燃料分级局部富氧旋流煤粉燃烧器运行特性的数值模拟研究

摘要

煤炭是我国能源产业结构中的主要燃料，但我国矿物资源是有限的，煤炭资源日益紧张，而需求却日益旺盛，导致动力煤价格不断上涨，大多火电厂为了避免亏损只得选择采用成本低但质量差的劣质煤作为燃料。劣质煤燃烧过程中最大的问题就是稳燃问题。而随着科技的进步，氧气的制造技术不断精进，同时制氧成本也不断降低，利用富氧燃烧的方式解决劣质煤稳燃的问题成为可能。
　　本研究提出了一种新型的利用局部富氧和燃料分级技术达到可燃用劣质煤并有利于其稳燃的燃烧设备，即燃料分级局部富氧旋流煤粉燃烧器，并对其进行了热力计算和结构设计。该燃烧器的主要特点是：将燃料利用内、外两级一次风送入，形成分级燃烧；在富氧风和二次风通道中设置了旋流叶片，在燃烧器出口形成旋流燃烧，增加燃料在高温区的停留时间；第一级燃烧在富氧环境下进行，其燃料量较少，主要用于配合富氧风通道内旋流叶片形成中心高温回流区；利用第一级燃烧产生的高温区对整体燃烧进行稳燃。在选定了适合的数值计算模型后，利用数值模拟的方法对该燃烧器进行了冷态流场的模拟，研究富氧风和二次风通道内旋流叶片与燃烧器轴线的夹角对燃烧器出口流场的影响，结果表明：若旋流叶片与燃烧器轴线夹角过小，会使得气流流过叶片后产生的轴向速度分量过大，若夹角过大，则会产生较大的周向速度分量，两者都不能产生足够的径向速度分量以形成稳定的回流区。根据模拟结果，当富氧风通道内旋流叶片与燃烧器轴线夹角在20到45度之间，二次风通道内旋流叶片与燃烧器轴线夹角在30到60度之间时，在燃烧器出口段的燃烧室内可以形成稳定的中心回流区。根据结果选取富氧风通道内叶片与轴线夹角为30度，二次风通道内叶片与轴线夹角为45度时，燃烧器出口燃烧室内流场分布最为合理。根据冷态模拟结果，对该燃烧器进行了运行时的热态燃烧场模拟，探究富氧风通道内氧气浓度对燃烧器出口段燃烧室内温度和组分分布的影响，其结果表明：当富氧风通道内氧气浓度升高时，燃烧器出口段燃烧室内温度也随之升高，挥发分含量降低，二氧化碳和水蒸气含量升高。氧气与富氧风通道内氧气浓度相差增大，燃烧趋于完全。但是当氧浓度高于30%以后，温度及组分的变化趋势开始减缓。且当富氧风通道内氧气浓度低于30%时，温度随距燃烧室入口距离先增大后减小，在燃烧器出口段燃烧室距入口3m处温度最高；而当氧气浓度高于30%时，在燃烧器出口附近即开始产生高温区，之后温度随着距燃烧室入口逐渐减小。所以综合考虑以上结果以及经济性和安全性的影响，选取富氧风通道内氧气浓度为30%是最为合理的。

目录

第1章 绪 论

1.1课题研究背景及目的意义

1.2课题研究的目的和意义

1.3国内外研究现状及分析

1.4本文主要研究内容

第2章 燃料分级局部富氧旋流煤粉燃烧器的设计

2.1引言

2.2燃烧器主要设计参数的选取

2.3燃烧器的设计计算

2.4燃烧器结构图及物理模型

2.5本章小结

第3章 燃料分级局部富氧旋流煤粉燃烧器数值模型

3.1数学模型

3.2求解计算方法

3.3离散格式

3.4本章小结

第4章 旋流煤粉燃烧器冷态流场的数值模拟计算

4.1引言

4.2网格划分及无关性验证

4.3燃料分级局部富氧旋流煤粉燃烧器流动特性计算结果分析

4.4本章小结

第5章 旋流煤粉燃烧器热态燃烧场的数值模拟计算

5.1引言

5.2不同氧浓度下旋流燃烧器出口温度和组分分布

5.3旋流煤粉燃烧器热态燃烧场的参数特性分析

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢