新型低NO_x旋流燃烧器关键参数对稳燃特性的影响研究

发布时间：2020-10-20 03:31

　　 我国能源结构目前正处于化石能源向可再生能源逐步转型时期,大力发展清洁能源是能源转型的首要目标,解决清洁能源的消纳问题是建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系的有力抓手,也是促进生态文明建设,实现美丽中国的关键环节。为提高我国清洁能源的消纳能力,需提高电力系统调节能力,充分挖掘现有系统调峰能力。具体到火电机组,其中很重要的一点就是提升燃煤锅炉最低负荷稳燃能力,燃烧器作为煤粉燃烧系统中的核心设备,对锅炉稳燃特性起最关键的作用。本文针对现有常规火电机组锅炉低负荷调峰能力受限的问题,以某新型低NO_x旋流燃烧器为研究对象,采用现场试验、冷态模化试验、数值模拟计算等研究手段,详细探究了新型低NO_x旋流燃烧器稳燃器形状、煤粉浓缩器位置、风速(风量)配比、旋流强度等关键参数对其稳燃特性的影响。通过对配置某新型低NO_x旋流燃烧器的褐煤锅炉进行深度调峰现场试验,采用双色光谱辐射测温系统对燃烧器喷口火焰温度场进行在线测量,研究了运行参数对燃烧器喷口火焰温度的影响。试验结果表明,内二次风量开度由40%开大至100%,燃烧器喷口平均温度提高96℃;降低煤粉细度、增大旋流强度等措施均可不同程度提高燃烧器喷口火焰温度;通过精细化运行调整,借助双色光谱辐射测温系统的在线测量和准确反馈,能够挖掘机组自身所具有的低负荷调峰能力。试验过程中存在以下问题,机组30%额定负荷试验期间,部分燃烧器火检信号强度较低,燃烧状态变差,存在灭火的风险,为进一步提升锅炉低负荷燃烧稳定性,需针对该燃烧器搭建冷态试验台探究其关键参数对喷口流场的影响。搭建燃烧器冷态试验台,对原型燃烧器4:1缩小模型进行冷态模化试验研究,采用粒子图像测速仪(PIV)和烟花示踪法对燃烧器喷口流场特性进行了详细分析。研究结果表明,相比原型燃烧器,齿形稳燃器和十字钝体稳燃器将回流面积分别扩大0.08m~2和0.02m~2;浓缩器位置由基准工况υ=0.19前移至υ=0.14时,已无明显的回流区形成;增加内二次风与一次风速配比和增强旋流强度可以增大回流面积,提升高温烟气回流量,内二次风速w_2由基准工况18.07m/s增至21.60m/s时,回流区面积扩大0.04m~2,外旋叶片开度由30%开大至60%,外旋强度Ω_((17))由0.69增大至1.94,回流区面积扩大0.14m~2;旋流强度的增强同时会引起气流扩展角的增大。建立新型低NO_x旋流燃烧器三维模型,采用数值模拟的方法对燃烧器喷口流场、温度场、CO浓度场进行计算,并与试验结果进行对比。数值计算与冷态试验的燃烧器喷口速度分布有相同的变化趋势,与现场试验所测喷口平均温度范围相近,说明通过合适数学物理模型选择,数值计算能够得到可靠的计算结果。相比原型燃烧器,齿形稳燃器与十字钝体稳燃器均可使回流区位置、煤粉气流热解位置、着火位置前移,其中着火位置前移约0.24m;一次风与内二次风的风速配比对回流区大小、回流速度及燃烧室温度影响显著,一次风速w_1由19.60m/s降至12.10m/s时,最大回流速度提高1.5m/s,燃烧室内最高温度由1420K提高至1557K;旋流强度主要影响火焰扩展角与回流速度,外旋叶片开度由30%开大至60%,外旋强度Ω_((17))由0.69增大至1.94,火焰扩展角增大70°,最大回流速度提高2.7m/s。通过对比原型燃烧器和安装齿形稳燃器的燃烧器燃烧模拟过程CO生成浓度发现,原型燃烧器CO浓度明显增长的区域(CO摩尔分数大于0.01)在外二次风扩口附近,安装齿形稳燃器CO浓度明显增长的区域位于稳燃器后0.04m处,较原型燃烧器前移约0.2m,稳燃器的存在使煤粉气流热解位置提前,同时与原型燃烧器相比燃烧室内整体CO浓度降低,有利于缓解炉膛两侧还原性气氛高,水冷壁高温腐蚀的问题。为提高新型低NO_x旋流燃烧器的稳燃能力,应首先通过精细化运行调整,挖掘机组自身所具有的低负荷调峰潜力,主要调整原则为:降低煤粉细度,适当降低一次风速,提高内二次风速,适当增强旋流强度。为进一步提升机组深度调峰能力,可以针对燃烧器结构进行改造,在一次风喷口安装齿形或十字钝体稳燃器,煤粉浓缩器位置可布置于远离一次风喷口处,并安装一次风导流环,提高高温烟气回流量的同时保证了“浓淡分离”效果。
【学位单位】：西安热工研究院有限公司
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM621.2
【部分图文】：

1.1 课题研究背景社会经济的高速增长与人民生活的不断提升都与能源产业发展休戚相关，“十三五”时期是全面建成小康、全面深化改革的关键时期，也是推动能源革命的加速期，能源产业低碳转型任重道远。大力发展清洁能源是能源转型的首要目标，解决清洁能源的消纳问题是建设清洁低碳、安全高效的现代能源体系的有力抓手，也是促进生态文明建设，实现美丽中国的关键环节[1]。国家发改委、国家能源局发布的《电力发展“十三五”规划》中明确指出：“大力发展新能源”是我国电力发展的重点任务[2]，然而，常规火电机组的运行特性限制了电力系统的灵活性，也是我国许多地区可再生能源消纳困难的首要原因。截止 2018 年底，我国发电装机容量为 19.00 亿千瓦，其中，火电、水电、风电、太阳能发电的装机容量分别约为 11.44 亿千瓦、3.52 亿千瓦、1.84 亿千瓦、1.75 亿千瓦，电力总产量为6994.0TWh，火电、水电、风电、太阳能发电量分别约为 4923.1TWh、1232.9TWh、366.0TWh、177.5TWh[3]，主要能源装机容量及发电量占比见图 1-1，水电等可再生能源发电量占比为 25.4%，远小于其装机容量占比 37.4%，“弃风弃光弃水”现象仍十分严重，清洁能源的消纳问题，已成为制约电力行业健康可持续发展的重要因素[1]。

、炉墙等对煤粉的辐射换热，忽略回流烟气对流换热2 4 404 ( )mh mTr T T 1，着火前 Tm4 Th4,可略去，则由式(1-4)可求得：( )4 4h mT T )和式(1-5)计算得出煤粉颗粒加热曲线如图 1-2 所示。气温度 1000℃时，考虑对流传热和辐射传热的煤粉颗时，由于煤粉颗粒周围介质温度较低，煤粉受高温烟给周围介质，曲线 3 为考虑这一因素的煤粉颗粒加热速度较粗煤粉颗粒快的多，因此，煤粉颗粒的着火由传热的升温速度比辐射传热快得多。在煤粉气流中，高温烟气的辐射加热，以上几点可以说明煤粉气流的流传热，因此在低负荷稳燃燃烧器的运行参数与结构如何增大高温烟气回流量以强化煤粉气流的初期着火

西安热工研究院硕士学位论文气回流稳燃原理粉着火前在炉膛内被加热的热源主要为高温烟气的对流传热区有利于煤粉初期的燃烧[6]。旋流燃烧器喷口为旋转射流，在一个低于周围介质压力的负压区，与周围介质形成压差，在周围介质逆轴向射流方向向喷口处运动，形成如图 1-3 所示器一次风喷口处加装稳燃器，利用煤粉气流流经稳燃器后产高温烟气的对流换热量。
【参考文献】

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本文编号：2848141