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二次风偏置旋流W火焰锅炉气固流动、燃烧及NO_x生成研究

王青祥  
【摘要】:近年来雾霾天气频发,氮氧化物(NO_x)是形成雾霾的主要前驱物之一。中国政府下发了史上最严电厂排放标准,到2020年燃煤电厂实现超低排放,其中NO_x排放浓度不高于50mg/m3(O2=6%)。我国无烟煤储量丰富。W火焰锅炉由于其自身结构特点,延长了煤粉在炉内的停留时间,对于无烟煤的燃烧有着不可取代的地位,已在电厂得到了大量应用。美国巴威(BW)公司制造的采用旋流燃烧器W火焰锅炉(简称旋流W火焰锅炉)作为两种W火焰锅炉类型之一,市场保有量较大,然而该锅炉NO_x排放量和飞灰可燃物含量超高,且无法实现超低负荷稳燃。因此,有必要对W火焰炉炉内气固流动、燃烧和NO_x生成及其控制展开深入研究,开发出适用于燃用无烟煤、高效低NO_x排放和超低负荷稳燃的W火焰锅炉新型燃烧技术。为实现BW型旋流W火焰锅炉低NO_x排放,首先提出了深度空气分级燃烧技术,并将该技术应用到300MW机组W火焰锅炉。通过工业试验,研究了不同燃尽风率、二次风和分级风风量分配对煤粉着火、燃尽以及NO_x排放特性的影响,掌握了影响飞灰可燃物含量和NO_x排放的关键参数,并确定了较佳的技术参数设置:燃尽风率为19.7%、燃烧器二次风与分级风风量配比为47.1%:13.5%。为大幅度降低飞灰可燃物含量,在对上述深度空气分级技术研究的基础上,开发出了旋流二次风偏置燃烧技术,并通过气固两相冷态模化试验、工业热态试验以及数值模拟开展了全面系统性研究。通过建立单相冷态试验系统,利用恒温热线风速仪,首先测量了二次风偏置旋流燃烧器出口气流的轴向和切向速度分布,同时对BW技术和旋流二次风偏置技术下W火焰锅炉炉内单相流动特性进行测量并对比分析,确定了旋流二次风偏置技术在促进煤粉燃尽和降低NO_x生成的有效性。最后,研究了旋流二次风偏置技术不同一次风率下拱上气流速度衰减特性、炉内流场对称性和前、后侧气流下冲深度等。当一次风率为17.09%和19.08%时,炉内流场偏斜;当一次风率由21.11%增大到24.75%时,炉内流场对称。一次风率由17.09%增加到21.11%,前墙侧气流无量纲下冲深度呈线性由0.364增加到0.521。以应用二次风偏置旋流燃烧器和BW型旋流燃烧器的W火焰锅炉为研究对象,搭建了气固两相冷态模化试验台,通过颗粒动态分析仪(PDA),首先对两种燃烧技术在满负荷和超低负荷(30%额定负荷)下气固流动特性进行全方位对比分析,确定了旋流二次风偏置技术在促进煤粉燃尽、降低NO_x生成以及提高低负荷稳燃方面的有效性和先进性。同时,研究了不同乏气下倾角度、燃烧器入射角度和燃尽风率对旋流二次风偏置技术下气固流动特性的影响。随着乏气下倾角度增大、燃烧器入射角度和燃尽风率减小,拱下回流区尺寸及回流速度均不断增大。当乏气下倾角度由28°增加到50°时,乏气下方颗粒体积流量不断增加,乏气对下冲气流的引射能力增强。随着燃烧器入射角度减小,下炉膛气固两相最大竖直速度不断增加;在分级风下方区域,烧器入射角度为0°和8°时最大颗粒体积流率是烧器入射角度15°和25°的2倍以上。推荐乏气下倾角度为40°至50°,燃烧器下倾角度为8°以下。通过全面的工业热态试验测量,包括燃烧器出口区域烟气温度、炉膛烟气温度分布、主燃区各烟气组分浓度分布以及炉膛出口NO_x和CO排放浓度、飞灰可燃物含量以及排烟温度等,首先对BW技术、深度空气分级技术和旋流二次风偏置技术下无烟煤燃烧和NO_x排放特性进行了详尽对比分析。同时,提出了增大一次风机出力以及关小乏气挡板开度两种方式大幅度提高燃烧器一次风速的技术方案,来进一步降低飞灰可燃物含量。一次风率为18.47%下,冷灰斗烟气温度严重不对称。当一次风率由22.96%增大到23.85%时,飞灰可燃物含量不断降低,但炉膛出口NO_x排放明显增加。随着乏气挡板开度由100%减小到40%,燃烧器一次风速由23.9m/s增大到32.6m/s,锅炉热效率由91.0%增加到92.3%,炉膛出口NO_x排放略有增加。推荐一次风率为22.96%,乏气挡板开度为40%(对应的燃烧器一次风速为32.6m/s)。与BW技术相比,飞灰可燃物含量降低约4个百分点,同时NO_x排放浓度降低了43.3%。工业试验也证实旋流二次风偏置技术成功实现了锅炉超低负荷稳燃。最后借助数值模拟方法,研究了全新旋流二次风偏置技术下不同一次风和乏气风量分配以及燃尽风率对炉内流动、无烟煤燃烧和NO_x排放特性的影响。随着一次风和乏气风量配比由4:6增加到6:4,一次风速由20.48m/s增加到30.72m/s,飞灰可燃物含量由8.97%大幅度降低至5.35%,NO_x排放浓度由672mg/m3(O2=6%)大幅增加至729mg/m3(O2=6%)。当燃尽风率由20%增大至25%时,飞灰可燃物含量增加明显;燃尽风率由15%增大至20%时,NO_x排放浓度降低幅度较大。推荐一次风和乏气风量配比和燃尽风率分别为6:4和20%。


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