力学中特有的对流项时遇到了困难；边界单元法 在求解较为简单的微分方程时只需将边界离散化，具有计算量小的优点，但在 处理有对流项和源项的问题时，还须在计算区域内部离散化，这样原来的优势 也就不存在了；有限分析法力图把微分方程的解析解与数值解联系起来，利用 微分方程在计算区域内局部的解析解，把函数在某一网格点的值与其相邻点上 的值联系起来，构造离散化的方程组，这种方法虽较为准确，但耗费较多的计 算时间，而且在求解局部解析解时常会遇到困难；有限差分法目前被认为是处 理流体力学问题时最有效的离散化方法，它具有物理意义明确、计算简单、易 于实现等优点加上贴体的坐标为换方法，有限差分法正愈来愈显示出强大的 生命力而被广泛应用。目前国际上比较流行的商品化流体力学软件p h o e n i c s 即是以此方法为基础。 需要说明的是，对不同的实际问题，坐标系可以选取直角坐标系或圆柱坐 标系处理这两种不同的坐标系可以采用统的数值方法。考虑到w 型火焰锅 炉炉内流动的实际情况，本研究中所采用的是直角坐标系。三维有限差分数值 计算方法。 浙江大学硕士学位论文 2 气相控制方程组 全部方程组应包括连续方程、动量方程、湍动能方程、湍动能耗散率方程、 化学反应的质量分数方程和能量方程，为便于求解可在三维直角坐标下写成如 下统一形式： d i v ( p v o ) 一d i v ( f g r a d 驴) = ( 2 2 ) 式中中代表待求解的变量( 如u ，v 等) 。上式左边为对流项右边这头两项为扩 散项；f 为扩散系数，右边第三项s 。为方程的源项：为气固两相相互作用产 生的颗粒源项。对不同变量o 、 表2 1 r 、s 意义或表达式在表2 1 中给出 式( 2 - - 2 ) 中各项含义 方程口中 r s p 连续方程 lo x 方向动量方程 u “盯 一罢+ 言c + 未婚一争+ 昙c 物+ 。 y 方向动量方程 v啊 一考+ 昙似玎移+ 专c 峋一争+ 昙缸可+ ， z 方向动量方程wp 唾 一考+ 昙姐酊毫，+ 杀。盯一+ 鲁姐盯老，+ ， 湍流脉动动能k l a , l y a k g k 一, o c + s ， 湍流动能耗散率 。对- a 量( c l q c 2 小s 。 能量方程h l l | | o d 姒g + sp h 锅炉炉内空气运动是一个非常复杂的三维湍流过程。描述其运动的方程可从质 量守恒定律，动量守恒定律( 忽略质量力) 和能量守恒定律推出。 连续方程： 詈+ 毒溉户。：。， 浙江大学硕士学位论文 动量方程： 掣+ 暑( 肌o = 暑珊( 2 - 4 ) dd x ld x l 控制方程： ；( p o ) + d i v ( p u 中+ j 。) = s m( 2 - 5 ) 上式中所有参量均为瞬时量，为了能进一步描述单相流体的湍流运动，通常将 各瞬时量分解为时均值和脉动值。即： 中= 面+ ( 2 6 ) 经变换后得湍流的流动方程： 连续方程： 孤a i 蕊 + + 2 0 印 o z r 2 - 7 ) 动量方程： 掣+ 掣业：一至+ 旦( 粤- - p u 。u s ) ( 2 8 ) 西ax0ho x f ”a x j 由于脉动相关量等的存在使方程组不再封闭，为了解决方程的封闭问题，必须 应用所谓的湍流模型。目前已有的湍流模型有：零方程模型，单方程模型，双 方程模型，a s m ，d s m 等。本文由于没有浮升力的情况，仍沿用k - e 方程 采用k - e 双方程湍流模型来模拟湍流粘性系数，则“可以表示为： h = 以七2 6 f 2 9 ) k 及e 在三维直角坐标下的微分方程为：( 2 一1 0 ) 、( 2 1 1 ) 塑磬+ 下3 ( p v k ) + 塑字= 瓦o 【- t 司o k + 万o - t 面o k ) + 瓦【- - i o k ) + g k j o e t o ( p u e ) + 警字+ 垫竽= 磊o ( 1 ：瓦o e ) + 品( t 考) - i - 昙( t 警) + k ( c i g - c 2 p ：k ) 文西衙苏一次7 咖一妙一出 4 以上各式中，g 。为湍流脉动动能k 的产生项， 浙江大学硕士学位论文 g = 川2 ( 罢) 2 1 + 2 ( 芸) 2 + ( i o u + _ 0 v ) 2 ( 2 1 2 ) m却甜c o t 正= ( 一+ ) 盯( 2 - 1