（动力机械及工程专业论文）mbel轴向涡流燃烧器流动数值分析.pdf

大连理工大学同等学力硕士学位论文 攘要 随着我国火力发电机组不断期大容量、商参数的方向缴展，对火电机组锅炉丰设 备之一的燃烧器也在设计和实鼯运行中提出了更离鲍要求。三并一是摩考克齄源有戳 公司( m b e l ) 研制生产的轴向涡流燃烧器在同类产品中具有一定的优势。 这种燃煤的涡流燃烧器能够在正常使用条件下使n o x 排放鼍降低4 0 5 0 ，并 其有逶应爨耱变化淹力强，适应雾l 缝受蓑交像糍力强，熬浇效率毫等俊点。本文分绥 了m b e l 燃烧器的相关基本原理及实际应用情况，利用p r o e n g i n e e r 软件，建立了燃 烧器内部结构完整真实的三维几何模型，以s t a r c d 等软件为基础建立了燃烧器内部 滚动黪数 壹分褥平台，嗣鼗馥摸羧豹方法，对该疆薅满滚燃浇器豹流场遴季亍了鼗篷诗 算分析，得到了燃烧器气流流场的详细数据参数，结果显示对轴向涡流燃烧器进行的 计算分析结果与实验吻合较好。 蓥i 蠲建立翡计算分辑系统研究该燃烧器豹流动特点，投据燃浇器琶麓在火力发电 厂实际运行中存在的一些问题，可以对其结构提出改造建议，对其运行参数调整提出 改进方案，使之在实际应用中熊更好发挥效鼹，克服缺点。同时，在进一步完善计舅 模型的基础上可以分析低污染摊放的枫理，并为合理地控制燃烧器气流流场提供参考 依抛。 荚缝淘：辘鹈灞滚然浇器数蓬模毅滚动努辑n o x m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 a b s t r a c t w i t ht h ef a s tg r o w i n go ft h et h e r m a lp o w e r g e n e r a t i o n ，t h ec a p a c i t yo f t h eg e n e r a t o r f o ra s i n g l eu n i ti si n c r e a s i n ga l lt h et i m e ，w i t hal a r g e rs c a l ea n dh i g h e rp a r a m e t e r so ft h e p o w e re q u i p m e n t a so n e o f t h ek e y e q u i p m e n ti nt h et h e r m a lp o w e r p l a n t ，t h eb u r n e rm u s t m e e t h i g h e r s t a n d a r di n d e s i g n a n da c t u a l o p e r a t i o n a x i a l f l o w w h i r l p o o lb u r n e r , d e v e l o p e db yt h em i t s u ib a b c o c ke n e r g yl t c ( m b e l ) ，i sg e n e r a l l y s u p e r i o r t oo t h e r b u r n e r s m b e la x i a lf l o ww h i r l p o o lb u r n e rh a sm a n y a d v a n t a g e s ，s u c ha sm o r ea d a p t i v et o v a r i e t yo f c o a la n d l o a d ，h i g h e rc o m b u s t i o ne f f i c i e n c y , l o w e rn o x e m i s s i o nb y4 0 5 0 i nt h en o r m a lc o n d i t i o n i nt h i st h e s i s t h eb a s i ct h e o r ya n da c t u a la p p l i c a t i o no fm b e l a x i a lf l o w w h i r l p o o l b u r n e rw a si n t r o d u c e da n dd i s c u s s e d t os o l v et h e p r o b l e m se x i s t e di n t h eb u r n e r , an u m e r i c a la n a l y t i c s y s t e m ，b a s e do nt h e r e a la n df u l lt h r e e d i m e n s i o n a l g e o m e t r ys t r u c t u r e , a s we l la sp o w e r f u lc o m m e r c i a ls o f t w a r es u c ha ss t a r - c d ，p r o e ， p r o a m ，i c e m ，w a se s t a b l i s h e df o rt h es t u d yo ft h ei n t e r n a lf l o wo ft h ea x i a lf l o w w h i r l p o o l b u r n e r r e s u l ti n d i c a t e st h a tn u m e r i c a ls o l u t i o n a g r e e sq u i t e w e l lw i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l tr e p o r t e d b yi n c l u d i n gt h et w o p h a s ef l o ws i m u l a t i o n ，c o m b u s t i o nc h e m i c a lp r o c e s si nt h e c o m p u t a t i o n a lm o d e l ，t h i ss y s t e mi sv e r yp r o m i s i n gt op r o v i d eau s e f u lt o o li nt h ea n a l y s i s o ft h em e c h a n i s mf o rt h el o wn o xe m i s s i o na n d m a yp r o v i d eag u i d e l i n ef o rt h ep r o p e r c o n t r o lo f t h eb u r n e r k e yw o r d s ：a x i a lf i o ww h ir i p o o ib u r n e r ：n u m e r i c a is i m u la t i o n ：f i o wa n a i y s is n o x i i 独仓l 性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 了：俸及淑德磷究威罴。尽我所知，除了文中将剐宓爨以标注秘致谢艇地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位静学位或诞书所使用过酶材料。与我一目工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示_ r 谢 意。 作者签名：霹卜匿期：力墼幽层 大连理t 大学同等学力硕士学位论文 1 绪论 1 1 引言 我固不断持续高速稳定增长的国民经济对电力供应的需求越来越大，使得电力生 产已残为涮约或者接凌我国经济发鼹匏一令 常豢要靛因素。我圈静电力王l t 戬炙毫 为主，火电又以煤电为主，因为我豳的能源蕴藏和丌采是以煤为主的，煤电占全国总 发电量的7 5 以上。但是，我国火电厂普遍存在褡效率比较低，发电煤耗偏离，污染 物舞 敖严霪等闽题，黉要我们去解决，以适应我黧在l 源帮环境等方露严峻聪嚣的需 求。 火力发电厂的生产过程是燃料的化学能在锅炉中转变为蒸汽的热能，蒸汽的热能 又在汽轮机中转变为汽轮发电机旋转的机械能，最后通过发电枫将机械能转变为电 麓。锅| 妒爱发电厂戆三大生产设蘩之一，它嗣用燃瓣燃浇释藏豹熬髓燕热绘东，强获 得规定参数( 温度、压力) 和品质的蒸汽。 燃料通过燃烧器被送进锅炉炉飚，燃烧器的主要作用是保证燃料和空气进入炉膛 后充分溜合，及时着火羁稳定燃烧。按密臼气浚姆毪，燃烧器弼分为：嚣流式秘麓滚式 两大类。强流燃烧器的出口气流为焱流射流或直流射流组，旋流燃烧器出翻气流包含 有旋流射流，它可以熄几个同轴旋转气流，也可以是直流加旋转射流的组合。燃烧器 的布置方式积殴备类型对于提高锅炉着火稳定性和机组热效率，降低污染物( 尤其是 氮氧讫耱) 稀教起着毯关重要静俸搦。整赛上大鍪潆粉炉的燃浇器布嚣有三耱粪型： 网角切圆布置、前后域对冲布置和w 型火焰布置。其中前后墙对冲布景炉在近年我国 新建的高参数机组中得到了比较广泛被应用，并取得了非常好的效果。”。 羲露壤对挣毒置茨锅炉罴琵噬浚渡式燃浇器，蠢霆予羲震壤，蔻嚣辐逮澎感对羚。 这种燃烧器的布置形式着火稳定性好、氮氧化物摊放量小，在实际的生产远行当中显 示出了巨大的优越性。佩它对燃烧嚣的的设备性能和适应能力有较高的要求，需要配 以设计比较完善，性能缀褥起时间考验的涡流燃烧器。三井一融布考克能源有限公司 m b e i 。) 径8 g 年代镯麓开始对辘瞬灞流燃烧器逡行研究并取褥了显著懿藏藏，产鑫在 世界范围内得到了广泛的应用。其燃烧器具有以下优点： 降低n o x 排放能力强； 逡应瓠缝受芬变豫能力强； 适用于多种燃料煤； 环保性能卓著： 提蠢发电厂热效率。 我国东北电丽鳃主力发电金、| k 华熊大连电厂帮华能丹东邀厂搿使用弱裁怒该公司生 】一 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 产的轴向涡流燃烧器。在多年的实际生产中，此燃烧器的性能得到了发电厂相关专、 技术人员的认可，并为企业创造了巨大的经济利益。“1 1 2 燃烧器数值模拟研究的背景及意义 目前我国电力生产发展的现状，对锅炉燃烧器的设计性能和生产运行调整提出很 高的要求。 现在我国煤炭供应市场比较紧张，“煤电顶牛”现象严重，很多电厂不得已开始 实施“以煤定产”策略。这就导致电厂在煤源采购t ”“饥不择煤”，使得锅炉燃烧用 煤偏离设计煤种很大。给锅炉燃烧的稳定性造成很大威胁，如果燃烧器适应性不强、 性能不良或调整不当，就会造成炉膛灭火甚至爆燃的严重后果。 随着我国经济的不断发展，电网用电的峰谷差值越来越大。大连市每天1 7 点到 1 9 点左右的地区供电量最高可达到2 1 0 0 m w ，可到了凌晨1 到3 点左右则最低可以降 到8 0 0 m w ，供电负荷的变化幅度非常大。华能大连电厂的发电机组为适应这种负荷的 变化，单台燃烧器的喷煤量每天要在2 0 2 k g s 1 0 7 k g s 之间( 该燃烧器设计负荷 为2 1 6 4 k g s ，变化幅度高达4 4 ) 变化很多次。如果燃烧器的负荷适应能力比较差， 不仅会造成锅炉燃烧效率的降低，而且会影响到锅炉燃烧的安全性。 煤炭供应价格上涨和各发电公司之间的激烈竞争，使发电行业早已变成微利行 业。为提高企业效益，很多电厂在努力拓展多种经营业务。例如华能大连电厂就把发 电的副产品，煤粉完全燃烧后产生的飞灰作为生产水泥的原料进行销售。但水泥生产 企业对飞灰的品质要求很高，飞灰的含炭量必须在6 以下。这就要我们对燃烧器的 流场分布进行合理的调艇，使煤粉的燃烧更完全，尽量降低飞灰的含炭量。 环境问题现在非常引人关注，大型工业企业的污染物排放受到国家环境监测部门 的严格监控。电厂排放的污染物有n o 。、s o 。、c o 。、c o 及粉尘等，如果这些污染物排 放超标，将受到环保部门严厉的处罚。所以对燃烧器进行调整，使其充分发挥没计性 能，叮以减少污染物，尤其是n o 。的排放。对电厂的经济效益和社会效益都是有利的。 华能大连电厂的锅炉燃烧器在建厂初期由制造厂一次性调整完毕( 主要是调整二 次风风量的大小和二次风的旋流强度) ，这种调整完全是根据设计煤种进行的。投产 六年来，炉膛的燃烧工况和机组运行特性已发生很大变化，虽然在几次机组大修中也 邀请了沈阳电力科学院的技术人员进行调整，但都是依靠经验和不断的反复试验进行 的，缺乏必要的理论依据，甚至具有很大的盲目性，经常是在某一负荷烧某一种煤时， 火焰鲜亮，火检完好，各项参数都满足允许值，可一换煤或一升降负荷就不行了。 现在计算机技术的飞速发展使得对燃烧器流场进行数值模拟成为可能，给定燃烧 器的边界条件( 一次风流速、二次风箱压力，煤粉细度、密度和炉膛压力等) ，就可 一2 一 大连理工大学同等学力硕士学何论文 以得出燃烧器内流场、速度场、温度场和密度场的分布，以及它们对炉内火焰燃烧的 影响。这有助于深化对基本现象和过程的认识，减少试验和经验的盲目性，省却了许 多重复甚至是没有意义的工作。同时在计算程序中改变几何、物理、化学因素及环境 条件要比在实验中改变容易得多。被实验证明是有效而实用的模拟计算程序及模型可 以直接对给定参数进行计算，结果不必再用实验验证，因而数值模拟显得十分重要。 随着计算流体力学的发展，开始出现了一些比较实用的三维模拟程序，如流场分 析软件s t a r c d ，可计算各种流动状况，比较容易使用。应用这一软件对华能大连电 厂的轴向涡流燃烧器流场及燃烧工况进行模拟研究，可以收到比较不错的效果。 1 3 本文的工作内容 目前，人们在数值模拟方面做了大量的工作。由于计算条件等方面的限制，在以 往的计算过程中，人们通常要进行几何形状上的简化，例如对称性、周期性等方面的 假设，以达到简化计算模型，减小计算量，缩短计算时间的目的。但是在真实流场中， 由于结构内部各部件的存在，流动并不完全满足对称性和周期性。简化和假设会使计 算分析结果的准确性难以保证，在工程实际中的应用受到限制。近年来，随着高性能 计算机的出现以及计算流体力学等方面的发展，几何上更加真实，物理上更加精确的 数值模拟正在逐步成为可能。 本文从工程实际出发，利用轴向涡流燃烧器的相关资料建立了基于燃烧器本身完 整真实的三维结构，并利用流体分析软件s t a r c d 对其内部流场进行模拟，得出流场 分缸，再根据流场数值分析的结果研究轴向涡流燃烧器在生产运行中的优缺点。 本文第二章首先介绍m b e l 燃烧器的相关基本原理及其在实际生产运行中的应用 情况；第三章简要介绍了三维造型软件p r o e 的功能和燃烧器流道的特征分析以及几 何模型的生成过程，建立了真实完整的燃烧器流道三维模型；第四章在建立完整几何 模型的基础上，详细介绍了计算网格的生成方法，对不同方法生成的轴向涡流燃烧器 气流流道网格进行了比较，并最终确定了适用的方案；第五章简要介绍计算模型和数 值计算方法，建立计算模型，确定边界条件，为燃烧器内部流动的数值分析建赢了数 值模型；第六章在计算结果的基础上分析了轴向涡流燃烧器内部的流动特点，为进 步深入研究燃烧器的设计优化提供了数据资料。第七章针对于本文的工作进行了总 结，并对于今后的进一步研究工作进行了展望。 一3 一 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 2m b e l 燃烧器基本原理及实际应用 2 1 燃烧器的相关基本原理 2 1 1 电站锅炉的煤粉燃烧 现代煤粉锅炉燃用的煤粉颗粒很小，一般为3 0 1 0 0 m ，炉膛温度又很高，因此 煤粉在炉膛中的加热速度可以达到( 0 5 1 ) x1 0 4 。c s ，仅以0 1 o 2 s 的时间就 迅速达到炉内的温度水平一1 5 0 0 。c 。 煤粉空气混合物经燃烧器以射流方式被喷入炉膛后，通过湍流扩散和回流，卷吸 周围的高温烟气，同时又受到炉膛四壁高温火焰的辐射，被迅速加热，热量达到一定 温度后就开始着火。实验发现，煤粉气流的着火温度要比煤的着火温度高一些。也就 是说，煤粉空气混合物较难着火，这是煤粉燃烧的特点之一。 为了使煤粉气流被更快加热到煤粉颗粒的着火温度，总是不把煤粉燃烧所需的令 部空气都与煤粉混合来输送煤粉，而总是用其中一部分来输送煤粉。这部分空气成为 一次风，其余部分成为二次风和三次风。 煤粉气流着火后就开始燃烧，形成火炬，着火以前是吸热阶段，需要从周围介质 中吸收一定的热量来提高煤粉气流的温度，着火以后才是放热过程。将煤粉气流加热 到着火温度所需的热量称为着火热。它包括加热煤粉及空气( 一次风) ，并使煤粉中 水分蒸发、过热所需要的热量。着火热随燃料性质( 着火温度、燃料水分、灰分、煤 粉细度) 和运行工况( 煤粉气流初温、一次风率和风速) 的变化而变化，此外，也与 燃烧器结构特性及锅炉负荷等有关。 要组织良好的燃烧过程，其标志是尽量接近完全燃烧，也就是在炉内) 1 i 结渣的前 提下，燃烧速度快而且燃烧完全，得到最高的燃烧效率。要做到完全燃烧，其原则性 条件为： 1 ) 供应充足而又合适的空气量； 2 ) 适当高的炉温； 3 ) 空气与煤粉的良好搅动和混合； 4 ) 煤粉在炉内要有足够的停留时间。“ 2 1 2 燃烧器 锅炉燃烧过程要组织得好，除从燃烧机理和热力条件加以保证，使煤粉气流能迅 速着火和稳定燃烧外。还要使煤粉与空气均匀地混合，即燃料与氧化剂要及时接触， 而且接触得好，才能使燃烧猛烈，燃烧强度大，并能以最小的过量空气系数达到完全 燃烧，提高燃烧效率，保证锅炉的安全、经济运行。在煤粉炉中，这一切都与燃烧器 的结构、布置及其流体动力特性有关，即要有性能良好并能合理组织炉内气流的燃烧 4 大连理t 大学同等学力硕士学位论文 器。因此，燃烧器是煤粉锅炉的主要燃烧设备，蔟俸薅是保证燃凝和燃烧周空气在进 入妒膛时能充分混合、及时着火和稳定燃烧。 为达到上述目的，送入煤粉炉燃烧器的空气并不是一次集中送进的，而怒按对着 火，燃烧商剽而合理组织、分批送入的，按送入空气的作用不同，可将送入燃烧器的 空气分为三静，鼙一次砜、二次j 蔑耪三次菇。 1 次风即携带煤粉送人燃烧器的空气，主要作用是输送煤粉和满足燃烧初期对氧 气的需耍，一次风数缀般较少。 譬荨漾粉气滚羞火嚣孬送久豹空气稼为二次媳。二次疑 充煤羚继续燃烧_ | 舞需要懿 空气，劳麓重起扰动、混合作胄j 。 对煤粉炉燃烧器的基本要求是： 1 ) 能使煤粉气流稳定的蔫火： 2 ) 麓火戳后，、二次掇麓及时台理混合，确保较褰的燃浇效率； 3 ) 火焰在炉内的充满程度好，且不会冲墙贴蹙，避免结淹； 4 ) 商较好的燃料适应性和负荷调节范围； 5 ) 嫩力较小； 6 ) 能减少n 缺的生成，减少对环境的污染。 2 1 3 旋转射流 在涡流燃烧器中，携带煤羚的一次风和不携带煤粉的二次风是分别用不网的管道 与爨爱嚣连菝豹。在燃魏器中，、二次强魏蘧遂遣是隔曩= 鹣。二次风静鸯李流都是旋 转射流，一次风射流可以是旋转射流或不旋转的射流，但燃烧器中的出1 j 气流都是一 股绕燃烧器轴线旋转的旋转射流。旋转射流的流动特性有以下几个显著的特点。 1 ) 旋转射流不毽有骧囊、径自速瘦w o 、w ，嚣萎有较大弱锈舞速度餮：。姨燃烧 器出来的气体质点既肖旋转向前的趋势，又有从切向飞出的趋势。其变化情况见罔 2 - 1 。气流旋转的结果，在射流的中心部分产生一个内回流区。在回流区中，轴向速 度是反向的。旋转强度愈大，回流区尺寸也随藿增大。内回流区可以卷吸周围热分质， 对着火、燃浇都是有秘豹。这样，旋流燃浇器工髓；时跌肉岁 两翻卷吸毫滏烟气，对稳 定着火超省十分重要的作用。由圈2 1 可知，旋转射流的径向速度w ，比w 。、w 。均小， 对气流影响也小。 2 ) 出予帮蠲围会矮逡雩亍强黧弱紊滚交换，滋瓣流瓣运动方自，甥囱速浚并；衰躐 很快。即旋转效应衰减很快。旋流射流中，轴向速度w 。的衰减比切向速度w 。慢些， 但远比氟流射流快。在同样的初始条件f ，旋流射流的射程比直流射流短。 3 ) 旋转射流的扩展焦比直流射流大，旋转强度加大，扩鼹角随之扩大。 旋转强度n 是表示旋转射流特性静重要参数，按下式计筇： 5 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 n = m k l 式中：m 一旋转动量矩，射流中任一截面均等丁常值，计算公式如下 m ：r p w t r w 。2 7 r r d r ：c o s t 圳 k 一轴向动量，射流中任一截面均等于常值，按下式计算 k 2iw a 户w a 2 ：r r d r + j d 2 ：r r d r = c o s t i ，喷口的特征尺、j 。l = d 。4 d 喷口的当量直径 r 射流截面的半径 p 介质密度 卜任一截面上的静压 ( b ) ( c ) 图2 1 旋转射流 ( a ) 截面1 1 内切向速度w 。的分布，( b ) 截面1 一l 、2 2 、3 3 内轴向速度w d 的分 布： ( c ) 截面1 1 内径向速度w ，的分布，( d ) 沿射流轴线方向，轴向速度w 。的分碲。 f i g 2 1w h i r l p o o lj e tf l o w 国外对煤粉燃烧器推荐的旋转强度1 3 值列于表2 1 。 表2 - 1涡流燃烧器一、二次风旋流强度n 值 旋流强度n 燃料及排渣方式燃烧器布置方式 一次风二次风 无烟煤、贫煤( 液态排渣) 3 5 4 04 0 - - 4 5 对冲布置 无烟煤、贫煤( 液态排渣) 0 ，3 54 0 4 5 前埔布置 一6 一 大连理工人学同等学力硕士学能论文 烟煤、褐煤( 液态排渣) 3 03 0 35 对冲布置 烟煤、褐煤( 同态排渣) 3 530 对冲布霞 烟煤、褐煤( 液态排渣) 0 ，2 530 3 5前墙布置 2 1 4 常用的涡流燃烧器 使气流发生旋转变成旋转射流的方法，一是将气流切向引入一个圆柱形导管( 蜗 壳) ，二是利用气流在轴向或切向流动中加装导向叶片。不同的燃烧器使用的方法往 往是不同的。 常见的涡流燃烧器有以下几种： 1 ) 单蜗壳扩锥形涡流燃烧器，它的二次风气流通过蜗壳旋流器产生旋转，成为 旋转射流。一次风则经直流管直流射出，不旋转。这种燃烧器一次风阻力小， 射程远，煤种适应性好。 2 ) 双蜗壳涡流燃烧器，它的一、二次风都是通过各自的蜗壳而形成旋转射流的。 这种燃烧器结构简单，适于燃用挥发性较高的煤种。 3 ) 轴向叶片涡流燃烧器，它是利用轴向叶片产生旋转的，其二次风通过轴向叶 片的导向，形成旋转气流进入炉膛。轴向叶片可以固定，也可以是移动可调 的。一次风也有旋转和不旋转两种。这种燃烧器中心回流区较小、较长，适 用于燃用高挥发性的燃料。 4 ) 切向1 3 - 1 一片式涡流燃烧器，这种燃烧器的二次风通过可动的切向叶片，变成旋 转气流进入炉膛。 2 1 5 涡流燃烧器的布置方式 涡流燃烧器的布置方式，对锅炉内部的空气动力场有很大影响。良好的空气动力 场应该是使火焰( 烟气) 在炉膛的充满程度好，烟气不冲墙贴壁。 涡流燃烧器的布置方式有多种，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，和炉顶布置等，如图2 2 所示。 如果锅炉容量比较小，一般将涡流燃烧器布置在前墙，单排布置或多排布置，锅 炉容量较大时，则可以采用前后墙或两侧墙对冲或交错布置。 涡流燃烧器布置在的墙时，可以不受炉膛截面宽、深比的限制，布置方便，特别 适宜与磨煤机煤粉管道的联接，但其炉内空气动力场却在主气流上下两段形成两个非 常明屁的停滞旋涡区，炉膛火焰的充满程度较差，而且炉内火焰的扰动差，燃烧后期 的扰动混合也不好。 燃烧器布置在前后墙或两侧墙时，两面墙上的燃烧器喷出的火炬在炉膛中央珏相 撞击后，火焰大部分向炉膛上方运动，只有少量烟气下冲到冷灰斗，在冷灰斗处便会 形成停滞涡旋区。冈此，炉内的火焰充满程度好，扰动性也较强。如果对冲的两个燃 一7 一 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 烧器负荷不相同，则炉内高温核心区将向一侧偏移，将会形成一侧结渣。两丽墙交错 和置燃烧器则可避免这个缺点。 锣骣囚膨 ( b )“) 扫窜羁 ( b 1 ) ( b - 2 ) 图2 2 燃烧器的布置方式 ( a )前墙布置；( b ) 两面墙对冲或交错布置；( b - 1 ) 两面墙交错布置；( b - 2 ) 两面墙对冲布置：c ) 半开式炉膛对冲布置；( d ) 炉底布置；( e ) 炉顶布置 f i g 2 2t h ec o n f i g u r a t i o no f t h e b u r n e r s 涡流燃烧器布置在炉顶时，煤粉火炬可沿炉膛商度自由向下发展，炉内火焰充满 程度也较好，但其缺点是引向燃烧器的煤粉及空气管道特别长，故实际应1 i = j 不多，只 在采用w 火焰燃烧技术的较矮的下炉膛中才采用。 2 1 6 涡流燃烧器的运行参数 涡流燃烧器的性能除由燃烧器的型式和结构特性决定外，还与它的运行参数有 关。旋流燃烧的主要运行参数是一次风率，及一次风速孵，二次风率乃及二次风速 毗，一、二次风速比杉坼和热风温度等等。 一次风率，就是一次风占总风量的份额。一次风率直接影响到煤粉气流着火的 快慢，特别是对燃用低挥发分的煤时，为加快着火，应限制一次风量，使煤粉空气混 合物能较快的加热到煤粉气流的着火温度。同样理由，也应采用较低的一次风速，使 煤粉着火的稳定性较好。 次风率可按表2 2 选用；一、二次风速则可按表2 3 选取，热风温度列于表 2 4 中。从这些表中可以看出，煤种不同，燃烧器所采用的一次风率、一、二次风速 和热风温度都是不同的。“ 表2 2涡流燃烧器的一次风率 一8 一 大连理下大学同等学力硕+ 学位论文 煤种v n f ( )次风率n煤种v m ( )一次风率n 无_ j 1 1 煤 2 】0o1 5 02 02 0 3 00 2 5 0 3 0 烟煤 贫煤 1 1 1 90 1 5 0 2 03 0 4 00 3 0 0 4 0 褐煤 4 0 5 005 06 表2 - 3涡流燃烧器的一、二次风速 煤种无烟煤贫煤烟煤祸煤 一次风速昕( m s ) 1 2 1 61 6 2 02 0 2 62 0 2 6 二次风速 ( m s ) 1 5 2 22 0 2 53 0 4 02 5 3 5 表2 4不同煤种的热风温度 煤种无烟煤贫煤及劣质烟煤烟煤、洗中煤褐煤 热风下燥划气干燥 热风温度( ) 3 8 0 4 3 03 3 0 3 8 02 8 0 3 5 0 3 5 0 3 8 03 0 0 3 5 0 2 2m b e l 轴向涡流燃烧器的概况及其在华能大连电厂的实际应用 2 2 1m b e l 轴向涡流燃烧器的研发 轴向涡流燃烧器这概念是由三井一巴靠考克能源有限公司( m b e l ) 于8 0 年代初 开发出来的，原是用来燃用南半球生产的高灰分腐蚀性煤炭。进步研究开发表明， 这种燃煤燃烧器的低n o x ( 一氧化氮和二氧化氮) 型能够在不改变排灰中碳含量的条 件之下使n o x 排放量降低4 0 5 0 。1 9 8 6 年，在1 台5 0 0 m w 发电锅炉上成功地试用 了2 个3 7 m w 的燃烧器。其后，于1 9 8 7 年利用6 0 个这种燃烧器对德拉克斯( d r a x ) 电 厂的一台6 6 0 m w 的锅炉进行了改装。试用之初的情况很今人振奋。但随着燃烧器耐火 砖碹门上的灰渣堆积，低n o x 燃烧器效能衰退。此后，对这种燃烧器的设计做了进一 步改进，丌发出了m a r ki i 和m a r ki l i 型燃烧器，并在德拉克斯电厂进行了示范性应 用。尤其是1 9 8 9 年8 月在德拉克斯电厂安装启用的m a r km 型燃烧器，与原燃烧器相 比较，n o x 排放量始终保持在减少5 0 5 5 的水平，因而轻松达到了欧洲委员会( e c ) 在其火型燃烧设备规程( l c p d ) 中规定的6 5 0 m g m 3n o x 的排放极限。可以这样认 为，如此大幅度的n o x 减排量几乎接近锅炉内部气流分级所可能达到的最大值。目前 丌展的研究开发活动将在燃烧器设计方案中加入燃料分段供给的概念。 进一步的发展证明了三井一巴布考克能源有限公司( m b e l ) 丌发的低n o x 燃烧器 具有可燃用世界煤炭贸易中大部分煤种的能力。目前、三井一巴布考克能源有限公司 9 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 3 5 5 0 m w t h 燃烧器的订购爨已经超过l ，4 0 0 台，其发电能力超过了1 7 ，0 0 ( n w 。“i 2 ，2 2m b e 。聋鸯自涡流燃烧器说舞 低n o x 轴向涡流燃烧器的设计利用降低n o x 生成的成熟方法，即在接近燃烧器的 地方分级处理燃料与空气的混合比率，从而制造出还原气体，使挥发分中的氮( n ：) 在 还蒙。i 氛中戮鬣纯氢蕊n ) | i l 每形式撵岛，氰 二氢镌先转 怠为氮融2 ) 。嚣不是转位为 n o x ，氰化氢还与存留的n o x 发生反应，产生氮( n 2 ) 。由于降低了火焰温度峰值，燃 烧气体中的甄( n 2 ) 在氧化过程中冈高温而生成的n o x 缀也相应减少。 低n o x 辘自满滚燃烧器在没诗上熬一个重要特点是对多股燃烧气流搬装了车由起 凝流器。并且结构简单，鼹阐耐蒡l ，避兔了像许多辐射式旋流器那样使用大量的税械 连杆。低n o x 轴向涡流燃烧器的设计标准是基于下列各点形成的： 1 ) 使燃料释放出最多量的挥发份，并且形成最大范围的挥发份区域。 2 ) 提馔一令耪鲶粒欠氯区，臣簿筑n o x 夔生筏，司薅，凄撵攥夔氧气又熬足够 维持火焰的稳定。 3 ) 在欠氧条件下，增加滞留时间和温度，从而降低n o x 的生成。 4 ) 在欠鬣条件下，增热碳的滞馨时闻，熬丽减小了碳氧化携生成的可能髅。 5 ) 增加螽风口区的空气量，确保燃料完全燃烧。 燃烧空气分为三部分：一次风、二二次风和三次风。一次风来自于一。次风机，在磨 煤枫内与煤粉混合。煤粉和一次风混合物经燃烧器蜗旋体进入燃烧器，然后通过燃烧 释一次嫩管逡入j 妒瞧。在濑麓器一次强蟹寒端安装有溪羚毂集器，爨粉渡集器在一次 胍进入炉膛之l j i ，起集中煤粉的作用。它与二次风旋流器( 二次风涡流发生器) 、三 次风旋流器( 三次风涡流发生器) 以及火焰稳定器一起确保在靠近燃烧器喉部的地方 火焰稳定。 每捧燃烧器共用一个风箱，风箱为燃烧器提供二次风和三次风。这些空气流经不 同直径的同心篱进入锅炉炉膛，有助于减少n o x 的生成，也确保了燃料的燃烧。每个 燃烧器还引入了芯风，经燃烧器中闻的芯风管进入炉髓，它也来自二二次风箱，它的主 诿 萋矮是： 1 ) 为燃烧器中心提供充足的空气，稳定油火焰，并且防止燃油火焰脱离：西风管 和芯风旋流器。 2 ) 提供连续气流遴过芯照管、点火器、灌捻帮蕊风德滚器，防匮渡漉秘矮获在 芯风管内沉积。 3 ) 煤粉燃烧时，提供芯风冷却燃烧器中心区域，防止油枪烧坏。 低n o x 聋虫囱涡流燃烧嚣的简易结构照图2 3 。 亲鑫一次飙城撬的一次城，经空气预热器后送入魔煤视，并与艨粉混合，携带蓑 】0 大连理t 大学同等学力硕士学位论文 煤粉进入燃烧器。每台磨煤机出口的煤粉管为一层燃烧器提供煤粉和一次风的混作 物。煤粉进入燃烧器蜗旋体后，经煤粉次风管直接送入炉膛进行燃烧。 燃烧器蜗旋体和一次风管与芯风管是同心的，煤粉一次风混和物经它们之间的 环形空问进入炉膛。煤粉一次风混和物进入环形空间之前，经正方形入口进入蜗旋 体，进入蜗旋体后，蜗旋体内的蜗旋铸件使煤粉在空问内均匀分布。煤粉经蜗旋体后， 流向改变9 0 0 ，由切向进入到轴向排出。在蜗旋体出口装有分流板，分流板使煤粉脱 离一次风管到过渡锥体内表面，提高煤粉在径向的均匀分布。 图2 3m b e l 低n o 。轴向涡流燃烧器示意图 f i g 2 3t h e s k e t c hm a po ft h em b e lb u r n e r 蜗旋体包括一个短的筒状部分，紧接着是过渡锥体，过渡锥体与燃烧器内前板连 成体。筒状部分实际上是一次风管的一部分。煤粉一次风混和物离丌蜗旋体后直 接进入燃烧器次风管。 一次风管把一次风和煤粉混和物输送到炉膛内燃烧。一次风管在二次风管内，与 二次风管同心，并且用螺栓固定在蜗旋体筒状部分的法兰上。 在一次风管出口侧装有四个煤粉收集器，每个煤粉收集器由前后两部分组成，收 集器装在一次风管内表面。它的作用是在燃烧之前，集中煤粉气流，因而有助于降低 n 0 x 的生成。每部分收集器都由两个凸起固定在一次风管上。凸起探入一次风管上的 孔洞内，之后焊在一次风管上。 一次风管出口端，靠近炉膛的地方装有火焰稳定器，火焰稳定器包括一个铸铁套 管，套管上有多个弧状陶瓷片，起到稳定火焰根部的作用。火焰稳定器通过确保在集 中的燃烧区内煤粉挥发份能及早的着火，从而减少燃烧器n 0 x 的生成。 二次风在一次风管与二次风管之间的环形空间流动。并通过二次风管上的六个二 角形孔进入环形空间。二次风流量由二次风管上的一个套筒挡板控制。套简挡板套在 _ 次风管筒状部分上，轴向丌关。与套简挡板相连的是调整杆，调整杆穿过燃烧器外 前板，用束调整挡板的位置，最后被锁定在适当的位置上。在二次风管上还有两个凸 1 】一 m b e l 轴向涡流燃烧器流动数值分析 耳，用来锁定三次风旋流器位置。在一次风管外表面，还套有一个二次风旋流器。二 次风旋流器在：次风进入炉膛之前，使二次风气流旋转。二i 次风旋流器通过小滚轮 可在一次风管上移动。它装在由二次风管锥状部分与一次风管形成的环形空间内。旋 流器叶片与燃烧器轴线之问的夹角是预先设定并且固定不变。旋流器在最前位置时， l f 好与二次风管锥状部分相匹配，并旋转所有的二次风气流。旋流器可通过调调整杆 调节位置，调整杆穿过内前板。在二次风管锥状部分内向前或向后调整旋流器位置， 可得剑最佳的旋转二次风。当旋流器移动到最前位置时，可使二次风最大程度的旋转。 一日旋流器调节到最佳位置，调整杆将被锁定在燃烧器内前板的凸耳上。 三次风直接由风箱进入炉膛，它的旋度由三次风旋流器调整。旋流器布置在 次风管与三次风管之间的环形空间内。如二次风旋流器一样，三次风旋流器与燃烧器 轴线之间的夹角也是预先设定而且固定不变的。三次风旋流器可沿着二次风管表面移 动，并通过调整杆调节。调整杆固定在二次风管外面的凸耳上。3 该燃烧器燃烧过程主要特点是： 1 ) 三次风和二次风的气流形成独立涡流。这就使得供给主火焰区的空气与燃料 混配比得到控制。这理想的混配比被控制在一个足以支持挥发份充分燃烧，同时最 大限度地减少n o x 生成量的范围内。 2 ) 粉状燃料收集器控制进入燃烧火焰的燃料的密度。 3 ) 利用涡流气体对燃烧过程进行的空气动力控制促进了热性燃烧产：物的内部再 循环，从而保证了燃料在主区实现稳定、迅速点燃。 4 ) 火焰稳定器进步加强了燃料流在丰区内的迅速和均匀点燃。从而保证了含 有n 2 的挥发分在低配比火焰区内得以排出。 5 ) i 次风的气流控制最大限度地减小初始理想配比对火焰最终形状和长度以及 燃烧总效率的影响。 使燃烧器成功地具备上述特点的确是很大的成绩。因为这些旨在减少火焰中n o x 水平的特点常与燃烧的作用背道而驰，增大了与增加火焰长度、增加飞狄碳含量相关 的结渣和结焦、堵塞炉膛的风险。 n ， 2 2 3m b e l 轴向涡流燃烧器在华能大连电厂实际应用 华能大连电厂二期工程的# 3 、# 4 机组所用锅炉出三井一巴布考克能源有限公司 ( m b e i ) 提供，锅炉形式为亚临界、单鼓、一次中间再热、自然循环燃煤锅炉；锅炉采 用单炉膛，平衡通风，固态排渣，半露天n 型布置。炉膛设计为涡流燃烧器前后墙对 冲布置( 如图2 2b 及b 2 所示) ，配以2 4 支m b e l 轴向涡流燃烧器，前后墙各两排， 每排六支。燃烧器按顺时针旋向和逆时针旋向交错布置，由四台m p s 一8 9 g 型中速磨煤 机所组成的f 压直吹式制粉系统提供煤粉。同时在燃烧器顶部排列六对共1 2 个后风 1 2 大连理 ：人学同等学力硕士学能论文 口，形成两级燃烧过程，以完成从富燃料匿向富氧区蛉过渡，控制燃烧区域炳滁平均 拳乎，尽可麓的_ 蘩割n o x 豹产璺三。三麓1 8 个燃烧器可以带最大豹连续功率( 8 m e r 3 7 8 4 6 m w ) 。每台燃烧器逐配有支带有高能点火器的y 型油枪，用于点燃煤粉利带 锅炉初负荷。 华能大逡瞧厂二赣秘缝重逢入运嚣以窳，锅炉爨烧嚣惠体运孬+ 盎况基本良好，点火 容易，着火稳定，适应能力较强。但同时也存在着一些阳题。 我们j 在每次大修时，都会发现有较大比例的燃烧器的一次风管壁被磨薄或磨漏 了。这主要楚出于燃烧器次风管内煤粉分布不均匀，燃烧器底粼流速低，使褥煤粉 难程造成的。一次城管壁竣瘗添静燃娆嚣运行中会爨现一、二次溉在进入炉筵簿就混 合的现象，遮会使燃烧器中的煤粉沉积在二次风管内，接触到高温的二次风，导致燃 烧器烧损；还会破坏燃烧器出口的流场分布，致使燃烧恶化。我们想通过对燃烧器一 次强逯滚部分浆改造，整煤耪分专均匀，鼓嚣延长罄楚戆瘗潺巽重阙。 该燃烧器在燃用与设计煤种差异比较大的煤时，如果控制得不好，可能出现灭火 的情况，并。鼠飞次含炭量会增加( 有时高达1 2 ) 。这不仅影响到电厂的安全性，而 且女l 大了发电成本，造成资源浪费。我们怒对燃烧器终二次风风量进行调整，邋过模 越i 二次城门开度对流场交纯的影晌，我剐稳定攥烧鞫降低飞荻含凌量的最佳方案。 1 3 ， m b e l 轴向涡流燃烧器流动数慎分析 3 三维造鍪软件p r o e 功巍筒会及燃烧器三维造型豹建立 数值模拟以其独具的特点和功能逐渐成为研究流体流动的重要手段，运用计算流 体力学( c f d ) 的方法，借助计算枧对流体桃槭内部的滚动进行糖确数值模拟，从丽 获取丰富的流场信怠，为流体杌械的设浮与优纯提骰依据是目前工程土一静葩较先逡 有效的方法。而进行数值模拟的前提是确定流动问题的计算域，并在计算域上生成计 算嘲格，这就需要我们首先利用三维造型软件生成气流流道的三维实体模型。为保证 滚动鼗 童分疆缝莱戆准磁鹣，要求颓建立兹足嚣模鳖在不失囊瓣懿疆下稳于裁嚣鞫臻 的生成。本章在分析燃烧器结构特点的撼础上，详细介绍了燃烧器气流流道的三维实 体模型的生成方法。 3 1 三维造型软件p r o e 约功能简介 本论文采用了三维造型软件p r o e ，因为p r o e 采用了近几年c a d 方面的一些先 进理论和技术，集合了零件设计、产品缌合、模具开发、n c 加工钣金件设计、铸造 孛设计、造鍪设诗、遂淘王程、鑫羲璧溯、程秘嫠爨、应力分摄、产品数据蓐棼瑾等 功能于一体，起点较高，鼹有很多的优点： 1 建立在单一数据库上。所谓单一数据库，就是工糨中的资料全部来自一个麾，使 爨每一个独立翅户在为一馋产最造裂两工终。 2 基于特征的实体建模。它采臻了参数化设诗的、基于特征的实棒模型纯系统。工 程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，可以随时对特钲做 合理、不违反，几何顺序的调整、插入、删除、重瓤定义等修改动作，轻易改变模 壅。 3 伞参数化。配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸都存在数据库中；设 计者只需照改三维零件的尺寸，则二维工程图、三维组装、模具等就会依照尺寸 鳃修改骰j l 俺形状瓣变伲，鞋达到设诗修改工终靛一致性。 4 p r o e 可以将生成的三三维和二维图形通过标准数据交换格式输出给予其它鹿用软 件。“o 3 。2 燃烧器三维造型的建立 根据p r o e 建模过程的需要，首先对燃烧器进行特征分析。燃烧器主要出一次风 进气道、二次风进气孔、二次姒旋流叶片、三次风旋流叶片组成。一1 次风首先由 5 2 7 m m * 5 2 7 m m 蕊方形进口锶蠢进入，爱经铸钢瓶旋馋炎的导滚叛变为毒鸯囱浚动。一次 风进口的铸钢蜗旋体内的母流板的几何形状，图纸上没有数据可供参考，只能通过实 ，1 4 大连理j ：大学同等学力硕士学位论文 地观察和技术人员所拍摄下来的一些照片( 图3 。1 ) 进行分析，最后确定了一j 干十较为 台理瀚方案。在p r o e 静建禊过程中，蕊孀s w e e p 方式，在绘图平西上绘国媾旋镩静 轮廓线，在其蘩直的平面上绘出相应的截丽，从而生成蜗旋体实体。在蜗旋体中的导 流板，形状比较复杂，采用点输入的方式，分别绘制出两条曲线，再用两条曲线形成 乎蠹，做成实体模型，如图3 + 2 。在燃烧嚣的轴线方向，在一次风靛流道内有四个煤 粉收集器。截丽形状比较复杂，用p r o t r u s i o n 方式，在绘图平面绘制复杂的截面形 状。 二次风和三次风均由二次风箱提 供。二次风通过六个在圆周上分布均 匀救三翅形入口进入。图3 3 是六个 二次风进风口的一个，通过拉杆来调 节遘冤爨。气滚峦经 趣速度变为辘肉 速度，后经过二次风旋流叶片，轴向 速度转纯为翡商速凌寝鞫商速度。在 建模过程中，六个三角形入口是由 c u t 方式生成；二次风旋流叶片为囊 n + 片，共1 9 片，周向均布。出于叶 片是直叶片，采用p r o t r u s i o n 方式， 塞竺竺篓釜燃竺截娶蹴a 唑黧a 胜r do 嘴f t h e 激p m 1 l e a c l l nd o a r ut h ep n m a r y a 1 ， 争1 2 j 2 r 辩在其囊直方向长出实体。嫩 。 磊用c u t 方式去捧多余静时片 部分。 三次风流道与二次风流 邀靛生艘过程鏊本楣网，区别 是它省略了二次风进口，直接 幽二次强籍掩供透气。然后漉 缀三次风旋流叶片。图3 4 是 三次砜时片，弼向布鬣，共= 一 片。阁3 。5 鼹用p r o g 生成 的三次风叶片散果。通过比较 嚣；冀囊墓冀菩：葛篡姜咒翟主萎2 铸t h 钢e 蜗s t r 旋u c 体t u 肉r e 导o f 流m 板el 的e a 凡d i n 何g 形b o 状a r e d 含i n 部b 分a 哪蜗。旋b o 体d y ， 俺模墅是完全稻同麓。l i n e rc a s t i n g m b e l 轴向涡流燃烧器流动