逆喷旋流煤粉燃烧器的空气动力场研究
发布时间：2021-10-16 18:18
本文以逆喷旋流煤粉燃烧器为研究对象,为揭示逆向射流耦合旋流稳焰机理以及不同工况和工艺参数对逆喷旋流煤粉燃烧器空气动力场的影响规律,分别搭建1:2的单相冷态试验台和1:5的气固两相试验台,利用热线风速仪和飘带示踪开展了不同逆向一次风率、不同内外二次风比例以及预燃锥对逆喷旋流煤粉燃烧器单相流动特性影响试验,在此研究基础上,利用PDA（Phase Doppler Anemometer）开展了直流二次风对逆向一次风粉流动特性影响试验和不同内二次风叶片角度对逆喷旋流煤粉燃烧器气固两相流动特性影响试验,最后在14MW逆喷旋流煤粉燃烧器试验台架上进行热态验证试验。研究结论如下:（1）通过单相流动特性试验得出,不加装预燃锥时,当逆向一次风率为14.86%,内外二次风比例为1:2时,耦合回流区的面积、相对回流量以及气流旋转能力均适宜,内外二次风掺混较延迟且比较剧烈。加装预燃锥时,随着内外二次风比例从2:5增加到1:1,耦合回流区最大直径从0.67 D增加到0.87 D（D为外二次风管内径）,相对回流率从0.83增加到1.29;耦合回流区内0.3≤X/D≤0.8的区域速度较低但湍动强烈（X为燃烧器的轴向方...
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
993-2018年世界能源消费结构[1]
煤炭科学研究总院硕士学位论文2严格，重点地区新建的燃煤锅炉必须满足超低排放要求。因此针对煤粉工业锅炉，在提高燃烧效率的同时降低污染物初始排放、降低环保设备的运行成本势在必行。图1.22004-2018中国能源消费结构[3]Fig.1.2China’sEnergyConsumptionStructurein2004-2018[3]煤科院节能技术有限公司自主研发的煤粉工业锅炉，设计煤种为烟煤，自2006年推广示范以来，取得了良好的节能减排示范效果，得到了市场的广泛认可[5]。但针对日益严苛的国家环保政策，现有技术例如空气分级燃烧、再燃、烟气再循环、旋流、钝体等多种燃烧方式在高效稳定燃烧和降低NOx初始排放浓度方面很难再有新的突破，因此将逆向射流机理拓展到煤粉燃烧领域与现有的低氮稳燃技术融合，为煤粉清洁高效利用提供一个新的途径。煤科院逆喷旋流燃烧器是一款同时将逆向射流稳燃技术和旋流稳燃技术耦合适用于烟煤的煤粉燃烧器，但是目前该燃烧器的逆向射流耦合旋流稳燃机理研究不深入，限制了其在低负荷稳燃和宽煤种适应性等方面的广泛应用。本文以煤科院节能技术有限公司的逆喷旋流煤粉燃烧器为研究对象，通过等温模化原理搭建单相和气固两相试验台进行试验，然后进行工业验证，揭示逆向射流耦合旋流稳焰特性以及不同工况参数和工艺参数对逆喷旋流煤粉燃烧器空气动力场的影响规律，为降低NOx的初始排放浓度以及下一步燃烧器改造提供理论支撑和指导。1.2逆向射流燃烧技术研究现状逆向射流（Reversejet）即在燃烧系统中射流方向与主气流运动方向相反，又称为对流（Opposingjet）[6]。Schaffer于1954年首次提出在飞机发动机领域利
煤炭科学研究总院硕士学位论文4焰稳定器的稳定性特征的方法，利用商业丙烷作为燃料研究发现计算的稳定性极限与试验稳定性极限相比具有非常高的可靠性[12]。Agoston等利用天然气作为燃料，研究逆向射流和火焰的物理结构，通过试验结果分析，证明了Schaffer提出的临界区是均匀混合的和临界区位于火焰的尖端区域的观点是错误的。他认为示踪颗粒在其行程中明显滞留的区域即为再循环区域，火焰稳定的临界区域是与环形再循环区域的上游部分和外部部分邻接的扩散区域，并且该临界区是个非均匀混合的扩散性临界区[13]。关于强制逆向回流的代表技术是Seitzman团队首次提出SPRF滞点逆向回流（StagnationPointReverseFlow）[14]。图1.3为SPRF燃烧器示意图，该燃烧器反应物通过开口端中心的供料系统注入，供料系统可以通过其环形管提供可燃的预混合反应物，或者分别通过中心管和环形管提供燃料和空气，反应物沿着燃烧器中心线到达封闭端之后被强制回流，然后通过喷射系统周围的环形出口离开系统。该燃烧器低NOx排放机理是在贫燃料的条件下实现稳定燃烧，通过热产物夹带自由基逆向回流与反应物混合，提高反应物温度，同时降低了反应物的点火温度，在燃烧器出口端形成一个低速高湍流的稳定燃烧区域[14-16]。图1.3SPRF燃烧器示意图[16]Fig.1.3StructuraldiagramofSPRFburner[16]Seitzman团队提出的新型SPRF燃烧器可以在预混或非预混燃烧模式下以超低NOx排放运行[14]。并且根据测得的数据显示，在两种模式下获得了相同的NOx排放。但是非预混合模式通常比预混合模式燃烧更稳定。Bobba研究了SPRF燃烧室的流场和燃烧特性，结果表明预混和非预混模式具有类似的火焰和流场结构，
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤粉工业锅炉技术发展及应用[J]. 周建明,崔豫泓,贾楠,崔名双,张斌,王彩虹. 洁净煤技术. 2020(01)
[2]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[3]水煤浆在双锥逆喷燃烧器内燃烧过程的数值分析[J]. 莫日根,王乃继,程晓磊. 洁净煤技术. 2018(02)
[4]20 t/h煤粉工业锅炉钝体改造试验研究[J]. 郭猛猛,梁兴,周建明,王永英. 洁净煤技术. 2018(02)
[5]旋流数对燃烧不稳定性及NOx生成的影响[J]. 石黎,付忠广,王瑞欣,沈亚洲. 动力工程学报. 2017(09)
[6]德国煤粉工业锅炉实践及我国研发、推广的现状与发展[J]. 王乃继,尚庆雨,张鑫,梁兴,肖翠微,王永英. 工业锅炉. 2016(02)
[7]旋流燃烧器扩口角度对其气固两相流场的影响[J]. 杨玉,马炜晨,董康,周昊. 动力工程学报. 2015(11)
[8]中等挥发分烟煤回燃逆喷式燃烧数值模拟[J]. 姜思源,王永英,周建明,张鑫,宋春燕. 煤炭学报. 2014(06)
[9]利用红外图像处理的石油焦粉富氧燃烧器冷态流场实验研究[J]. 周志军,黄昱,吉伟,潘小兵,刘奔,周俊虎. 中国电机工程学报. 2014(17)
[10]二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究[J]. 李兵臣,宋景慧,沈跃良,李德波,周少祥. 动力工程学报. 2012(12)
博士论文
[1]燃用低挥发分煤中心给粉旋流燃烧技术研究[D]. 李松.哈尔滨工业大学 2016
[2]FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术研究[D]. 任枫.哈尔滨工业大学 2010
[3]花瓣燃烧器的稳燃性能与应用研究[D]. 赵伶玲.东南大学 2005
硕士论文
[1]工业煤粉锅炉低氮燃烧器的数值模拟研究[D]. 马文明.山东大学 2018
[2]350MW W火焰锅炉风率配比对炉内流动及燃烧特性的影响[D]. 李晓光.哈尔滨工业大学 2017
[3]新型富氧煤粉燃烧器冷态试验与数值模拟[D]. 阮成冰.华中科技大学 2016
[4]贫煤低NOx旋流燃烧器的试验及模拟研究[D]. 尚天坤.清华大学 2016
[5]600MW火电站锅炉低氮燃烧研究[D]. 薄辉.华北电力大学 2015
[6]低NOx旋流燃烧器的试验研究和数值模拟[D]. 董康.浙江大学 2014
[7]双旋流燃烧器气固流动特性的试验研究[D]. 王琳.哈尔滨工业大学 2010
[8]燃用劣质煤低NOx旋流燃烧器研究[D]. 朱艳涛.华中科技大学 2008
[9]中心给粉旋流煤粉燃烧器在300MW锅炉的应用及试验研究[D]. 徐斌.哈尔滨工业大学 2007
[10]回转窑多通道燃烧器冷态模化试验研究与数值模拟[D]. 郝勇.浙江大学 2007
本文编号：3440278
【文章来源】：煤炭科学研究总院北京市
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
993-2018年世界能源消费结构[1]
煤炭科学研究总院硕士学位论文2严格，重点地区新建的燃煤锅炉必须满足超低排放要求。因此针对煤粉工业锅炉，在提高燃烧效率的同时降低污染物初始排放、降低环保设备的运行成本势在必行。图1.22004-2018中国能源消费结构[3]Fig.1.2China’sEnergyConsumptionStructurein2004-2018[3]煤科院节能技术有限公司自主研发的煤粉工业锅炉，设计煤种为烟煤，自2006年推广示范以来，取得了良好的节能减排示范效果，得到了市场的广泛认可[5]。但针对日益严苛的国家环保政策，现有技术例如空气分级燃烧、再燃、烟气再循环、旋流、钝体等多种燃烧方式在高效稳定燃烧和降低NOx初始排放浓度方面很难再有新的突破，因此将逆向射流机理拓展到煤粉燃烧领域与现有的低氮稳燃技术融合，为煤粉清洁高效利用提供一个新的途径。煤科院逆喷旋流燃烧器是一款同时将逆向射流稳燃技术和旋流稳燃技术耦合适用于烟煤的煤粉燃烧器，但是目前该燃烧器的逆向射流耦合旋流稳燃机理研究不深入，限制了其在低负荷稳燃和宽煤种适应性等方面的广泛应用。本文以煤科院节能技术有限公司的逆喷旋流煤粉燃烧器为研究对象，通过等温模化原理搭建单相和气固两相试验台进行试验，然后进行工业验证，揭示逆向射流耦合旋流稳焰特性以及不同工况参数和工艺参数对逆喷旋流煤粉燃烧器空气动力场的影响规律，为降低NOx的初始排放浓度以及下一步燃烧器改造提供理论支撑和指导。1.2逆向射流燃烧技术研究现状逆向射流（Reversejet）即在燃烧系统中射流方向与主气流运动方向相反，又称为对流（Opposingjet）[6]。Schaffer于1954年首次提出在飞机发动机领域利
煤炭科学研究总院硕士学位论文4焰稳定器的稳定性特征的方法，利用商业丙烷作为燃料研究发现计算的稳定性极限与试验稳定性极限相比具有非常高的可靠性[12]。Agoston等利用天然气作为燃料，研究逆向射流和火焰的物理结构，通过试验结果分析，证明了Schaffer提出的临界区是均匀混合的和临界区位于火焰的尖端区域的观点是错误的。他认为示踪颗粒在其行程中明显滞留的区域即为再循环区域，火焰稳定的临界区域是与环形再循环区域的上游部分和外部部分邻接的扩散区域，并且该临界区是个非均匀混合的扩散性临界区[13]。关于强制逆向回流的代表技术是Seitzman团队首次提出SPRF滞点逆向回流（StagnationPointReverseFlow）[14]。图1.3为SPRF燃烧器示意图，该燃烧器反应物通过开口端中心的供料系统注入，供料系统可以通过其环形管提供可燃的预混合反应物，或者分别通过中心管和环形管提供燃料和空气，反应物沿着燃烧器中心线到达封闭端之后被强制回流，然后通过喷射系统周围的环形出口离开系统。该燃烧器低NOx排放机理是在贫燃料的条件下实现稳定燃烧，通过热产物夹带自由基逆向回流与反应物混合，提高反应物温度，同时降低了反应物的点火温度，在燃烧器出口端形成一个低速高湍流的稳定燃烧区域[14-16]。图1.3SPRF燃烧器示意图[16]Fig.1.3StructuraldiagramofSPRFburner[16]Seitzman团队提出的新型SPRF燃烧器可以在预混或非预混燃烧模式下以超低NOx排放运行[14]。并且根据测得的数据显示，在两种模式下获得了相同的NOx排放。但是非预混合模式通常比预混合模式燃烧更稳定。Bobba研究了SPRF燃烧室的流场和燃烧特性，结果表明预混和非预混模式具有类似的火焰和流场结构，
【参考文献】：
期刊论文
[1]煤粉工业锅炉技术发展及应用[J]. 周建明,崔豫泓,贾楠,崔名双,张斌,王彩虹. 洁净煤技术. 2020(01)
[2]2025年中国能源消费及煤炭需求预测[J]. 谢和平,吴立新,郑德志. 煤炭学报. 2019(07)
[3]水煤浆在双锥逆喷燃烧器内燃烧过程的数值分析[J]. 莫日根,王乃继,程晓磊. 洁净煤技术. 2018(02)
[4]20 t/h煤粉工业锅炉钝体改造试验研究[J]. 郭猛猛,梁兴,周建明,王永英. 洁净煤技术. 2018(02)
[5]旋流数对燃烧不稳定性及NOx生成的影响[J]. 石黎,付忠广,王瑞欣,沈亚洲. 动力工程学报. 2017(09)
[6]德国煤粉工业锅炉实践及我国研发、推广的现状与发展[J]. 王乃继,尚庆雨,张鑫,梁兴,肖翠微,王永英. 工业锅炉. 2016(02)
[7]旋流燃烧器扩口角度对其气固两相流场的影响[J]. 杨玉,马炜晨,董康,周昊. 动力工程学报. 2015(11)
[8]中等挥发分烟煤回燃逆喷式燃烧数值模拟[J]. 姜思源,王永英,周建明,张鑫,宋春燕. 煤炭学报. 2014(06)
[9]利用红外图像处理的石油焦粉富氧燃烧器冷态流场实验研究[J]. 周志军,黄昱,吉伟,潘小兵,刘奔,周俊虎. 中国电机工程学报. 2014(17)
[10]二次风旋流强度可调范围的数值模拟研究[J]. 李兵臣,宋景慧,沈跃良,李德波,周少祥. 动力工程学报. 2012(12)
博士论文
[1]燃用低挥发分煤中心给粉旋流燃烧技术研究[D]. 李松.哈尔滨工业大学 2016
[2]FW型W火焰锅炉高效低NOx燃烧技术研究[D]. 任枫.哈尔滨工业大学 2010
[3]花瓣燃烧器的稳燃性能与应用研究[D]. 赵伶玲.东南大学 2005
硕士论文
[1]工业煤粉锅炉低氮燃烧器的数值模拟研究[D]. 马文明.山东大学 2018
[2]350MW W火焰锅炉风率配比对炉内流动及燃烧特性的影响[D]. 李晓光.哈尔滨工业大学 2017
[3]新型富氧煤粉燃烧器冷态试验与数值模拟[D]. 阮成冰.华中科技大学 2016
[4]贫煤低NOx旋流燃烧器的试验及模拟研究[D]. 尚天坤.清华大学 2016
[5]600MW火电站锅炉低氮燃烧研究[D]. 薄辉.华北电力大学 2015
[6]低NOx旋流燃烧器的试验研究和数值模拟[D]. 董康.浙江大学 2014
[7]双旋流燃烧器气固流动特性的试验研究[D]. 王琳.哈尔滨工业大学 2010
[8]燃用劣质煤低NOx旋流燃烧器研究[D]. 朱艳涛.华中科技大学 2008
[9]中心给粉旋流煤粉燃烧器在300MW锅炉的应用及试验研究[D]. 徐斌.哈尔滨工业大学 2007
[10]回转窑多通道燃烧器冷态模化试验研究与数值模拟[D]. 郝勇.浙江大学 2007
本文编号：3440278
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