（热能工程专业论文）微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 我国石油资源相对匮乏，现已成为世界第二大石油进口国。燃煤电厂锅炉的启停和 低负荷稳燃却需消耗大量的燃油，为了降低电厂的燃油消耗量，近几年来国内外出现了 电站锅炉微油点火技术。燃用低挥发分煤的锅炉约占全国电站锅炉总容量的5 o 5 5 ， 但因其挥发分含量低、着火点高等特点，微油点火技术在应用于点燃低挥发分煤时效果 并不理想，限制了微油点火技术的应用范围。生物质能作为一种清洁的可再生能源，在 我国储量丰富，挥发分含量达6 0 哆扣7 0 ，将生物质同低挥发分煤混合燃烧，能提高混合 燃料的挥发分含量，降低混合燃料的着火点，扩大了微油点火技术的应用范围，能够实 现燃用低挥发分煤的现役电站锅炉规模化利用生物质能，节约煤炭、石油等不可再生能 源，减少了c 0 2 的排放，对微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料的研究具有重要意义。 微油燃烧器的核心部件是微油雾化器，其雾化性能决定了微油枪火焰的温度、刚度 和稳定性，因此，首先对微油枪内燃油的流动和雾化特性展开研究。在理论分析的基础 上以数值试验为研究手段，建立燃油压力雾化喷嘴的数学模型，描述了喷嘴内燃油流迹 线，分析了涡流室和旋流槽内的压力、速度等分布情况。分析了燃油雾化压力、喷嘴结 构参数( 旋流槽数目、喷口直径等) 对燃油流动及雾化特性的影响。旋流槽数目对于喷 嘴出口处的液膜厚度和喷出后的液滴直径具有较大的影响，旋流槽数目越大油雾液滴直 径越小分布更均匀。在相同雾化压力下喷嘴流量随出口直径的增大而增大，增大雾化压 力燃油液滴趋于向喷嘴中心移动。 其次，对低挥发分煤与生物质混合燃料在微油点火燃烧器内的着火燃烧过程进行了 数值试验研究，分析了阳泉无烟煤分别与小麦秸秆、玉米秸秆和花生壳在不同掺混比例 下，通过微油点燃时燃烧器内的温度场、速度场等。分析了微油点火背景下，一次风速、 生物质燃料粒径等因素对混合燃料着火燃烧过程的影响。研究结果表明：掺烧生物质后 能够提高燃料的挥发分含量，降低混合燃料的着火点，有效地改善了无烟煤等低挥发分 煤在微油燃烧器内的着火及燃烧过程。掺烧的生物质种类对燃烧器内火焰的温度影响较 大，在相同的掺混比例下，掺烧花生壳时燃烧器出口处火焰温度较掺烧小麦秸秆和玉米 秸秆时低3 0 0 。掺烧生物质后燃烧器内火焰温度随着掺混比的增大而降低，对于所研 究的阳泉无烟煤，在玉米秸秆掺混比为4 0 时燃烧器出口处中心温度比掺混比为l o 时 低2 2 0 。粒径和一次风速对混合燃料的燃烧也会产生较大的影响，粒径越小在混合燃 料点火阶段燃烧器内温度稍低，但在燃烧稳定后由于细颗粒的快速燃烧和剧烈反应，温 山东建筑大学硕士学位论文 度上升较快，有利于混合燃料的快速完全燃烧：随着一次风速的提高，着火距离明显增 大，燃烧稳定性变差，但一次风速越小燃烧器内结焦的可能性越大；综合考虑本文认为 混合燃料粒径为0 0 6 o 0 8 n 皿、一次风速度为2 0 2 3 n 以时，掺混燃烧效果较理想。 关键词：低挥发分煤，生物质，微油点火，混燃 山东建筑大学硕士学位论文 s t u d yo ni g n i t el o w - 1 i a t i l ec o a l a n db i o m a s sb y t i n y o ni g n i t i o n t e c h n o l o g y 撕x i 渺) i ( 1 k 襁试e i 暇夥e l 酒e l i n 曲 d i 删b y y a n g d o n g a b s t r a c t o i li sv e 巧i n d i g e n ti n 伽rc o m i t i 孔l o t so fo i l 玳；e d si n l p 嘣i g i l i t i o n 锄ds t a ：b l e n i b u s t i i nb u r n j m gc o a lu 咄s 嗽d1 0 t so fo n s om e 缸n y _ 0 i li 鲥6 叩妇l o 影i s 坞涨h e dt 0l 嗍舭觚lo i lc ( m s l 】哪p t i o ni n 誉m 哪：t ee l 蕊c i 舭1 1 1 伽rc c 唧曲眵p 嗍p l 卸t b 础贸矗】e l e d 诵也l o w - v 0 1 撕l ec o a l ( l 、厂c ) c o u n t sf o ras 诬a b l ep 1 0 p o f t i o 玛a b 0 _ u t5 0 t 0 5 5 b e c a u o fl o wc o n t 即to fv o k 蝣l ea n di 驴i t i o n 锄珥臌锄皿l l i g 也血y - o i li 鲥t i o n 钯c h n o l o 盯p r i | c t i c a la p p l i c 舐。璐i nl o w - v o l 撕l ec o a ls u 珏hc 0 删y 缸吼l o wc o m b u s 6 e 伍c i 锄c y ，d i 伍c u nt 0i g i l i t c 锄d o n 州c hl i i i l i 钯d 嫩g co fa p p l i c a t i o 璐o f 恤y 0 i li 鲥矗 t e c h l l o l o g y a sac l e 趾觚dr e 玳1 w 曲l e 翎【e r 劫，t l l e 他a 托a1 0 to f 陀c c si no wc o m i t i 孓t t 圮 v o l 撕l ec o m e m0 fb i o m a 豁c 锄r e a c h6 0 1 屯07 0 c b - 丘r i n g0 fb i o m 豁sa n d0 0 a li s 觚 d f e c t j l y cw a 弘w h i c ：hc a ni n l p v e 也ea p p l i c 础no f 血y 吣i li 班石o nt e c h l l o l o g yt 0i 班t e 也e 1 0 w - y o l a t i l e0 0 a l ( 【，v c ) ，w m c he x p 觚d e dr 锄g e0 fa p 脚i c 撕。璐0 ft i n y 帕i 1i 鲥t i o nt e i c l l n o l o 黟 锄dc a nf c a l i z es c a l eu b i o m 弱sa 嘲i n 龇粼魅v ep ) w 嚣s 馘i o nb o i hi 幽1 0 w v o l a 矧【e c o a l 锄db 主o m a 豁b yt i n y _ o i ii g n i t i o nt h l l 0 i o g yp r 0 v i d e daf e 弱i b l em e t h o dt os a v ec o a l ，o i l 锄do 也盯n 北n e w a b l e e r g ya n d 阳d u c e0 0 2 睨n i s s i o n s ，t h i st c c h o i o g yh 弱i n l p o r 魄n t s i 嘶触l 撇幻龇删i l l 龇黜删蝴幽n o wl l 幽删w 池龇e 】【p o n 0 f d i 锄廊i n c r e a s c sp r 部跚i n c r 翎郾缸ld i l o p l e ts p m y z z l ec 如t e rt 0t e i l dt 0 瑚v e t h ec 0 坞p a r to fo i lh l m 盯i st h e 血l y - 0 i l 咖m i z e r 龇dt h e 砷d 玎1 刎o np c b r m 锄 d e c i d e dt h et i n y 帕i lg u nf l 锄孵t c j m p e 翔t 1 1 s t i 助e 鹳粕ds t a b i l i 劬t h e 犯f i o ，i nn l i s 群l p e fu 虹l g 也em l m e r i c a ls i n m l a t i o nt 0s t u d yt ：h en o w i n g 觚dt h es 舯y 吐哪铆m r i s t i c so fm en o z z l e o n t h eb 鹤i so ft h 枷c a l 锄a l y s i st 1 1 e 鼬m c t u 坨c h 乏l r a c t e r i s t i cp h y s i c 甜锄dm a t h e 棚脚i c a lm o d e l 山东建筑大学硕士学位论文 o f 廿l ep r 鹳跚聆“la t 础z i n gn o z z l ea r ees t a _ b h s h e d a n d 吐l e nd e s c b e st h e 仃蹴so ft l l ef u e i n o wi i l s i d e 也en o z z l e ，删y z e sp r e s 驯r ea n ds p e e dd i s 仃i b u t i o ni nt h ep r o c e s so fs p f a ya tl a s t m es 臼彻船p a 髓m 觚o f n 0 劢e 趾d 缸e la t o m i z a t i o np r 懿s 啉o nt l t ei m p 囝l c to f 恤舭lf l o w 锄da t o m j z a t i o nc h a 眦t e r i s t i c sh a v eb e e n 舭由z e d t h er e s u s h o wt h a t ：删m l b e r0 fs 谢r l g 脚v eh 勰ag r e a ti n f l u e n c ef 研t t l ej 6 i h n 恤i c k 鹃o ft h en 0 2 才e m 锄dt h ed i s t r i b u t i o no f d i o p i e td i 锄t e r t l l es w i r i 粤0 0 v em l m b 盯t 量l e 伊e a t 盯t h em i s t 锄1 a l l c rd r o p l e td i a m e t c r d i 鲥t m i o ni sm o l u i l i f b 皿 a n d 也e nm m l e r i c a ls 蛔【m a t i o nm e t h o di se m p l o y e di nt 1 1 i s 也e s i st 0i n v e s t i g a r t et h e p r o c c s so fi g i l i t el o w - v o l a t i l ec o a l 锄d b i o m 船sb yt i l 驴i 王i 鲥缸0 nt e c h n o l o g y a n a l y z e dt 1 1 e 钯i n p e r a t u r cf i e l d v e l o c 时矗e l di nm cb 聪峨m e r 舭lc o m b 妇l t i o nw 1 1 i c hi i l i x i n gu p y a n g q 岫n 孤曲r i t ew i t hw b e a ls 臼聃c o m 鼬嘲v 髓dp e 国瑚ns h e l l sr e s p i e c l i 、r c l yi nd i 岱r e m m i 虹n g 枷ow e r eh tb yt i l l y - o i li g n i t i o nt e c h n o i o g ) ：a n ds e v e r a ii n l p o r t a n tf k t 0 璐w h i c h i i l f l u e n c et ：h ei 础i o no fp i l l v 锁硎b i 啷s s 锄d 锄l 廿1 豫c i t ca 他锄国1 1 隅es i l c h 鹤p t l l v e r 砌 b i o m 鹪s 趾d 锄曲【r a c i t ef i 】舱n e s s ，t i l ei n l e tv e l o c i 够o fp l 佃豫巧a j 出n o w t h e 他s u l t ss h o wt h a 土： c 0 一疵m gb i o i n 嬲s 诵胁铡【l l r a c i 钯c 趾i m p o v ef l l e lv o l 撕l ec o n t t 髓dl o w 凹也ei 弘i ：t i o n p o i n to ff 沁lc o m b i n a t i o n ，觚de 彘c 垃v ei m p f o v e d 也i e 蜘i o np r i 磁s s0 fl o w - v o l a t i l ec o a l i n 龇蛳i l m 跚so f b i o n ：鹚s 蛐c o 触、椭觚l l l i 粕沁h 鼬al a 骤ri m p a c t 0 n 恤t c n 咖d i 蛐丽i i l 龇b i 慨锄d e r 恤黜n l b ( 吨僦ow l l 衄i n i 她僦 p e 锄l l ts h e l l s 也e 锄琊慨a t i 鹏1 0 w 日a ：b o u t3 0 0 也姐诚hs 昀- w 锄dc o ms 舡叠wc 0 - f i r i l l g b i o m 嬲sw i m 鲫曲瑚c i t en 锄et e m p t 溅眠l r ci nt h eb l 珊e rd t 鄹口e a s ew i l ht h ei i l c r e a o fm i x i n g r a t i o ，f | 0 r 幽e m 群1 1 l 趾瓤眦嗽蝣i t e 他s e a r c h e di n 也i sp 毒i p e r ，w h e n 姗s 峨wm i x i n g 枷oi s 4 0 n l en 锄et e i n p 蹦她陀a tn 垃e 妣o f b 衄嘣。1 0 w e ra b o u t2 2 0 t h a nm i ) 【i n gr ：a t i oi s1 0 t h ei n l c tv e l o c i t i e so fp r i n l a r ya i rf 1 0 w 趾dp i n v 钮砌b i o m 私s 锄d 赳l n l 均c i t e 痂i 圮s sa l h 嬲al a 蹭e ri n l p a c to nt ：b ec c 眦d 砌s t i o no fm 波e d 如d t h es m 甜l e f 协ep 枷c l es i 旋t h e t e m 硝：r 乏m l r ei nb l l m 盯s l i g h t l yl 嗍a t 孵o f i 鲥t i o 玛b u td u et 0n l em p i dc 0 m b 咖o no f 也e f h l ep 枷c l c s 纽di n ：t e r 龄r e a c t i o na t 也es t ；唱eo fc o m b u s t i o ns t a b i l i 劬t e m p c 鄹 t i l 托r i s i l ：l gf 妇 订l l i c hi sp l d p i t i o l l st 0f 砬锄dc 唧l e t ec o m h 蜘眦t h ei i i l p v e 删o f 龇p f i l a r ya i r v e l o c i 坝t h ei g i l i d o nd i s t a i l c ew 私i i l c r e a s e d 觚dt h ec o m b 删m o ns t 矗b i l 时b c c o m 鹪w o r ，b u t t b e 锄a l l c rp i i 玎豫巧a i rv e l o c i 够t 1 1 el 骶l m o o do fc o k i n gi nb l l m e r 也eg r e a ：缸c 眦n l 玳v e c 0 i d e r a t i o no f v 耐o l l sf 缸约幅，i i lt i l i ss t i l d yw h i i e 叫w 丽z e db i o m 嬲s 锄d 越l l 均c i t 2f i n e r 圮s s 一 些奎堡篓盔堂塑主堂垡迨窒 i - _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ - _ - _ - - _ _ _ _ - _ l l _ l _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ - _ i _ _ - _ _ - _ _ _ - - - 一 一 i so 0 6 删t 0o 0 8 删，a n d 龇瑚e tv e l o c i t i e so f p f 呻a i rn o w i s2 0 觚t 02 3 觚，m i ) 【i i l g c o n l t 戚o ne 珏i e c ti sb e t t 既 k e y w o r d s ：l o w - v o l a t i l ec 砌( l v c ) ，b i o m 鹤s ，血y _ 0 i li 嘶6 0 n ，c o - 觚n g v 山东建筑大学硕士学位论文 1 1 课题背景及意义 第1 章绪论 电能是当今世界最为重要的二次能源，在我国现代化建设以及国民经济的发展中具 有不可替代的作用。我国的电力生产以煤电特别是煤粉燃烧发电为主，但煤炭在燃烧过 程中会释放出大量的c 0 2 、s 0 2 、n o 】以及粉尘等有害物质，同时还需要使用大量的柴油、 重油等燃料油在煤粉在燃烧过程中进行点火、稳燃，仅2 0 n 年燃煤电厂就消耗燃料油约 3 5 0 0 万吨。煤炭、石油等化石能源具有不可再生性，近年来，因电力需求的快速急剧增 加，煤炭资源相对短缺的现象日益严重，资源逐渐枯竭。为了适应节能减排的要求，必 须降低煤炭、石油等在能源结构中的比例，大力发展清洁环保的可再生能源。 口产量万吨 一折合标煤万吨 _ln 几上hn 作为一种清洁的可再生能源，生物质能在我国储量丰富。据统计，全国近年秸杆年 产量约7 亿吨，薪柴年产量( 包括木材砍伐的废弃物) 约2 8 亿吨左右，还有大量的人畜粪 便及工业排放的有机废料、废渣，每年生物质资源总量折合标准煤可达6 刁亿吨1 1 1 。但 由于生物质能量密度低、热值低、燃烧效率低等特点，目前将生物质能作为能源利用的 比例并不高，将其应用于电力生产的则更是少之又少。然而将生物质与煤在现有燃煤锅 炉上进行混合燃烧则不仅可以充分发挥生物质利用过程中s 0 2 、n o x 排放量小，c 0 2 零 | | | | | | 山东建筑大学硕士学位论文 排放等优点，而且相比于生物质的其他转化利用方式，如气化、液化等，无论从生态学 还是经济学的观点上看，都是见效快、费用低、最简单、最可行的方式之一1 2 胡。具体而 言：生物质与煤混合燃烧可以在现有燃煤锅炉上进行，不需要重新投资建设新的燃烧设 备，可有效降低生产成本；将生物质同煤混燃则能够很好的解决单独燃烧生物质时锅炉 内灰沉积及腐蚀严重等问题；生物质中碱( 土) 金属等无机矿物元素的含量较高，可降低 煤粉燃烧过程中s 0 2 的排放量；通过对电厂周边地区生物质原料的有效利用，可减少化 石燃料的运输费用，降低运行成本，同时还可以增加周边地区农民收入【5 】。因此，无论 在现有电厂或者新建电厂，采用生物质煤粉混燃都是十分经济有效的能源利用模式。 我国低挥发分煤储量丰富，约占总煤炭储量的1 9 左右，并且主要是用于发电，其 机组容量约占全国火电机组装机容量的5 0 5 5 ，且其分额还在不断增加中嘲。根据我 国发电用煤质量标准，干燥无灰基挥发分v d a f 小于2 0 属于低挥发分煤，小于6 5 属于 特低挥发分煤，挥发分含量越低的煤其煤化程度越高，燃烧发热量中挥发分的发热量所 占的比例也就越低，着火比较困难；而且煤的岩相结构紧密而稳定，孔隙率小，可磨性 能减弱，反应性降低，燃尽变差【7 】。低挥发分煤在利用的过程中存在着火与燃尽困难， 着火与燃尽温度较高以及燃尽时间较长等缺点；并且燃用低挥发分煤的能源系统效率偏 低，在我国火电供电煤耗比国际先进水平高2 0 左右，能源浪费严重；而且为了获得满 意的燃烧效果，还需要将煤粉磨得更细，使煤粉表面积增大，以加速着火与燃尽，这就 对制粉系统提出了更高的要求；同时燃用低挥发分煤时烟气中n o x 的排放量较高，污染 严重。 解决和改善低挥发分煤在着火和稳燃过程中各种问题的常用措施有：1 ) 采用热风送 粉仓储式制粉系统，提高一次风煤粉混合物温度；2 ) 提高煤粉细度和一次风气流中的煤 粉浓度；3 ) 采用挥发分含量更高的燃料同低挥发分煤混合燃烧r 丌。其中混合燃烧对提高 锅炉燃烧安全性、经济性，控制污染排放都是非常有效的，是合理利用现有煤炭资源的 一个重要发展趋势，在世界范围内得到了广泛的应用，也是目前国内外的研究热点。 生物质中挥发分含量较高，约占6 0 v 7 0 ，将其同低挥发分煤混合燃烧，可以有效 解决低挥发分煤在燃用过程中的出现的着火及燃尽困难等问题。同时，生物质与煤混合 燃烧还可以提高和稳定动力煤质量，满足燃煤锅炉需求；提高锅炉热效率，节约煤炭资 源合理；利用资源，提高煤炭企业的经济效益( 。因此，对于生物质和低挥发分煤混合 燃料的研究在我国具有重要的理论和现实意义。 在我国现行煤粉炉最普遍的点火方式是采用大油枪点火，这种方式就是将锅炉点火 2 山东建筑大学硕士学位论文 油枪设置在在二次风喷口中，锅炉启动时，先点燃点火油枪，通过油燃烧使锅炉炉膛达 到一定温度后，煤粉开始喷入炉膛内进行油煤伴烧，当锅炉负荷达到一定程度，煤粉能 够稳定燃烧后断油完成点火过程，并且一旦燃烧出现不稳定或者锅炉在低负荷水平下运 行时，就要立即开启油枪进行低负荷伴烧。据有关资料显示，在这种大油枪点火稳燃方 式下，1 2 5 m w 电站锅炉机组冷态启动从点火到带满负荷，时间不短于9 h ，其中消耗燃 油时间近8 h ( 约至9 0 m w 时完全停油) ，耗油量约3 0 t ，而一台3 0 0 m w 机组冷炉点火一 次需耗油7 0 t ，一台6 0 0 m w 机组则要l o o 2 0 0 t ，我国电站锅炉每年耗油量已达2 l o o 万 吨，燃油的大量消耗，不仅是优质能源的浪费，而且增加了油燃料的采购、运输、存储、 处理、输油管道敷设等诸多硬件设施费用，由于石油资源的日益枯竭，交通和石化工业 需求量的不断提高，油价持续攀升，使发电成本大幅增加嗍。面对如此严峻的能源利用 形式，研发节油点火和低负荷稳燃技术，降低锅炉在点火稳燃过程中的燃油消耗量，有 着十分重要的意义。 微油点火技术是目前各大电厂所研究和采用的主要节油点火燃烧技术。这种点火方 式设备投资、运行和维护费用都比较低，它的主要特点是将油枪布置在一次风喷口中而 不是布置在二次风喷口中，这样燃料油燃烧所产生的热量就能够直接用于加热煤粉，使 得燃烧热量的利用率大大提高，从而可以显著地降低所需油枪的负荷，达到节油的目的。 虽然微油点火技术可以显著的地减少锅炉启停和低负荷运行时的燃油耗量，降低运行成 本，但这种技术对于点燃挥发分含量低的贫煤、无烟煤等煤种效果并不理想，这是因为 挥发分含量低的煤种其着火温度较难着火燃烧。如前所述，生物质中挥发分含量高，约 占6 0 v 7 0 ，有的甚至更高，且其热解迅速，把生物质颗粒与贫煤、无烟煤等低挥发 分按一定比例混合，可提高燃料的挥发分含量，降低混合燃料的着火点。采用微油点火 技术，能实现混合燃料的快速点火和稳定燃烧，扩大微油点火技术的使用范围，增强使 用效果。 微油点火、生物质和煤混燃的复合燃烧器在我国具有广阔的应用前景，不仅能够在 燃煤发电厂应用，而且也能够应用于工业锅炉、水泥窑炉等燃煤设备。然而目前对于应 用微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料的研究却很少，应用数值试验的方法进行研究 的则更少，因此，本文应用数值试验方法对对微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料进 行研究具有一定的理论与实用价值。 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 生物质煤粉混燃研究现状 低挥发分煤与生物质混合燃烧是一项综合利用生物质能和低挥发分煤炭资源并同时 能够降低污染物排放的新型燃烧方式。这种混合燃烧方式有利于增加锅炉效率；减少燃 料消耗；减少n o x 、s 0 2 和化石燃料c 0 2 的排放；降低土壤和水污染，因此生物质与煤 共燃己引起国内外的广泛关注网。 1 2 1 国外研究现状 美国、英国、芬兰、丹麦等欧洲国家很早就开始发展生物质发电技术，特别是混燃 发电技术，使混燃发电成为生物质发电的主流趋势，截止到2 0 1 1 年研究报告显示：全球 已有接近3 0 0 个生物质混燃发电项目【1 0 1 。在美国，早在1 9 7 9 年的威斯康星州的 b a ：y f r - o n t 电厂就开始在锅炉中混烧铁路枕木等生物质，混合比例高达5 6 ；自1 9 9 2 年起，e p ( e l e c 臼血p o w e rr e s e a r c hh ，1 v a ( ，r 髓n e s s 、埘l e ya i i i h 耐锣) 等在美国 能源部门生物质计划的资助下，开展了大量关于煤粉炉混烧生物质的研究，重点关注了 生物质燃料特性、混燃比例等对燃烧过程的影响作用；g p ug 痂c 0 ，n m s c o ，c & s w ， m ( 战e ，n y s e g 等公司则致力于生物质混燃的商业化应用，研究在现有电厂实施混燃 改造的可行性；到2 0 1 1 年生物质能在美国总能耗中所占比例己近2 0 ，生物质发电装 机容量已经达到1 5 0 0 0 m w 。英国有1 3 个装机容量超过1 0 0 0 m w 及其以上的燃煤电厂都 开展了生物质混燃技术，还有部分大型燃煤电厂正在进行生物质混燃发电项目的改造， 英国的f e r 珂晰d g ec 电厂，于2 0 0 3 年成功完成煤粉与生物质混燃发电的改造并发电运 行，该厂3 5 的发电量来自生物质燃料，据统计显示，截止到2 0 1 1 年该厂燃烧生物质 燃料已达1 3 2 万吨，相当于节省标煤5 5 1 万吨t n l 。而在芬兰的s e v o 电厂，在将一台超 高压自然循环流化床锅炉改造为混烧生物质燃料锅炉的过程中，原有的燃料处理系统基 本没有改动，而仅仅是在燃料存储方面新增了一个生物质燃料存储厂及少量的相关设各， 改造过程中原厂设备利用率高达9 9 。 在国外生物质煤粉混燃发电技术在实际应用中得到了大力的发展，这主要是因为国 外在生物质利用方面有着强大的政策激励机制，例如通过税收补贴、投资补贴、电价补 贴、专项资金计划和碳排放量等政策来支持生物质混燃发电项目的发展。 4 山东建筑大学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 国内对研究者对生物煤粉质混燃技术同样进行了广泛的研究，但是大多集中在试验 理论研究上。李平【1 2 1 等人通过试验研究分析了蔗糖与煤粉混合燃烧过程中应该注意的一 些关键性问题，并对如何强化生物质煤粉混合燃料在锅炉中的燃烧进行了一定的探讨。 盛昌栋【1 3 】等人对生物质燃料的特性、煤粉炉混合生物质燃料燃烧过程中的技术特点和技 术优势进行了分析，结果认为，煤粉炉混燃生物质燃料技术简单，投资和运行费用较低， 不仅能够有效的利用清洁可再生的生物质能进行发电，而且还能够降低燃煤电厂发电过 程中c 0 2 、s 0 2 、n o x 的排放量，值得在我国推广应用。刘豪等【1 4 l 在s 随4 0 9 c 型热综合 分析仪上对生物质与煤粉在不同掺混比例时混合试样的燃烧特性进行了分析，结果表明， 在生物质掺混比为0 时试样着火温度比单一生物质燃烧高出约1 0 0 ：而在生物质掺混 比例为5 0 时，试样的着火温度同单纯生物质燃烧时的着火温度相差无几；在掺混2 5 生物质燃料时，其试样着火温度大约比单独生物质燃烧时高出3 0 ，但相比单独燃烧煤 时的着火温度要低6 0 7 0 ；而且不同种类的煤粉同相同生物质掺混燃烧时所表现出的 特性也是不相同的。马爱玲等【1 5 】则利用t g - d t g 热分析仪对煤、生物质及按不同比例掺 混时混合物的燃烧过程进行了分析，结果认为：在加入生物质后煤的着火温度得到了一 定程度的下降，说明生物质的加入改善了煤的着火，而且随着掺混比例的增大，生物质 燃料对煤着火特性的改善程度也越来越大：加入生物质后，固定碳含量越高，混合物着 火温度降低得越多。张海清等【1 6 l 同样利用热重分析仪对稻秆、玉米秆、麦秆以及木质素 同烟煤混合燃烧时的燃烧特性进行了试验研究，结果表明：生物质与煤混燃后，着火温 度均比煤的低，固定碳最大燃烧速率比煤单独燃烧时大，对应的温度比煤的低，说明生 物质的加入可以明显改善煤的着火并促进了煤的燃烧。 虽然2 0 0 6 年以来，我国在生物质发电项目上取得了巨大的进展，但生物质煤粉混合 燃烧发电项目却非常少。目前仅有山东枣庄的华电国际十里泉电厂、以及上海协鑫( 集团) 控股有限公司下属的热电厂实施了生物质混燃发电，这主要是因为，在国家政策支持上， 只有混烧比例达到或超过8 0 时生物质混燃项目才享受电价优惠政策，但生物质掺混比 达到或超过8 0 时对于锅炉效率不利影响很大。山东十里泉电厂混燃发电项目总装机容 量为1 4 0 m w ，设计掺混比例也仅为2 0 ，但作为示范项目十里泉电厂得到了山东省的 电价补贴，生物质发电上网电价为：0 5 9 4 元依w h ，而燃煤发电上网电价则为0 3 5 4 元 l ( 珊【1 7 l 。 5 山东建筑大学硕士学位论文 对于生物质煤粉混合燃烧所用燃烧器的研究则更是少之又少，这其中主要有华北电 力大学的刘石、翟佳翔【l g l 等人结合煤粉与生物质共同燃烧的特点，按照一般旋流燃烧器 的设计方案以及计算流程，设计出了一种能够应用于生物质煤粉混合燃烧的旋流燃烧器； 并在自行搭建的锅炉试验台上对旋流燃烧器的点火燃烧情况进行了试验研究，比较了不 同旋流强度下，生物质煤粉混合燃料的燃烧状况，最后对旋流燃烧器中旋流叶片的结构 进行了优化。贾兆鹏【1 9 】等在自行搭建的o 3 m w 煤粉炉试验台上，对自行设计的生物质 煤粉混燃旋流燃烧器与山东十里泉发电厂的旋流燃烧器进行了对比试验，分别计算比较 了不同燃烧器的锅炉燃烧效率，c o 、n o x 气体排放量以及飞灰含碳量等；并从降低污染 物排放、稳定燃烧等方面进行了一定的探讨。秦建秀幽l 等则对生物质与煤粉混合燃烧的 旋流燃烧器内气固两相流动进行了数值模拟，结果表明，固体颗粒的运动轨迹同旋流燃 烧器旋流数有较大的关系，随着旋流数的增大气相与固相扰动增强，颗粒相扩散现象显 著；随着生物质燃料流密度的降低以及生物质燃料与煤粉燃料密度差的增大，燃料混合 物在燃烧室内混合行进一段距离后将会发生分离，而这种两种燃料的分离现象能够产生 局部低温燃烧区域，这对于抑制n o x 的生成具有一定的作用。 1 3 锅炉微油点火技术及其研究现状 1 3 1 微油燃烧器的工作原理 根据其结构特点，微油点火燃烧的工作原理包括：小油枪内微油气化燃烧和气化小 油枪直接点燃煤粉两部分。其基本工作原理如图1 2 所示。 级燃烧童 图1 - 2 微油点火燃烧器原理图 6 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 1 1 微油气化燃烧原理 微油气化燃烧的工作原理是：利用机械或压缩空气等手段将用于锅炉点火的燃料油 挤压、撕裂、破碎，产生油雾后，通过高能点火器将其引燃，并利用油雾燃烧所产生的 热量使后加入的燃油在极短的时间内蒸发燃烧。由于燃料油是在被蒸发气化以后才进行 燃烧，这样就能够较大程度的提高油火焰的温度，并相应的缩短油雾的燃烧时间。燃料 油气化燃烧的火焰( 如图1 3 所示) 钢性极强、传播速度快、火焰根部为蓝色、中间及尾部 为透明色、火焰温度高( 中心处温度可达1 5 0 0 2 0 0 0 ) ，这样就可以在煤粉燃烧器内直接 点燃煤粉，并利用煤粉燃烧所产生的热量点燃后加入的煤粉，从而实现以煤代油，而在 锅炉启停和低负荷稳燃中实现节油的目的。 图1 3 微油气化燃烧火焰状况 1 3 1 2 小油枪点燃煤粉的工作原理 气化小油枪点燃煤粉的工作原理是：气化油枪燃烧产生的高温油火焰首先进入煤粉 燃烧器一级燃烧室，当经煤粉浓缩器后产生的浓相煤粉通过燃油气化燃烧所形成的高温 火核时，煤粉温度急剧升高、颗粒破碎，并释放出大量的挥发分后着火燃烧：而已着火 燃烧的浓相煤粉在二次燃烧室内与稀相煤粉混合并点燃稀相煤粉，实现了煤粉的分级燃 烧以及能量的逐级放大( 如图1 - 4 所示) ，从而达到点火并加速煤粉燃烧的目的，大幅度的 减少了煤粉着火燃烧过程中所需要的引燃能量【2 l 】。 7 山东建筑大学硕士学位论文 1 3 2 微油点火燃烧器的技术特点 图1 4 煤粉燃烧火焰状况 在我国微油点火技术已成功应用于1 0 0 m w 、2 0 0 m w 、3 0 0 m w 和6 0 0 m w 锅炉机组 中：燃烧的煤种包括褐煤、烟煤和贫刷2 2 1 。其技术特点主要包括以下几个方面： ( 1 ) 微油点火燃烧器对煤种和煤粉浓度的变化具有较强的适应性，因此煤种及煤粉浓 度在一定范围内发生变化时，微油点火燃烧器都能使其顺利的着火燃烧； ( 2 ) 小油枪所产生的微油气化燃烧火焰具有较高的速度和刚度，而且油枪出力范围广 能够适应多种不同负荷以及煤种条件； ( 3 ) 微油点火燃烧器在锅炉启停以及稳定燃烧过程能够节约大量燃油，节油效果明 显，节油率可达9 0 ； ( 4 ) 在用气化微油燃烧器替代锅炉现有大油枪燃烧器的过程中，不会使燃烧器的阻力 增大，改造前后燃烧器性能可基本保持不变： ( 5 ) 采用独特的独特的防磨、防烧损和防结焦技术，能够确保燃烧器长期安全稳定的 运行； ( 6 ) 整个微油点火系统简单，使用可靠，启动投入响应速度快，维护工作量小，初期 投资少，运行费用低，投资回报率高。 1 3 3 锅炉微油点火技术的研究现状 在我国微油点火燃烧器已经被广泛的应用于工程实践中，即将锅炉中原有的大油枪 山东建筑大学硕士学位论文 改造为小油枪，并都得到了较好的节油效果，但是在数值试验方面对其的研究却相对较 少。 现在主要有中国计量学院的池作和和孙公钢豳l 对微油燃烧器一级燃烧室的结构进 行了数值模拟研究，从而对一级燃烧室的结构参数进行了优化。南京师范大学的李新梦 和姚磊刚等人对煤粉气流在富氧燃烧器内的着火燃烧过程进行了数值模拟研究，得出了 不同煤粉浓度对着火温度与着火距离的影响，并反应出了煤粉在富氧微油点火燃烧器内 的着火过程的变化情况。华北电力大学付忠广、王志鹏【2 5 j 等人则利用数值软件对微油燃 烧器内的三维流动燃烧特性进行了数值模拟研究，得出了燃烧器内部的温度和速度分布 情况，结果表明一次风气流速度对煤粉气流的着火过程具有重要的影响作用，一次风速 度过高煤粉不宜被点燃而过低则可能导致煤粉燃烧器内的堵塞，还会增大一级燃烧室结 焦的可能性。王明臣阳等人则运用f l i 刀孙r r 软件对华电大通1 0 2 5 t h 锅炉冷态启动微油 直接点火燃烧器进行了数值模拟：研究了燃烧器内的流动、燃烧、传热状况，对煤粉气 流的着火过程进行分析；分析了一次风煤粉气流速度、煤粉浓度、煤粉细度、煤种变化 对煤粉气流着火的影响，并对各个参数进行优化，确定了其最佳范围；最后针对燃烧器 在运行中可能出现的问题，对燃烧器油燃烧室和燃烧器内部的结构进行优化研究。 1 4 课题的提出及主要研究内容 1 4 1 课题的提出 如前所述，对于微油点火以及生物质煤粉混燃技术，都进行了一定的理论研究，在 工程实际应用方面得到了较好的发展，但是也同样存在着一定的不足。微油点火技术在 燃煤锅炉启停及低负荷稳燃过程中节油效果显著，但这些基本都是在切圆燃烧锅炉上取 得的，而对于燃用低发热量、低挥发分煤种的锅炉却依然处于试验阶段，也并未获得实 质性的突破，尤其是锅炉冷态启动过程，仍需要进行大量的试验去论证；同时对于生物 质煤粉混燃燃烧器方面则更是仅有少数学者对旋流燃烧器进行了研究，而将微油点火技 术应用与点燃低挥发分煤与生物质混合燃料相结合的研究则鲜见报道。随着计算机技术 的发展，针对气固两相流、煤粉燃烧过程的数值模拟已经成为研究燃烧器及炉内流动和 燃烧的重要手段。利用计算机模拟可以缩短研究时间，节省资金，对于锅炉的运行、改 造具有重要的意义。 本文应用数值模拟的方法对微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料进行研究，既对 9 山东建筑大学硕士学位论文 微油点火技术在点燃低发热量、低挥发分煤种应用方面所存在的问题提出了一种解决方 法，又对生物质煤粉混燃技术研究发展具有一定的意义。因此，本文的研究课题是值得 展开的。 1 4 2 主要研究内容 本文的主要工作包括以下几个部分： 。 ( 1 ) 研究微油点火燃烧器燃油雾化喷嘴内的流动特性。建立燃油雾化喷嘴的物理和数 学模型，通过数值仿真软件研究压力喷嘴内燃油的流动特性：分析了雾化喷嘴旋流槽数 目、喷嘴出口直径、燃油雾化压力等对喷嘴流动特性和雾化性能的影响，并给出了各参 数的合适取值范围，为微油雾化喷嘴的合理设计、经济运行提供参考。 ( 2 ) 研究微油点燃低挥发分煤与生物质混合燃料的着火和燃烧特性。通过f i ，i 刀巨_ n t 软件，对不同生物质和煤粉的混合燃料在径向式微油燃烧器中的点火和燃烧过程进行了 数值模拟，得出了燃烧器的温度、速度等的分布：分析了生物质种类、生物质煤粉掺混 比、混合燃料粒径、一次风风速等对混合燃料气流着火和燃烧的影响，对各参数进行了 优化设计，为将微油点火燃烧器应用于低挥发分煤与生物质混合燃料的点火提供参考。 1 5 本章小结 本章首先阐述了课题的背景和意义，指出了生物质煤粉混燃技术和锅炉微油点火技 术的国内外研究现状，然后介绍了前人对微油点火燃烧器的进行了分析和比较，确定了 本文的技术路线，最后介绍了本文所要做的研究内容。 l o 山东建筑大学硕士学位论文 第2 章燃烧器数值模拟的理论模型 微油点燃生物质与煤混合燃料是一个十分复杂的物理化学过程，因为这既有燃料油 在小油枪内的流动、雾化和燃烧，又有生物质煤粉混合燃料在燃烧器内的流动和燃烧。 它包含着流动、传热传质、化学反应以及它们之间的相互作用，它的模化主要包括：气 相湍流流动模型、粒子受力模型、液滴碰撞模型、液滴破碎模型、颗粒加热、挥发分析 出及着火、焦炭燃烧、气相湍流反应、辐射传热、颗粒的湍流扩散，污染物的形成等方 面阴。 2 1 三维湍流流动的控制方程 实际上燃油的喷雾燃烧以及含生物质煤粉混合燃料的气流在燃烧器内的流动和着火 燃烧是一个极其复杂的三维湍流流动过程。对这些实际工程进行数值模拟就需要依据流 体力学、传热传质学、燃烧学等领域的基本原理作为出发点，建立起质量、动量、能量 以及组分等守恒方程。这些运动守恒方程可以被描述为数学表达式形式下的连续性方程、 动量方程以及能量方程等。 ( 1 ) 连续性方程 连续性方程是流体力学中质量守恒的表达式，对任何一个化学组分k 而言，连续性 方程可表示为【2 7 】： 昙( 眺) + 考( ) r - 考( l 拳+ 墨 ( 2 - 1 ) 式中，豫为组分k 的质量分数，定义为： 、 肌七= 风；风 ( 2 2 ) ，i 。 取表示由于化学反应引起的组分x 的产生( 或消耗) 率以及多相反应产生的本组分的质量 源；n 则是化学组分k 的输运系数。 l = 以 ( 2 3 ) 其中，仇是化学组分k 对应混合气体的扩散系数。 式( 2 1 ) 对全部组分进行相加，即得到整个流体的连续性方程： 山东建筑大学硕士学位论文 式中，反为颗粒反应引起的质量总源项，当不存在颗粒相反应时 成= o ( 2 ) 动量方程 动量方程的一般形式为： 昙c 卅考( 哪) r _ 鲁+ & 其中： 哪忡c 考每+ 争考毛 + l 弭。l 珥；jc ： 磊为克罗内克函数 岛= 嚣引 ( 2 川 ( 2 5 ) ( 2 呦 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) 磊为应力张量，则包含了各个体积力与阻力在f 方向的分量，在多相流的问题中，其 各相问的相互作用力也应在此项中得到反映。 ( 3 ) 能量方程 用流体比焓办及温度z 表示的能量方程如下： 掣+ 掣+ 警+ 掣一脚懒( 柳椰呲 ( 2 - 1 0 ) 其中，名是流体的导热系数；瓯为流体的内热源；o 为由于黏性作用机械能转化为热能 的部分，称为耗散函数。 = 巧 2 ( 罢) 2 + ( 考) 2 + ( 暑) 2 + ( 考+ 塞) 2 + ( 罢+ 罢) 2 + ( 罢+ 爹) 2 。2 。， 式( 2 - 1 1 ) 中，弘枷u 系表面力对流体微元所做的功，一般可忽略；同时对理想气体，液体 黾 。 r 见 。 “ 屯量 o i i 旦哪 p 耖一甜 山东建筑大学硕士学位论文 及固体可以取j i i = c ，r ，如进一步取为常数，并把耗散函数m 纳入到源项品中 ( 品= 瓯+ o ) 于是可得： 鲁+ 咖( 叮) = 咖( 丢删) + 告 ( 2 - 1 2 ) 伐 pc。p 、 式( 2 1 ) 、( 2 7 ) 及( 2 1 0 ) 包含6 个未知量，以，1 ，w ，p ，r 及p ，还需补充一个状态方 程，方程组才能封闭f 2 8 】： ， p = ( 尸，d 。 ( 2 - 1 3 ) 以上所列的基本控制方程是封闭的。因此，对于一个问题只要给出其合适的边界条 件和初始条件，在不引入其他模型的情况下即可求解。然而在在多数工程问题中，流体 的流动大多处于湍流状态，而在此状态下求解三维瞬态n a v i * s t o k 鹪方程，难度非常大。 为了使求解相对简单，在求解过程中又引入了湍流模型。 2 2 气相湍流流动模型 所谓的湍流流动就是指那些高度复杂的三维非稳态、带旋转