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《哈尔滨工业大学》 2007年
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采用煤粉再燃技术炉内流动特性及工程应用研究

王国忠  
【摘要】: 煤粉再燃技术是一种低成本、相对高效的低氮氧化物(NO_x)燃烧技术,适合我国以煤为主的能源结构特点。国家“十五”863计划立项研究煤粉再燃低NO_x燃烧技术,并在元宝山发电厂3号机组600MW锅炉上进行工程示范。本文围绕这一课题开展了相应的研究工作,针对元宝山3号锅炉实施再燃改造方案,对炉内再燃区和燃尽区气固两相流动特性进行冷态模化试验研究,在此基础上提出可行的再燃技术改造方案,并在元宝山3号炉上进行工程应用,改造后对锅炉运行进行工业性试验,结果表明,再燃技术有效的降低了锅炉NO_x排放,达到了预期的改造目标。 本文采用PDA测量系统,在元宝山3号锅炉冷模试验台上分别就主燃区过量空气系数、主燃区二次风水平摆角、主燃区不同的配风方式、燃尽风喷口上下摆角一定角度以及燃尽风反切等因素,测量并分析了再燃区和燃尽区的气固两相流场特性。结果表明主燃区过量空气系数由0.95逐渐减小到0.8时,炉内气流旋转动量的减小导致再燃区漩涡直径逐渐增大;仅改变主燃区的配风方式,如停用不同的一次风喷口,对再燃区以及燃尽区的空气动力场特性影响较小;二次风摆角的增大,炉内气流的旋转强度增大,再燃区和燃尽区射流刚性明显减弱,当摆角过大时气流刷墙明显易造成水冷壁结渣,同时炉膛充满度以及气团间的传热传质较差,对煤粉的燃烧、NO_x还原不利;燃尽风喷口反切对射流的刚性影响不明显;燃尽风喷口上下摆动5°,射流的刚性明显减弱,向上摆动10°,射流呈自由射流特性,向下摆动10°时,射流刚性略有减弱,明显强于射流向下摆动5°工况,由于与下层主旋气流的剧烈冲撞,射流相对衰减较快;射流区域及喷口附近射流向火侧和背火侧存在一个相对较高的粒子浓度区间,同时由于受到离心分离的作用,在壁面附近也形成了相对高浓度区;粒子浓度分布的变化规律基本与气流的速度场分布规律对应,射流穿透性能较好时,浓度场分布相对均匀,炉膛充满度较好,反之,高浓度区域贴壁易造成结渣;在射流最大速度区间,湍流强度较小,受到上游射流以及主旋气流的冲击造成湍流强度峰值分布在射流最大速度两侧;气固两相流体的湍流特性在不同方向的差距也体现了湍流的各向异性的特点。沿径向方向湍流扩散能力较强,特别是在射流的向火侧,说明沿径向方向射流与外界的动量和质量交换能力较强。 对炉内流动过程进行了数值模拟研究,并对PDA气固两相流场测量结果进行了详细的对比分析,从定量上验证了采用合适的模型,FLUENT软件对气固两相流场的模拟具有较高的准确性,能满足工业应用。 在冷态试验以及数值模拟预报基础上提出了元宝山3号锅炉的煤粉再燃技术改造方案。改造前对锅炉正常运行和低氧燃烧运行两种工况进行了基准工业试验,试验表明低氧燃烧方式能大幅减小NO_x排放,但锅炉燃烧效率降低。改造后分别对不采用再燃仅采用炉内空气分级燃烧、采用H层喷口和采用G、H层喷口再燃进行工业性试验,实验表明三种运行工况都可以大大减小NO_x排放,尤其是在采用两层再燃喷口之后,NO_x排放仅为243.3mg/m~3(折算到O_2=6%)。锅炉的燃烧效率没有明显降低,而且结渣减轻,锅炉可以长期稳定运行。 对工业试验工况进行数值模拟对比,得到合适的数值模型和参数,进一步推广元宝山3号锅炉未实施的超细化煤粉再燃进行了数值预报,结果表明,NO_x的排放量比常规煤粉再燃略有降低,飞灰可燃物含量明显降低,锅炉的燃烧效率略有提高。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TK227.1

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