W型火焰鍋爐氣固兩相流試驗(yàn)研究

張方時(shí)/黑龍江省電力科學(xué)研究院

W型火焰鍋爐氣固兩相流試驗(yàn)研究

張方時(shí)/黑龍江省電力科學(xué)研究院

根據(jù)多次引射分級(jí)燃燒技術(shù)，搭建了氣固兩相冷態(tài)模化試驗(yàn)臺(tái)。本試驗(yàn)在保持拱上、拱下二次風(fēng)噴口總面積不變，拱下二次風(fēng)的下傾角度不發(fā)生改變的情況下，研究拱下與拱上二次風(fēng)在一定配風(fēng)比對(duì)爐內(nèi)的燃燒特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明拱下二次風(fēng)的引入對(duì)于防止冷灰斗的結(jié)渣具有重要的作用。

W型火焰鍋爐；氣固兩相流；二次風(fēng)

一、前言

我國(guó)擁有豐富的煤炭資源，是世界上最大的煤炭生產(chǎn)國(guó)和消費(fèi)國(guó)，也是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一。根據(jù)相關(guān)部門(mén)的預(yù)測(cè)，到2015年，在我國(guó)的一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，煤炭資源所占的比重約為62.6%；到2050年，隨著新能源的開(kāi)發(fā)和技術(shù)成熟加以利用，煤炭資源所占的比重將會(huì)有所下降，但是依然將超過(guò)50%以上在我國(guó)的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中。

我國(guó)的電力政策是火電廠優(yōu)先燃用劣質(zhì)煤，無(wú)煙煤是劣質(zhì)煤的一種，由于無(wú)煙煤的‰≤10%，所以燃燒無(wú)煙煤有三難：著火難、穩(wěn)燃難和燃盡難。目前燃用無(wú)煙煤的鍋爐多為“W”火焰鍋爐。“W”火焰鍋爐是由美國(guó)FW公司首創(chuàng)，后經(jīng)法國(guó)Stein公司和日本HIT·FW公司等不斷完善而發(fā)展起來(lái)的新型鍋爐，綜合了強(qiáng)化無(wú)煙煤燃燒的各種措施——延長(zhǎng)火焰、分級(jí)送風(fēng)、煤粉濃縮、敷設(shè)衛(wèi)燃帶等，非常適合于燃燒無(wú)煙煤。上世紀(jì)80年代末“W”火焰燃燒技術(shù)引入我國(guó)，現(xiàn)已成為我國(guó)燃用低揮發(fā)分煤應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。

目前我國(guó)傳統(tǒng)的幾大鍋爐廠都擁有相關(guān)的W火焰鍋爐技術(shù)，但是一個(gè)不容忽視的現(xiàn)狀是我國(guó)的目前所投入生產(chǎn)使用的W火焰鍋爐技術(shù)大部分是從國(guó)外引進(jìn)而來(lái)。由于國(guó)外的相關(guān)技術(shù)并不是十分的適應(yīng)于中國(guó)的煤質(zhì)現(xiàn)狀，所以利用從國(guó)外直接引進(jìn)的W火焰鍋爐技術(shù)的在中國(guó)國(guó)內(nèi)的應(yīng)用存在著燃燒效率偏低、可燃物含碳量偏高、易于結(jié)渣、NOx排放量過(guò)高等問(wèn)題的存在。

現(xiàn)階段我國(guó)多個(gè)高校和研究所針對(duì)于上述存在的問(wèn)題，進(jìn)行了對(duì)該項(xiàng)技術(shù)系統(tǒng)的研究和二次開(kāi)發(fā)，逐漸形成了具有獨(dú)立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的W火焰鍋爐的相關(guān)技術(shù)，其最主要的特點(diǎn)就是提升了燃燒效率，降低了NOX排放量，這也成功的解決了國(guó)外此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)鍋爐存在的主要的問(wèn)題。

二、試驗(yàn)研究

1.試驗(yàn)臺(tái)搭建。

（1）多次引射分級(jí)技術(shù)。

圖1是W火焰鍋爐多次引射分級(jí)技術(shù)示意圖。從圖中可以看到在爐拱上從爐膛中心向前后墻依次布置一次風(fēng)、內(nèi)二次風(fēng)、乏氣和外二次風(fēng)，在每組燃燒器的邊側(cè)布置二次風(fēng)噴口。此技術(shù)燃燒器將一次風(fēng)噴口布置在靠近爐膛中心的一側(cè)，使一次風(fēng)直接接受來(lái)自爐膛中心的高溫?zé)煔獾妮椛浜蛯?duì)流熱量，以及時(shí)著火并穩(wěn)定燃燒；同時(shí)一次風(fēng)風(fēng)速取值較低，同樣有利于著火。為保證煤粉氣流的下射深度，內(nèi)、外二次風(fēng)以及拱下二次風(fēng)風(fēng)速取值較高，以不斷帶動(dòng)一次風(fēng)向下運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)供風(fēng)，提供了煤粉燃燒所需的空氣，保證了煤粉的燃燒和爐膛的穩(wěn)定性。將內(nèi)二次風(fēng)布置在一次風(fēng)和乏氣之間，實(shí)現(xiàn)了燃料分級(jí)；將二次風(fēng)分為內(nèi)、外二次風(fēng)以及拱下二次風(fēng)，同時(shí)由二次風(fēng)箱中引出部分風(fēng)由燃盡風(fēng)噴口給入，實(shí)現(xiàn)了深度空氣分級(jí)，可有效控制氮氧化物的生成。將外二次風(fēng)布置在靠近前后墻的位置，以防止前后墻的結(jié)渣。

（2）試驗(yàn)測(cè)量方法。

冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)在爐膛中心線與一次風(fēng)噴口出口處所在水平直線的交點(diǎn)處。即X/X0=0處為爐膛中心，X/X0=0.5為靠近爐膛前墻的位置。豎直方向的正方向?yàn)橹赶蛳路?，水平方向的正方向?yàn)闋t膛中心指向爐膛前墻的方向。H0為一次風(fēng)噴口出口處豎直向下到與冷灰斗交點(diǎn)的距離，X0為爐膛的前后墻之間的距離。為了更加便于研究拱下二次風(fēng)對(duì)于爐內(nèi)流場(chǎng)的影響，所以在拱下二次風(fēng)附近選擇的測(cè)點(diǎn)較為密集。每一個(gè)截面沿X方向均選取若干測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。采集點(diǎn)的安排為濃相區(qū)相對(duì)密集，在內(nèi)、外二次風(fēng)、一次風(fēng)以及乏氣噴口下方都設(shè)定采集點(diǎn)，稀相區(qū)的采集點(diǎn)都相對(duì)稀疏一些。定義Vx為水平方向上的速度，Vy為豎直方向上的速度，Vy0為一次風(fēng)噴口出口處的豎直方向上的速度。

本試驗(yàn)中使用的測(cè)量系統(tǒng)的名稱為三維激光顆粒動(dòng)態(tài)分析儀（3D-Phase Doppler Particle Anemometer），這種分析儀器是由德國(guó)的Dantec Dynamics公司生產(chǎn)制造的。整個(gè)PDA測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)圖如圖4所示。該試驗(yàn)儀器具有以下的優(yōu)勢(shì)：

1.該測(cè)量系統(tǒng)可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的粒子濃度、粒徑大小以及所設(shè)立的x、y、z三個(gè)方向上的速度大小進(jìn)行同時(shí)的測(cè)量；

2.該測(cè)量系統(tǒng)可以進(jìn)行測(cè)量的速度范圍十分廣泛。無(wú)論被測(cè)粒子是處于靜止的狀態(tài)還是正處于超音速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，即便是處于環(huán)流湍流狀態(tài)中的粒子在做作反向流動(dòng)的時(shí)候，該測(cè)量系統(tǒng)都可以進(jìn)行測(cè)量；

3.該測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的粒子尺寸范圍很大，微米量級(jí)到厘米量級(jí)都處于該系統(tǒng)的測(cè)量范圍。相對(duì)于其他的測(cè)量系統(tǒng)，PDA系統(tǒng)的精度以及空間分辨率都相對(duì)較高；

4.該測(cè)量系統(tǒng)不需要進(jìn)行標(biāo)定，機(jī)械測(cè)量探頭的局限性可以被有效的避免。

表1中所示的就是試驗(yàn)工況。在保持拱上、拱下二次風(fēng)噴口總面積不變，拱下二次風(fēng)的下傾角度不發(fā)生改變的情況下，研究拱下與拱上二次風(fēng)在一定配風(fēng)比對(duì)爐內(nèi)的燃燒特性的影響。

3.試驗(yàn)結(jié)果分析

爐內(nèi)固相和氣相的豎直速度分布如圖5所示，從圖中可以觀察到氣相和固相具有相似的分布規(guī)律。另外，所有的截面都清晰的反映出，靠近爐膛中心（X/X0=0）位置其速度為負(fù)值，而靠近爐膛邊壁（X/X0=0.5）的位置速度為正值，即為靠近爐膛中心的位置氣流的方向是豎直向上的，而靠近爐膛邊壁位置的速度方向是豎直向下的，因此可以驗(yàn)證氣流在爐膛內(nèi)部構(gòu)成了W形的流動(dòng)方式。

通過(guò)圖5的所有截面可以得出如下結(jié)論，在X/X0=0.4的附近出現(xiàn)一個(gè)速度的峰值，這個(gè)位置為內(nèi)二次風(fēng)區(qū)域附近，這個(gè)峰值的產(chǎn)生的原因主要是由于二次風(fēng)的引入而造成的。隨著所選擇爐膛截面的向下移動(dòng)，這個(gè)峰值逐漸減小，造成這種

現(xiàn)象的原因主要是隨著氣流的逐步下深，氣流逐漸同周圍氣體進(jìn)行混合而產(chǎn)生的。圖5也可以清晰地反映出由于拱下二次風(fēng)的引入，使氣流逐漸偏向爐膛的中心區(qū)域。

從圖5可以分析得出內(nèi)、外二次風(fēng)對(duì)于煤粉氣流具有引射的作用，同時(shí)由于拱下二次風(fēng)的速度過(guò)小，也影響對(duì)下沖氣流的“攔截”作用，這些原因都導(dǎo)致了煤粉氣流速度較大，而有較深的下傾深度，從這個(gè)圖也可以得出拱下二次風(fēng)所占比例過(guò)小，則冷灰斗易被煤粉氣流沖刷從而造成結(jié)渣的結(jié)論。

從圖6可以清晰的觀察到氣相和固相具有相似的速度分布趨勢(shì)，在H/H0=0.07到H/H0=0.14的截面存在兩個(gè)峰值，這兩個(gè)峰值分別是由濃煤粉氣流和淡煤粉氣流產(chǎn)生的，而在水平方向上的速度均是由于爐內(nèi)煤粉氣流的偏斜造成的，所以存在兩個(gè)峰值。在截面 H/H0=0.21到截面H/H0=0.42的時(shí)候，我們可以觀察到這個(gè)時(shí)候水平方向的速度峰值只存在一個(gè)，這主要是因?yàn)殡S著氣流的繼續(xù)向下移動(dòng)，氣流之間逐漸混合擴(kuò)散而造成的。另外，在截面H/H0=0.437到截面H/H0=0.594之間，較之前各截面存在一個(gè)較明顯的峰值，這主要是因?yàn)楣跋露物L(fēng)的引入，使得氣流突然出現(xiàn)一個(gè)較大的水平速度。拱下二次風(fēng)的噴口所在截面為H/H0=0.437,，但是我們可以觀察到最大的峰值出現(xiàn)在H/H0=0. 455這個(gè)截面上，這主要是因?yàn)楸菊n題試驗(yàn)臺(tái)的拱下二次風(fēng)風(fēng)箱的噴口是向下傾斜25度的，所以拱下二次風(fēng)的引入影響最大的截面要比H/H0=0.437偏下。

從圖6我們也可以觀察到從截面H/H0=0.07到截面H/H0=0.35之間的水平速度大部分是負(fù)值，這個(gè)負(fù)值表明此時(shí)的氣流方向是由爐膛中心流向靠近爐膛邊壁的方向，這也就說(shuō)明了爐膛內(nèi)部存在一個(gè)比較大的回流區(qū)域?；亓鲄^(qū)域的存在利于煤粉顆粒的燃燒，這是因?yàn)楦邷責(zé)煔獾幕亓骺梢詫?duì)一次風(fēng)射出的氣流進(jìn)行輻射以及對(duì)流的熱量交換，這種對(duì)于一次風(fēng)氣體的加熱也就便于一次風(fēng)氣體可以快速的著火。

四、結(jié)論

對(duì)拱下、拱上一定配風(fēng)比的設(shè)計(jì)工況進(jìn)行了氣固兩相試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，爐內(nèi)氣流的流場(chǎng)穩(wěn)定，一次風(fēng)通過(guò)多次引射作用可以下深到冷灰斗部位，充分的利用了爐膛的空間，使煤粉顆粒在爐內(nèi)有足夠多的停留時(shí)間。本章的試驗(yàn)結(jié)果也可以表明，拱下二次風(fēng)的引入對(duì)于防止冷灰斗的結(jié)渣具有重要的作用。

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圖1 W火焰鍋爐多次引射分級(jí)燃燒技術(shù)示意圖

圖2 冷態(tài)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 測(cè)量系統(tǒng)示意圖

表1 各股氣流出口參數(shù)

圖5 氣固兩相豎直無(wú)量綱速度分布

圖6 氣固兩相水平無(wú)量綱速度分布