运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究.docx

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1、第 24 卷 第 4 期2004 年 8 月文章编号: 100026761 (2004) 0420470207动力工程POW ER EN G IN E ER IN GV o l. 24 N o. 4A ug. 2004运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰 含碳量影响的数值研究陈炳华, 张颉, 孙锐, 吴少华, 秦裕琨(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院, 哈尔滨 150001)摘要: 为了达到锅炉的优化运行以保证煤粉气流及时着火和充分燃尽, 采用 IP SA 两相流动模型和煤粉燃烧综合模型, 在不同的一次风率和煤粉细度的工况下, 对 1 台 350M W 锅炉煤粉燃烧过 程进行了数值模拟, 得出了

2、炉内燃烧器区域以及出口处烟气温度场和燃烧产物的组分浓度分布。分析了一次风率和煤粉细度对煤粉着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律, 并确定了优化的运行参数。结 果表明: 一次风率对煤粉气流的着火影响较大, 而对出口处烟气温度、氧量以及飞灰含碳量影响较 小。 煤粉细度对煤粉气流的着火、燃烧以及燃尽均有较大影响。 图 8 表 2 参 9关键词: 动力机械工程; 煤粉燃烧; 数值计算; 一次风率; 煤粉细度; 飞灰含碳量中图分类号: T K 224文献标识码: AN um e ric a l S tud y o f O p e ra t io n P a ram e te rs o n P u lve ri

3、ze d C o a lIg n it io n a nd U nb u rne d C a rb o n in F ly A s h fo r a B o ile rCH EN B in g 2h u a , Z H A N G J ie, S U N R u i, W U S h a o2h u a , Q IN Y u 2k u n(Schoo l o f E n e rgy Sc ien ce an d E n g in ee r in g, H a rb in In st itu te o f T ech no lo gy, H a rb in 150001, C h in a)A

4、b s t ra c t: In o rde r to o b ta in op t im um op e ra t io n o f bo ile r s an d th en en su re t im e ly ign it io n an d com p le te ly b u rno u t o f p u lve r ized co a l, p u lve r ized co a l com b u st io n p ro ce sse s in a 350M W bo ile r w e re n um e r ica lly ca l2 cu la ted u n de

5、r d iffe ren t p r im a ry a ir ra t io s an d p u lve r ized co a l f in en e ss. T h e In te r P h a se S lip A lgo r ithm m o de l w a s em p lo yed fo r th e tw o 2p h a se f low sim u la t io n. T h e com p reh en sive co a l com b u st io n m o de ls w e re u sed to sim u la te com b u st io n

6、 p ro ce ss. T h e n um e r ica l re su lt s show ed th e tem p e ra tu re f ie ld an d th e com b u s2t io n sp ec ie s co n cen t ra t io n d ist r ib u t io n s in th e com b u st io n zo n e an d a t fu rn ace ex it. T h e effec t s o f p r im a ry a ir ra t io an d p u lve r ized co a l f in en

7、 e ss o n p u lve r ized co a l ign it io n an d u n b u rn ed ca rbo n co n ten t in f ly a sh w e re stu d ied an d op t im um op e ra t io n p a ram e te r s w e re g iven. T h e re su lt s illu st ra te th a t p r im a ry a ir ra t io h a s a m a jo r effec t o n p u lve r ized co a l ign it io

8、n an d m ino r effec t s o n ga s tem p e ra tu re, o x ygen co n cen t ra t io n an d u n b u rn ed ca rbo n a t fu rn ace ex it. P u lve r ized co a l f in en e ss h a s sign if ican t effec t s o n p u lve r ized co a l ign i2t io n , com b u st io n an d b u rno u t. F ig s 8, tab le s 2 an d re

9、f s 9.Ke y w o rd s : pow e r an d m ech an ica l en g in ee r in g; p u lve r ized co a l com b u st io n; n um e r ica l sim u la t io n; p r im a ry a ir ra t io; p u lve r ized co a l f in en e ss; u n b u rn ed ca rbo n co n ten t收稿日期: 2003210215修订日期: 2004203221作者简介: 陈炳华( 19682) , 男, 硕士研究生, 高级工

10、程师。主要研 究方向: 煤粉燃烧过程的数值模拟。对于现代化的一流火电厂的发电机组来说, 不仅要保证生产运行的安全性, 还要着重考虑生产过 程的经济性。电厂的经济性涉及汽机、锅炉、电气、热陈炳华, 等: 运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究471第 4 期工、化学和燃料等各方面, 而锅炉效率是非常重要的 一个方面。飞灰含碳量是影响锅炉效率的重要因素, 也对锅炉的安全运行有很大的影响。 煤粉中的大部 分可燃物应该在炉膛火焰中心燃尽, 如果煤粉无法 正常燃尽, 火焰中心上移, 伴随着飞灰含碳量增高, 则会造成炉膛出口区域烟气超温和造成位于该区域 的高温过热器和再热器管的超温, 影响主

11、汽温度的 调整, 长此以往, 就会造成爆管等突发事故1 。影响飞灰含碳量的因素有: 燃料的性质、炉膛结 构、锅炉负荷、煤粉细度和配风方式等。 对于炉膛结构、燃料性质一定的锅炉, 在相同的负荷下, 煤粉细 度和配风方式选择的合理与否, 关系到炉内的空气 动力场, 直接影响煤粉气流的着火、燃烧及燃尽, 从 而影响飞灰含碳量。长期以来, 人们一直采用实炉测 试方法来确定飞灰含碳量, 并摸索降低飞灰含碳量的运行方法, 但实炉测试工作量大, 测试工况有限,较难获得详细全面而又经济可靠的结果2 。 数值计 算的发展为煤粉燃烧研究开拓了一个新的领域, 使 理论分析和试验研究之间建立了相互结合的途径。 通过数

12、值试验手段模拟炉内煤粉燃烧过程, 分析运 行参数对煤粉气流的着火燃烧和飞灰含碳量的影响规律, 从而指导锅炉的运行优化, 已得到越来越广泛 的关注。本文采用了适合于旋流燃烧方式锅炉的数学模 型和计算方法, 根据炉内空气动力场的物理性质, 采用了合理的网格划分和边界条件, 利用 PHO EN IC S程序, 在不同的一次风率和煤粉细度的工况下, 对山 东日照电厂 350M W 锅炉煤粉燃烧过程进行了数值计算, 分析了一次风率和煤粉细度对煤粉气流着火和飞灰含碳量排放情况的影响规律, 得出了优化的 运行参数。1燃烧设备情况日照电厂 350M W 锅炉设备是亚临界、一次中 间再热、自然循环汽包、固态排渣

13、煤粉炉; 采用平衡 通风、负压燃烧方式, 单炉膛, 型布置, 水冷壁采用 膜式结构。炉膛烟气依次流经屏式过热器、高温过热 器、高温再热器、低温再热器、低温过热器、省煤器、 空气预热器和电除尘器。锅炉设计燃用烟煤, 采用直 吹式制粉系统, 每台锅炉配有 4 台M B F 223 型中速 辊式磨煤机, 每台磨煤机供一层 4 只燃烧器。锅炉共 有 16 只 FW 双调风旋流煤粉燃烧器在前墙按 4 层4 列布置, 采用“L ”型燃烧方式, 旋流燃烧器布置 方式及二次风气流的旋向如图 1 所示。图 1炉内燃烧器布置结构图F ig 1L ayo u t o f th e bu rne r s in th

14、e fu rnace2数学模型及计算方法2. 1数学模型煤粉燃烧过程是伴随多种热传递现象的带有化 学反应的湍流气固两相流动。 煤粉燃烧过程的模拟需要建立很多物理和化学过程的简化模型, 用以描述气固两相流动、相间作用力、颗粒湍流弥散、煤粉 干燥、挥发份析出与燃烧、焦炭燃烧以及辐射传热等 过程。2. 1. 1气固两相流动模型本文采用了 IP SA 模型 ( In te r2p h a se S lip A lgo 2 r ithm M o de l) 进行气固两相流动的数值计算, 对气 固两相分别采用连续相介质控制方程进行描述, 第i 相的特性参数 5 i 控制方程为d ( ri i i ) d

15、t + d iv ( ri iV i i -ri # ig ra d (i ) - i # ri g ra d ( ri ) ) = S i + S ip (1) 式中: i = 1 为气相, i = 2 为固相; # i 为相内扩散系 数; # ri 为相间扩散系数; S i 为相内作用源相; S ip 为相 间作用源相; V i 为第 i 相介质的速度; ri 为体积份 额, 即单位体积内第 i 相介质所占的体积份数。气固两相间的相互作用包括质量、动量和能量 传递, 其中动量传递是由两相之间的气动阻力产生, 可表示为F = 3 r2 1C d V 1 - V 2 4D(2) 式中, C d

16、 为阻力系数, 由球型颗粒的标准阻力系数 公式给出C d = 24 (1 + 0. 15R e0. 687 ) R e(3)式中, R e 为气固两相间相对运动的雷诺数, 可表示为R e = 1D V 1 - V 2 1(4) 式中, 1 为气相密度; D 为固相采用的球形颗粒直 径; 1 为气相动力粘度。对于气相湍流流动采用 k 2 双方程湍流模型,具体形式见参考文献3 。动力工程472第 24 卷对 于 固 相 颗 粒 的 湍 流 弥 散 过 程 采 用 湍 流 P ran d t l 数的梯度扩散假设来模拟, 湍流 P ran d t l 数 可表示为P t =1 + 1. 5 (0.

17、85 V 1 - V 2 2 k )(5)热烟气通过热传导、热对流和热辐射的方式加 热煤粉颗粒, 热辐射所占份额比较小, 可以忽略不 计。 本文采用关于N u sse lt 数的体积模型在焓方程 中加入传热源项来模拟传热过程, 该源项可表示为q = 61 r2N u (T 1 - T 2 ) D 2 (6)式中, 为气体的热传导系数; N u 为N u sse lt 数, N u= 2+ 0. 65R e0. 5 P r0. 333。2. 1. 2煤粉燃烧综合模型 本文采用的煤粉燃烧综合模型假设煤粒为单一粒径的球形颗粒, 在反应进行的任何时刻, 煤粒由水 份、原煤、焦炭和灰份这 4 部分组成。

18、 煤粒温度的上升导致煤粒中的水份蒸发, 进入气相变成水蒸气。原 煤随着挥发份析出而消耗, 剩余的固体可燃物为焦炭, 焦炭与氧气发生异相反应而逐渐燃尽。 灰份随着焦炭 的燃尽而逐渐趋向于 1。假设析出的挥发份的成分为碳氢化合物(CH x ) , 它在气相燃烧反应中迅速耗尽。氧量 在挥发份和焦炭的燃烧反应中迅速消耗。根据单步反应模型4 来模拟煤的热解过程, 挥 发份的生成速率为均匀交错网格系统中求解5 。 在 S IM PL E ST 算法 中, 首先是对流项采用迎风格式, 同时采取加密网格 的方法避免可能出现的假扩散问题。 其次是扩散项 采用线性迭代, 对流项采用点迭代, 可以免去求解速 度场所

19、需要的很强的低松弛, 有利于加快结果的收 敛和求解压力场的准确性5 。由于炉膛沿宽度方向上是对称的, 本文以宽度 方向的半个炉膛作为模拟对象, 选取从炉膛下部的 冷灰斗到炉膛上部的折焰角之间的区域作为计算 域。经过对比计算表明: 以上对计算域的两项简化对 炉膛内的各主要变量的分布情况的影响很小。因此, 本文的数值模拟均取简化后的计算域, 其长度方向 (X )、宽度方向 (Y ) 和高度方向 (Z ) 分别为 11m 7.7m 30. 3m , 取 Y = 7. 7m 处 Y 2Z 截面为计算对称 面。为了获得与网格疏密程度无关的数值模拟结果,以便较准确地反映炉内情况, 必须选取适当的网格划分。

20、经过对比计算, 最终选择 X 、Y 和 Z 方向上均 优化后的网格数 304870 作为本文数值模拟的 网格划分。 具体的计算域结构及优化的网格划分如图 2 所示。&m v ol = A v r2 2 Y vm ce- E v R T 2(7)式中, m c 为煤粉颗粒的质量; Y v 为干燥无灰基的煤 中挥发份所占的质量百分数。根据焦炭燃烧的扩散2动力模型4 , 焦炭的燃烧 速率 R c 受到氧扩散到焦炭表面的速率 K d 和焦炭 表面的化学反应速率 K c 这两方面的控制, 可表示 为6 r2 P O 2 1 (a) 计算域简图R c =D(1K c+ 1K(8)dK c = A ce-

21、E c R T 2 (9)K d = S hD O 2M c R T 1D(10) 式中, P O 2 为氧气的分压; D O 2 为氧气的扩散系数; S h 为 Sh e rw oo d 数, 取为 2. 0; M c 为碳的摩尔质量。对煤粉燃烧的其它分过程分别采用水份蒸发的 扩散模型、挥发份燃烧的 EBU 2A r rh en iu s 气相湍流燃烧模型以及六热流辐射传热模型等, 具体形式见参考文献3 。2. 2计算方法及网格划分采用有限差分法来离散微分方程, 对控制方程 的求解采用 S IM PL E ST 算法, 在直角坐标系下的非(b ) 横截面上的网格划分陈炳华, 等: 运行参数对

22、锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究473第 4 期(c) 纵截面上的网格划分图 2模拟的炉膛结构及网格划分F ig 2C a lcu la ted fu rnace st ruc tu re and dom a in g r id2. 3边界条件以锅炉现在常采用的实际运行工况为例介绍边 界条件设置, 即二次风旋流数为 1. 5, 一次风率为18. 3% , 颗粒平均粒径为 22. 4m 的工况。2. 3. 1壁面边界条件 壁面边界条件按无滑移条件取值, 即u i w = 0, v i w = 0, w i w = 0,p w = 0, k w = 0, w = 0(11) 式中, u

23、i、v i 和w i 分别为第 i 相介质的轴向速度、切 向速度和径向速度。对于流体近壁区域采用如参考文献3中的壁 面函数近似。温度取为定值 T = T w , 壁温 T w 根据炉膛水冷 壁管中汽水混合物的温度以及管壁的灰污情况确定, 本文中取为 T w = 350。2. 3. 2入口条件入口条件按进口均匀分布取值, 给出各进口气 固两相的质量流量和温度等。 选取B 、C 和D 层 12 只燃烧器投用时的满负荷工况进行数值计算, 锅炉主要运行参数示于表 1。表 1锅炉主要运行参数Ta ble 1The m a in perf orm an ce pa ram e ter s of bo il

24、er磨煤机的燃煤量( th )一次风量 (k gs)二次风量二次风温度一次风温度二次风 D 磨 C 磨 B 磨 D 磨 C 磨 B 磨 (k gs) ( ) ( ) 旋流数 50. 71 45. 66 49. 88 24. 53 21. 66 24. 26 317. 08 322. 5 70 1. 5 2. 3. 3出口条件5 = 0, = u , v , w, p , k , , 且 v= 0。 (13)出口条件按充分发展条件取值, 即55z = 0, = u i , v i , w i , p , k , 等。(12)给定出口处的外环境压力为大气压, 环境温度 为出口温度。2. 3. 4对

25、称面条件5y i i i i2. 3. 5煤粉参数的设置试验煤种为高挥发份烟煤, 是日照电厂的常用 煤种之一, 其煤质分析示于表 2。根据煤粉粒径筛分特性参数 R 90 和 R 200 算出煤粉的平均粒径为 22.4m。表 2试验煤种的煤质分析和粒度分析Ta ble 2Proper ty an d f in en e ss ana ly s is of the te sted coa l工业分析( % )元素分析( % )低位发热量粒度分析( % ) V d af A a r M a r C d H d Sd N d O d Q net, a r (kJ k g) R 90 R 200 35.

26、 4 26. 03 7. 8 60. 31 4. 09 0. 48 1. 03 5. 86 21260 27. 52 0. 23 度测试仪中, 静止的煤粉颗粒堆放在电炉中的着火温3计算结果与分析煤粉气流及时着火, 则燃烧器出口温度水平较 高, 煤粉颗粒在高温环境下停留时间延长, 燃烧反应 的速度加快, 煤粉颗粒充分燃尽, 保证了煤粉气流稳 定着火和充分燃烧。 煤粉气流的及时着火可以由着 火距离这个变量来反映。着火距离较短, 则煤粉及时 着火燃烧, 燃烧器出口区域温度水平较高, 炉内烟气 温度也保持较高水平。煤粉的着火温度, 是由一定环境条件下的煤粉着 火的临界条件决定的。不同的环境条件下所测得

27、的着 火温度是不同的。 在规定的实验室条件下, 在着火温度, 对烟煤为 400 5006 。 但要点燃煤粉气流, 就需要使它的挥发份和混合的空气的温度上升到更 高的温度才能着火。参考文献7中给出: 干燥无灰基 挥发份(V d af ) 为 30% 时的烟煤的着火温度为 750,V d af = 40% 时的烟煤的着火温度为 650。 煤的挥发 份含量对煤粉气流的着火过程有很大的影响。煤粉气流的稳定着火, 在很大程度上是靠煤粉析出的挥发份, 在其点燃后与一次风发生反应所形成的高温燃烧 产物来维持的。 煤的挥发份含量越低, 它的着火温度 越高。为了简化起见, 由于本文所用煤种的V d af = 3

28、5.4% , 其着火温度通过线性插值确定:474动力工程第 24 卷T = 750 -35. 4 - 30 40 - 30(750 - 650) = 750 - 54 = 696 ()(14)本文中煤粉着火距离指的是在燃烧器出口轴线上 烟气温度达到着火温度时距离燃烧器出口的轴向距 离。 一般地, 在锅炉实际运行中, 希望煤粉气流能在距燃烧器 200 300mm 处着火, 最多不超过 600mm 。故 本文中保证优化工况的煤粉着火距离在 600mm 之内。另外, 锅炉设计燃烧的是高灰份和低热值的煤, 因此设计炉膛高度相对较低, 煤粉在炉膛内停留时间短。因 此, 在目前炉膛高度较低并燃用高热值烟煤

29、的条件下, 煤 粉颗粒的充分燃尽有一定困难。所以, 本文中需要保证优 化工况的炉膛出口处的飞灰含碳量小于 3% 。3. 1一次风率的影响保持其他运行参数不变, 当二次风旋流数为 1.5, 煤粉颗粒平均粒径为 22. 4m 时, 分别选取一次 风率为 15% , 18. 3% 和 20% 的 3 个工况进行了数值 模拟, 研究一次风率对炉内燃烧过程的影响规律, 选 取在该组运行参数下优化的一次风率, 从而指导锅炉的燃烧调整。3. 1. 1一次风率对燃烧器区域的影响(a) 烟气温度分布(b ) 氧气浓度分布图 3不同一次风率下D 层燃烧器中心线上烟气温度和氧气质量浓 度的沿程分布F ig 3 A

30、x ia l ga s tem p e ra tu re and o xygen co ncen t ra t io n p ro f ile o f th e bu rne r o f th e leve l D a t d iffe ren t p r im a ry a ir ra t io图 3 给出了不同一次风率下 D 层燃烧器中心 线上烟气温度和氧气质量浓度的沿程分布情况。 由图 3 可以看出: 随着一次风率的增大, 燃烧器出口处 温升减缓, 煤粉气流着火延迟, 燃烧器出口附近温度 水平下降, 但到炉膛中央处, 烟气温度基本相同。 这是由于一次风为直流, 随着一次风率的增加, 一次

31、风 速增加, 射流的轴向动量增加, 切向动量与轴向动量 的比值减小, 总旋流强度减小, 中心回流区的长度及 直径有较大幅度的下降, 射流的扩展角也有较大幅 度的下降, 使得煤粉气流的温升缓慢, 不利于煤粉及时着火和燃烧, 从而使得燃烧器出口附近温度水平下降8 。另外, 一次风率增加, 相当于煤粉浓度降低, 难以形成高浓度区域, 煤粉气流的着火温度升高, 着 火时间延长, 煤粉气流难以及时着火, 也使得燃烧器 出口附近温度水平较低。随着一次风率的增大, 氧气 浓度下降速度减缓。到炉膛中央处, 当一次风率较小 时, 在距燃烧器轴向距离 4m 以后, 煤粉基本燃尽, 故氧量基本保持不变。 当一次风率

32、为 20% 时, 由于 一次风率过大, 使得一次风与二次风之间的混合推 迟, 部分煤粉由于惯性作用仍在燃烧器中心线附近 燃烧, 消耗大量氧气, 使得氧气浓度下降, 然后维持 较低水平。3. 1. 2一次风率对出口处参数的影响图 4 为一次风率对出口处烟气平均温度, 平均 氧量以及飞灰含碳量的影响。由图可见, 当一次风率由 15% 提高到 18. 3% , 飞灰含碳量由 2. 0% 下降为1. 8% , 但当一次风率由 18. 3% 提高到 20% 时, 飞灰 含碳量又上升为 1. 9% 。一般来说, 一次风率提高则 会加强炉内气流的后期混合程度, 燃烧烟温水平将 有所上升, 飞灰燃尽率将有所提

33、高。但若一次风率过大, 将推迟一次风的着火点, 降低煤粉的燃烧效率9 。 但是, 总的来说, 一次风率的变化对出口处各 个量的分布情况影响较小。图 4一次风率对出口处烟气平均温度和烟气成份的平均质量浓度 的影响F ig 4 E ffec t s o f p r im a ry a ir ra t io o n ave rage ga s tem p e ra tu re and sp ec ie s co ncen t ra t io n a t fu rnace ex it第 4 期陈炳华, 等: 运行参数对锅炉煤粉着火燃烧和飞灰含碳量影响的数值研究4753. 1. 3一次风率的优化选择区间

34、为 10m , 依次类推, 直到某颗粒粒径区间范围 内的筛余份额小于 0. 001。 然后计算出各个粒径范围内的煤粉颗粒数目N i , 从而求取煤粉颗粒平均粒 径D 。本文利用编写的程序计算不同的 R 90 和R 200 下 煤粉颗粒的平均粒径D 。i (N i = 6 (R i - R i+ 1 ) D 318)iD =N iD 2N i (19)图 5一次风率对D 层燃烧器区域烟气平均温度、煤粉着火距 离和出口处飞灰含碳量的影响F ig 5E ffec t s o f p r im a ry a ir ra t io o n ave rage ga s tem p e ra tu re,

35、ign i2 t io n d istance and unbu rned ca rbo n co n ten t in f ly a sh a t com 2 bu st io n zo ne o f D leve l bu rne r s图 5 给出了一次风率对炉内 D 层燃烧器区域 烟气平均温度、煤粉着火距离和出口处飞灰含碳量 的影响。从图 5 可以看出: 一次风率对出口处飞灰含 碳量影响不大, 都在 3% 之内, 但当一次风率在 15% 到 18. 3% 这一段, 一次风率越小, 出口处飞灰含碳 量越大, 故一次风率不应该小于 15% 。 一次风率对 煤粉着火距离影响很大, 随一次风率

36、增加, 煤粉着火 距离增加, 燃烧器区域烟气平均温度下降。为了保证 煤粉着火距离在 600mm 以内, 一次风率应该在 17.5% 以下。 考虑到炉内燃烧器区域的温度水平, 故优 化后的一次风率范围为 15% 17. 5% , 最佳一次风率约为 17. 5% 。3. 2煤粉细度的影响本文采用的 IP SA 两相流动模型对于颗粒相采 用的是连续介质假设, 煤粉颗粒被认为是单一粒径的球形颗粒, 故需要将煤粉细度换算成煤粉颗粒平均粒径。煤粉颗粒的粒径分布可以用 R o sin 2R amm le r分布式来表示, 煤粉的筛余份额可表示为6 :R = exp (- bn )(15) 式中, 为筛孔宽度

37、 ( 相当于颗粒直径) ; b 和 n 分别 为由筛分分析得到的实验系数。将煤样粒度分析中给出的煤粉粒径筛分特性参 数 R 90 和 R 200 分别代入上式, 可解得两未知数 b 和 n:保持其它运行参数不变, 当二次风旋流数为 2.0, 一次风率为 18. 3% 时, 分别选取煤粉颗粒平均粒 径为 22. 4m , 30m , 40m 和 50m 的 4 个工况进 行了数值模拟, 研究煤粉细度对炉内燃烧过程的影 响规律, 选取在该组运行参数下优化的煤粉颗粒平 均粒径, 从而指导锅炉的燃烧调整。3. 2. 1颗粒平均粒径对燃烧器区域的影响(a) 烟气温度分布(b ) 氧气浓度分布图 6不同颗

38、粒平均粒径下D 层燃烧器中心线上烟气温度和氧气质 量浓度的沿程分布F ig 6 A x ia l ga s tem p e ra tu re and o xygen co ncen t ra t io n p ro f ile o f th e bu rne r o f th e leve l D a t d iffe ren t p a r t ic le f inene ssn = ln ( 1R 200 ) - ln ( 1R 90 )ln (20090)(16)图 6 给出了不同颗粒平均粒径下 D 层燃烧器b = ln (1R 200 ) 200n(17)本文将煤粉颗粒粒径分布离散化,

39、 10m 以下 的煤粉颗粒, 认为其平均粒径为 10m ; 10m 到20m 的颗粒认为其平均粒径为 15m , 即颗粒粒径中心线上烟气温度和氧气质量浓度的沿程分布情 况。由图 6 可以看出, 颗粒平均粒径对炉内燃烧器区 域的温度分布有很大的影响, 随着颗粒平均粒径的 增大, 燃烧器区域的温度水平降低较大。这是由于煤476动力工程第 24 卷粉颗粒平均粒径过大, 比表面积 ( 表面积质量) 小,加热升温慢, 不利于挥发份的析出, 煤粉气流着火延 迟, 使得燃烧器区温度水平降低, 煤颗粒的非均相燃 烧反应不完全, 从而导致炉内燃烧器区域氧量增加。3. 2. 2颗粒平均粒径对出口处参数的影响图 7

40、颗粒平均粒径对出口处烟气平均温度和烟气成份的平均质量 浓度的影响F ig 7 E ffec t s o f p a r t ic le f inene ss o n ave rage ga s tem p e ra tu re and sp ec ie s co ncen t ra t io n a t fu rnace ex it图 7 为颗粒平均粒径对出口处烟气平均温度, 平均氧量以及飞灰含碳量的影响。从图中可以看出: 颗粒平均粒径对出口处飞灰含碳量有较大影响, 颗 粒平均粒径的选择有个合适的范围。 颗粒平均粒径 过大, 煤粉燃尽困难, 从而在出口处有较多的飞灰含 碳量, 同时煤粉没有充分

41、燃烧, 导致炉膛温度水平下 降, 出口氧量增加。 颗粒平均粒径过小, 由于燃烧器 的旋向布置, 除了 D 层是 2 个燃烧器对旋, 上面 3 层均是朝向炉膛中心截面的同一旋向, 这样必然导 致煤粉向炉膛中心截面处运动, 煤粉在炉内的停留 时间过短, 小颗粒煤粉燃尽困难, 出口处也有较多的 飞灰含碳量。3. 2. 3颗粒平均粒径的优化选择图 8 给出了颗粒平均粒径对D 层燃烧器区域图 8颗粒平均粒径对 D 层燃烧器区域烟气平均温度、煤粉着火距 离和飞灰含碳量的影响F ig 8E ffec t s o f p a r t ic le f inene ss o n ave rage ga s tem

42、 p e ra tu re, ign i2t io n d istance and unbu rned ca rbo n co n ten t in f ly a sh a t com 2bu st io n zo ne o f D leve l bu rne r s烟气平均温度、煤粉着火距离和出口处飞灰含碳量 的影响。由上图可知, 为了保证出口处的飞灰含碳量 低于 3% , 颗粒平均粒径的范围为 25 40m ; 由于 煤粉着火距离均在 600mm 以内, 故其对颗粒平均 粒径的选取没有约束; 考虑到炉内燃烧器区域的温 度水平, 优化的颗粒平均粒径范围为 25 40m , 最 佳的颗粒平均粒

43、径约为 30m 。4结论(1) 一次风率的变化对炉内煤粉气流的着火影 响较大, 而对出口处烟气温度和烟气组分浓度的分 布情况影响较小。随着一次风率的增大, 燃烧器出口 处温升减缓, 煤粉气流着火延迟, 炉内温度水平下 降, 氧气浓度下降速度减缓。 在本文的运行工况下, 当二次风旋流数为 1. 5, 颗粒平均粒径为 22. 4m 时, 优化后的一次风率范围为 15% 17. 5% , 最佳 一次风率约为 17. 5% 。(2) 颗粒平均粒径的变化对煤粉气流的着火、 燃烧以及燃尽均有较大影响。 随着颗粒平均粒径的增大, 煤粉气流着火延迟, 燃烧器区域的温度水平降 低, 氧量增加, 出口处烟气温度下

44、降, 氧量增加。颗粒 平均粒径过大或过小, 都会导致煤粉燃尽困难, 使得 飞灰含碳量增加。在本文的运行工况下, 当二次风旋 流数为 2. 0, 一次风率为 18. 3% 时, 优化的颗粒平均粒径范围为 25 40m , 最佳的颗粒平均粒径约为30m 。参考文献:1 庄群, 刘兴国. 浅谈飞灰可燃物含量控制的必要性及方法J .华中电力, 2002, 15 ( 1) : 28 29.2 周昊, 朱洪波, 曾庭华, 等. 基于人工神经网络的大型电厂锅炉 飞灰含碳量建模J . 中国电机工程学报, 2002, 22 ( 6) : 96 100.3 张颉, 孙锐, 吴少华, 等. 200M W 旋流燃烧方式煤粉炉炉内 燃烧试验和数值研究 J . 中国电机工程学报, 2003, 23 ( 7) : 134 140.4 Sm oo t L D , Sm ith P J. Co a l com bu st io n and ga sif ica t io n M .N ew Yo rk: P lenm u P re ss, 1985.5 P a tan ta r