高效煤粉工业锅炉燃烧件燃烧性能测试及数值模拟研究

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1、高效煤粉工业锅炉燃烧件燃烧性能测试及数值模拟研究1绪论1.1研究背景我国一次性能源量的一大特点就是贫油、少气、富煤炭，在这样的能源结构背景下，大力发展煤炭在工业中的应用技术便成了时代的趋势，煤炭资源也将在现在以及未来的很长一段时间内占据我国工业使用能源的主导地位。目前我国约有工业锅炉54万台，其中燃煤工业锅炉占绝大多数，每年消耗煤超过5亿吨，占全国煤年产量的1/3[1-4]，但普遍存在着技术落后、高耗能、经济性差等问题，锅炉效率一般只达到60%~70%，比国外先进水平低10~20个百分点[5]。随着我国经济的快速发展以及近年来国家节能减排政策

2、的大力推行，发展一种高能效同时又具有低污染排放特性的燃煤工业锅炉技术将具有十分重大的意义。1.2我国工业锅炉发展现状据有关统计数据表明，我国平均每年约7000台新增工业锅炉投入运行，约5万蒸吨的工业锅炉需要更新[6-7]，而目前主要的工业锅炉形式有以下几种：(1)层燃锅炉层燃是一种古老而又应用最为广泛的传统燃烧技术，其中大部分为固定炉排锅炉和链条炉[8]。其工作原理大致如下：锅炉内部设置有固定或可动的炉排，在炉排上将煤平铺成层状，形成具有一定厚度的燃料层，从炉排下方鼓入空气，之后空气穿过燃料层并参与燃烧反应[9]。大部分燃料在炉排上燃烧，少数

3、细小颗粒的固体燃料和可燃气体则在火床上的炉膛空间中燃烧。层燃炉的初期投入费用及运行维护费用相对较低，但其目前国内生产的和运行中的层燃式锅炉普遍存在以下问题[10-11]：①锅炉排烟温度超标达180~250℃，过量空气系数超标，达1.8~3.9。②炉渣含碳量超标，达15%~30%（要求10%以下）。③层燃炉漏煤、灰、渣、风严重，另外由于炉排侧密封不严，还会导致送风不均。④机械不完全燃烧损失超标，达8%~12%（要求6%以下）。1.3燃烧器燃烧特性的研究方法与现状燃烧器在锅炉工作中起到引燃燃料和组织燃烧的作用，燃烧器性能的优劣直接决定了锅炉的运行

4、效率的高低，而对燃烧器的研究工作又为燃烧器的设计开发提供必要的指导依据。一般来说，对燃烧器的研究主要包括冷态特性研究和燃烧特性研究两种，冷态特性研究往往用于探究燃烧器的流场组织情况[35]，以大致了解其工作过程中流场内物质交换和热量交换水平；而燃烧特性研究则能更直观和具体的反映一个燃烧器组织燃烧能力优劣、能源利用效率高低、污染物排放多少这些我们最为关心的问题。目前对燃烧器燃烧特性的研究，又主要包括实验方法和数值模拟方法[36]两种。（1）实验方法燃烧器的实验研究方法分为现场实测法和物理模化法两大类。现场实测法为工程上最为古老和传统的研究方法，

5、即采用就地测量的办法对燃烧器燃烧空间内的流动情况、温度分布、烟气成分等进行实测，为燃烧器的优化提供必要的数据。林伯川等人对一种煤粉低尘燃烧器燃烧器进行了热态试验研究，通过现场测量燃烧器内壁面温度、灰渣含碳量、燃烧器出口处的烟气成分以及排烟中的一氧化碳浓度，指出了该燃烧器具有燃烧完全、NOX排放浓度低等特点[37]。丁国旺、侯栋岐等人在对火焰可调低NOX燃气（油）燃烧器的研究开发中，通过热态试验对其燃烧特性进行了研究。现场实测数据分析指出，新型燃烧器性能良好，火焰形状调节幅度上，稍加调整燃烧火焰即清晰无烟；实测CO大都在50ppm以下，燃烧效率

6、高；NOx的排放浓度在100mg/m3以下，能实现高效清洁燃烧[38]。王强等人在对高温空气气化系统中燃烧器的开发过程中对燃烧器进行了热态实验，通过现场实测的方法得到了空气预热温度与NOX排放量的关系，结果表明该燃烧器有利于降低NOX的排放[39]。张孝勇等人同样利用现场实测的方法，对等离子燃烧器一级燃烧筒的燃烧特性进行了研究[40]。通过对不同工况下一级燃烧筒中心、出口的火焰温度以及燃烧筒壁面温度等测量数据的分析，指出在燃用蒙南煤的情况下，等离子直接引燃煤粉过程中挥发份的析出和着火比常规点火方式提前，燃烧整体温度较高；当一次风速度为18m/

7、s时，要形成稳定的火焰，一级燃烧筒内的煤粉质量浓度不能低于0.15kg/kg，为其工程应用提供了宝贵的指导意见。2燃用洁净煤粉工业锅炉燃烧器热态实验系统介绍在开发设计了一种新型高效环保煤粉工业锅炉燃烧器的同时，为了充分考察燃烧器煤粉火炬与受热面之间的配合情况，使该燃烧器的设计尽可能的符合实际工程应用要求，同时也为之后的燃烧器热态特性测试试验做好充分的准备，本文对燃用洁净煤粉工业锅炉系统做了一个总体的设计，笔者参与了整套系统的研发、热力计算以及制图的全过程。本章对该工业锅炉系统的主要组成部分、工业锅炉炉型的选择、高效环保煤粉工业锅炉燃烧器的设计

8、等内容进行了详细的介绍。2.1系统简介新型高效环保煤粉工业锅炉燃烧器热态实验系统组成如图2.1所示。整套系统包含了燃料供应系统、送引风系统、锅炉本体及燃烧系统、给水