高速煤粉燃烧器内燃烧特性数值模拟及结构优化

高速煤粉燃烧器火焰喷射速度高达60~200 m/s,炉膛内火焰较长,对流换热比例提高,使得炉膛内温度分布均匀,没有传统低速煤粉燃烧器火焰短,炉膛内局部过热和结焦等缺点。笔者以14 MW高速煤粉燃烧器为研究对象,采用数值模拟的方法,研究旋流强度、二次风温度等关键参数对燃烧器内煤粉燃烧的影响,针对燃烧器内煤粉燃烧特点进行结构优化设计。对旋流强度研究结果表明,当旋流强度S=2.2、2.8、3.2及3.7时,燃烧器内回流区形状变化不大,从一次风喷口开始到旋流叶片位置结束,回流区环绕一次风管;最大回流量在一次风喷口附近,距离一次风喷口越远,回流量越小;旋流强度对一次风喷口附近最大回流量影响不大,喷口附近最大回流量均在0.45 kg/s左右,当距喷口超过一定距离(L/H<0.35)时,旋流强度对回流量的影响开始变得明显,表现为旋流强度越大,回流区末端回流量越大,回流区末端回流量最大为0.30 kg/s,最小为0.17 kg/s。研究燃烧器喷口处燃烧状态表明,喷口处火焰旋流强度为0.10~0.28,与入口旋流强度正相关,火焰喷射速度150 m/s,为中等旋流强度的高速旋流火焰;喷口中心区可燃性组分富集,缺氧,燃料和氧气分层分布。当旋流强度提高,喷口中心区可燃性组分浓度降低,CO浓度从11%降低到10%,H2浓度从1.65%降低到1.40%,焦炭浓度从0. 14%降低到0. 11%,喷口边缘O2浓度从13%降低到10%。旋流强度S=3.2和S=3.7时可燃组分和氧气浓度分布变化较小,说明旋流强度提高对燃烧的影响减弱。考察0、100和200℃下二次风温度对燃烧的影响,结果表明,当二次风温度提高,煤粉在燃烧器内的反应时间有所降低,从0.15 s降低到0.11 s,但燃烧器内的煤粉碳转化率提高20%,达到65%。对燃烧器结构进行优化,加入中心风,对比中心风直流和旋流与不加中心风3种状态,结果表明,加入旋流中心风和直流中心风后喷口中心区半径r≤75 mm范围内可燃组分浓度降低,采用直流时由于气流刚性较强,喷口中心区氧气浓度升高,采用旋流中心风对中心区氧浓度影响弱,对可燃组分浓度降低效果优于直流中心风。

29 MW高速煤粉燃烧器稳燃机理

煤粉工业锅炉广泛应用于市政热力和工业园区,具有快速启停和调节负荷的优势。为了提高煤粉工业锅炉经济性,降低燃料成本,需要提高煤粉工业锅炉的燃料适应性。高速煤粉燃烧器作为煤粉工业锅炉的核心设备,目前其稳燃性能的研究主要围绕工业试验开展。以29 MW高速煤粉燃烧器为研究对象,研究其稳燃机理,首先对电站锅炉燃烧器着火热公式进行修正,获得适合于煤粉工业的着火热计算公式,计算7种负荷下的一次风煤粉气流着火热;其次采用数值模拟的方法分析6种工况下回流区变化情况并使用掺混系数分析高速煤粉燃烧器额定负荷燃烧混煤(工况f)时回流区边界上一次风和二次风混合情况;最后分析配置高速煤粉燃烧器的40 t/h蒸汽锅炉使用混煤和神府烟煤燃烧效果。研究结果表明,高速煤粉燃烧器一次风煤粉气流着火热随着负荷的提高而提高,当负荷从35%提高到100%,使用神府烟煤和混煤的着火热分别为450~850 kW和650~1300 kW;高速煤粉燃烧器回流区大小与负荷变化关系不大,高负荷下燃烧器内的稳燃压力大于低负荷,55%和75%负荷时回流区靠近一次风管回流帽;随一次风逆喷距离与一次风管内径比(L/d)增加,工况f回流区边界掺混系数由负值逐渐增加到正值,说明高温烟气能够及时进入回流区,促进一次风气流加热升温,同时在回流区末端烟气流出边界,与二次风汇合,形成滞止区,生成值班火焰;工业试验表明锅炉中低负荷下燃用混煤能够稳定着火并燃烧,当二次风量超过20000 Nm/h时燃烧不稳定,因为值班火焰被冷风逐渐吹灭,燃烧器内稳燃循环被打破。

高速煤粉燃烧器大占比掺烧秸秆共燃烧试验研究

为了研究煤粉工业锅炉大占比掺混生物质的燃烧特性和NOx排放特点,以高速煤粉燃烧器为研究对象,在型号为WNS的6 t/h蒸汽锅炉系统上进行试验研究,燃料为秸秆和神府烟煤混合粉体。首先研究混合燃料在高速煤粉燃烧器中的燃烧稳定性,其次研究掺混占比、锅炉负荷及空气分级对燃烧和NOx的影响。研究结果表明:不对燃烧器做任何改动,不同占比的混合燃料均能够在燃烧器中着火和稳燃,工况4条件下锅炉从点火到额定负荷只需26 min,燃烧器观火孔处火焰橘红色,炉尾火焰亮红色,锅炉运行氧含量与炉膛压力波动平稳;当深度空气分级时,三次风达到总风量的质量浓度50%,秸秆占比为0时的NOx最低排放质量浓度为420 mg/m^(3)左右,飞灰热值5525 kJ/kg;秸秆占比分别为50%和70%时NOx最低排放质量浓度为110~120 mg/m^(3),飞灰热值2511~2930 kJ;秸秆占比为100%时NOx最低排放质量浓度为200 mg/m^(3),飞灰热值为0,表明大占比掺混生物质有利于提高深度空气分级时的燃烧效率和低氮效果;当锅炉负荷从4 t/h提高到6 t/h,掺混秸秆占比为50%和70%的混合燃料燃烧和低氮效果变优,燃用纯秸秆粉体NOx排放质量浓度从135 mg/m^(3)增加到218 mg/m^(3);二次风是影响NOx排放的决定性因素,以50%掺混占比的混合燃料为例,使用空气分级技术,100%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为27%和100%,NOx初始排放质量浓度从417 mg/m^(3)降低到182 mg/m^(3),80%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为20%和70%,NOx初始排放质量浓度从711 mg/m^(3)降低到205 mg/m^(3)。