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二次风配风对W型火焰锅炉燃烧特性的影响的研究(可编辑).doc

二次风配风对W型火焰锅炉燃烧特性的影响的研究(可编辑)

wang萍w
2017-10-06 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《二次风配风对W型火焰锅炉燃烧特性的影响的研究(可编辑)doc》,可适用于活动策划领域

二次风配风对W型火焰锅炉燃烧特性的影响的研究(可编辑)二次风配风对W型火焰锅炉燃烧特性的影响的研究国内图书分类号:学校代码:国际图书分类号:密级:公开硕士学位论文二次风配风对型火焰锅炉燃烧特性影响的研究席光辉硕士研究生:刘彦丰教授师:导石践高工企业导师:工学硕士申请学位:动力工程及工程热物理学科:热能工程专业:能源动力与机械工程学院所在学院:年月答辩日期:华北电力大学授予学位单位::勉:::::,::华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《二次风配风对型火焰锅炉燃烧特性影响的研究》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知,论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名:日期:矽年弓月日佛麴牌华北电力大学硕士学位论文使用授权书《二次风配风对型火焰锅炉燃烧特性影响的研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文晌规定,同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。”:本学位论文属于淆在相应方框内打‘、保密口,在年解密后适用本授权书不保密‖辫作者签名:日期:咿:多年多月日导师签名:日期:哆年多勋日心席落必土可摘要无烟煤是年代较为久远、煤化程度较高的煤种,它的一个显著特点就是着火温度高、挥发分含量低,在燃烧方面存在着火难、稳燃难和燃烬难的三难问题。型火焰锅炉是可靠、成熟的炉型,具有良好的低负荷稳燃性能,己得到广泛认可。但目前在役的不少型火焰锅炉还有诸多问题,普遍存在燃烧不稳定、灰渣可燃物含量偏高、炉内结渣、火焰偏烧、排放过高等问题。本文以某电厂机组采用技术的型火焰锅炉为研究对象,采用现场试验和数值计算相结合的方法就不同配风方式对炉内燃烧的影响进行研究,对指导、优化此类型锅炉的改造及实际运行具有重要意义。采用了冷态和热态两种方法对风和风对型火焰锅炉现场试验研究中,燃烧的影响。冷态下采用烟花示踪法,对不同风下倾角度下炉内空气动力场进行研究。热态下研究了风改造前后炉内燃烧稳定性和风对燃烧效率的影响。对比了风下倾改造前后,炉内燃烧稳定性和炉膛出口氧量的变化。在风下倾基础上开启拱上风,研究其对燃烧效率的影响。在试验研究的基础上,本文阐述并归纳总结了锅炉燃烧模拟中涉及到的相关模型,建立了炉内燃烧的几何模型和数学模型,以数值软件为平台,对炉内燃烧过程进行了三维数值模拟。研究了切除侧边燃烧器、不同风下倾角度、不同风角度和风量对炉内各物理量分布状况的影响,最后得到了流场、温度场及组分场的模拟结果。首先对型火焰锅炉燃烧基本特性进行分析,其次对不同配风方式下炉内流场及温度分布等情况做了详细的对比研究。肯定了切除燃烧器对炉内燃烧的积极效果,研究了不同风倾角的燃烧状况,并对风入射角度与风量的合理配合给予深入分析,得出了一些具有参考价值的数据与结论。关键词:型火焰煤粉锅炉燃烧数值模拟华北电力大学硕士学位论文,:,,,:,,,,,,’,,,,,,,,,,华北电力大学硬士学位论文丘’’,:目录目录摘要第一章绪论选题背景及意义国内外研究现状模化试验及燃烧调整试验研究数值模拟研究一本文的研究目的与内容第二章电站锅炉炉内燃烧数值计算模型炉内燃烧过程涉及的数学模型概述反应流基本方程气相湍流流动模型湍流运动时均方程组。湍流粘性系数模型气固两相流模型气相湍流燃烧模型颗粒相燃烧模型挥发分析出模型焦炭燃烧模型辐射换热模型一本章小结第三章研究对象及模拟条件锅炉概况~锅炉整体布局锅炉主要参数设计煤种制粉及燃烧系统计算区域网格划分及边界条件网格的划分边界条件目录第四章燃烧试验结果及分析引言,风可调下倾后锅炉的燃烧特性冷态空气动力场试验热态燃烧调整试验拱上风对燃烧的影响下炉膛结渣及调整措施本章小结第五章数值模拟计算结果与分析模拟工况设计基础工况模拟结果分析基础工况温度场及流场特性分析一煤粉颗粒轨迹特性分析计算结果与实测结果比较切除侧边燃烧器对燃烧的影响一风下倾对燃烧的影响炉膛出口氧量分布特性一风下倾对氧量的影响风非均等分布对氧量的影响一风对炉内燃烧的影响一不同风开度对炉内燃烧的影响不同风入射角度对炉内燃烧的影响一风对炉膛出口氧量的影响本章小结第六章结论与展望参考文献攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果谢致华北电力大学硕士学位论文第一章绪论选题背景及意义煤炭是目前世界各国的重要热能来源及必要的工业原料,而能源行业中和煤炭相关的产业在国家工业、经济中具有相当的重要性。随着我国经济规模的不断壮大,对能源的需求日益增加,且因石油可开采量的日益减少,煤炭在我国经济社会发展中备受重视】。中国是世界上为数较少的贫煤和无烟煤储量丰富的国家之一,劣质煤中,无烟煤所占比重较大,无烟煤在电站中的使用量还在增加【】。我国的无烟煤年产量占全国煤炭年产量的,且地区分布较广,多分布在华北、中南和西南地区。按照中国资源开发政策和资源利用情况,火力发电行业主要使用的煤炭种类为无烟煤、贫煤等劣质煤种。截止到年,无烟煤年产量为亿吨,电力行业年消耗亿吨,达’。无烟煤的一个显著特点就是挥发分含量较低,在燃烧方面存在难着火、难稳燃和难燃烬的问题。现今较为现代的火力发电机组均具有高参数、大容量的特点,大多数采用的燃烧方式为四角切圆,但是其在燃用挥发分较低的无烟煤时,多数存在着火难、燃烧不稳定、容易结渣、低负荷性能差等问题,不能适应低挥发分煤的燃烧特性。为了高效的利用低挥发分煤,各国的研究者提出不同的煤粉燃烧技术,其中型火焰燃烧技术是被广泛接受的一种燃烧技术,并被许多国家引进和发展【。美国著名厂商福斯特惠勒公司,从世纪年代便着力研究高效利用低挥发分煤的燃烧方法,提出了双拱形炉膛和直吹式燃烧系统相结合的福斯特惠勒拱型火焰锅炉,即技术的型火焰锅炉,此类型锅炉在已经发电运行的型火焰锅炉中占据多数。这种技术提出后,法国公司、英国公司及口本日立公司均对此技术进行探索和完善,故把采用此种火焰类型的锅炉统称为型火焰锅炉,因其较为优越的回流引燃及稳燃性能在世界各国得到普遍应用【,‘。对于劣质煤,特别是低挥发分的无烟煤,大都倾向于采用型、型火焰燃烧技术,认为挥发分低于的煤必须采用型或型火焰锅炉【’】。从上世纪年代开始,我国开始陆续引进型火焰锅炉,目前已有数十台锅炉投产发电,容量也从到『。我国是世界上唯一的拥有如此多不同类型的型火焰电站锅炉的国家,也是应用型火焰锅炉经验最多的国家【引。统计数据显示,型火焰锅炉是可靠、成熟的炉型,其负荷调节范围较燃用低挥发分煤种的常规燃烧方式要华北电力大学硕士学位论文宽得多,可以满足电网负荷调度的需要,尤其是良好的低负荷稳燃性能,得到广泛认可。但是,目前在役的不少型火焰锅炉的燃烧问题还没有得到很好的解决,普遍存在燃烧不稳定、飞灰可燃物偏高、炉内结渣、火焰偏烧、排放过高等问题。。这些问题影响了电厂发电效率和安全性,大大降低电厂的经济性,但其原因在很大程度上都与运行中的燃烧状况有关。锅炉燃烧工况的好坏,在很大程度上决定着燃烧系统、锅炉设备乃至整个发电厂运行的经济性和安全性,燃烧的调整与优化也成为锅炉运行中最主要的内容及目的之一。锅炉燃烧过程十分复杂,影响因素较多,受到燃烧器类型、风量、风速、射流角度、配风方式、燃煤煤质、煤粉细度和浓度、风粉混合情况等诸多因素的作用,因素之间往往又相互影响。燃烧工况的复杂特性,决定了燃烧过程的特性,也决定了燃烧调整的复杂性。对于采用型火焰和深度分级配风的型火焰锅炉更是如此,组织良好的火焰,防止火焰短路,提高下炉膛充满度,延长煤粉停留时间,都要有科学合理的配风方式才能达到憎。燃烧过程是流动、传热传质和化学反应控制的极其复杂的物理化学过程。随着流动、传热传质和燃烧的数值模拟理论、方法和计算程序研究的迅速发展,用数值方法模拟燃烧系统中流动、传热、化学反应等过程已成为可能,在不断深化和发展各大中它已成为开展先进燃烧技术研究和燃烧系统优化与改进的有力工具,公司、研究所和高校都在进行数值模拟研究。它在用传统燃烧理论分析难以解决的燃烧问题,以及受到试验设备和测量装置限制使试验难以实现的燃烧问题中表现出独特的优越性,能够详细的模拟炉内燃烧过程中的温度场、速度场、压力场及组分场等,得到比现场试验更加丰富的工况和数据,并提供可视化结果,对进一步揭示型火焰锅炉的运行燃烧规律,优化电站锅炉燃烧,指导已有锅炉的改造及实际运行具有重要意义。国内外研究现状型火焰锅炉是我国燃用低挥发分煤发电的主力炉型。燃烧不稳定、燃烧效率低、炉膛结渣、排放量高等问题影响该型锅炉运行的安全性和经济性,引起了广泛的关注。这些问题与炉膛结构、燃烧器类型、燃煤煤质、配风方式、炉内空气动力场、燃烧温度分布等因素有关。针对具体问题,需要深入分析产生的主要原因,才能采取有效的解决措施。国内外许多研究人员对此进行研究,国内诸如西安交通大学、哈尔滨工业大学、华北电力大学、贵州电力试验研究院等,利用不同方法、从不同角度对型火焰锅炉的设计、运行进行深入广泛的研究,包括冷热态的模化试验、燃烧调整试验、数值模拟等。华北电力大学硕士学位论文模化试验及燃烧调整试验研究模化试验研究模化试验就是根据相似模化理论建立模型进行的试验,对型火焰锅炉的研究使用了冷态和热态两种方法。冷态试验主要是为获得试验条件下的炉内空气动力场,热态试验主要是为获得热态下的温度、流场等的分布,以期为型火焰锅炉的燃烧调整提供一定的参考。研究者对型火焰锅炉燃烧进行了冷态试验研究,主要是集中在一、二次配风对炉内空气动力场的影响上。王笃奎等【提出拱顶风与拱下风动量比是形成型气流流场的关键参数,并建议动量比应控制在~的范围内。周志军等捌根据试验结果给出了个无量纲参数之间的关系,以及其与旋流强度的关系,分析关系式并给出相应结论。车刚掣】对燃烧器角度分别为、和。三个工况的冷态模型空气动力特性研究实验,此外和。工况还减小了喉口的面积以及增加折焰角。得出燃烧器角度为时,为最佳型气流工况。但有关文献显示,折焰角对炉膛火焰的对称性有一定影响,因为其影响炉膛空间的压力分布。李争起等就燃烬风,对型火焰锅炉流场的影响进行研究,分别分析下倾角度为、得出一些可供参考的有用结论。其还对不同负荷下的。、和四种情况,型火焰锅炉的燃烧及排放特性进行研究。张杰等【设计搭建了的型火焰锅炉热态试验台,得出炉膛最高温度点应在层二次风中心线下部、炉膛出口不存在烟温偏差等结论。余战鹰等】通过热态试验台,指出合理的分级配风比是降低飞灰含碳量和仉的关键,分级程度过大会引起不完全燃烧损失的增加。燃烧调整试验研究针对型火焰锅炉在运行中出现的问题,国内科研院所进行了大量的燃烧调整试验,针对锅炉燃烧的各种具体问题进行现场试验,确定各参数的合理取值,取得了丰富的调整经验,对型火焰锅炉运行给予有力指导。张海等认为,我国目前运行的型火焰锅炉中普遍存在的问题,主要是燃烧器不合理造成的,并提出使用其设计的富集型燃烧器作为解决方法,但其在解决型火焰锅炉上述问题中的的应用有待更多考察。阎维平等【】进行以二次风配风试验为主的燃烧调整试验。分析试验结果给出各个二次风的作用,认为锅炉的正常工作取决于各个二次风在炉内合理配风的综合结果。雷霖等【进行了层二次风入射角度下倾。的改造,改造后锅炉高负荷运行效果明显,炉内充满度明显提高,燃烧稳定性和经济性也得,李争起等【也对~台的型火焰锅炉进行下倾风角度现到明显提高场试验,得出风下倾适当角度有利于燃烧的一些结论。杨雄文【】对岳阳电厂华北电力大学硕士学位论文型火焰锅炉严重结渣的情况进行分析后,提出一些改进措施,使飞灰含碳量降低~。陈宝明等【】利用流体力学管路理论,给出在任一给定工况下各挡板开度的计算方法和计算公式,对实际锅炉二次风系统的调节具有指导作用。对于长时间稳定燃烧技术难题,孙超凡等【针对韶关电厂型火焰锅炉的燃烧问题,提出了针对劣质无烟煤所采取的稳燃技术,并达到了预期目标,经济效益显著。黄伟等【】对型火焰锅炉进行全面燃烧试验,得出合理的优化运行方式,对型火焰锅炉的燃烧调整具有较好的指导作用。苗长信等】对型火焰锅炉存在的问题进行论述分析,并提出了解决途径,可行与否并未进一步验证,但其提出的方法在实际调整中可以做适当参考。数值模拟研究国内对型火焰锅炉的数值模拟做了大量的研究,模拟各种工况下的空气动力场、温度场、污染物生成、煤粉燃烬特性等,并提供可视化结果,对型火焰锅炉的设计、燃烧调整提供很好的指导。模拟计算中,生成的准确计算难度较大【‘,受温度、氧气浓度等影响较为明显。,挥发分不同时排放也会受影响斟】,目前计算方法中采用较多的是后处理的方法【琊。樊建人等【针对采用正交网格体系,开展了燃烧数值模级的技术的型火焰锅炉,拟,研究了该类型锅炉内煤粉的燃烧过程的特点和生成的特性。锅炉水动力所依赖的重要数据是锅炉计算作为垂直管圈超临界型火焰锅炉的核心技术,水冷壁壁面热负荷分布,周武等对低质量流速垂直管圈超临界型火焰锅炉进行炉内全过程数值模拟,数值计算结果与同类型锅炉实测数据趋势相吻合,认为与实际分布趋势相近,在实际中采用了数值计算的结果。方庆艳等】采用结渣模型耦合气固两相流动燃烧模型,对型火焰锅炉的结渣特性进行模拟,得出三种型号型火焰锅炉的结渣特性存在明显差异,并指出切停侧边燃烧器、降低锅炉热负荷和燃用结渣倾向低的煤都能有效改善结渣特性,还提出了其他一些指导措旋。汪华剑等在风角度下倾。对炉内燃烧的影响进行数值模拟和现场试验,得风下倾一定角度后,炉内燃烧状况有明显改善,并对一些具体影响进行了详细分析了。国内通用的前苏联锅炉热力计算标准中,没有关于型火焰锅炉的明确规定,刘福国等建立了适合于炉膛分区热力计算的煤焦燃烧模型,并最终将煤焦非均相反应的实验室数据应用于炉膛分区段热力计算,克服了目前炉膛热力计算仅考虑传热带来的不足。高正阳等【孓】对型火焰锅炉的数值模拟做了大量工作,其针对一台机组型火焰锅炉进行数值模拟,分析得出拆除部分卫燃带、增加一次风速、风下移等能有效改善炉内燃烧,同时指出最佳改造工况。其还以多工况数值华北电力大学硕士学位论文模拟结果为训练样本,建立基于最小二乘支持向量机的燃烧预测模型,结合遗传算法建立了燃烧优化模型,并实现了炉内火焰温度场的预测与重建。另外通过数值模拟,考察锅炉结构对炉内燃烧的影响,并分析燃烧器类型、二次风配风方式与结构效应对火焰中心偏置的协同作用规律,并给出相应结论,在实际锅炉燃烧配风调整中能给予指导作用。本文的研究目的与内容相关文献对风的入射角度等参数做过相应研究,认为对提高燃烧稳定性和降低飞灰含碳量都有较为明显的作用。通过现场试验研究发现,风对型火焰锅炉的燃烧稳定性的影响最为直接和明显,对飞灰含碳量的降低没有预想的那么直接、明显,是在调整风倾角达到较大角度,有较充分的稳定性后,投入拱上风后才取得理想效果,使飞灰含碳量有较大幅度降低。另外,现场试验还发现,风的最佳倾角与煤质、实际大气压力、炉型等实际工况有紧密联系,某一固定角度并不能适应实际工况的变化,往往达不到良好的燃烧稳定性和经济性。所以从实际出发,风倾角必须可调,保证配风对不同工况和条件的适应性,以获得足够的燃烧稳定性。长期以来,作为油枪风的风在研究文献及试验方案中几乎没有提及,在正常运行中只开到冷却位置,同样没有研究其入射角度及风量对锅炉燃烧的影响。在燃烧稳定性较好的情况下开大风及调整其沿炉宽的分布,使沿炉宽的氧量分布趋于合理,对飞灰含碳量的降低有明显作用。但是,在风倾角不够充分时,风的加入使燃烧大幅波动,甚至有熄火的可能,使其很难加入炉膛来改善燃烧,这说明风的加入有前提条件。在实际运行中,有不少型火焰锅炉的乏气风是关闭的,同时消旋开到最大,几乎完全接近直流射流,以取得更好的燃烧工况。这说明,一次风射流的刚性对型火焰锅炉的燃烧有利。根据型火焰锅炉稳燃及燃烬理论,增加一次风射流刚性有利于增大拱上与拱下射流动量比。因此,其提出将双旋风筒燃烧器改为简单直流燃烧器,不仅能增加射流刚性,同时能减小流动阻力,更有利于型火焰锅炉的燃烧。本课题将对型火焰锅炉的燃烧特性进行研究,通过数值模拟:研究不同工况和条件与风最佳入射角度问作用的特性及规律在风的基础上,分析风不同入射角度、风量分布对型火焰锅炉燃烧影响的特性及规律。通过不同情况下的模拟,找出这些参数对锅炉燃烧特性的影响规律,总结相关结论,为型火焰锅炉的设计和实际运行提供参考和借鉴。华北电力大学硕士学位论文主要内容包括:数值模拟及理论分析与现场实际紧密结合。根据现场实际问题,对其进行数值模拟及理论分析,根据分析结果提出不同预想方案进行数值模拟,再用现场试验进行验证,是一个相互论证的过程。对型火焰锅炉的基础工况进行模拟,结合现场相关数据,验证数值模的准确性。改变风的入射角度,研究同一工况不同入射角度下,炉内流场分布、温度分布、火焰形状等燃烧特性参数,并找出在此工况下最佳风下倾角度。在一定工况下的风合理入射角度的基础上,改变风的入射角度,研究其对型火焰锅炉炉内流场、温度场、火焰形状等的影响。风风量大小对拱上气流动量影响较为明显,对其风量的大小也进行研究。综合不同工况,找出风及风共同作用对锅炉稳燃、燃烬和结焦的影响规律。华北电力大学硕士学位论文第二章电站锅炉炉内燃烧数值计算模型炉内燃烧过程涉及的数学模型概述炉内燃烧过程是一个极其复杂的物理、化学过程,主要涉及湍流流动、离散相运动、挥发分析出、焦炭燃烧、气固两相与炉膛壁面间的对流、辐射换热【。】及污染物生成、还原反应。针对以上过程可采用的数学描述如下:基本守恒方程、离散相湍流流动模型、气相湍流流动模型、燃烧模型、辐射模型。在本课题中,采用改进后更加符合实际工程的妇模型来计算介质的湍流流动过程离散相运动采用颗粒随机轨道模型进行模拟挥发分析出采用双竞争反应热解模型焦炭燃烧采用动力扩散控制燃烧模型辐射换热采用辐射模型。反应流基本方程整个炉内过程涉及的流体流动基本方程:质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、化学组分平衡方程等。这些方程具体如下所示【】:质量守恒方程连续性方程:堑型捌堑型:陋。,动量守恒方程:肛,塑一瓦‖杀未一蕊肛,一一瓦叫菇瓦甲式中‖流体动力粘度流体密度。能量守恒方程:吩掰,瓦瓦五瓦一阵杯,吩掰,虿毒卜考一一万,式中五导热系数‘由于热辐射和其他原因传给单位质量流体的热量。化学绢分方稃:四,昙肌,毒哆,南【,等局状态方程:对于上述基本方程,其未知数个数与方程数相等,理论上认为该组方程是可解完全可以得出结果。但是,工程的。如果能找到合适的初始条件和边界条件,流动装置以及自然界中的湍流流动,在一个很小的湍流尺度上才可以实现。因此,该方程组在符合条件的湍流尺度网格尺寸内,才可以完全求解,然而目前的计算机速度和容量还达不到计算要求,实现求解的可能性不大。因此,寻求其它途径对方程进行求解是下一步要研究的问题,这就是下面将要介绍的湍流模犁。气相湍流流动模型湍流最基本的模拟方法是在湍流尺度网格尺寸内对求解瞬态三维方程的直接模拟,这样无须引入任何模型,但计算量太大,近期也难以实现。另一种要求稍低的办法是大涡模拟,即在大涡尺度的网格内求解方程,而对小尺度湍流仍须模拟。目前实际工程常用的办法是由时均方程出发的模拟方法,即湍流模式【,其特点是留用某些模拟假设,将雷诺时均方程或湍流特征量的输运方程中高阶未知关联项用低阶关联项或时均项来表达,从而使雷诺方程封闭。湍流运动时均方程组个方程组进行时问平均运算,即可得到湍流运动时均方程组,即时均连续性方程:昙鬲鬲昙雨石丽巧鬲万雨但‘’:扑珈华北电力大学硕士学位论文未鬲雨丢雨~巧瓦丐忑丽。一:一挈瓦强其中:砖一互蔷吾十詈石蓦嘻詈莓一考等固时均能量方程:磊一一面十景鹏一日硒十巧万万万两毒鼍军噜夏在大多数湍流计算中,可以认为密度尹和其它量的关联程度很小。若忽略密度脉动关联项及所有三阶关联项,上述时均方程可简化为统一形式:。昙朋昙而,岳』若卜万螽一式由时间导数项、对流项、扩散项和源项构成,由于增加了新项一,而使原方程组变成了不封闭的时均控制方程组。为了求解方程组,需要对脉动量乘积的平均量进行模化,从而使方程组封闭,进而求如方程的解。下面对模化方法进湍流粘性系数模型在年提出湍流粘性的概念,使得式中的一‖可表示为:州,一两鸬考等嗍中良称为湍流动能,其表达式为:式中七专巧吾刁“称为湍流粘性系数:一:为了确定中的以,需要求解七及,。根据需要求解的微分方程个数不同,华北电刀大竿坝士竽位诧湍流粘性系数模型又分为零方程模型、单方程模型和双方程模型。其中应用最广泛的是双方程模型中的施模型,而如模型包括标准莫型、胁模型和檄型。本文气相湍流模型采用后呓模型模拟炉内流耐程,该模型不但可以实现尼呓模型的旋转流动,而且强逆压梯度的边界层流动、流动分离和二次流效果也非常好,并且能比较准确的预测平板或圆柱射流的发散率。气相湍流运动采用后吒双方程湍流模型,其微分方程如下:“。仁、’缸舐仃。缸麴掣熟‖箦崩竹胪~协。垤甄缸,吒,锄,。掣掣毒陋等考鹏占一鹏毒四,:其中。,,,吒一十素嘲妻刁:妻岛糖割‖。和。按下式计算:鸬以等,。占不丽山。爿,‘,式中拓,气一‘旧,‖研每‰糖引儿丽口一‰吼一女口这里五专门表示旋转的影响,即从角速度。的参考系中观察到的时均转动速率张量。在模型中显著变化是:湍流粘度计算公式中与旋转和曲率有关内容被引入进来:占方程中的产生项不再包含有方程中的产生项。。气固两相流模型煤粉燃烧过程是典型的气固两相湍流流动和湍流燃烧过程。炉内介质流动涉及华北电力大学坝士学位论文气体流动和煤粉颗粒流动,煤粉颗粒的运动对整个炉内燃烧过程影响较大,对煤粉气流的着火过程及焦炭颗粒的燃尽过程起到决定性作用,同时对炉温度场的分布及稳定至关重要。因此,对燃煤锅炉燃烧过程进行模拟时,选择合适的气固两相流模型非常重要。气固两相流的研究方法可分为两大类:一类是把流体或气体当做连续介质,而煤粉颗粒视为离散系另一类是把流体与颗粒都看成共同存在且相互渗透的连续介质,即把颗粒视作拟流体。近年来,在研究有化学反应的气固两相流时,也探讨了诸如颗粒相的连续介质一轨道模型这样的综合方法。颗粒相与气相关系模拟有以下几种模型:单颗粒动力学模型、小滑移模型、无滑移模型、颗粒轨道模型和拟流体模型。本文将气相和颗粒相分别采用不同的处理方法,把气相作为连续性介质,在欧拉坐标系中描述,这样可以研究整个流场内不同位置流体质点的运动参数,然后综合所有空间点就可以描述整个流场把煤粉颗粒相作为离散相,在拉格朗日坐标系中描述,进而可以研究流场中煤粉颗粒的运动轨迹,通过分析运动参数随时问的变化规律,得到整个流场中颗粒相的运动轨迹,并考虑两相之间质量、动量和能量的相互作用。炉内三维气相流动的控制方程可写成如下统一形式:堕学亟十堕掣昙,豢十专詈鲁。警,踊式中妒一分别代表速度“、一,七一湍流动能。卜混合分数:一湍流动能耗散率焓卜脉动均方值气相引起的源项或汇项嘞由固体颗粒引起的源项。。式中源项及扩散系数的具体形式示于表所示。表。三维气相方程式中各项的具体含义华北电力大学硕士学位论文炉内各组分质量分数由混合分数厂及其脉动均方值求得,气体温度由焓及各组分的质量分数计算得到。第嚣种颗粒连续性方程:等导隅鼠第种颗粒相动量方程:四。’等最舶昙肌毒成岍。最”,第种颗粒相能量方程:。昙岛五昙成。‘班。一线,式中。第刀种颗粒相的质量巳第甩种颗粒相的比热臃第种颗粒相的密度乃第咒种颗粒相的温度第”种颗粒相热量。气相湍流燃烧模型整个燃烧锅炉内煤粉与空气的混合燃烧过程是非常复杂的物理、化学过程,过程属于湍流燃烧。在合适的条件下,煤粉颗粒主要发生以下反应:水分蒸发,挥发分析出,挥发分的均相反应和焦炭与氧化剂的非均相反应。在炉内燃烧过程中,燃烧释放的热量引起浓度场变化而影响湍流同时,湍流通过加强反应物与产物的混合而影响燃烧。一般说来,层流流动中反应速率取决于分子水平上的混合,而湍流中的反应速率则同时受到湍流混合、分子输送和化学反应动力学因素的影响。因此,目前尚未有通用的湍流燃烧过程中平均化学反应速率的模型公式。在研究湍流火焰过程中发展起来的方法,可以分为两类:一类是经典的湍流火华北电力大学碘士学位论文焰传播理论,包括皱折层流火焰的表面燃烧理论与微扩散的容积燃烧理论:另一类是湍流燃烧模型方法,是以计算湍流燃烧速率为标的湍流扩散燃烧和预混燃烧物理模型,包括几率分布函数输运方程模型伊模型和湍流燃烧理论。由于本文模拟的是煤粉在炉内的燃烧过程特性,因此需要考虑炉内各物质组分、浓度和温度场的变化。燃烧模型不但能够描述湍流燃烧系统中的因变量,而且通过前置软件进行热力学计算,能在中对计算结果进行查询。本文利用前置软件对煤粉、空气进行热力学计算,并选用燃烧模型中的混合分数法对气相湍流燃烧进行模拟。将空气流作为氧化性气流,煤。厂是指在所有组分、、等里,燃烧和未粉作为燃料流。在模型中,燃烧燃料流元素、等的局部质量分数。混合分数可根据原子质量分数定义为:厂每乞一乞式中元素的元素质量分数伉氧化剂流入口厅肥然料流入口。注:这里质量分数包括所有来自燃料流的元素,即包括惰性组分,也包括与燃料混合的氧化性组分,如。平均时间平均混合分数方程为:导彦砌。。优平均混合分数均方值的守恒方程:妄尹万鲁尹‖,一。丢严,彩式中’,常数盯,、和分别取,和,。为用户定义源项。颗粒相燃烧模型挥发分析出模型煤粉燃烧过程可分为挥发分析出、燃烧及焦碳颗粒燃烧两个方面。在不同气氛下煤中挥发分的析出统称为热解。煤粉在炉膛内燃烧过程中,首先是煤粉中水分的华北电力大学硕士学位论文蒸发,随着煤粉颗粒吸热量的增加,当温度达到挥发分的析出温度后,将发生热解反应,开始释放出焦油、氢气、二氧化碳、一氧化碳及甲烷等轻质烃类化合物气体。由于不同条件下,不同煤种的热解温度、热解速率和挥发分含量都不相同,因此要准确模化模拟挥发分的热解过程是非常困难的。目前,还找不到一种模化模型能准确模拟挥发分的析出过程。常用模拟煤热解的数学模型主要有:单方程模型、双方程模型和多方程模型。各方程具体如下:单方程模型:挥发分析出速率:’。~、。:尼圪一矿班其中:‰盯本文采用双挥发反应模型对挥发分热解反应进行模拟。采用两个平行竞争的一级反应来描述热解过程,即:,,挥茇分焦炭五挥发分删名炭口式中热解挥发反应的化学当量系数。‰、在该模型中,,,这样在较低温度时,第一个反应起主要作用。在较高温度时,第二个反应起主要作用。总的挥发分析出速率为:‘矽是。口:如、,坐盟盟煤的反应速率:警堋:“‘挥发分:吖一亩胞墨托如胞吉嘶墨坞女:一墨砭弘亿,巾唧劫雕,赶四阚卜,唧掣百吲圪卅当箐型焦炭燃烧模型燃煤锅炉中焦炭燃烧包括以下几个过程:参加燃烧的氧气从周围环境扩散到碳粒表面焦炭对扩散到其表面的氧气进行吸附焦炭表面发送剧烈的化学反应焦炭表面生成的化学产物解析附反应产物离开焦炭表面,并向外扩散至周围。根据以上过程建立的模型主要有扩散控制反应速率模型、动力学扩散控制反应速率模型、内部控制反应速率模型和多表面反应模型。扩散反应速率模型假定表面反应速率等于由气相氧化剂向颗粒表面的扩散速率。该模型忽略了反应动力学对表面反应速率的影响,假定颗粒直径不发生变化,由于颗粒质量逐步减少,因此有效密度也逐步降低,并且逐步变成多孔性物质。动力学扩散控制反应速率模型同时考虑了扩散作用和反应动力学对颗粒表面反应速率的影响,比较接近真实的燃烧情况,本文选用此模型模拟焦炭的燃烧过程。扩散反应速率:。旺二堡迸二。‘,式中扩散速率常数瓦颗粒温度疋周围介质温度。颗粒直径。化学动力学反应速率常数为:尺:一哪式中化学反应速率指前因子活化能。依据化学反应速率指前因子和活化能加权值的燃烧速率为:等一钒羔’~从’式中。颗粒质量颗粒周围的气相氧化剂分压如方按照氧化剂的质量分数写为:四鲁一羔等辐射换热模型煤粉在炉膛内燃烧释放大量的能量,主要以辐射换热的形式传递给水冷壁,因此需要对辐射换热过程进行准确合理的模拟。由于炉膛的边界形状比较复杂且燃烧产物具有不同的吸收、发射和散射特性,根据求解精度和流动计算适应性的不同,发展了很多的辐射换热模型。目前常用的辐射换热模型主要有:离散传播辐射模型、辐射模型、辐射模型、表面辐射模型及离散坐标辐射模型等。模型是假定介质中的辐射强度沿空间角度呈正交球谐函数分布,其考虑了颗粒之间以及颗粒与气相间的辐射换热,并将含有微分、积分的辐射能量方程传递方程转化为一组偏微分方程,联立能量方程和相应的边界条件便可求出辐射强度和温度的空间分布。一,、,一式中口吸收系数仃。散射系数入射辐射线性各相异性相位函数系数。的输运方程为:一口式中仃斯蒂芬一波尔兹曼常数:品用户定义的辐射源相。对于包含有吸收、发射、散射性质颗粒或具有吸收、发射、散射的灰体介质,入射辐射的输运方程为:砌口等卜坞。式中‘颗粒的等效辐射颗粒的等效吸收系数。模型的壁面边界条件罕电刀天孚帜士孚但啦又卜一’口:一竺:兰二坚竺:钉,一‘瓦式中气壅面黑度:瓦壁面温度,壅面入射辐射。若假定壁面为漫灰表面,那么。一。,方程变为:,一丢匆叫乜本章小结针对本课题所研究锅炉的特点,经过查阅大量资料后最终确定了数学模型。对于气相湍流输送模拟选用较接近实际工程的模型采用混合分数概率密度函数法对气相湍流燃烧进行模拟采用随机轨道模型对煤粉颗粒的运动轨迹进对煤粉颗粒的热解过程采用研究较为完善的双挥发反应模型对其模行模拟拟对对焦炭燃烧过程采用扩散一动力模型对其挥发分的燃烧采用模型进行模拟模拟采用一辐射模型对炉内的辐射传热进行计算采用一阶迎风离散格式对计算过程采用了分离式求解法和算法。华北电力大学硕士学位论文第三章研究对象及模拟条件锅炉概况锅炉整体布局本文模拟对象为技术机组型火焰锅炉,出于对称性及计算资源限制,计算模型取为实际模型的一半,模型如图所示。该锅炉为东方锅炉厂制造亚临界压力,一次中间再热,自然循环,双拱形单炉膛,平衡通风,固态排渣,“”型露天布置,全钢构架,全悬吊结构,尾部双烟道,燃煤“”形火焰炉,冷灰斗倾角,锅炉高度为,宽度,深度。图锅炉模型水冷壁及汽包整个炉膛四周为全焊膜式水冷壁,炉膛分上、下两部分,下炉膛呈双拱形,炉底开口尺寸为与炉底除渣装置相接。本锅炉燃用的是无烟煤,其着火困难,华北电力大学硕士学位论文燃尽时间长,在下炉膛部分区域敷设了卫燃带保证炉拱区有足够的温度,以利于煤粉的着火及低负荷稳燃。炉膛四周由根水冷壁管组成,水冷壁管与根集中下水管,根引入管组成个循环回路。汽包采用单段蒸发,一次分离元件为卧式分离器,沿汽包筒体中心线,分前、后两列对称布置二次分离元件为干燥箱,沿汽包长度方向布置。干燥箱由许多片波形板组成,从卧式分离器一次分离出来的蒸汽,以较低速度进入干燥箱,经波形板几次突然改变蒸汽流向,使蒸汽中携带的水份附着于波形板表面,形成水膜而落入汽包下部的炉水内,从而起到干燥蒸汽的作用。干燥过的蒸汽由汽包顶部引出,经连接管进入过热器系统。过热器及再热器过热器系统共设置两级喷水减温,第一级喷水减温点布置在低温过热器出口集箱至屏式过热器入口集箱的连接管上,左、右各一只。第二级喷水减温点布置在屏过至高温过热器之间,共两只。两级减温器均采用多孔喷管式。再热器系统由尾部双烟道挡板、事故喷水装置、低温再热器和高温再热器组成。汽轮机高压缸排汽由再热器进口集箱进入低温再热器和高温再热器加热后,由再热器出口集箱引出至汽轮机中压缸作功。再热蒸汽温度的调节主要依靠尾部双烟道挡板。此外还在再热器蒸汽的进口管,设置了事故喷水装置,作为再热汽温调节的辅助手段,用于控制紧急状道上态下的再热汽温。省煤器及空预器省煤器为尾部烟道双侧布置,中间用分离烟道隔开,沿烟道宽度方向顺列布置。省煤器蛇形管由光管组成,三管圈绕排,蛇形管排是用梯子形管夹悬吊在省煤器出口集箱上。给水进入省煤器进口集箱,经排省煤器蛇形管,分别进入只出集箱,然后通过连接管进入汇集箱,由汇集集箱两端引出,经外部给水管进入汽包。锅炉的尾部布置两台三分仓容克式空气预热器,立式布置,烟气与空气在预热器内以逆流方式进行热交换。燃烧器锅炉共配有个按技术设计制造的双旋风筒分离式煤粉燃烧器,错列布置在锅炉下炉膛的前后拱上,每一燃烧器配有一个单元风,每个单元布置个二次风道及挡板,其中、、挡板控制上部的二次风量,、、挡板控制拱下部的二次风量。每个燃烧器喷嘴配一支油枪,油枪紧挨着煤粉喷嘴布置在拱上。油枪设计总容量为:热输入量。华北电力大学硕士学位论文锅炉主要参数表锅炉主要参数项目单位工况工况,过热蒸汽流量咿过热蒸汽出口压力过热蒸汽出口温度再热蒸汽流量再热蒸汽进,出口压力再热蒸汽进,出口温度汽包压力给水压力给水温度一次风温度二次风温度排烟温度锅炉效率设计煤种表设计煤种的元素及工业分析项目符号单位设计煤种梭核煤种收到基碳。,收到基氢。收到基氧。收到基氮。。收到基硫。,华北电力大学硕士学位论文项目符号单位设计煤种校核煤种收到基灰份。收到基全水份”空气干燥基水份干燥无灰基挥发份收到基低位发热量吼哈式可磨性系数制粉及燃烧系统制粉系统锅炉采用正压直吹燃烧系统,配有四台双进双出磨煤机,两台型密封风机和八台型给煤机。磨煤机与燃烧器的对应关系见图。后墙”一蛆“““““””“前墙磨磨磨磨’图磨煤机与燃烧器对应关系燃烧系统锅炉为八角形双拱形单炉膛,每台锅炉配只双旋风燃烧器,错列下行布置华北电力大学硕士学位论文于前后炉拱上以形成“”形火焰燃烧,燃烧器与垂直方向夹角为度。燃烧器布置以炉膛宽度方向的中心为对称面,每个燃烧器间距为,错开距离为,左右对称布置。燃烧器有两个消旋叶片和两个乏气挡板,用以调整煤粉气流旋流强度、射流刚度和煤粉浓度。每个燃烧器配~支机械雾化油枪,布置在紧挨着煤粉喷嘴的下方。油枪总设计容量约热输入量。对应于每个燃烧器,拱上斜面和拱下垂直墙上分别有三个二次风门,从上到下分别为:、、、、、。二次风采用了深度的分级配风的方式,约的二次风由拱下送入,、、的风量呈阶梯状,以的风量为蹑大,燃烧器单元布置如图所示。拱下二次风口采用了分散进风的风墙的方式,利于冷却和防止结焦。此外,在冷灰斗四角交接处设有边界风以减少焦渣在该处的堆积。注,手动挡埴、、、、、气动挡板、图燃烧系统布置示意图计算区域网格划分及边界条件网格的划分本课题采用软件前置的处理工具进行炉膛建模及网格的划分,网格划分主要采用结构化方法进行,只有圆形燃烧器所在局部区域采用非结构化网格,网格总数万。炉膛整体网格划分如图所示。由于煤粉主要在主燃烧区域燃烧,所以该区域的化学反应、流动及传热过程都比较复杂,冷灰斗区域上部也涉及到较多的流动和反应过程,因此主燃烧区及冷灰华北电力大学硕士学位论文斗区域的网格比其他区的密很多。取炉膛深度方向为轴正方向,炉膛高度方向为轴正方向,宽度方向取为轴正方向。图炉膛网格划分示意图边界条件入边界条件入口边界条件主要包括一次风入口、乏气风入口及六个二次风入口。气相入边界条件设定为质量入口,按照均匀分布取值,给出各个入口的质量流量、温度、湍流强度及水力直径。入口边界的水力直径尺和湍流强度,分别为:一:刈:式中:为湿周长度,么为接触面积,雷诺数。计算中,煤粉颗粒尺寸分布规律用公式表示:以一以“式中,尺以为尺寸大于矾的颗粒的重量百分比,,是非均匀性系数,万是特征尺寸,和孑均由实验确定。颗粒粒径的分布范围为~,平均直径华北电力大学硕士学位论文,颗粒分布指数,颗粒温度为一次风温度。颗粒相边界条件,假定颗粒与壁面间是弹性碰撞,忽略颗粒碰撞后的动量损失,碰撞后颗粒按镜面反射回来继续随气流流动,最终颗粒标记为“’,并终止轨道计算。入口各风、煤参数列于表。出口边界条件炉膛内速度场和温度场都比较复杂,想预先知道出口处的温度和速度较为困难。本课题以计算区域出口截面作为出口,将出口边界条件设定为压力出口,然后假定出口边界的温度和湍流强度,并将出口压力设定为一。壁面边界条件壁面设置为无滑移边界条件,对于近壁面处区域利用壁面函数法进行计算。热流壁面条件采用第一类边界条件,假定区域壁面温度为定值,设定炉底区域壁面温度为饱和压力下的饱和水温度,冷灰斗区域的壁面比炉底壁面温度稍高,卫燃带所在区域温度最高,上炉膛温度稍低。表基础工况风、煤参数华北电力大学硕士学位论文第四章燃烧试验结果及分析引言福斯特惠勒型火焰锅炉燃烧系统中,对应子每个燃烧器,拱上斜面和挟下竖直墙上分别有三个二次风门,从上到下分别为:、、、、、。二次风有~由拱下送入,、、的风量呈阶梯状,以的风量为最大。此外在翼墙、侧墙和冷灰斗交接处设置边界风以防止结渣。该类型焰锅炉一直存在高负荷时燃烧稳定性较差,加风容易造成炉内燃烧大幅波动,运行时氧量偏低:沿炉宽氧量分布极不均匀:炉膛中部氧量很低而炉膛两侧氧量则要高得多炉膛翼墙、侧墙结渣和冷灰斗排渣口附近堵渣严重一次风火焰下冲不足,一部分燃烧过程在上炉膛进行,导致锅炉减温水量大、排烟温度高飞灰和炉渣可燃物含量高等,严重威胁到锅炉的安全经济运行。在试验研究的基础上,本课题提出了如图的型火焰锅炉稳燃燃尽的物理模型:根据动量矩守恒原理,作为有限空间受限射流,加大一次风及其他各股射流相对于理想烟气环流中心的动量矩,能增强烟气环流强度,促进热烟气的回流。从分析理论可以看出,减小拱上靠近中部和拱下靠近上部的气流的强度以及减小各股气流与垂直方向的夹角,能增加下行气流的动量,增强烟气环流强度,延长火焰下冲行程,增加煤粉颗粒在下炉膛的停留时间,使型火焰锅炉形成良好的炉内燃烧工况,从根本上改善锅炉稳燃燃尽性能。图稳燃燃尽模型华北电力大学硕士学位论文风可调下倾后锅炉的燃烧特性倾角可调的风下倾改造后,福斯特惠勒型火焰锅炉表现出一些和改前完全不同的燃烧特性。在改后的燃烧调整中,根据以往经验,乏气挡板、拱下、挡板基本全关,消旋叶片放到最低位一次风旋流强度最低,拱上、挡板风量较小因而影响不大,所以调整的主要对象集中在风倾角、拱下挡板开度和拱上挡板开度三个方面。此外为了减轻下炉膛侧墙和翼墙结渣,改造前后炉膛角的支燃烧器均保持在切除状态。冷态空气动力场试验图~图分别为不同风倾角时炉内空气动力场烟花示踪照片。图风倾角图风倾角图风倾角。图风倾角,。随着风倾角的增大,一次风火焰下冲深度和炉膛充以上图片对比可以发现,满度显著增加。风倾角为度时,一次风火焰下冲深度和炉膛充满度都达到一个华北电力大学硕士学位论文较理想的状态,并且前后墙对称性良好,说明风倾角的调节作用明显。热态燃烧调整试验当风充分下倾后,锅炉首先表现出的最明显的改变是稳燃能力明显增强,主要体现在改后锅炉平均氧量水平大幅度提高。图为风下倾前后省煤器出口平均氧量对比图。图中平均氧量均能达到最佳值~的范围内,最高可达以上。同时拱上挡板开度在范围内变化,锅炉仍然能够维持稳定的燃烧状态。改前锅炉省煤器后平均氧量水平最高在左右,氧量略高就会导致炉压大幅度波动,拱上挡板也不能开大,否则就会导致燃烧不稳。由此可见,风下倾后,锅炉燃烧稳定性有较大幅度提高。广西翮里塑星图改造前后氧量对比圜窭舀暖习里垫亘华北电力大学硕士学位论文为风下倾前后锅炉效率对比图。图中甲厂、炉风下倾角度为度,而丙厂。炉风下倾角度为度。这说明锅炉在不同工况下运行时,所需的倾角是不同的,必须能够灵活调节。实际中,丙厂除”炉外,秤炉进行了下倾角度固定在度的改造。与炉相比,由于风下倾不足且无法调整,”炉燃烧稳定性没有明显改善,锅炉氧量无法提高,拱上挡板也无法开大和调整,因而飞灰含碳量仍保持在和改前相当的较高水平,锅炉效率并没有明显提高。这进一步说明,风充分下倾的重要性和下倾角度可调的必要性。拱上风对燃烧的影响拱上挡板作为油枪风挡板,当油枪撤出后,按锅炉厂设计要求应关至的冷却位。因为油枪风风量较大、离一次风喷口很近并

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